KR20130120591A - Nitride semiconductor light emitting device and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발광효율 및 전기적 특성을 개선한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device having improved luminous efficiency and electrical characteristics.
일반적으로 질화물 반도체 발광 소자에 사용되는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조로 되어 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.In general, nitrides of Group III elements such as gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN) used in nitride semiconductor light emitting devices have excellent thermal stability and have a direct transition type energy band structure. It is attracting much attention as a material for optoelectronic devices in the ultraviolet region. In particular, blue and green light emitting devices using gallium nitride (GaN) have been used in various applications such as large-scale color flat panel displays, traffic lights, indoor lighting, high-density light sources, high resolution output systems and optical communication.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 것이고, 도 2는 상기 도 1의 다중양자우물 구조의 활성층 영역을 도시한 도면이며, 도 3은 질화물 반도체 발광소자의 활성층에 대한 양자효율을 도시한 도면이다.1 illustrates a structure of a conventional nitride semiconductor light emitting device, and FIG. 2 illustrates an active layer region of the multi-quantum well structure of FIG. 1, and FIG. 3 illustrates quantum efficiency of an active layer of a nitride semiconductor light emitting device. One drawing.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 질화물 반도체 발광소자는, 절연 기판(10) 상에 버퍼층(20)이 형성되고, 상기 버퍼층(20) 상에 언도프트 반도체층(21), N형 반도체층(22), 활성층(50), P형 반도체층(24) 및 투명금속층(25) 들이 적층되어 있다. 또한, 외부로 노출된 N형 반도체층(22) 및 P형 반도체층(24) 상에는 각각 N형 전극(27)과 P형 전극(26)이 형성되어 있다.1 and 2, in the conventional nitride semiconductor light emitting device, a
상기 절연 기판(10)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 절연 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.The
상기 활성층(50)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InxGa1-xN(0≤x≤1)의 일반식으로 표현되는 양자우물층(51)과 양자장벽층(52)들이 교대로 형성되는 다중양자우물 구조를 갖는다. 이러한 활성층(50)을 이루는 물질의 종류에 따라 질화물 반도체 발광소자에서 방출되는 발광 파장이 결정된다.The
상기 활성층(50)에는 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW) 구조와 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조가 있다. 이 중에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 다중양자우물구조의 활성층(50)은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 갖는다.The
이러한 질화물 반도체 발광소자의 광 효율은 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.The light efficiency of the nitride semiconductor light emitting device is basically determined by the probability of recombination of electrons and holes in the active layer, that is, internal quantum efficiency. In order to improve the internal quantum efficiency, research has been conducted mainly to improve the structure of the active layer itself or to increase the effective mass of the carrier.
하지만, 종래 질화물 반도체 소자의 다중양자우물 구조는 도 3에 도시된 바와 같이 전류가 증가할수록 N형 반도체층(22)으로부터 제공되는 전자가 활성층(50) 영역에서 정공과 재결합하지 않고 전자 넘침(Over Flow)이 발생되는 문제가 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 낮은 전류에서는 전자와 정공의 재결합 확률이 높아, 대부분의 전자가 정공과 결합하여 높은 양자효율 특성을 갖지만, 전류가 증가할수록 결합되지 않는 전자가 증가하여 양자효율이 급격히 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이로 인하여 질화물 반도체 소자의 광효율이 저하된다. However, in the multi-quantum well structure of the conventional nitride semiconductor device, as shown in FIG. 3, electrons provided from the N-
또한, 활성층 내의 양자 우물층의 낮은 성장 온도로 인해 결정성이 저하되고, 활성층 내에서 비방사성(non-radiative) 재결합으로 인해 활성층(50) 내부에서의 발광성 재결합 효율이 떨어져서 내부 양자 효율이 떨어지며, 래터럴칩(Lateral chip)의 경우 N형 전극(27)에서 활성층(50)으로 전자 이동시 전자 분산이 제대로 이뤄지지 않아 전자 넘침이 발생하게 된다. In addition, due to the low growth temperature of the quantum well layer in the active layer, crystallinity is lowered, and due to non-radiative recombination in the active layer, the luminous recombination efficiency inside the
또한, 질화물 반도체층들로 형성된 활성층은 피에조 전기장(piezo electric field)에 의해 분극(polarization)이 발생되어 다른 밴드갭들과 다르게 경사지게 형성되고, 이를 양자 속박 효과(Quantum Confined Stark Effect; QCSE)하고 하는데, 이러한 양자속박효과에 의해 전자와 홀의 재결합율이 감소하여 발광효율이 떨어진다. 또한, 고 전류를 인가 시에 외부 양자효율이 현저히 저하(Efficiency droop)되는 경향을 보이는 문제점이 있으며, 이를 드룹(Droop) 현상이라고 한다. In addition, the active layer formed of the nitride semiconductor layers is polarized by the piezo electric field and is formed to be inclined differently from other bandgaps, which is used to perform the quantum confined stark effect (QCSE). By the quantum confinement effect, the recombination rate of electrons and holes decreases, resulting in low luminous efficiency. In addition, there is a problem that the external quantum efficiency is significantly reduced (Efficiency droop) tends to be applied when a high current is applied, which is called a droop phenomenon.
