KR20140070764A - 초격자층을 가지는 발광 다이오드 - Google Patents

초격자층을 가지는 발광 다이오드 Download PDF

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Abstract

장파장대의 광을 형성할 수 있으며, 전자의 오버플로우를 방지할 수 있는 발광 다이오드가 개시된다. 전자의 오버플로우를 방지하기 위해 높은 에너지 장벽을 가진 초격자층은 발광 동작을 수행하는 활성층 내부에 형성되며, 전자를 공급하는 n형 접합층에 인접하여 형성된다. 또한, n형 접합층과 활성층 사이에는 높은 에너지 장벽을 가지는 n 접합 초격자층이 구비될 수 있다.

Description

초격자층을 가지는 발광 다이오드{Light Emitting Diode of having Superlattice Layer}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 n형 접합층과 인접한 영역에 초격자 구조를 형성하여 발광 효율을 향상시키는 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드는 발광층 또는 활성층으로 지칭되는 적층구조 내에서 전자와 정공의 재결합에 의해 발광 동작이 수행되는 소자이다. 발광 동작이 수행되는 발광층 등은 전자와 정공의 효율적인 재결합을 유도하기 위해 다중양자우물 구조를 가진다. 다중양자우물 구조는 발광층 내부에 우물층과 장벽층이 교대로 형성된 다중 적층구조이다. 우물층이 가지는 밴드갭은 장벽층이 가지는 밴드갭보다 낮으며, 양자는 상대적으로 높은 밴드갭을 가지는 장벽층들 사이의 우물층에 구속되는 양자구속효과로 인해 재결합이 유도된다. 또한, 발광층 등에서 형성되는 광은 우물층의 밴드갭에 의해 결정되는 특성이 있다. 즉, 우물층의 물질적 조성에 따라 재결합에 의해 형성되는 광의 파장은 결정된다.
AlGaInP 계열의 발광 다이오드는 560nm 내지 680nm의 가시광 내의 발광 영역을 가진다. 또한, 상기 계열의 발광 다이오드는 온도 의존성이 크며, 전자의 오버 플로우에 의한 누설전류 및 낮은 정공농도로 인해 발광 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
이를 해결하기 위해 초격자 구조의 도입이 논의된다. 대한민국 등록특허 제1055695호는 초격자 구조가 도입된 발광 다이오드가 개시된다. 이를 참조하면, 발광 동작이 수행되는 활성층 내에 초격자 구조가 형성된다. 상기 초격자 구조는 활성층 내에서 p형 접합층에 인접한 영역에 형성되고, 활성층 내로의 균일한 캐리어 분포를 유도한다. 다만, 상기 등록특허는 활성층 내부에서 고에너지의 전자가 p형 접합층으로 오버 플로우하는 현상을 차단하는 일정한 효과가 있다. 다만, p형 접합층에 인접한 영역에 초격자 구조가 형성됨에 따라 정공이 활성층 내부로 전달되는 정공 주입 효율이 감소되는 문제가 상존한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 에너지 장벽을 가지는 초격자 구조가 형성된 활성층을 가지는 발광 다이오드를 제공하는데 있다.
상술한 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 형성되고, 전자를 공급하기 위한 n형 접합층; 상기 n형 접합층 상에 형성되고, 발광 동작을 수행하기 위해 장벽층 및 우물층이 교대로 형성된 구조를 가지는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성되고, 상기 활성층에 정공을 공급하기 위한 p형 접합층을 포함하고, 상기 활성층은 상기 n형 접합층과 인접한 영역에 전자의 오버플로우를 방지하기 위한 초격자층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 초격자층은 다중양자우물 구조를 가지는 활성층 내에 구비되며, n형 접합층 또는 n 접합 초격자층에 인접하여 형성된다. 또한, n 접합 초격자층은 n형 접합층과 활성층 사이에 구비된다. 구비되는 초격자층 또는 n 접합 초격자층은 n형 접합층에서 발생된 과잉전자가 높은 에너지로 인해 활성층을 가로질러 p형 접합층으로 이동하는 오버플로우 현상을 방지한다. 따라서, p형 접합층에서 전자와 정공의 재결합에 따른 누설 전류의 발생은 방지된다. 이를 통해 발광효율의 감소는 방지된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 밴드 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 도시한 밴드 다이어그램이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 밴드 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, n형 접합층(100), 활성층(200) 및 p형 접합층(300)의 밴드 다이어그램이 도시된다. n형 접합층(100)에서 활성층(200)으로 전자가 공급되고, p형 접합층(300)으로부터 활성층(200)으로 정공이 공급되며, 활성층(200)에서는 전자와 정공의 재결합에 따른 발광 동작이 수행된다.
