KR20150048337A - 근자외선 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

근자외선 발광 소자가 개시된다. 이 발광 소자는, n형 콘택층, p형 콘택층, n형 콘택층과 p형 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성영역, 및 n형 콘택층과 활성영역 사이에 위치하는 적어도 하나의 전자 제어층을 포함한다. n형 콘택층 및 p형 콘택층 AlInGaN층 또는 AlGaN층을 포함하며, 전자 제어층은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성된다. 나아가, 전자 제어층은 이웃하는 층들에 비해 더 많은 Al을 함유하여 활성 영역 내로 이동하는 전자의 흐름을 저해한다. 이에 따라, 전자의 이동도를 떨어뜨려 활성 영역 내에서의 전자와 정공의 재결합율을 향상시킨다.

Description

근자외선 발광 소자{NEAR UV LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 무기물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 근자외선 발광 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화갈륨계 반도체는 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신 기기의 광원으로 자외선, 청/녹색 발광 다이오드(light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(laser diode)에 널리 이용되고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN) 화합물 반도체는 좁은 밴드 갭에 기인하여 많은 주목을 받고 있다.
이러한 질화갈륨 계열의 화합물 반도체를 이용한 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 백라이트 광원, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다. 특히, 근자외선을 방출하는 발광 소자는 위폐감식, 수지 경화 및 자외선 치료 등에 사용되고 있으며, 또한 형광체와 조합되어 다양한 색상의 가시광선을 구현할 수 있다.
근자외선은 일반적으로 약 320~390nm 파장 범위의 자외선을 지칭한다. InGaN을 웰층으로 사용한 발광 소자는 In의 함유량에 따라 약 360nm 이상의 광, 즉, 360~390nm 범위의 근자외선을 방출하는데 사용될 수 있다.
한편, 웰층에서 생성된 광은 장벽층 및 콘택층을 통해 외부로 방출되므로, 광이 진행하는 경로 상에 다수의 반도체층들이 위치하고, 이들 반도체층들에 의한 광 흡수가 발생된다. 특히, 웰층보다 좁은 밴드갭을 갖거나 밴드갭이 유사한 경우 상당히 많은 광 손실이 발생된다. 특히, 발광 소자의 대부분의 두께를 차지하는 n형 콘택층 및 p형 콘택층에 의한 광 흡수를 제어할 필요가 있다.
이 때문에, 종래 근자외선 발광 소자는 전자 블록층 뿐만 아니라, 장벽층, n형 콘택층 및 p형 콘택층을 InGaN에 비해 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖는 AlGaN으로 형성하고 있다. 그러나 n형 콘택층을 AlGaN으로 형성하기 때문에, 양호한 결정성을 갖는 활성층을 형성하기 어려워, 근자외선 발광 소자의 전기적 광학적 특성이 청색 발광 소자에 비해 상대적으로 낮다.
나아가, 질화갈륨계 반도체의 전자의 이동도에 비해 정공의 이동도가 상당히 낮다. 특히, Al을 함유하는 질화갈륨계 반도체층의 경우, 정공의 이동도는 Al을 함유하지 않는 질화갈륨계 반도체층에 비해 현저하게 떨어진다. 따라서, p형 콘택층에 AlGaN을 포함하는 근자외선 발광 소자의 경우, 전자의 이동도에 비해 정공의 이동도가 매우 낮다. 이에 따라, 웰층에서의 전자와 정공의 재결합율이 떨어져 내부 양자 효율이 감소하며, 결과적으로 광 출력이 감소한다. 특히, 높은 전류 밀도로 동작할 경우, 전자와 정공의 재결합율은 더욱 낮아지게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 질화갈륨계 근자외선 발광 소자의 광 출력을 개선하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 활성층의 결정성을 개선할 수 있는 근자외선 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 n형 콘택층; AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 p형 콘택층; 상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성영역; 및 상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 적어도 하나의 전자 제어층을 포함한다. 또한, 상기 다중양자우물 구조의 활성영역은 장벽층들 및 우물층들을 포함하고, 상기 장벽층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되며, 상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 장벽층은 다른 장벽층들에 비해 더 많은 Al을 함유할 수 있다. 한편, 상기 전자 제어층은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되고, 이웃하는 층들에 비해 더 많은 Al을 함유하여 상기 활성 영역 내로 이동하는 전자의 흐름을 저해한다. 이에 따라, 전자의 이동도를 떨어뜨려 활성 영역 내에서 전자와 정공의 재결합율을 증가시킬 수 있다.