종래에는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 상기 N형 반도체층(22)과 활성층(50) 사이에서 전류 분산층(Current Spreading Layer)을 형성하여 광효율을 향상 시키고자 하였다.
Conventionally, in order to solve this problem, a current spreading layer is formed between the N-
본 발명은 N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 양자우물층 및 양자장벽층의 두께를 두껍게하여 활성층의 박막 결정성을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device having a thick quantum well layer and a quantum barrier layer adjacent to an N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer to improve thin film crystallinity of an active layer, and a method of manufacturing the same.
또한, 본 발명은 N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 영역에서는 두껍고, 사이 영역에서 P형 반도체층으로 갈수록 순차적으로 얇게 형성함으로써, N형 반도체층 및 P형 반도체층에서 활성층으로 전자와 정공의 이동도를 향상시키고 전류 분산을 향상하는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention is thicker in the region adjacent to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer, and sequentially formed thinner in the inter-region region to the P-type semiconductor layer, so that electrons and holes from the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer to the active layer Another object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, which improve the mobility of and improve current dispersion.
또한, 본 발명은 양자장벽층과 양자우물층의 두께를 다양하게 설계하되 파장은 일정하게 하여 온도차이에 의한 품질저하를 최소화하고 발광효율을 개선한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention provides a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, which is designed to vary the thickness of the quantum barrier layer and the quantum well layer, but the wavelength is constant to minimize the quality degradation due to the temperature difference and improve the luminous efficiency There is another purpose.
또한, 본 발명은 양자장벽층과 양자우물층의 경계부분의 품질을 개선하여 주입전류의 효과적인 재결합 효율을 높여 전기적인 특성을 개선한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device having improved electrical characteristics by improving the quality of the boundary portion between the quantum barrier layer and the quantum well layer and improving the recombination efficiency of the injection current, and a method of manufacturing the same. .
또한, 본 발명은 양자 속박 효과(Quantum confined stark effect)의 최소화로 발광효율을 개선하고, 드룹(Droop) 현상을 최소화하는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
Another object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, which improve light emission efficiency by minimizing a quantum confined stark effect and minimize a droop phenomenon.
상기와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, N형 반도체층과 P형 반도체층; 및 상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층들과 복수의 양자장벽층들이 교대로 배치되는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 영역에 형성되는 양자우물층들과 양자장벽층들로 이루어진 제 1 그룹과 그 사이의 내부영역에 형성되는 양자우물층들과 양자장벽층들로 이루어진 제 2 그룹으로 구분되며, 상기 제 1 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들은 상기 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들 보다 두께가 두꺼운 것을 특징으로 한다.The nitride semiconductor light emitting device of the present invention for solving the problems of the prior art as described above, N-type semiconductor layer and P-type semiconductor layer; And an active layer interposed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer and having a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and a plurality of quantum barrier layers are alternately disposed, and the active layer is an N-type semiconductor layer. And a first group of quantum well layers and quantum barrier layers formed in an area adjacent to the P-type semiconductor layer, and a second group of quantum well layers and quantum barrier layers formed in an inner region therebetween. The quantum well layers and the quantum barrier layers of the first group are thicker than the quantum well layers and the quantum barrier layers of the second group.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자 제조 방법은, 절연 기판 상에 버퍼층, 언도프트 반도체층, N형 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 N형 반도체층 상에 복수의 양자우물층들과 복수의 양자장벽층들이 교대로 배치되는 다중양자우물 구조의 활성층을 형성하는 단계와; 상기 활성층 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 활성층은 N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 영역에 형성되는 양자우물층들과 양자장벽층들로 이루어진 제 1 그룹과 그 사이의 내부영역에 형성되는 양자우물층들과 양자장벽층들로 이루어진 제 2 그룹으로 구분되며, 상기 제 1 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들은 상기 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들 보다 두께가 두껍게 형성되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention comprises the steps of: forming a buffer layer, an undoped semiconductor layer, an N-type semiconductor layer on an insulating substrate; Forming an active layer of a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and a plurality of quantum barrier layers are alternately disposed on the N-type semiconductor layer; Forming a P-type semiconductor layer on the active layer, the active layer comprising a first group of quantum well layers and quantum barrier layers formed in an area adjacent to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer; It is divided into a second group consisting of quantum well layers and quantum barrier layers formed in the inner region therebetween, wherein the first group of quantum well layers and quantum barrier layers are quantum well layers and quantum well layers It is characterized in that the thickness is formed thicker than the barrier layers.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법은, N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 양자우물층 및 양자장벽층의 두께를 두껍게하여 활성층의 박막 결정성을 향상시킨 제 1 효과가 있다.The nitride semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention have a first effect of increasing the thickness of the quantum well layer and the quantum barrier layer adjacent to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer to improve the thin film crystallinity of the active layer. .