n형 접합층(100)은 AlInP로 구성되며, n타입의 도판트가 도핑된다. 예컨대, AlInP 결정구조에 실리콘 또는 셀레늄 등의 사용 가능한 물질이 도판트로서 도핑된다. 예컨대, 상기 n형 접합층(100)은 실리콘이 도핑된 Al0 .5In0 .5P로 구성될 수 있다.
상기 n형 접합층(100)에는 활성층(200)이 접한다. 활성층(200)은 장벽층(210)과 우물층(220)이 교대로 형성된 구조를 가진다.
상기 장벽층(210)은 도핑되지 않은 GaInP로 형성되고, 우물층(220)은 도핑되지 않은 AlGaInP로 형성됨이 바람직하다. 특히, n형 접합층(100)이 실리콘으로 도핑된 Al0 .5In0 .5P인 경우, 상기 우물층(220)은 Ga0.5In0.5P이고, 상기 장벽층(210)은 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P임이 바람직하다.
또한, 상기 활성층(200) 내부에서 n형 접합층(100)에 인접한 영역에는 초격자층(230)이 형성된다. 상기 초격자층(230)은 장벽층(210)이 형성되는 영역을 대체하여 형성된다. 또한, 활성층(200)의 초격자층(230)과 n형 접합층(100) 사이에는 적어도 하나의 우물층(220)이 형성됨이 바람직하다. 장벽층(210)이 형성되는 영역에 형성된 초격자층(230)은 서로 번갈아가며 형성된 초격자 장벽층(231) 및 초격자 우물층(232)을 가진다. 초격자 장벽층(231)은 도핑되지 않은 AlInP로 구성되고, 초격자 우물층(232)은 도핑되지 않은 AlGaInP로 구성된다. 또한, 상기 초격자층(230)은 우물층(220)을 사이에 두고 반복 형성될 수 있다. 즉, 활성층(200) 내에서 복수개의 초격자층들(230)이 구비될 수 있다.
초격자층(230) 내에서 AlInP로 구성되는 초격자 장벽층(231)은 AlGaInP로 구성된 초격자 우물층(232)에 비해 높은 밴드갭을 가진다. 특히, 초격자 장벽층(231)인 AlInP는 n형 접합층(100)과 동일한 밴드갭을 가짐이 바람직하고, 초격자 우물층(232)인 AlGaInP는 장벽층(210)과 동일한 밴드갭을 가짐이 바람직하다. 예컨대, n형 접합층(100)이 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가지는 경우, AlInP로 구성된 초격자 장벽층(231)은 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가질 수 있다. 또한, 활성층(200) 내의 장벽층(210)이 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P의 조성을 가지는 경우, AlGaInP으로 구성되는 초격자 우물층(232)은 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P의 조성을 가질 수 있다. 이는 접합층(100, 300) 및 활성층(200)의 장벽층(210)이 형성되는 프로세스가 금속-유기물 증착법(MOCVD)을 이용하는데 기인한다. 즉, 금속-유기물 증착공정이 수행되는 제조장비 내에서 연속적인 화합물 반도체층의 증착이 수행되는 경우, 동일한 조성을 가진 물질들이 반복적으로 적층되는 것이 제조공정상 유리하다. 따라서, n형 접합층(100)과 동종의 조성으로 초격자 장벽층(231)을 형성함이 바람직하며, 활성층(200)의 장벽층(210)과 동종의 조성으로 초격자 우물층(232)을 형성함이 바람직하다.
p형 접합층(300)은 활성층(200)과 접하여 형성된다. 상기 p형 접합층(300)은 AlInP로 구성됨이 바람직하다. 또한, 도판트로는 탄소, 아연 또는 마그네슘이 사용된다. p형 접합층(300)은 정공의 공급원으로 활성층(200)에 정공을 공급한다. 또한, n형 접합층(100)이 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가지는 경우, 상기 p형 접합층(300)도 n형 접합층(100)과 동일한 조성으로 Al0 .5In0 .5P로 구성됨이 바람직하다.