특히, 상기 제1 장벽층 또한 전자의 흐름을 저해하도록 형성될 수 있으며, 따라서, 상기 제1 장벽층과 상기 전자 제어층에 의해 전자의 흐름을 효과적으로 지연시킬 수 있다.
여기서, 상기 발광 소자는 근자외선을 방출한다. 특히, 상기 다중양자우물 구조의 활성영역은 360 내지 390nm 범위 내의 근자외선을 방출할 수 있다. 나아가, 상기 우물층은 InGaN으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 장벽층이 In을 함유할 경우, 우물층과 장벽층 사이의 격자 불일치를 완화하여 우물층의 결정 품질을 개선할 수 있다.
상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 장벽층은 다른 장벽층들에 비해 Al을 더 많이 함유하는데, 다른 장벽층에 비해 5% 이상, 10% 이상, 또는 20% 이상 더 많이 함유할 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 장벽층은 30~50%의 Al을 함유할 수 있다.
본 명세서에 있어서 백분율로 표시된 금속 원소의 함량은 질화갈륨계 층의 금속 성분의 조성의 합에 대해 각 금속 성분의 조성을 백분율로 표시한 것이다. 즉, AlxInyGazN으로 표시되는 질화갈륨계층의 Al의 함량은 100×x/(x+y+z)로 계산하여 %로 표현된다. 일반적으로, x+y+z=1이므로, 각 금속 성분의 백분율 값은 일반적으로 조성비(x, y 또는 z)에 100을 곱한 값이 된다.
한편, 상기 제1 장벽층 이외의 다른 장벽층들은 10 내지 30%의 Al과 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 장벽층은 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN으로 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 p형 콘택층은 하부 고농도 도핑층, 상부 고농도 도핑층 및 상기 하부 고농도 도핑층과 상부 고농도 도핑층 사이에 위치하는 저농도 도핑층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 저농도 도핑층이 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층의 두께보다 더 두껍다. 상기 저농도 도핑층을 상대적으로 두껍게 형성함으로써 p형 콘택층에 의한 광 흡수를 방지할 수 있다.
또한, 상기 n형 콘택층은 하부 질화알루미늄갈륨층, 상부 질화알루미늄갈륨층 및 상기 하부 질화갈륨층과 상기 상부 질화알루미늄갈륨층 사이에 위치하는 다층 구조의 중간층을 포함할 수 있다. 다층 구조의 중간층을 n형 콘택층 중간에 삽입함으로써 n형 콘택층 상에 형성되는 에피층들의 결정질을 개선할 수 있다. 특히, 상기 다층 구조의 중간층은 AlInN와 GaN를 교대로 적층한 구조를 가질 수 있다.
상기 n형 콘택층은 또한 모듈레이션 도핑된 AlGaN층을 포함할 수 있다. 상기 상부 질화알루미늄 갈륨층이 모듈레이션 도핑된 층일 수 있다.
한편, 상기 발광 소자는, 상기 n형 콘택층과 상기 활성 영역 사이에 위치하는 초격자층; 및 상기 초격자층과 상기 활성 영역 사이에 위치하는 전자 주입층을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 주입층은 상기 초격자층에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖고, 상기 제1 장벽층은 상기 전자 주입층에 접할 수 있다. n형 불순물 도핑 농도가 상대적으로 높은 전자 주입층에 접하도록 제1 장벽층을 배치함으로써 전자의 흐름을 효과적으로 지연시킬 수 있다.
또한, 상기 발광 소자는, 상기 n형 콘택층과 상기 초격자층 사이에 위치하는 정전방전 방지층을 더 포함할 수 있으며, 상기 정전 방전 방지층과 상기 초격자층 사이에 제1 전자 제어층이 위치할 수 있다. 정전방전 방지층은 AlGaN 또는 AlInGaN을 포함하는 n형 콘택층에 불순물을 도핑함에 따라 악화된 결정 품질을 회복하여 정전 방전을 방지한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 정전방전 방지층은, 언도프트 AlGaN층; 상기 n형 콘택층보다 저농도로 n형 불순물이 도핑된 저농도 AlGaN층; 및 상기 저농도 AlGaN층보다 고농도로 n형 불순물이 도핑된 고농도 AlGaN층을 포함하고, 상기 저농도 AlGaN층은 상기 언도프트 AlGaN층과 상기 고농도 AlGaN층 사이에 위치할 수 있다. 상기 언도프트 AlGaN층에 의해 결정 품질을 회복하고, 도핑 농도를 서서히 증가시킴으로써 성장되는 층들의 결정 품질을 유지한다. 나아가, 상기 제1 전자 제어층은 상기 고농도 AlGaN층에 접할 수 있다. 제1 전자 제어층이 고농도 AlGaN층에 접하도록 배치되어 전자의 흐름을 효과적으로 지연시킬 수 있다.