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법은, N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 영역에서는 두껍고, 사이 영역에서 P형 반도체층으로 갈수록 순차적으로 얇게 형성함으로써, N형 반도체층 및 P형 반도체층에서 활성층으로 전자와 정공의 이동도를 향상시키고 전류 분산을 향상하는 제 2 효과가 있다.In addition, the nitride semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention are thick in the region adjacent to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer, and are sequentially thinned from the interregion to the P-type semiconductor layer, thereby forming the N-type semiconductor layer. And a second effect of improving the mobility of electrons and holes and improving current dispersion from the P-type semiconductor layer to the active layer.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법은, 양자장벽층과 양자우물층의 두께를 다양하게 설계하되 파장은 일정하게 하여 온도차이에 의한 품질저하를 최소화하고 발광효율을 개선한 제 3 효과가 있다.In addition, according to the present invention, the nitride semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same have various thicknesses of the quantum barrier layer and the quantum well layer, but the wavelength is constant to minimize the quality degradation due to the temperature difference and improve the luminous efficiency. 3 is effective.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법은, 양자장벽층과 양자우물층의 경계부분의 품질을 개선하여 주입전류의 효과적인 재결합 효율을 높여 전기적인 특성을 개선한 제 4 효과가 있다.In addition, the nitride semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention have a fourth effect of improving the electrical characteristics by improving the quality of the boundary portion between the quantum barrier layer and the quantum well layer to increase the effective recombination efficiency of the injection current. .
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법은, 양자 속박 효과(Quantum confined stark effect)의 최소화로 발광효율을 개선하고, 드룹(Droop) 현상을 최소화하는 제 5 효과가 있다.
In addition, the nitride semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention have a fifth effect of improving luminous efficiency and minimizing a droop phenomenon by minimizing a quantum confined stark effect.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 상기 도 1의 다중양자우물 구조의 활성층 영역을 도시한 도면이다.
도 3은 질화물 반도체 발광소자의 활성층에 대한 양자 효율을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.1 illustrates a structure of a conventional nitride semiconductor light emitting device.
FIG. 2 is a diagram illustrating an active layer region of the multi-quantum well structure of FIG. 1.
3 is a diagram illustrating quantum efficiency of an active layer of a nitride semiconductor light emitting device.
4 is a diagram illustrating an active layer structure of a multi-quantum well structure according to a first embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an active layer structure of a multi-quantum well structure according to a second embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 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, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be fully conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the size and thickness of the device may be exaggerated for convenience. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
아래 본 발명의 실시예들은 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.
The embodiments of the present invention change the structure of the active layer region around the conventional nitride semiconductor light emitting device of FIG. Accordingly, except for the structure of the active layer described below, components of the N-type electrode, the P-type electrode, and the like of the nitride semiconductor light emitting device disclosed in the prior art may be applied to the embodiments of the present invention.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating an active layer structure of a multi-quantum well structure according to a first embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(150)은 다음과 같은 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조로 형성된다. N형 반도체층(122)과 P형 반도체층(124) 사이에는 각각 제 1 양자우물층(151a), 제 2 양자우물층(151b), 제 3 양자우물층(151c), 제 4 양자우물층(151d), 제 5 양자우물층(151e), 제 6 양자우물층(151f), 제 7 양자우물층(151g) 및 제 8 양자우물층(151h)과 이들 양자우물층들 사이에는 각각 제 1 양자장벽층(152a), 제 2 양자장벽층(152b), 제 3 양자장벽층(152c), 제 4 양자장벽층(152d), 제 5 양자장벽층(152e), 제 6 양자장벽층(152f) 및 제 7 양자장벽층(152g)이 형성되어 있다. 상기 활성층(150)은 전자와 정공이 재결합하여 발광하도록 양자장벽층들과 양자우물층들이 교대로 반복 적층된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 4, the
