KR20150086002A - 고온 휘도 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
고온 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 아래에 형성된 스트레인 완충층을 포함하고, 상기 스트레인 완충층의 In 함량이 상기 스트레인 완충층 내에 함유된 3족 원소 전체의 0.3~0.5원자%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 아래에 형성된 스트레인 완충층을 포함하고, 상기 스트레인 완충층의 In 함량이 상기 스트레인 완충층 내에 함유된 3족 원소 전체의 0.3~0.5원자%인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온 휘도 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광소자는 실리콘과 같은 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층과 마그네슘과 같은 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층 사이에 활성층이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 질화물 반도체 발광소자의 경우, n형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 전자와 p형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 정공이 활성층에서 재결합하면서 광을 발생시킨다.
그러나, 이러한 발광 소자는 상온에서의 광방출 효율 혹은 휘도는 우수하나, 발광 소자의 주위 온도가 상승하면 휘도 혹은 광도가 열화되는 문제가 발생한다. 또한, 발광 소자가 동작하면서 발생되는 발열에 의하여 온도가 상승하면 휘도 혹은 광도가 열화되는 문제가 발생한다.
이처럼, 발열 혹은 기타 이유로 발광 소자의 주위 온도가 상승하여, 발광 소자의 휘도나 광도가 열화되는 문제는 발광 소자를 복수 개 배치하는 장치, 예를 들면 조명 장치에서 더욱 심각하게 야기된다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0026011호(2007.03.08. 공개)에 개시된 반도체 발광장치가 있다.
본 발명의 목적은 스트레인 완충층의 조성 조절을 통하여 고온 휘도 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 아래에 형성된 스트레인 완충층을 포함하고, 상기 스트레인 완충층의 In 함량이 상기 스트레인 완충층 내에 함유된 3족 원소 전체의 0.3~0.5원자%인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스트레인 완충층의 두께는 0.1~1㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 활성층은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 구비하며, 상기 복수의 장벽층 중 상기 전자 차단층과 인접하는 장벽층인 외측 장벽층은 나머지 장벽층의 두께와 같거나 얇은 두께로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 외측 장벽층은 나머지 장벽층 두께의 0.2~ 0.75배의 두께를 갖는다. 또한, 바람직하게는 상기 외측 장벽층의 두께는 2~10nm이다.
또한, 상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 p-InAlGaN으로 이루어진 전자차단층이 더 형성되어 있을 수 있다. 바람직하게는 상기 전자차단층의 p형 불순물 도핑농도는 1x1018~1x1019atoms/cm3이다. 또한, 바람직하게는, 상기 전자차단층은 알루미늄의 함량이 3족 원소 전체의 15~25원자%로 포함되고, 인듐의 함량이 3족 원소 전체의 0.2~2.0원자%이다.
이러한 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 아래에 형성된 스트레인 완충층을 포함하고, 상기 스트레인 완충층은 인듐을 상기 스트레인 완충층 내에 함유된 3족 원소 전체의 0.55원자% 미만으로 함유하여, 30℃ 휘도 대비 90℃ 고온휘도가 96% 이상을 나타내고, 30℃에서 인듐 함량이 0.55원자%인 스트레인 완충층이 적용된 경우를 기준으로 한 상대 휘도가 99% 이상을 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 스트레인 완충충의 인듐 농도를 3족 원소 전체의 0.3~0.5원자%로 제어한 결과, 상온 발광 특성 및 고온 발광 특성 모두 우수한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 전자차단층과 접하는 활성층을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 전자차단층과 접하는 활성층을 나타낸 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 실시예는 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고온 휘도 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 통상의 질화물 반도체 발광소자와 마찬가지로 n형 질화물 반도체층(110)과 p형 질화물 반도체층(130) 사이에 활성층(120)이 개재된 구조를 갖는다.