상기 n형 콘택층 및 상기 초격자층은 10% 미만의 Al을 함유하고, 상기 제1 전자 제어층은 10 내지 20%의 Al을 함유할 수 있다.
한편, 상기 n형 콘택층과 상기 정전방전 방지층 사이에 제2 전자 제어층이 위치할 수 있다. 나아가, 상기 n형 콘택층 및 상기 정전방전 방지층은 10% 미만의 Al을 함유하고, 상기 제2 전자 제어층은 10 내지 20%의 Al을 함유할 수 있다.
다른 장벽층들에 비해 Al을 더 많이 함유하는 제1 장벽층과 함께, 전자의 흐름을 저해하는 전자 제어층에 의해 전자와 정공의 재결합율을 증가시킬 수 있으며, 따라서 광 출력을 향상시킬 수 있다. 나아가, n형 콘택층과 활성영역 사이에 정전방전 방지층 및/또는 초격자층을 배치함으로써, 활성영역의 결정품질을 개선할 수 있어 광 출력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 다중양자우물구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 밴드갭을 설명하기 위한 개략적인 밴드 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극들을 갖는 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광 출력을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 상기 발광 소자의 다중양자우물구조를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 소자는 n형 콘택층(27), 정전 방전 방지층(30),초격자층(35), 활성영역(39), p형 콘택층(43), 및 전자 제어층(28, 34)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 소자는 기판,(21), 핵층(23), 버퍼층(25), 전자 주입층(37), 전자 블록층(41) 또는 델타 도핑층(45)을 포함할 수 있다.
상기 기판(21)은 질화갈륨계 반도체층을 성장시키기 위한 기판으로, 사파이어, SiC, 스피넬 등 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 패터닝된 사파이어 기판(PSS)일 수 있다.
상기 핵층(23)은 기판(21) 상에 버퍼층(25)을 성장시키기 위해 400~600℃의 저온에서 (Al, Ga)N로 형성될 수 있으며, 예컨대, GaN 또는 AlN로 형성된다. 상기 핵층은 약 25nm의 두께로 형성될 수 있다. 버퍼층(25)은 기판(21)과 n형 콘택층(27) 사이에서 전위와 같은 결함발생을 완화하기 위한 층으로, 상대적으로 고온에서 성장된다. 상기 버퍼층(25)은 예컨대, 언도프트 GaN으로 약 1.5um의 두께로 형성될 수 있다.
상기 n형 콘택층(27)은 n형 불순물, 예컨대 Si이 도핑된 질화갈륨계 반도체층으로 형성되며, 예컨대 약 3um의 두께로 형성될 수 있다. 상기 n형 콘택층(27)은 AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하며, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 n형 콘택층(27)은 도시한 바와 같이, 하부 GaN층(27a), 중간층(27b) 및 상부 AlGaN층(27c)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 중간층(27b)은 AlInN로 형성되거나, 또는 AlInN와 GaN를 교대로 예컨대 약 10주기 적층한 다층 구조(초격자 구조 포함)로 형성될 수 있다. 상기 하부 GaN층(27a)은 약 1.5um의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 상부 AlGaN층(27c)은 약 1um의 두께로 형성될 수 있다. 상기 상부 AlGaN층(27c)은 10% 미만, 예컨대 약 9%의 Al 조성비를 가질 수 있다.
상기 중간층(27b)은 상기 상부 AlGaN층들(27c)에 비해 상대적으로 작은 두께를 갖도록 형성되며, 약 80nm의 두께로 형성될 수 있다. 하부 GaN층(27a) 상에 중간층(27b)을 형성하고, 그 위에 상부 AlGaN층(27c)을 형성함으로써, 상부 AlGaN층(27c)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 하부 GaN층(27a)과 상부 AlGaN층(27c)에 Si 불순물이 1E18/㎤ 이상의 고농도로 도핑된다. 상기 중간층(27b)에는 상기 상부 AlGaN층(27c)과 동일한 정도 또는 낮은 정도로 도핑될 수 있으며, 의도적으로 불순물이 도핑되지 않을 수도 있다. 나아가, 상기 상부 AlGaN층(27c)은 도핑 및 언도핑을 반복하여 모듈레이션 도핑층으로 형성될 수 있다. 상기 하부 GaN층(27a)과 상부 AlGaN층(27c)에 불순물이 고농도로 도핑되므로, n형 콘택층(27)의 저항성분을 낮출 수 있다. 상기 n형 콘택층(27)에 콘택하는 n-전극(도 4의 49a)은 상부 AlGaN층(27c)에 접촉할 수 있다. 특히, 기판(21)을 제거하여 수직 구조의 발광 소자를 형성할 경우, 하부 GaN층(27a) 및 중간층(27b)은 제거될 수도 있다.