상기 양자우물층들(151a,151b,151c,151d,151e,151f,151g,151h)과 양자장벽층들(152a,152b,152c,152d,152e,152f,152g)은 N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)과 인접한 영역에 형성된 제 1 그룹과 그 사이의 내부에 형성된 제 2 그룹으로 구분된다. The
상기 N형 반도체층(122)과 P형 반도체층(124)은 (Al,In,Ga)N과 같은 화합물 계열의 3족 질화물 반도체층으로 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)은 각각 N형 및 P형 GaN, 또는 N형 또는 P형 AlGaN 일 수 있다. 상기 P형 반도체층(124)과 활성층(150) 사이에는 도면에 도시하지 않았지만 블로킹층이 개재될 수도 있다. 상기 블로킹층 또한 (Al,In, Ga)N 계열의 3족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있으며, 예컨대 AlGaN로 형성될 수 있다. 또한, 도면에 도시하지 않았으나 N형 반도체층(122)과 활성층(150) 사이에 다른 블로킹층이 개재될 수도 있다.The N-
본 발명에서는 양자우물층들과 양자장벽층들의 두께를 서로 다르게 형성하여 배치하였는데, N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)와 인접한 제 1 그룹에 해당하는 제 1 양자우물층(151a), 제 1 양자장벽층(152a), 제 2 양자우물층(151b), 제 2 양자장벽층(152b), 제 6 양자장벽층(152f), 제 7 양자우물층(151g), 제 7 양자장벽층(152g) 및 제 8 양자우물층(151h)의 두께는 그 사이의 내부에 형성된 제 2 그룹에 해당하는 제 3 양자우물층(151c), 제 3 양자장벽층(152c), 제 4 양자우물층(151d), 제 4 양자장벽층(152d), 제 5 양자우물층(151e), 제 5 양자장벽층(152e) 및 제 6 양자우물층(151f)의 두께보다 두껍게 형성된다.In the present invention, the quantum well layers and the quantum barrier layers are formed to have different thicknesses, and the first quantum well layer corresponding to the first group adjacent to the N-
또한, 본 발명에서는 N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)와 인접한 제 1 그룹의 양자우물층들(151a,151b,151g,151h)과 양자장벽층들(152a,152b,152f,152g) 두께와 그 사이의 내부에 형성되는 제 2 그룹의 양자우물층들(151c,151d,151e,151f)과 양자장벽층들(152c,152d,152e)의 두께를 다르게 형성하되, 동일한 발광 파장을 갖도록 형성한다. In the present invention, the first group of
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(150)의 에너지 밴드갭을 보면 제 2 그룹의 양자우물층들(151c,151d,151e,151f)은 N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)와 인접한 제 1 그룹의 양자우물층들(151a,151b,151g,151h)에 비해 밴드갭이 좁게 형성되어 모든 양자우물층들의 발광 파장은 일정하게 형성된다.That is, as shown in FIG. 4, in the energy band gap of the
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층(150)의 제 2 그룹 내에서의 양자우물층들(151c,151d,151e,151f)과 양자장벽층들(152c,152d,152e)의 두께는 제 1 그룹의 양자우물층들(151a,151b,151g,151h)과 양자장벽층들(152a,152b,152f,152g)의 두께보다는 얇지만 전자 분포함수의 양자화 현상에 기인하여 발광 파장은 서로 동일하게 형성된다.Further, the quantum well layers 151c, 151d, 151e and 151f and the quantum barrier layers 152c and 152d in the second group of the
상기 양자장벽층들은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1,0<y≤1,0<x+y≤1)으로 이루어지며, 상기 양자우물층들은 InzGa(1-z)N(0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. 이 때, In의 조성을 조절하여, 제 1 그룹의 양자장벽층들과 양자우물층들의 두께를 두껍게 형성할 수 있다. 또는, 제 2 그룹의 양자장벽층들과 양자우물층들 보다 성장 온도를 높게 하여 두께를 두껍게 형성할 수 있다. 다만, 이는 하나의 방안으로써 이에 제한되는 것은 아니며, 제 1 그룹 및 제 2 그룹을 포함하여 모든 양자장벽층들과 양자우물층들의 수는 도면에 제한되지 않는다.The quantum barrier layers are made of Al x In y Ga (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1,0 <y ≦ 1,0 <x + y ≦ 1), and the quantum well layers are formed of In z Ga (1- z) N (0 ≦ z ≦ 1). In this case, the thickness of the first group of quantum barrier layers and the quantum well layers may be formed by adjusting the composition of In. Alternatively, the thickness may be increased by increasing the growth temperature of the second group of quantum barrier layers and the quantum well layers. However, the present invention is not limited thereto, and the number of all quantum barrier layers and quantum well layers including the first group and the second group is not limited to the drawings.
이로써, 제 1 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들이 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들의 두께보다 두껍게 형성되되 발광 파장은 일정하게 형성됨으로써, 활성층의 박막 결정성이 향상되고, N형 반도체층 및 P형 반도체층으로부터 활성층으로 주입되는 전자와 정공의 흐름을 좋게하고 전류분산이 용이하도록 형성된다. 또한, N형 반도체층 및 P형 반도체층과의 온도차이에 의한 품질저하를 최소화 할 수 있다.