상기 n형 접합층(100)과 인접한 영역에 형성된 초격자층(230)은 전자의 오버플로우를 차단한다. 즉, 초격자층(230)을 통해 n형 접합층(100)에서 투입되는 전자의 유입속도는 감소될 수 있으며, 이를 통해 p형 접합층(300)까지 전자가 오버플로우되는 현상은 방지된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(20)이 구비된다. 상기 기판(10)은 실리콘이 도핑된 GaAs, In이 도핑된 GaP 또는 InP일 수 있다.
또한, 버퍼층(20)은 선택적으로 형성될 수 있는 바, 이후에 형성되는 n형 반도체층(100)과 기판(10) 사이의 격자상수의 차이에 따른 결정구조의 결함을 해소할 수 있는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 예컨대, 상기 버퍼층(20)은 AlAs, AlGaAs, GaAs 또는 InP로 구성될 수 있다.
상기 버퍼층(20) 상에는 n형 접합층(100)이 형성된다. n형 접합층(100)을 통해 전자의 전달이 수행된다. 상기 n형 접합층(100)은 AlInP로 구성된다. n형 접합층(100)을 형성하기 위한 도판트로는 실리콘 또는 셀레늄이 사용될 수 있다. 이외에도 도우너 기능을 수행할 수 있는 물질이라면 도판트로 사용가능할 것이다. 또한, 상기 n형 접합층(100)은 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가질 수 있다.
n형 접합층(100) 상에는 활성층(200)이 형성된다. 활성층(200)은 장벽층(210)과 우물층(220)이 교대로 형성된 구조이며, n형 접합층(100)에 인접한 영역에 장벽층(210)을 대체하여 초격자층(230)이 형성된다.
장벽층(210)은 양자구속효과의 유발을 위해 구비되며, 우물층(220)보다 높은 밴드갭을 가진다. 예컨대, 상기 장벽층(210)은 AlGaInP로 구성될 수 있으며, (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P의 조성을 가짐이 바람직하다. 또한, 우물층(220)은 장벽층(210)보다 낮은 밴드갭을 가지고, 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 형성한다. 상기 우물층은 GaInP로 구성되고, Ga0 .5In0 .5P의 조성을 가짐이 바람직하다.
또한, 초격자층(230)은 초격자 장벽층(231)과 초격자 우물층(232)으로 구성된다. 초격자 장벽층(231)과 초격자 우물층(232)은 상호 번갈아가며 형성되는 적층구조를 가진다. 상기 초격자 장벽층(231)은 상기 장벽층(210)이 가지는 밴드갭을 상회한다. 또한, 상기 초격자 장벽층(231)의 밴드갭은 상기 n형 접합층(100)이 가지는 밴드갭 이하로 설정될 수 있다. 상기 초격자 장벽층(231)은 AlInP로 구성되고, 상기 n형 접합층(100)이 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가지는 경우, 상기 초격자 장벽층은 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가질 수 있다. 또한, 초격자 우물층은 AlGaInP로 구성되고, 상기 장벽층이 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P의 조성을 가지는 경우, 상기 초격자 우물층(232)은 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P의 조성을 가질 수 있다. 또한, 초격자 우물층(232)과 초격자 장벽층(231)의 반복적 적층에 의해 형성되는 초격자층(230)의 두께는 장벽층(210)의 두께와 동일하게 설정됨이 바람직하다.