그리고 이들 질화물 반도체층들은 기판(101) 상에 형성되며, 결정 품질 향상 등을 위하여 기판 상에는 비도핑 질화물 반도체층(102), 버퍼층 등이 형성될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층(110)과 활성층(120) 사이에 스트레인 완충층(130)이 형성되어 있다. 활성층(130)의 경우 양자우물층은 주로 InGaN 양자 우물층과 GaN 양자장벽층이 교대로 적층되어 있는 다중양자우물(MQW) 구조를 갖는다. 이때, MQW 구조 활성층은 InGaN와 GaN의 격자상수의 차이로 인하여 InGaN 우물층과 GaN 장벽층 간에 큰 스트레인(strain)이 발생한다. 이 스트레인은 활성층에 큰 압전 필드(piezoelectic field)를 발생시켜 활성층의 내부 양자 효율을 저하시킨다. 스트레인 완충층은 이러한 스트레인을 완화시키는 역할을 한다.
본 발명에서, 스트레인 완충층(130)은 InGaN으로 이루어져 있다. 이때, 스트레인 완충층의 인듐(In) 함량이 3족 원소 전체의 0.3~0.5원자%인 것이 바람직하다. 인듐 함량이 0.3원자% 미만일 경우, 상온 휘도가 지나치게 감소하는 문제점이 있다. 반대로, 인듐 함량이 0.5원자%를 초과하는 경우, 상온 대비한 고온 휘도가 지나치게 감소하는 문제점이 있다.
표 1은 동일한 조건에서 인듐 함량에 따른 고온 휘도를 측정한 결과를 나타낸 것으로, 각 인듐 함량에서 30℃를 기준으로 한 상대 휘도를 나타내었다.
[표 1] (단위 : %)
표 1을 참조하면, 상온에서의 휘도 기준으로 고온에서는 휘도가 감소하는데, 90℃의 고온에서 인듐 함량이 낮을수록 대체로 휘도 특성이 우수한 것을 볼 수 있다. 또한, 90℃의 고온에서의 휘도를 보면, 0.50원자%까지는 30℃ 휘도의 96% 이상을 나타냄을 알 수 있다.
표 2는 동일한 조건에서 인듐 함량에 따른 30℃ 휘도를 나타낸 것으로, 인듐 함량이 0.55원자%일 때를 기준으로 상대 휘도를 나타낸 것이다.
[표 2] (단위 : %)
표 2를 참조하면, 인듐 함량이 0.55원자%일 때를 기준으로 0.45원자%까지 낮아질 경우, 휘도가 더 우수하며, 인듐 함량이 0.45원자%보다 낮아질 경우 점차 휘도가 감소하면서 0.30원자% 미만에서는 상온 휘도가 0.55원자%일 때 보다 1% 이상 더 낮아지는 것을 볼 수 있다.
상기의 표 1 및 표 2의 결과를 고려하면, 스트레인 완충층에서 인듐 함량은 3족원소 전체의 0.3~0.5%인 것이 바람직하다.
또한, 상기의 표 1 및 표 2의 결과를 통하여, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 스트레인 완충층에서 인듐 함량이 0.55원자% 미만으로 함유됨으로써 30℃ 휘도 대비 90℃ 고온휘도가 96% 이상을 나타내고, 30℃에서 인듐 함량이 0.55원자%인 스트레인 완충층이 적용된 경우를 기준으로 한 상대 휘도가 99% 이상을 나타낼 수 있다.
한편, 상기 스트레인 완충층의 두께는 0.1~1.0㎛인 것이 바람직하다. 상기 스트레인 완충층의 두께가 0.1㎛ 미만일 경우, 스트레인 완충 효과가 불충분하다. 반대로, 스트레인 완충층의 두께가 1.0㎛를 초과하는 경우, 인듐 뭉침 현상에 의하여 막질이 저하되는 문제가 있다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 활성층을 나타낸 것이다.
활성층(120)은 n형 질화물 반도체층 (110)과 인접하는 쪽에서부터 우물층과 장벽층이 교대로 반복 적층된 구조일 수 있다. 즉, 제1 우물층(3011)의 상부에 제1 장벽층(3012)이 형성되고, 그 위에 다시 제2 우물층 및 제2 장벽층이 형성되고, 계속하여 제n 우물층(301n) 및 제n 장벽층(302n)이 형성된다. 이때, 제n 우물층(301n) 및 제n 장벽층(302n)은 원하는 반복회수에 따라 3번째 혹은 15번째층이 될 수 있고, p형 질화물 반도체층(130)에 인접하여, 최상부에 형성되는 층으로 외측 우물층 및 장벽층이다. 외측 장벽층(302n)의 두께는 그외 장벽층(3021 내지 302n-1)의 두께와 같거나 이보다 얇게 형성된다. 예를 들면 외측 장벽층(302n)은 그 외 장벽층(3021 내지 302n-1) 두께의 0.2배 내지 0.75배 범위의 두께를 가질 수 있다.