Thus, the quantum well layers and the quantum barrier layers of the first group are formed thicker than the thicknesses of the quantum well layers and the quantum barrier layers of the second group, but the emission wavelength is formed uniformly, thereby improving the thin film crystallinity of the active layer. The electrons and holes injected from the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer into the active layer are formed to improve the flow of the electrons and holes and to facilitate current dispersion. In addition, the quality deterioration due to the temperature difference between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer can be minimized.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating an active layer structure of a multi-quantum well structure according to a second embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(250)은 다음과 같은 다중양자우물(multi quantum well:MQW) 구조로 형성된다. N형 반도체층(122)과 P형 반도체층(124) 사이에는 제 1 양자우물층(251a), 제 2 양자우물층(251b), 제 3 양자우물층(251c), 제 4 양자우물층(251d), 제 5 양자우물층(251e), 제 6 양자우물층(251f) 및 제 7 양자우물층(251g)과 각각 양자 우물층들 사이에는 제 1 양자장벽층(252a), 제 2 양자장벽층(252b), 제 3 양자장벽층(252c), 제 4 양자장벽층(252d), 제 5 양자장벽층(252e) 및 제 6 양자장벽층(252f)이 형성되어 있다. 상기 활성층(250)은 전자와 정공이 재결합하여 발광하도록 양자장벽층들과 양자우물층들이 교대로 반복 적층된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 5, the
상기 양자우물층들(251a,251b,251c,251d,251e,251f,251g)과 양자장벽층들(252a,252b,252c,252d,252e,252f)은 N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)과 인접한 영역에 형성된 제 3 그룹과 그 사이의 내부에 형성된 제 4 그룹으로 구분된다. The
상기 N형 반도체층(122)과 P형 반도체층(124)은 (Al,In,Ga)N과 같은 화합물 계열의 3족 질화물 반도체층으로 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)은 각각 N형 및 P형 GaN, 또는 N형 또는 P형 AlGaN 일 수 있다. 상기 P형 반도체층(124)과 활성층(250) 사이에는 도면에 도시하지 않았지만 블로킹층이 개재될 수도 있다. 상기 블로킹층 또한 (Al,In, Ga)N 계열의 3족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있으며, 예컨대 AlGaN로 형성될 수 있다. 또한, 도면에 도시하지 않았으나 N형 반도체층(122)과 활성층(250) 사이에 다른 블로킹층이 개재될 수도 있다.The N-
본 발명의 제 2 실시예에서는 상기 제 1 실시예와 같이, 제 3 그룹의 양자장벽층들과 양자우물층들의 두께를 제 4 그룹의 양자장벽층들과 양자우물층들의 두께와 서로 다르게 형성하였다. 즉, N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)과 인접한 제 3 그룹에 해당하는 제 1 양자우물층(251a), 제 1 양자장벽층(252a), 제 2 양자우물층(251b), 제 2 양자장벽층(252b), 제 6 양자장벽층(252f) 및 제 7 양자우물층(251g)의 두께는 그 사이의 내부에 형성된 제 4 그룹에 해당하는 제 3 양자우물층(251c), 제 3 양자장벽층(252c), 제 4 양자우물층(251d), 제 4 양자장벽층(252d), 제 5 양자우물층(251e), 제 5 양자장벽층(252e) 및 제 6 양자우물층(251f)의 두께보다 두껍게 형성된다. In the second embodiment of the present invention, as in the first embodiment, the thicknesses of the quantum barrier layers and the quantum well layers of the third group are formed differently from the thicknesses of the quantum barrier layers and the quantum well layers of the fourth group. . That is, the first
하지만, 본 발명의 제 2 실시예에서는 제 1 실시예에서와, 달리 내부의 양자우물층들(251c,251d,251e,251f)의 두께가 일정하지 않고, 양자장벽층들(252c,252d,252e)의 두께는 일정하나 양자우물층들(251c,251d,251e,251f)의 두께가 N형 반도체층(122)에서 P형 반도체층(124)으로 갈수록 순차적으로 작아진다. However, in the second embodiment of the present invention, unlike in the first embodiment, the thicknesses of the quantum well layers 251c, 251d, 251e and 251f are not constant, and the quantum barrier layers 252c, 252d and 252e are different. ) Is constant, but the thicknesses of the quantum well layers 251c, 251d, 251e, and 251f gradually decrease from the N-
즉, N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)과 인접한 양자우물층들(251a,251b,251g)과 양자장벽층(252a,252b,252f)들의 두께는 가장 두꺼우며, 제 4 그룹에서 제 3 양자우물층(251c),제 4 양자우물층(251d), 제 5 양자우물층(251e) 및 제 6 양자우물층(251f) 순으로 두께가 얇아지도록 형성된다.That is, the thicknesses of the
상기 제 4 그룹의 양자우물층들의 두께가 다양하게 형성하되, 제 1 실시예에서와 같이 제 2 실시예에서도 제 3 그룹과 제 4 그룹을 포함한 전 활성층(250) 영역에서 동일한 발광 파장을 갖도록 형성한다. The fourth group of quantum well layers may be formed in various thicknesses, but as in the first embodiment, the second quantum well layers may have the same emission wavelength in the entire