전자 제어층(28)은 n형 콘택층(27) 상에서 n형 콘택층(27)에 접하여 위치한다. 특히, 전자 제어층(28)은 n-전극(49a)이 접촉하는 층, 예컨대 상부 AlGaN층(27c) 상에 위치한다. 전자 제어층(28)은 n형 콘택층(27)의 Al 함유량보다 더 많은 Al을 함유하며, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 예컨대, 전자 제어층(28)의 Al 함유량은 10 내지 20% 범위 내일 수 있다. 전자 제어층(28)은 약 1 내지 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
전자 제어층(28)은 n형 콘택층(27)에 비해 더 많은 Al을 함유함으로써 n형 콘택층(27)으로부터 활성 영역(39)으로 이동하는 전자의 흐름을 방해한다. 이에 따라, 전자 제어층(28)은 전자의 이동도를 제어하여 활성 영역(39) 내에서의 전자와 정공의 재결합율을 향상시킨다.
정전방전 방지층(30)은 그 위에 형성될 에피층의 결정 품질을 향상시키기 위해 형성된다. 정전방전 방지층(30)은 언도프트 AlGaN층(29), 저농도 AlGaN층(31) 및 고농도 AlGaN층(33)을 포함할 수 있다. 상기 언도프트 AlGaN층(29)은 의도적으로 불순물이 도핑되지 않은 AlGaN으로 형성되며, 상기 상부 AlGaN층(27c)에 비해 상대적으로 얇은, 예컨대 80nm~300nm의 두께로 형성될 수 있다. n형 콘택층(27)에 n형 불순물을 도핑함에 따라 상기 n형 콘택층(27)에 잔류 응력이 생성되고, 결정품질이 저하된다. 또한, Al 함유량이 상대적으로 많은 전자 제어층(28)을 형성함에 따라, 결정 품질이 더 나빠진다. 따라서, 상기 n형 콘택층(27) 또는 전자 제어층(28) 상에 다른 에피층을 성장할 경우, 양호한 결정품질을 갖는 에피층을 성장하기 어렵다. 그러나 상기 언도프트 AlGaN층(29)은 불순물을 도핑하지 않기 때문에, n형 콘택층(27)의 결정품질 저하를 회복시키는 회복층으로서 작용한다. 따라서, 상기 언도프트 AlGaN층(29)은, 전자 제어층(28)이 생략된 경우, 상기 n형 콘택층(27) 상에 직접 형성되어 n형 콘택층(27)에 접하고, 전자 제어층(28)이 형성된 경우, 전자 제어층(28) 상에 직접 형성되어 전자 제어층(28)에 접하는 것이 좋다. 이에 더하여, 상기 언도프트 AlGaN층(29)은 n형 콘택층(27)에 비해 상대적으로 비저항이 높기 때문에, n형 콘택층(27)에서 활성층(39)으로 유입되는 전자가 언도프트 AlGaN층(29)을 통과하기 전에 n형 콘택층(27) 내에서 고르게 분산될 수 있다.
상기 저농도 AlGaN층(31)은 상기 언도프트 GaN층(29) 상에 위치하며 상기 n형 콘택층(27)보다 더 낮은 농도로 도핑된 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 상기 저농도 AlGaN층(31)은 예컨대 5×1017/㎤ ~5×1018/㎤ 범위 내의 Si 도핑 농도를 가질 수 있으며, 상기 언도프트 AlGaN층(29)에 비해 상대적으로 얇은 두께로, 예컨대 50~150nm의 두께로 형성될 수 있다. 한편, 상기 고농도 AlGaN층(33)은 상기 저농도 AlGaN층(31) 상에 위치하며, 상기 저농도 AlGaN층(31)에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 상기 고농도 AlGaN층(33)은 상기 n형 콘택층(27)과 거의 유사한 정도의 Si 도핑 농도를 가질 수 있다. 상기 고농도 AlGaN층(33)은 상기 저농도 AlGaN층(31)에 비해 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 약 30nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 n형 콘택층(27), 전자 제어층(28), 언도프트 AlGaN층(29), 저농도 AlGaN층(31) 및 고농도 AlGaN층(33)은 챔버 내로 금속 소스 가스를 공급하여 연속적으로 성장될 수 있다. 금속 소스 가스의 원료로는 Al, Ga, In의 유기물, 예컨대 TMA, TMG 및/또는 TMI 등이 사용된다. 한편, Si의 소스 가스로는 SiH4가 사용될 수 있다. 이들 층들은 제1 온도, 예컨대 1050℃~1150℃에서 성장될 수 있다.
