KR20150024961A - 휘도가 우수한 고온 동작 청색 발광다이오드 - Google Patents

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이성학
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이원용
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Abstract

휘도가 우수한 고온 동작 청색 발광다이오드에 대하여 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 고온 동작 청색 발광다이오드는 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층; p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되는 활성층;을 포함하고, 상기 활성층은 양자장벽층과 양자우물층 쌍이 반복 적층되어 형성되되, 양자장벽층 중 적어도 하나는 상기 양자장벽층과 상이한 조성을 갖는 이종 양자장벽층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

휘도가 우수한 고온 동작 청색 발광다이오드 {HIGH TEMPERATURE DRIVING BLUE LIGHT EMITTING DIODE WITH EXCELLENT LIGHTNESS}
본 발명은 질화물 반도체 발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휘도가 우수한 고온 동작 청색 발광다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 청색 발광 다이오드는 질화물 반도체로 형성된다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 기반의 청색 발광 다이오드를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 질화물 반도체 발광다이오드는 하부로부터, 기판(101), 비도핑 질화물 반도체층(102), n형 질화물 반도체층(110), 활성층(120), 전자차단층(130), p형 질화물 반도체층(140), n형 질화물 반도체층(140)에 접촉하는 제1 전극(151), p형 질화물 반도체층(110)에 접촉하는 제2 전극(152)을 포함한다.
상기 구조를 갖는 질화물 반도체 발광다이오드에서, n형 질화물 반도체층(110)는 실리콘(Si) 등의 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되고, p형 질화물 반도체층(140)는 마그네슘(Mg) 등의 p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성된다.
또한, 활성층(120)은 양자장벽층(GaN)과 양자우물층(InGaN)이 교대 반복 적층되어, 다중양자우물(Multi-Quantum-Well; MQW) 구조로 형성된다.
또한, 전자차단층(130)은 활성층(120)에 주입된 전자가 p형 질화물 반도체층(140)으로 넘어가는 것을 방지하기 위하여 형성되며, 주로 AlGaN으로 형성된다.
그런데, 상기 구조를 갖는 발광다이오드의 경우, 특히 고온 동작시 전자-정공이 이동이 원활하게 이루어지지 못하여 전력변환 효율이 떨어지고, 이에 따라 휘도 저하가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0102114호 (2007.10.18. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 발광다이오드의 동작 신뢰성 및 고온 환경에서 결정성 및 전기적 특성이 약화되는 문제점을 해결한 질화물 반도체 발광소자가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 낮은 구동전압에서 과잉정공이 활성층으로 주입되고, 상온뿐만 아니라 고온에서의 발광다이오드 활성층 내부의 전자와 정공의 분포를 균일하게 할 수 있는 청색 발광다이오드를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 청색 발광다이오드는 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층; p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되는 활성층;을 포함하고, 상기 활성층은 양자장벽층과 양자우물층 쌍이 반복 적층되어 형성되되, 양자장벽층 중 적어도 하나는 상기 양자장벽층과 상이한 조성을 갖는 이종 양자장벽층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이종 양자장벽층은 상기 p형 질화물 반도체층에 가장 인접한 양자 우물층 바로 아래의 양자장벽층에 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이종 양자장벽층은 상기 양자장벽층들보다 밴드갭이 더 큰 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이종 양자장벽층은 AlxGa1-xN(0<x<1)로 이루어진 층일 수 있다. 이때, 상기 이종 양자장벽층에서, 알루미늄의 몰비(x)가 0.05 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 활성층의 마지막 양자장벽층과 p형 질화물 반도체층 사이에는 전자 차단 및 정공 제공층이 형성될 수 있고, 이때, 상기 전자 차단 및 정공 제공층은 p형 불순물이 델타도핑(delta-doping)된 GaN/InGaN 초격자층으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 전자 차단 및 정공 제공층은 p형 불순물이 두께방향으로 10~200Å 간격으로 도핑되어 있을 수 있다.