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(250)의 에너지 밴드갭을 보면 제 4 그룹의 양자우물층들(251c,251d,251e,251f)은 제 3 그룹의 양자우물층들(251a,251b,251g)에 비해 밴드갭이 좁게 형성되어 모든 양자우물층들의 전자 분포함수의 양자화 현상에 기인하여 발광 파장은 동일하게 형성된다.That is, as shown in FIG. 5, when looking at the energy band gap of the
상기 양자장벽층들은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1,0<y≤1,0<x+y≤1)으로 이루어지며, 상기 양자우물층들은 InzGa(1-z)N(0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. 이 때, In의 조성을 조절하여, 제 3 그룹의 양자장벽층들과 양자우물층들의 두께를 두껍게 형성할 수 있다. 또는, 제 4 그룹의 양자장벽층들과 양자우물층들 보다 성장 온도를 높게 하여 두께를 두껍게 형성할 수 있다. 다만, 이는 하나의 방안으로써 이에 제한되는 것은 아니며, 제 3 그룹 및 제 4 그룹을 포함하여 모든 양자장벽층들과 양자우물층들의 수는 도면에 제한되지 않는다.The quantum barrier layers are made of Al x In y Ga (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1,0 <y ≦ 1,0 <x + y ≦ 1), and the quantum well layers are formed of In z Ga (1- z) N (0 ≦ z ≦ 1). At this time, by adjusting the composition of In, the thickness of the third group of quantum barrier layers and quantum well layers can be formed thick. Alternatively, the thickness may be increased by increasing the growth temperature of the fourth group of quantum barrier layers and the quantum well layers. However, this is not limited to this as one method, and the number of all quantum barrier layers and quantum well layers including the third group and the fourth group is not limited to the drawings.
이로써, 제 1 실시예와 같이, 제 3 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들이 제 4 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들의 두께보다 두껍게 형성되되 발광 파장은 일정하게 형성됨으로써, 활성층의 박막 결정성이 향상되고, N형 반도체층 및 P형 반도체층으로부터 활성층으로 주입되는 전자와 정공의 흐름을 좋게하고 전류분산이 용이하고, N형 반도체층 및 P형 반도체층과의 온도차이에 의한 품질저하를 최소화 할 수 있는 효과가 있다. Thus, as in the first embodiment, the quantum well layers and the quantum barrier layers of the third group are formed thicker than the thicknesses of the quantum well layers and the quantum barrier layers of the fourth group, but the emission wavelength is formed to be constant. The thin film crystallinity is improved, the flow of electrons and holes injected from the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer into the active layer is improved, and the current distribution is easy, and the temperature difference between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer There is an effect that can minimize the deterioration of quality.
또한, 제 4그룹에서 양자우물층들이 순차적으로 두께가 얇아짐으로 인해, 양자 속박 효과(Quantum confined stark effect)를 최소화하고 고전류에서 발생하는 드룹(Droop) 현상을 최소화할 수 있다. 상대적으로 좁은 밴드갭을 갖는 양자우물층과 양자장벽층으로 채택하면 양자 속박 효과를 감소시킬 수 있어 전자와 홀의 재결합율을 향상시킬 수 있다.
In addition, since the quantum well layers are sequentially thinned in the fourth group, it is possible to minimize the quantum confined stark effect and to minimize the droop phenomenon occurring at a high current. When adopted as a quantum well layer and a quantum barrier layer having a relatively narrow bandgap can reduce the quantum confinement effect can improve the recombination rate of electrons and holes.
본 발명의 제 1,2 실시예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조방법은, 절연기판을 수소(H2) 분위기에서 고온 열처리로 크리닝(cleaning)한다. 이 때, 열처리 온도는 1000℃~1200℃이고, 버퍼층의 형성 온도는 500℃~600℃가 바람직하다. 상기 절연기판은 사파이어를 포함하는 투명한 재료인 징크옥사이드(ZnO), 갈륨 나이트라이드(GaN), 실리콘 카바이드(SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다. In the manufacturing method of the nitride semiconductor device according to the first and second embodiments of the present invention, the insulating substrate is cleaned by high temperature heat treatment in a hydrogen (H 2 ) atmosphere. At this time, the heat treatment temperature is 1000 ° C to 1200 ° C, and the formation temperature of the buffer layer is preferably 500 ° C to 600 ° C. The insulating substrate may be formed of zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), aluminum nitride (AlN), and the like, which are transparent materials including sapphire.