전자 제어층(34)은 정전 방전 방지층(30) 상에 위치한다. 특히, 전자 제어층(34)은 고농도 AlGaN층(33)에 접하여 위치한다. 전자 제어층(34)은 정전 방전 방지층(30)의 Al 함유량보다 더 많은 Al을 함유하며, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 예컨대, 전자 제어층(34)의 Al 함유량은 10 내지 20% 범위 내일 수 있다. 전자 제어층(34)은 약 1 내지 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
전자 제어층(34)은 정전 방전 방지층(30)에 비해 더 많은 Al을 함유함으로써 n형 콘택층(27)으로부터 활성 영역(39)으로 이동하는 전자의 흐름을 방해한다. 이에 따라, 전자 제어층(34)은 전자의 이동도를 제어하여 활성 영역(39) 내에서의 전자와 정공의 재결합율을 향상시킨다.
상기 초격자층(35)은 전자 제어층(34) 상에 위치한다. 초격자층(35)은 조성이 서로 다른 제1 AlInGaN층과 제2 AlInGaN층을, 예컨대 각각 20Å의 두께로 약 30주기 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 상기 제1 AlInGaN층 및 제2 AlInGaN층은 활성영역(39) 내의 우물층들(도 2의 39w)에 비해 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖는다. 상기 제1 AlInGaN층 및 제2 AlInGaN층에 함유되는 In 조성비는 우물층들(39w)에 함유되는 In 조성비보다 작을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 AlInGaN층 및 제2 AlInGaN층 중 적어도 하나의 층은 우물층(39w)보다 높은 In 조성비를 가질 수도 있다. 예컨대, 상기 제1 AlInGaN층 및 제2 AlInGaN층 중 In을 더 많이 함유하는 층의 In 조성비는 약 1%이고, Al은 약 8%일 수 있다. 상기 초격자층(35)은 의도적으로 불순물을 도핑하지 않고 언도프트층으로 형성될 수 있다. 초격자층(35)이 언도프트 층으로 형성되기 때문에 발광 소자의 누설전류를 감소시킬 수 있다.
상기 초격자층(35)은 그 위에 형성되는 에피층에 대해 버퍼층으로 작용할 수 있으며, 따라서 에피층의 결정 품질을 개선한다.
전자 주입층(37)은 상기 초격자층(35)에 비해 상대적으로 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 나아가, 상기 전자 주입층(37)은 n형 콘택층(27)과 거의 동일한 정도의 n형 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 n형 불순물 도핑 농도는 2×1018/㎤ ~2×1019/㎤ 범위 내일 수 있으며, 더 바람직하게는 1×1019/㎤ ~2×1019/㎤ 범위 내일 수 있다. 상기 전자 주입층(37)은 상기 고농도 도핑층(33)과 유사하거나 그보다 상대적으로 작은 두께를 갖도록, 예컨대 약 20nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 전자 주입층(37)은 예컨대 AlGaN으로 형성될 수 있다.
상기 전자 주입층(37) 상에 활성영역(39)이 위치한다. 도 2는 활성영역(39)을 확대 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 활성영역(39)은 서로 교대로 적층된 장벽층들(39b)과 우물층들(39w)을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖는다. 상기 우물층들(39w)은 360nm 내지 390nm 범위의 근자외선을 방출하는 조성을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 우물층들(39w)은 GaN, InGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있으며, 특히 InGaN으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 우물층(39w)에 함유되는 In의 함량은 요구되는 근자외선 파장에 따라 결정된다. 예컨대, 상기 우물층(39w)에 함유되는 In 함량은 약 1% 이하일 수 있다. 상기 우물층들(39w)은 약 20~30Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 장벽층들(39b)은 우물층에 비해 밴드갭이 넓은 질화갈륨계 반도체층, 예컨대, GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN로 형성될 수 있다. 특히, 상기 장벽층들(39b)은 AlInGaN로 형성될 수 있는데, In을 포함함으로써 우물층(39w)과 장벽층(39b) 사이의 격자 불일치를 완화할 수 있다.