바람직하게는 0.2배 내지 0.5배 범위의 두께를 가진다. 또한, 외측 장벽층(302n)은 2nm 내지 10nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 2nm 내지 7nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 이때, 그 외 장벽층(3021 내지 302n-1)의 두께는 대략 6nm 내지 13nm 정도 일 수 있다. 외측 장벽층(302n)이 2nm 보다 얇을 경우, 장벽층이 그 바로 아래 우물층의 표면을 충분히 커버(cover)하지 못하는 부분이 많이 생기게 된다. 이에 휘도 및 전기적 특성의 급격한 저하를 야기시키며, 제2 도전형 반도체층(n층)에서 주입되는 전자가 제1 도전형 반도체층(p층)으로 유입될 수 있어 전류 누설이 심해질 수 있다. 또한, 외측 장벽층(302n)이 10nm를 초과하면 장벽층이 그 바로 아래 우물층의 표면을 충분히 커버하므로 전기적 특성의 급격한 저하는 없으나, 주위 온도가 상승되는 경우 즉, 120℃에서의 고온광도가 상온에서의 기준광도에 비해 90% 보다 더 낮아지는 문제가 있다. 종래 발광 소자에서는 활성층에서 전자 차단층에 인접하는 외측 장벽층의 두께를 그 외 장벽층의 두께보다 두껍게(예를 들면 대략 2배) 형성하였다.
그러나 본 발명에서는 외측 장벽층의 두께를 종래의 외측 장벽층의 두께보다 얇게 하였다. 이로부터 주위 온도가 증가하더라도, 휘도 감소를 억제한다. 특히, 주위 온도가 증가하더라도 휘도를 증가시킬 수도 있게 된다. 이는 후술하는 전자 차단층의 P형 불순물 예를 들면 마그네슘(Mg)의 도핑 농도 감소와 함께 상승된 효과를 나타낸다. 한편, 전자 차단층에서 불순물의 도핑 농도를 감소시키지 않고 외측 장벽층의 두께만 감소시키게 되면 전자 차단층에서 확산되는 불순물(예; Mg) 이온이 활성층에 영향을 주어 역전류 특성(reverse bias) 감소 및 휘도 감소에 영향을 주게 된다. 반대로 외측 장벽층의 두께를 상기의 범위를 초과하여 증가시킬 경우 활성층으로의 홀 주입이 어렵게 되어 동작 전압을 상승시키고 휘도를 감소시키게 된다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 활성층(120)과 p형 질화물 반도체층(130) 사이에 전자 차단층(150)을 더 포함할 수 있다. 전자 차단층(150)은 n형 질화물 반도체층(110)으로부터 공급된 전자가 p형 질화물 반도체층(130)으로 오버플로우되는 것을 방지하는 기능을 한다. 또한, 전자 차단층(150)은 활성층(120)으로의 홀 주입층으로의 역할도 수행할 수 있다. 전자 차단층(150)은 GaN보다 밴드 갭 에너지가 큰 물질로 형성될 수 있고, P형 불순물이 도핑된 질화물을 포함한다. 예를 들면, 전자 차단층(150)은 AlxInyGa1-x-yN(0.15≤x≤0.25, 0.002≤y≤0.02)을 포함할 수 있고, P형 불순물로 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 아연(Zn) 및 카드듐(Cd) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
Al 조성이 상기 범위보다 클 경우 발광 MQW로 주입되는 정공의 이동효율이 감소하며, Al 조성이 상기 범위보다 작으면 p형 질화물 반도체층으로 오버플로우 되는 전자를 효과적으로 막기 어렵다. 또한 인듐의 경우 상기 범위보다 작을 경우, 효과를 기대하기 어려우며, 인듐의 경우, Mg와 같은 p형 불순물이 도핑될 수 있는 양이 증가하기 때문에 긍정적이나 상기 범위보다 클 경우, 인듐 뭉침현상에 의해 특성이 감소될 수 있다.