또한, 상기 n형 질화물 반도체층은 n형 불순물이 델타도핑된 GaN/InGaN 초격자층으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 n형 질화물 반도체층은 n형 불순물이 두께방향으로 5~200Å 간격으로 도핑되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 청색 발광 다이오드에 의하면, 활성층의 양자장벽층, 특히 p형 질화물 반도체층에 가장 가까운 양자장벽층에 AlGaN과 같은 상이한 조성을 갖는 이종 양자장벽층을 형성한 결과, 활성층 내부의 전자와 정공의 균일한 분포를 조성할 수 있었으며, 전자 넘침(electron overflow) 현상을 억제함으로써 내부양자 효율 향상을 달성할 수 있었다. 또한, 이러한 이종 양자장벽층을 형성한 결과, 상온에서 높은 발광효율을 나타낼 뿐만 아니라, 고온에서 광효율 저하가 종래 청색 발광 다이오드 대비하여 상대적으로 감소하였다.
또한, 본 발명에 따른 청색 발광 다이오드에 의하면, AlGaN 대신 p형 불순물이 델타도핑된 GaN/InGaN 초격자층으로 활성층 상에 전자 차단 및 정공 제공층을 형성한 결과, 정공주입 효율이 향상되었으며, 또한 성장온도를 낮게 할 수 있어, 전자 차단 및 정공 제공층 성장시 활성층의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 청색 발광 다이오드에 의하면, 활성층 하부에 위치한 n형 질화물 반도체층의 도핑 분포를 델타 도핑으로 함으로써 낮은 구동전압에서 과잉정공이 활성층으로 주입되고 상온 뿐만 아니라 고온에서의 발광 다이오드 활성층 내부의 전자와 정공의 분포를 균일하게 향상시킬 수 있었다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 기반의 청색 발광 다이오드를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 기반의 청색 발광다이오드를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 활성층의 에너지 밴드 구조의 예를 나타낸 것이다.
도 4는 알루미늄(Al)이 3% 포함된 Al0.03Ga0.97N 이종 양자장벽층이 적용된 활성층의 전도대 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 알루미늄(Al)이 3% 포함된 Al0.03Ga0.97N 이종 양자장벽층이 적용된 활성층에 대하여 200mA 전류 주입시 정공의 분포를 나타낸 것이다.
도 6은 알루미늄(Al)이 3원자% 포함된 Al0.03Ga0.97N 이종 양자장벽층이 적용된 활성층을 포함하는 기판과 일반적인 활성층을 포함하는 기판에 대하여 200mA 전류 주입시 정공의 분포를 나타낸 것이다.
도 7은 전류주입에 따른 상온 대비 고온 광량을 비교한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예에서는 n형 질화물 반도체층이 하부에 있고, p형 질화물 반도체층이 상부에 위치하는 것을 기재하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, n형 질화물 반도체층이 상부에 있고, p형 질화물 반도체층이 하부에 있는 구조도 포함된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 휘도가 우수한 고온 동작 청색 발광 다이오드에 관하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 청색 발광 다이오드를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명에 적용되는 활성층의 에너지 밴드 구조의 예를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 청색 발광 다이오드는 Si와 같은 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층(210), Mg와 같은 p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층(240), 그리고 n형 질화물 반도체층(210)과 p형 질화물 반도체층(240) 사이에 형성되는 활성층(220)을 포함한다.
이때, 본 발명에 적용되는 활성층(220)은 도 3에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(221)과 양자우물층(222) 쌍이 반복 적층되어 형성되되, 양자장벽층들(221) 중에서 적어도 하나는 양자장벽층(221)과 상이한 조성을 갖는 이종 양자장벽층(223)을 포함한다.
상기 이종 양자장벽층(223)은 상기 p형 질화물 반도체층(240)에 가장 인접한 양자우물층(222') 바로 아래의 양자장벽층(221')에 포함되는 것이 바람직하다. 이 경우, 활성층 내부 정공 주입 효율이 가장 우수하였다.
또한, 이종 양자장벽층(223)은 양자장벽층들(221)보다 밴드갭이 더 큰 물질로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 이종 양자장벽층(223)은 AlxGa1-xN(0<x<1)로 이루어진 층일 수 있다. 이때, AlxGa1-xN 이종 양자장벽층에서, 알루미늄의 몰비(x)가 0.05 이하인 것이 바람직하다. AlxGa1-xN 이종 양자장벽층에서 Al 몰비가 0.05를 초과하는 경우, 전기적 측면에서 저항이 증가하고, 광학적 측면에서 광흡수 증가에 따른 휘도 저하의 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 청색 발광 다이오드는 활성층(220)의 마지막 양자장벽층과 p형 질화물 반도체층(240) 사이에 형성된 전자 차단 및 정공 제공층(230)을 더 포함할 수 있다.