한편, 상기 장벽층들(39b1, 39b, 39bn) 중 전자 주입층(37) 혹은 초격자층(35)에 가장 가까운 제1 장벽층(39b1)은 다른 장벽층들에 비해 Al 함량이 더 높을 수 있다. 예컨대, 제1 장벽층(39b1)은 다른 장벽층들(39b)에 비해 Al을 5% 이상, 10% 이상, 또는 20% 이상 더 많이 함유할 수 있다. 제1 장벽층(39b1)의 Al 함유량은 예를 들어 30~50% 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 다른 장벽층들(39b, 39bn)에 약 20%의 Al이 함유되고, 상기 제1 장벽층(39b1)에 약 40%의 Al이 함유될 수 있다. 이들 장벽층들(39b1, 39b, 39bn)에 함유되는 In 함량은 약 1% 이하이다.
일반적으로 발광 소자에서 장벽층들은 서로 동일한 조성을 갖도록 형성된다. 그러나 본 실시예에 있어서, 제1 장벽층(39b1)은 다른 장벽층들(39b)에 비해 더 많은 Al 함유량을 갖는다. 상기 제1 장벽층(39b1)이 다른 장벽층들(39b)에 비해 상대적으로 높은 밴드갭을 갖도록 형성됨으로써 상기 제1 장벽층(39b1)이 활성 영역(39) 내에 캐리어를 가두는 기능을 수행할 수 있다. 나아가, 제1 장벽층(39b1)은 초격자층(35) 또는 전자 주입층(37)보다 더 높은 Al 함유량을 가지며, 따라서, 전자의 흐름을 방해하는 전자 제어층으로서 기능할 수 있다.
한편, 제1 장벽층의 두께는 전자 블록층(41) 혹은 p형 콘택층(43)에 가장 가까운 마지막 장벽층을 제외한 나머지 장벽층들과 거의 동등한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 제1 장벽층은 예컨대 40 내지 60Å의 두께를 가질 수 있으며, 특히 약 50Å의 두께를 가질 수 있다.
상기 활성영역(39)은 전자 주입층(37)에 접할 수 있다. 특히, 제1 장벽층(39b1)이 전자 주입층(37)에 접하여 전자의 흐름을 효과적으로 지연시킨다. 한편, 상기 활성 영역(39)의 장벽층 및 양자우물층은 활성 영역의 결정 품질을 향상시키기 위해 불순물이 도핑되지 않은 언도프트층으로 형성될 수 있으나, 순방향 전압을 낮추기 위해 일부 또는 전체 활성 영역 내에 불순물이 도핑될 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 활성 영역(39) 상에 p형 콘택층(43)이 위치하고, 상기 활성 영역(39)과 p형 콘택층(43) 사이에 전자 블록층(41)이 위치할 수 있다. 상기 전자 블록층(41)은 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. AlInGaN으로 형성될 경우, 활성영역(39)과의 격자 불일치를 더욱 완화할 수 있다. 이때, 상기 전자 블록층(41)은 예컨대 약 40%의 Al을 함유할 수 있다. 상기 전자 블록층(41)은 p형 불순물, 예컨대 Mg으로 도핑될 수 있으나 불순물을 의도적으로 도핑하지 않을 수도 있다. 상기 전자 블록층(41)은 약 15nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 p형 콘택층(43)은 Mg이 도핑된 AlGaN층 또는 AlInGaN층으로 형성될 수 있으며, 예컨대 Al의 조성비는 약 8%, 두께는 100nm일 수 있다. 상기 p형 콘택층(43)은 단일층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도시한 바와 같이, 하부 고농도 도핑층(43a), 저농도 도핑층(43b) 및 상부 고농도 도핑층(43c)을 포함할 수 있다. 상기 저농도 도핑층(43b)은 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층(43a, 43c)에 비해 상대적으로 낮은 도핑 농도를 가지며, 상기 하부 고농도 도핑층(43a)과 상부 고농도 도핑층(43c) 사이에 위치한다. 상기 저농도 도핑층(43b)은 성장하는 동안 Mg의 소스 가스(예컨대 Cp2Mg)의 공급을 차단하고 성장될 수 있다. 나아가, 상기 저농도 도핑층(43b)을 성장하는 동안 H2 가스를 제외하고 N2 가스를 캐리어 가스로서 이용하여 불순물 함유량을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 저농도 도핑층(43b)은 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층들(43a, 43c)에 비해 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 저농도 도핑층(43b)은 약 60nm의 두께로 형성되고, 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층들(43a, 43c)은 각각 10nm의 두게로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 p형 콘택층(43)의 결정품질을 향상시키고 또한 불순물 농도를 감소시킴으로써 p형 콘택층(43)에 의한 근자외선의 손실을 방지 또는 완화할 수 있다.