또한, 상기 초격자 장벽층(231) 및 초격자 우물층(232)의 각각의 두께는 0.3nm 내지 15nm의 두께로 설정됨이 바람직하다. 초격자 장벽층(231) 등의 두께가 0.3nm 미만이면, 전자의 오버플로우를 방지할 수 없으며, 전자의 터널링이 발생할 수 있다. 또한, 초격자 장벽층(231) 등의 두께가 15nm를 상회하는 경우, 전자의 오버플로우를 방지할 수 있으나, 과도한 전자의 차단으로 통해 광효율이 저하될 수 있는 문제가 발생된다.
상기 초격자층(230)은 상기 n형 접합층(100)에 인접하여 형성된다. 다만, 상기 초격자층(230)과 n형 접합층(100) 사이에는 적어도 하나의 우물층(220) 및 장벽층(210)이 형성됨이 바람직하다. 또한, 상기 초격자층(230)은 적어도 하나의 장벽층(210)을 대체하여 형성될 수 있다. 따라서, 초격자층-우물층-초격자층으로 이루어진 구조도 형성될 수 있다.
다중양자우물 구조를 가지는 활성층(200) 상에는 p형 접합층(300)이 형성된다. 상기 p형 접합층(300)은 AlInP로 구성된다. 만일, 상기 n형 접합층(100)이 Al0.5In0.5P의 조성을 가진다면, 상기 p형 접합층(300)도 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가짐이 바람직하다. p형 접합층(300)을 형성하기 위한 도판트로는 탄소, 아연 또는 마그네슘이 사용될 수 있다. 이외에도 억셉터 기능을 수행할 수 있는 물질이라면 도판트로 사용가능할 것이다.
상기 도 2의 적층구조를 형성하기 위해 기판(10) 이외에 버퍼층(20), n형 접합층(100), 활성층(200) 또는 p형 접합층(300)은 MOCVD 공정을 이용하여 형성됨이 바람직하다. n형 접합층(100) 및 p형 접합층(300)인 AlInP의 형성시, Al의 전구체로는 트리메틸알루미늄이 사용될 수 있으며, In의 전구체로는 트리메틸인듐이 사용될 수 있으며, P의 전구체로는 인화수소가 사용될 수 있다. 또한, 활성층(200) 내의 초격자층(230), 우물층(220) 및 장벽층(210)의 형성시 도입되는 AlInP, AlGaInP, GaInP, AlGaInP의 형성시, Al, In 및 P의 전구체는 전술한 바와 같다. 또한, Ga의 전구체로는 트리메틸갈륨이 사용될 수 있다.
상술한 도 2의 구조에서 초격자층(230)은 n형 접합층(100)의 전자가 활성층(200)을 가로질러 p형 접합층(300)까지 이동하는 오버플로우 현상이 방지되고, p형 접합층(300)에서 오버플로우된 전자의 재결합에 기인한 누설전류 또는 발광동작에 참여하는 정공의 감소 현상은 방지된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 도시한 밴드 다이어그램이다.
도 3을 참조하면, 발광 다이오드는 n형 접합층(100), n 접합 초격자층(110), 활성층(200) 및 p형 접합층(300)이 개시된다. n형 접합층(100), 활성층(200) 및 p형 접합층(300)의 조성 및 구성은 상기 도 1 및 도 2에서 설명된 바와 동일하다. 따라서, 활성층(200) 내에서 n형 접합층(100)에 인접한 영역에는 초격자층(230)이 구비된다. 초격자층(230)의 조성 및 구성은 상기 도 1 및 도 2에 설명된 바와 동일하다.
n형 접합층(100)과 활성층(200) 사이에는 n 접합 초격자층(110)이 구비된다. n 접합 초격자층(110)은 접합 초격자 장벽층(111)과 접합 초격자 우물층(112)이 교대로 형성된 구조이다. 상기 접합 초격자 장벽층(111)은 도핑되지 않은 AlInP로 구성됨이 바람직하며, 상기 접합 초격자 우물층(112)은 도핑되지 않은 AlGaInP로 구성됨이 바람직하다. 또한, 접합 초격자 장벽층(111)이 가지는 밴드갭은 n형 접합층(100) 또는 초격자 장벽층이 가지는 밴드갭과 동일할 수 있다. 또한, 접합 초격자 우물층(112)이 가지는 밴드갭은 초격자층(230)의 초격자 우물층 또는 장벽층(210)이 가지는 밴드갭과 동일할 수 있다. 따라서, 상기 n형 접합층이 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가진다면, 상기 접합 초격자 장벽층(111)도 Al0 .5In0 .5P의 조성을 가짐이 바람직하다. 또한, 장벽층이 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P의 조성을 가진다면, 상기 접합 초격자 우물층(112)도 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P의 조성을 가짐이 바람직하다.