이 후, 고온으로 버퍼층을 결정화한 다음, 언도프트 반도체층과 N형 반도체층(122)을 형성한다. 이 때, 온도는 1000℃~1200℃가 바람직하며, 언도프트 반도체층은 0.5~2.0um, N형 반도체층은 2.0um이내로 형성될 수 있다. Thereafter, the buffer layer is crystallized at a high temperature, and then an undoped semiconductor layer and an N-
그런 다음, N형 반도체층(122)의 성장 온도보다 낮은 온도에서 활성층을 다중양자우물 구조로 형성한다. 온도는 700℃~800℃가 바람직하며, 활성층은 2개 이상의 양자우물층과 양자장벽층이 교차되도록 성장시킨다. 이 때, N형 반도체층(122) 및 P형 반도체층(124)과 인접한 양자우물층 및 양자장벽층은 1주기 이상으로 가장 두껍게 성장되며, 그 사이 양자우물층과 양자장벽층은 이보다 얇게 성장된다. 다만, 모든 양자우물층들과 양자장벽층들의 발광 파장은 동일하도록 성장된다. 이러한 다중양자우물구조는 본 발명의 제 1,2 실시예에서 설명하고 있는 양자장벽층과 양자우물층을 의미하며, 그 구체적인 설계 범위는 각각의 실시예에서 설명하였다. Then, the active layer is formed in a multi-quantum well structure at a temperature lower than the growth temperature of the N-
이와 같이, 다중양자우물구조가 형성되면 다시 온도를 상승하여 P형 반도체층(124)을 형성하고, P형 반도체층(124) 성장 후 N형 전극 및 P형 전극을 형성하여 질화물 반도체 소자를 완성한다. 이 때, P형 반도체층(124)과 P형 전극 사이에는 투명 금속층이 형성될 수도 있다.
As such, when the multi-quantum well structure is formed, the temperature is raised again to form the P-
따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법은, N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 양자우물층 및 양자장벽층의 두께를 두껍게하되 발광 파장은 전 영역에서 동일하도록 형성하여, 활성층의 박막 결정성을 향상시키고, 양자우물층을 내부 영역에서 P형 반도체층으로 갈수록 순차적으로 얇게 형성함으로써, N형 반도체층 및 P형 반도체층에서 활성층으로 전자와 정공의 이동도를 향상시키고 전류 분산을 향상한다. 또한, N형 반도체층 및 P형 반도체층과 활성층 형성 시의 온도차이에 의한 품질저하를 최소화하고 발광효율을 개선하고, 경계부분의 품질을 개선하여 주입전류의 효과적인 재결합 효율을 높여 전기적인 특성을 개선할 수 있다. 또한, 양자 속박 효과(Quantum confined stark effect)의 최소화로 발광효율을 개선하고, 드룹(Droop) 현상을 최소화하는 효과가 있다.
Therefore, the nitride semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention are formed by increasing the thickness of the quantum well layer and the quantum barrier layer adjacent to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer, but the emission wavelength is the same in all areas, By improving the thin film crystallinity of the active layer and forming the quantum well layer gradually thinner from the inner region to the P-type semiconductor layer, improve the mobility of electrons and holes from the N-type and P-type semiconductor layer to the active layer and improve the current Improves dispersion. In addition, minimizing the quality degradation caused by the temperature difference when forming the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer and the active layer, improving luminous efficiency, and improving the quality of the boundary portion, improve the effective recombination efficiency of the injection current to improve the electrical characteristics. It can be improved. In addition, the luminous efficiency is improved by minimizing the quantum confined stark effect and the droop phenomenon is minimized.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.
122: N형 반도체층 124: P형 반도체층
150,250: 활성층 151,251: 양자우물층
152,252: 양자장벽층 122: N-type semiconductor layer 124: P-type semiconductor layer
150,250: active layer 151,251: quantum well layer
152,252: quantum barrier layer
Claims (10)
상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층들과 복수의 양자장벽층들이 교대로 배치되는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고,
상기 활성층은 N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 영역에 형성되는 양자우물층들과 양자장벽층들로 이루어진 제 1 그룹과 그 사이의 내부영역에 형성되는 양자우물층들과 양자장벽층들로 이루어진 제 2 그룹으로 구분되며,
상기 제 1 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들은 상기 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들 보다 두께가 두꺼운 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.An N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer; And
An active layer interposed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer and having a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and a plurality of quantum barrier layers are alternately disposed;
The active layer includes a first group of quantum well layers and quantum barrier layers formed in an area adjacent to an N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer, and quantum well layers and quantum barrier layers formed in an inner region therebetween. Divided into a second group consisting of
The quantum well layers and the quantum barrier layers of the first group is thicker than the quantum well layers and quantum barrier layers of the second group.