이때, 전자 차단 및 정공 제공층(230)은 p형 불순물이 델타도핑(delta-doping)된 GaN 또는 InGaN으로 형성되거나, p형 불순물이 도핑된 InAlGaN으로 형성될 수 있다. 특히, 전자 차단 및 정공 제공층(230)은 p형 불순물이 델타도핑된 GaN/InGaN 초격자층으로 형성되는 것이 바람직하며, 이 경우, 홀 주입 효율을 극대화할 수 있다. 이러한 전자 차단 및 정공 제공층(230)은 도 1의 전자억제층(140)에 대응하여 전자가 p형 질화물 반도체층(240)으로 넘어가는 것을 차단한다.
종래 AlGaN을 기반으로 하는 전자억제층의 경우, 넓은 에너지 밴드갭으로 인하여 정공의 주입을 방해하고 구동 전압을 상승시키는 문제점이 있었다. 이는 전체 활성층 중에서 일부의 양자우물층에서만 전자와 정공의 발광 재결합이 일어나게 되며, 따라서 청색 발광 다이오드의 발광효율을 감소시키는 원인이 된다.
그러나, 예를 들어, 마그네슘(Mg)이 델타 도핑된 GaN (혹은 InGaN)으로 형성된 전자 차단 및 정공 제공층(230)의 경우, 밴드갭 에너지가 AlGaN보다 낮아 구동 전압 상승을 유발하지 않고, 또한 Mg 델타 도핑의 경우 성장 온도를 낮출 수 있어 활성층의 열화를 낮추고, 하부의 이종 양자장벽층(223)의 존재와 함께 정공의 주입 효율을 향상시킬 수 있었다.
한편, 전자 차단 및 정공 제공층(230)은 p형 불순물이 두께방향으로 10~200Å 간격으로 도핑되어 있는 것이 바람직하다. 전자 차단 및 정공 제공층에서 p형 불순물의 도핑 간격이 10Å 미만일 경우, p형 불순물(예를 들어, Mg)의 확산에 의하여 GaN과 InGaN 사이의 경계가 불안정해질 수 있다. 또한 전자 차단 및 정공 제공층에서 p형 불순물의 도핑 간격이 200Å를 초과하는 경우 GaN과 InGaN 사이의 밴드 다이어그램(band-diagram)에서 포텐셜 스파이크(potential spike)에 의한 저항 증가를 발생시킬 수 있다.
전자 차단 및 정공 제공층(230)에서 p형 불순물이 도핑되는 부분의 도핑 농도는 대략 1x1016~1x1020 /cm3이 될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 청색 발광 다이오드의 경우, n형 질화물 반도체층(210)은 Si 등의 n형 불순물이 도핑된 GaN, InGaN, AlInGaN 등 공지된 다양한 형태로 형성될 수 있다. 특히, n형 질화물 반도체층(210)은 n형 불순물이 델타도핑된 GaN/InGaN 초격자층으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 조건으로 n형 질화물 반도체층(210)을 형성한 결과, 낮은 구동전압에서 과잉정공이 활성층으로 주입되고, 상온 뿐만 아니라 고온에서의 발광다이오드 활성층 내부의 전자와 정공의 분포를 균일하게 향상시킬 수 있었다.
n형 질화물 반도체층(210)이 n형 불순물이 델타도핑된 GaN/InGaN 초격자층으로 형성될 경우, n형 불순물은 두께방향으로 5~200Å 간격으로 도핑 되어 있는 것이 바람직하다. n형 질화물 반도체층에서 n형 불순물의 도핑 간격이 5Å 미만일 경우, 박막 형성시 두께의 재현성을 잃을 수 있다. 반대로, n형 질화물 반도체층에서 n형 불순물의 도핑 간격이 200Å을 초과하는 경우에는 GaN과 InGaN 사이의 밴드 다이어그램 에서 포텐셜 스파이크에 의한 저항 증가를 발생시킬 수 있다.
n형 질화물 반도체층(210)에서 n형 불순물이 도핑되는 부분의 도핑 농도는 대략 1x1017~5x1019 /cm3이 될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 도 2에 도시된 본 발명에 따른 청색 발광 다이오드는 n형 질화물 반도체층(210)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(251) 및 p형 질화물 반도체층(240) 에 전기적으로 연결되는 제2 전극(252)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광다이오드는 n형 질화물 반도체층(210) 아래에 사파이어 성장기판 등과 같은 기판(201)을 더 포함할 수 있다. 또한, 기판(201)과 n형 질화물 반도체층(210) 사이에는 비도핑 질화물층(202), AlN, 저온성장 GaN과 같은 버퍼층(미도시) 등이 더 형성되어 있을 수 있다.