또한, 상기 접합 초격자 장벽층(111) 및 접합 초격자 우물층(112)의 각각의 두께는 0.3nm 내지 15nm의 두께로 설정됨이 바람직하다. 접합 초격자 장벽층(111) 등의 두께가 0.3nm 미만이면, 전자의 오버플로우를 방지할 수 없으며, 전자의 터널링이 발생할 수 있다. 또한, 접합 초격자 장벽층(111) 등의 두께가 15nm를 상회하는 경우, 전자의 오버플로우를 방지할 수 있으나, 과도한 전자의 차단으로 통해 광효율이 저하될 수 있는 문제가 발생된다.
n형 접합층(100)과 활성층(200) 사이에 개입된 n 접합 초격자층(110)은 n형 접합층(100)의 과잉 전자가 활성층(200)을 가로질로 p형 접합층(300)으로 이동하는 오버플로우 현상을 방지한다.
상술한 본 발명에서는 초격자층 또는 n 접합 초격자층이 구비된다. 초격자층은 다중양자우물 구조를 가지는 활성층 내에 구비되며, n형 접합층 또는 n 접합 초격자층에 인접하여 형성된다. 또한, n 접합 초격자층은 n형 접합층과 활성층 사이에 구비된다. 구비되는 초격자층 또는 n 접합 초격자층은 n형 접합층에서 발생된 과잉전자가 높은 에너지로 인해 활성층을 가로질러 p형 접합층으로 이동하는 오버플로우 현상을 방지한다. 따라서, p형 접합층에서 전자와 정공의 재결합에 따른 누설 전류의 발생은 방지된다. 이를 통해 발광효율의 감소는 방지된다.
100 : n형 접합층 110 : n 접합 초격자층
200 : 활성층 210 : 장벽층
220 : 우물층 230 : 초격자층
240 : p형 접합층

Claims (8)

  1. 기판 상에 형성되고, 전자를 공급하기 위한 n형 접합층;
    상기 n형 접합층 상에 형성되고, 발광 동작을 수행하기 위해 장벽층 및 우물층이 교대로 형성된 구조를 가지는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성되고, 상기 활성층에 정공을 공급하기 위한 p형 접합층을 포함하고,
    상기 활성층은 상기 n형 접합층과 인접한 영역에 전자의 오버플로우를 방지하기 위한 초격자층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 n형 접합층 또는 p형 접합층은 AlInP를 포함하고, 상기 장벽층은 AlGaInP를 포함하며, 상기 우물층은 GaInP를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초격자층은,
    상기 n형 접합층과 동일한 밴드갭을 가진 초격자 장벽층; 및
    상기 장벽층과 동일한 밴드갭을 가진 초격자 우물층을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초격자 장벽층은 AlInP를 포함하고, 상기 초격자 우물층은 AlGaInP를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 제3항에 있어서, 상기 초격자층과 상기 n형 접합층 사이에는 적어도 하나의 상기 장벽층 및 상기 우물층이 구비되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 제3항에 있어서, 상기 초격자층의 두께는 상기 장벽층의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  7. 제2항에 있어서, 상기 발광 다이오드는,
    상기 n형 접합층과 상기 활성층 사이에 상기 n형 접합층의 과잉 전자의 오버플로우를 방지하기 위한 n 접합 초격자층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  8. 제7항에 있어서, 상기 n 접합 초격자층은,
    상기 n형 접합층과 동일한 밴드갭을 가지고 도핑되지 않은 AlInP로 구성된 접합 초격자 장벽층; 및
    상기 장벽층과 동일한 밴드갭을 가지고 도핑되지 않은 AlGaInP로 구성된 접합 초격자 우물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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