한편, 상기 p형 콘택층(43) 상에 오믹 콘택 저항을 낮추기 위한 델타 도핑층(45)이 위치할 수 있다. 상기 델타 도핑층(45)은 n형 또는 p형으로 고농도로 도핑되어 그 위에 형성되는 전극과 p형 콘택층(43) 사이의 오믹 저항을 낮춘다. 델타 도핑층(45)은 약 2 내지 5Å의 두께로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 밴드갭을 설명하기 위한 개략적인 밴드 다이어그램이다. 여기서는 도면을 간략화하기 위해 전도대만을 개략적으로 도시한다.
도 3을 참조하면, 전자 제어층(28)은 n형 콘택층(27)과 정전 방전 방지층(30) 사이에 위치하고, 전자 제어층(34)은 정전 방전 방지층(30)과 초격자층(35) 사이에 위치한다. 또한, 활성영역(39)의 제1 장벽층(39b1)이 우물층이나 다른 장벽층들에 비해 초격자층(35) 측에 가깝게 위치한다. 전자 제어층(28, 34)은 이웃하는 층들에 비해 넓은 밴드갭을 가지며, 따라서 n형 콘택층(27)으로부터 활성 영역(39)으로 이동하는 전자에 대해 장벽으로 기능한다. 특히 전자 제어층(28)은 n형 콘택층(27)보다 넓은 밴드갭을 가지며, 전자 제어층(34)은 정전방전 방지층(30)보다 넓은 밴드갭을 갖는다. 제1 장벽층(39b1) 또한 초격자층(35) 또는 전자 주입층(37)보다 넓은 밴드갭을 가지며 따라서 초격자층(35)에서 활성영역(39)으로 주입되는 전자에 대해 장벽으로 기능한다.
도시한 바와 같이, 제1 장벽층(39b1)과 함께 전자 제어층(28, 34)을 n형 콘택층(27)과 활성 영역(39) 사이에 배치함으로써 전자의 흐름을 지연시킬 수 있다. 이에 따라, 전자들이 정공과 재결합하지 않고 활성 영역(39)을 벗어나는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 전자와 정공의 재결합율을 향상시킬 수 있다. 상기 전자 제어층(28, 34)을 채택한 발광 다이오드는 높은 전류 밀도에서 동작할 경우 더 양호한 효과를 나타낼 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극들을 갖는 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 4는 기판(21) 상에 성장된 에피층들을 패터닝하여 제조된 수평형 구조의 발광 소자를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 발광 소자는 도 1을 참조하여 설명한 기판(21) 및 에피층들에 더하여 투명 전극(47), n-전극(49a) 및 p-전극(49b)을 포함한다.
투명 전극(47)은 예컨대 인디움틴산화물(ITO)로 형성될 수 있다. p-전극(49b)은 투명 전극(47) 상에 형성된다. 한편, n-전극(49a)은 에피층들을 식각하여 노출된 n형 콘택층(27), 특히 상부 AlGaN층(27c) 상에 접촉한다. 전자 제어층(28)은 n-전극(49a)이 접촉하는 n형 콘택층(27) 상에 위치하여 n형 콘택층(27)에서 활성 영역(39)으로 진행하는 전자의 흐름을 방해한다.
본 실시예에 있어서, 수평형 구조의 발광 소자를 도시 및 설명하였지만, 본 발명은 수평형 구조의 발광 소자에 한정되는 것은 아니다. 기판(21) 상에 성장된 에피층들을 패터닝하여 플립칩 구조의 발광소자가 제조될 수 있으며, 또는 상기 기판(21)을 제거하여 수직 구조의 발광 소자가 제조될 수도 있다.
(실험예)
패터닝된 사파이어 기판 상에 MOCVD 장비를 사용하여 다른 조건은 모두 동일하게 하고 전자 제어층(28, 34)의 형성 조건만을 변화시켜 도 1과 같이 에피층들을 성장시켰다. 제1 실시예의 발광 소자는 전자 제어층(28, 34)을 형성하지 않은 샘플들로, 약 5nm 두께의 제1 장벽층의 Al 함유량을 약 40%로 하였다. 한편, 제2 실시예, 제3 실시예 및 제4 실시예의 발광 소자들은 다른 조건은 제1 실시예와 동일하지만, 전자 제어층(28) 및 전자 제어층(34)을 형성한 샘플들이다. 전자 제어층(28) 및 전자 제어층(34)은 각각 약 5nm의 두께로 형성되었다. 한편, 제2, 제3 및 제4 실시예들의 발광소자들은 전자 제어층(28, 34)이 차례로 약 10%, 약 15% 및 약 20%의 Al 함유량을 갖도록 형성되었다. Al의 조성비는 아토믹 프로브(atomic probe)를 이용하여 측정하였다. 한편, 각 실시예들에서 n형 콘택층(27) 및 정전 방전 방지층(33) 내의 Al 함유량은 약 9% 이었으며, 초격자층(35) 내의 Al 함유량은 약 8% 이었다.