도 4는 알루미늄(Al)이 3% 포함된 Al0.03Ga0.97N 이종 양자장벽층이 적용된 활성층의 전도대 구조를 나타낸 것이고, 도 5는 알루미늄(Al)이 3% 포함된 Al0.03Ga0.97N 이종 양자장벽층이 적용된 활성층에 대하여 200mA 전류 주입시 정공의 분포를 나타낸 것이다.
보다 구체적으로, 이종 양자장벽층으로는 마지막 양자우물 성장 전 양자장벽 내부에 10Å의 Al0.03Ga0.97N으로 형성하였으며, 결과 도출을 위하여, APSYS 전산모사 프로그램을 이용하였다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 내부 마지막 양자우물 성장 전에 알루미늄 조성 5% 이하의 AlGaN 이종 양자장벽층이 도입되면서, AlGaN이 도입된 층의 밴드 다이어그램이 다른 양자장벽층의 삼각형과는 달리 좀더 뭉특해지면서 평균 밴드갭이 상승됨을 알 수 있다(도 4), 이로 인하여 p-GaN쪽으로 넘어가는 전자의 농도가 최상층의 양자우물(Quantum well)에 존재하는 전자 농도 비하여 10% 이하로 유지할 수 있게 전자의 넘침 현상을 억제함(도 5)으로써 내부양자효율 향상을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 알루미늄(Al)이 3원자% 포함된 Al0.03Ga0.97N 이종 양자장벽층이 적용된 활성층을 포함하는 기판과 일반적인 활성층을 포함하는 기판에 대하여 200mA 전류 주입시 정공의 분포를 나타낸 것이고, 도 7은 전류주입에 따른 상온 대비 고온 광량을 비교한 것이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, AlGaN 이종 양자장벽층을 도입한 구조는 기존의 청색 발광 다이오드 구조 대비 활성층 내부 정공의 주입이 향상되어, 상온(300 K)에서의 발광효율이 향상되며, 동시에 200mA 에서의 동작전압 상승은 0.1 V 이하이다. 또한, 고온(400K)에서의 광효율 저하도 상대적으로 줄어들게 되는 결과를 나타내었다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
201 : 기판 202 : 비도핑 질화물 반도체층
210 : n형 질화물 반도체층 220 : 활성층
221 : 양자장벽층
221' : 마지막 양자 우물층 바로 아래 양자장벽층
222 : 양자우물층 222' : 마지막 양자우물층
223 : 이종 양자장벽층 230 : 전자 차단 및 정공 제공층
240 : p형 질화물 반도체층 251 : 제1 전극
252 : 제2 전극

Claims (9)

  1. n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층;
    p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되는 활성층;을 포함하고,
    상기 활성층은 양자장벽층과 양자우물층 쌍이 반복 적층되어 형성되되, 양자장벽층 중 적어도 하나는 상기 양자장벽층과 상이한 조성을 갖는 이종 양자장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이종 양자장벽층은 상기 p형 질화물 반도체층에 가장 인접한 양자 우물층 바로 아래의 양자장벽층에 포함되는 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이종 양자장벽층은 상기 양자장벽층들보다 밴드갭이 더 큰 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이종 양자장벽층은 AlxGa1-xN(0<x<1)로 이루어진 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이종 양자장벽층에서, 알루미늄의 몰비(x)가 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 활성층의 마지막 양자장벽층과 p형 질화물 반도체층 사이에는 전자 차단 및 정공 제공층이 형성되어 있고,
    상기 전자 차단 및 정공 제공층은 p형 불순물이 델타도핑(delta-doping)된 GaN/InGaN 초격자층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전자 차단 및 정공 제공층은 p형 불순물이 두께방향으로 10~200Å 간격으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은 n형 불순물이 델타도핑된 GaN/InGaN 초격자층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은 n형 불순물이 두께방향으로 5~200Å 간격으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 청색 발광다이오드.
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