상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 동일한 발광파장을 갖는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The method of claim 1,
The first group and the second group are nitride semiconductor light emitting device, characterized in that formed with a thickness having the same emission wavelength.
상기 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들을 일정한 두께로 형성되며, 상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 동일한 발광파장을 갖는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The method of claim 1,
And the quantum well layers and the quantum barrier layers of the second group are formed to have a predetermined thickness, and the first group and the second group are formed to have the same emission wavelength.
상기 제 2 그룹의 양자우물층들의 두께는 N형 반도체층에서 P형 반도체층으로 갈수록 순차적으로 얇게 형성되며, 상기 제 2 그룹의 양자장벽층들의 두께는 일정한 두께로 형성되고, 상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 동일한 발광파장을 갖는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The method of claim 1,
The thickness of the quantum well layers of the second group is sequentially thinner from the N-type semiconductor layer to the P-type semiconductor layer, and the thickness of the quantum barrier layers of the second group is formed to have a constant thickness, and the first group and The second group is nitride semiconductor light emitting device, characterized in that formed with a thickness having the same emission wavelength.
상기 N형 반도체층 상에 복수의 양자우물층들과 복수의 양자장벽층들이 교대로 배치되는 다중양자우물 구조의 활성층을 형성하는 단계와;
상기 활성층 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 활성층은 N형 반도체층 및 P형 반도체층과 인접한 영역에 형성되는 양자우물층들과 양자장벽층들로 이루어진 제 1 그룹과 그 사이의 내부영역에 형성되는 양자우물층들과 양자장벽층들로 이루어진 제 2 그룹으로 구분되며,
상기 제 1 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들은 상기 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들 보다 두께가 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.Forming a buffer layer, an undoped semiconductor layer, and an N-type semiconductor layer on the insulating substrate;
Forming an active layer of a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and a plurality of quantum barrier layers are alternately disposed on the N-type semiconductor layer;
Forming a P-type semiconductor layer on the active layer,
The active layer includes a first group of quantum well layers and quantum barrier layers formed in an area adjacent to an N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer, and quantum well layers and quantum barrier layers formed in an inner region therebetween. Divided into a second group consisting of
The quantum well layers and the quantum barrier layers of the first group are formed thicker than the quantum well layers and quantum barrier layers of the second group.
상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 동일한 발광파장을 갖는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.The method of claim 5, wherein
The first group and the second group are nitride semiconductor light emitting device, characterized in that formed with a thickness having the same wavelength.
상기 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들을 일정한 두께로 형성되며, 상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 동일한 발광파장을 갖는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.The method of claim 5, wherein
The quantum well layer and the quantum barrier layer of the second group is formed to have a constant thickness, the first group and the second group is a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that formed with a thickness having the same emission wavelength.
상기 제 2 그룹의 양자우물층들의 두께는 N형 반도체층에서 P형 반도체층으로 갈수록 순차적으로 얇게 형성되며, 상기 제 2 그룹의 양자장벽층들의 두께는 일정한 두께로 형성되고, 상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 동일한 발광파장을 갖는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The method of claim 5, wherein
The thickness of the quantum well layers of the second group is sequentially thinner from the N-type semiconductor layer to the P-type semiconductor layer, and the thickness of the quantum barrier layers of the second group is formed to have a constant thickness, and the first group and The second group is nitride semiconductor light emitting device, characterized in that formed with a thickness having the same emission wavelength.
상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹의 상기 양자장벽층들은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1,0<y≤1,0<x+y≤1)으로 이루어지며, 상기 양자우물층들은 InzGa(1-z)N(0≤z≤1)으로 이루어지고,
상기 제 1 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들은 In의 조성을 조절하여 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들보다 두껍게 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.The method of claim 5, wherein
The quantum barrier layers of the first group and the second group are made of Al x In y Ga (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1,0 <y ≦ 1,0 <x + y ≦ 1) The well layers consist of In z Ga (1-z) N (0 ≦ z ≦ 1),
The quantum well layers and the quantum barrier layers of the first group are formed to be thicker than the quantum well layers and quantum barrier layers of the second group by controlling the composition of In.
상기 제 1 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들은 상기 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들 보다 높은 온도에서 형성함으로써 상기 제 2 그룹의 양자우물층들과 양자장벽층들 보다 두껍게 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The quantum well layers and the quantum barrier layers of the first group are formed at a higher temperature than the quantum well layers and the quantum barrier layers of the second group, thereby making them thicker than the quantum well layers and the quantum barrier layers of the second group. Forming a nitride semiconductor light emitting device characterized in that it is formed.
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