제1 내지 제3 실시예들에 대해 각각 2장의 웨이퍼를 제작하였으며, 제4 실시예들에 대해 1장의 웨이퍼를 제작하였고, 웨이퍼 레벨에서 발광 소자의 광 출력을 측정하여 각 웨이퍼에 대한 평균값을 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 전자 제어층(28, 34)을 형성한 제2 내지 제3 실시예들이 전자 제어층이 없는 제1 실시예에 비해 대체로 더 높은 광출력을 나타내었다. 또한, 전자 제어층(28, 34) 내의 Al 함유량을 증가시킴에 따라 광출력이 향상되었다.

Claims (17)

  1. AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 n형 콘택층;
    AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 p형 콘택층;
    상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성영역; 및
    상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 적어도 하나의 전자 제어층을 포함하고,
    상기 다중양자우물 구조의 활성영역은 장벽층들 및 우물층들을 포함하고,
    상기 장벽층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되고,
    상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 장벽층은 다른 장벽층들에 비해 더 많은 Al을 함유하고,
    상기 전자 제어층은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되고, 이웃하는 층들에 비해 더 많은 Al을 함유하여 상기 활성 영역 내로 이동하는 전자의 흐름을 저해하는, 근자외선을 방출하는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 장벽층은 30~50%의 Al을 함유하는 발광 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 장벽층 이외의 다른 장벽층들은 10 내지 30%의 Al과 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성된 발광 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 장벽층은 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN으로 형성된 발광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층과 상기 활성 영역 사이에 위치하는 초격자층; 및
    상기 초격자층과 상기 활성 영역 사이에 위치하는 전자 주입층을 더 포함하고,
    상기 전자 주입층은 상기 초격자층에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖고,
    상기 제1 장벽층은 상기 전자 주입층에 접하는 발광 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 n형 콘택층과 상기 초격자층 사이에 위치하는 정전방전 방지층을 더 포함하고,
    상기 정전 방전 방지층과 상기 초격자층 사이에 제1 전자 제어층이 위치하는 발광 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 정전방전 방지층은,
    언도프트 AlGaN층;
    상기 n형 콘택층보다 저농도로 n형 불순물이 도핑된 저농도 AlGaN층; 및
    상기 저농도 AlGaN층보다 고농도로 n형 불순물이 도핑된 고농도 AlGaN층을 포함하고,
    상기 저농도 AlGaN층은 상기 언도프트 AlGaN층과 상기 고농도 AlGaN층 사이에 위치하고,
    상기 제1 전자 제어층은 상기 고농도 AlGaN층에 접하는 발광 소자.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 n형 콘택층 및 상기 초격자층은 10% 미만의 Al을 함유하고,
    상기 제1 전자 제어층은 10 내지 20%의 Al을 함유하는 발광 소자.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 n형 콘택층과 상기 정전방전 방지층 사이에 제2 전자 제어층이 위치하는 발광 소자.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 n형 콘택층 및 상기 정전방전 방지층은 10% 미만의 Al을 함유하고,
    상기 제2 전자 제어층은 10 내지 20%의 Al을 함유하는 발광 소자.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 n형 콘택층은 하부 질화갈륨층, 상부 질화알루미늄갈륨층 및 상기 하부 질화갈륨층과 상기 상부 질화알루미늄갈륨층 사이에 위치하는 다층 구조의 중간층을 포함하는 발광 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 다층 구조의 중간층은 AlInN와 GaN를 교대로 적층한 구조를 갖는 발광 소자.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 전자 제어층은 상기 상부 질화알루미늄 갈륨층에 접하는 발광 소자.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 n형 콘택층은 모듈레이션 도핑된 AlGaN층을 포함하는 발광 소자.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층에 접속된 n-전극을 더 포함하고,
    상기 전자 제어층은 상기 n-전극이 접하는 n형 콘택층보다 상기 활성 영역측에 위치하는 발광 소자.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성 영역은 360~390nm 범위 내의 근자외선을 방출하는 발광 소자.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 우물층들은 InGaN으로 형성된 발광 소자.
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