발광 소자에서는 발광 결합 및 비발광 결합이 발생하는데 이들 결합 중 빛을 내는 결합은 발광 결합이다. 발광 소자 주위 혹은 주변 온도가 증가하면 발광 결합은 감소하고 비발광 결합이 증가하게 되는데 이로 인해 휘도가 감소하게 된다. 이때, 결합의 증가에 의해 순방향 전압(VF)은 감소하게 된다. 본 발명의 실시예는 온도 증가에 따라 감소하는 발광 결합을 온도 증가에 따른 홀의 주입 효율을 변화함으로써 개선하였다. 즉, p형 불순물의 도핑 농도를 감소시켜 전자 차단층의 품질(quality)을 향상시키고, 이에 따라 고온에서도 홀 생성(hole generation)을 비교적 원활하게 하여, 활성층으로 주입되는 홀 농도를 온도가 증가하더라도 거의 변화하지 않도록 하였다.
전자 차단층(150)에서 p형 불순물의 도핑 농도는 1x1018~1x1019atoms/cm3인 것이 바람직하다. 도핑 농도가 1x1018atoms/cm3보다 낮으면 상온에서의 홀 농도가 낮아 휘도가 저하되므로 구동 전압이 3.7V이상으로 증가되는 문제가 야기되고, 1x1019atoms/cm3보다 높으면 고온 휘도가 크게 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
또한, 전자 차단층(150)의 두께는 5~100nm인 것이 바람직하다. 전자 차단층의 두께가 5nm 미만일 경우 전자 차단층으로 역할을 충분히 할 수 없게 되고, 두께가 100nm를 초과하여 너무 두꺼우면 p형 질화물 반도체층(130)에서 활성층(120) 방향에 대한 저항 성분이 커짐에 따라 홀의 주입이 어려워져 휘도 또는 순방향 전압 (VF) 강하 특성이 저하될 수 있다.
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.
101 : 기판
102 : 비도핑 질화물 반도체층
110 : n형 질화물 반도체층
120 : 활성층
130 : p형 질화물 반도체층
140 : 스트레인 완충층
150 : 전자 차단층
102 : 비도핑 질화물 반도체층
110 : n형 질화물 반도체층
120 : 활성층
130 : p형 질화물 반도체층
140 : 스트레인 완충층
150 : 전자 차단층
Claims (9)
- n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층; 및
상기 활성층 아래에 형성된 스트레인 완충층을 포함하고,
상기 스트레인 완충층의 In 함량이 상기 스트레인 완충층 내에 함유된 3족 원소 전체의 0.3~0.5원자%인 것을 특징으로 하는 발광소자
- 제1항에 있어서,
상기 스트레인 완충층의 두께는 0.1~1.0㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 활성층은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 구비하며, 상기 복수의 장벽층 중 상기 전자 차단층과 인접하는 장벽층인 외측 장벽층은 나머지 장벽층의 두께와 같거나 얇은 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제3항에 있어서,
상기 외측 장벽층은 나머지 장벽층 두께의 0.2~ 0.75배의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제3항에 있어서,
상기 외측 장벽층의 두께는 2~10nm인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 질화물 반도체 발광소자는
상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 p-InAlGaN으로 이루어진 전자차단층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제6항에 있어서,
상기 전자차단층의 p형 불순물 도핑농도는 1x1018~1x1019atoms/cm3인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제6항에 있어서,
상기 전자차단층은 알루미늄의 함량이 3족 원소 전체의 15~25원자%로 포함되고, 인듐의 몰비가 3족 원소 전체의 0.2~2.0원자%인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층; 및
상기 활성층 아래에 형성된 스트레인 완충층을 포함하고,
상기 스트레인 완충층은 인듐을 상기 스트레인 완충층 내에 함유된 3족 원소 전체의 0.55원자% 미만으로 함유하여, 30℃ 휘도 대비 90℃ 고온휘도가 96% 이상을 나타내고, 30℃에서 인듐 함량이 0.55원자%인 스트레인 완충층이 적용된 경우를 기준으로 한 상대 휘도가 99% 이상을 나타내는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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|---|---|---|---|
| KR1020140006069A KR20150086002A (ko) | 2014-01-17 | 2014-01-17 | 고온 휘도 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자 |
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| KR20150086002A true KR20150086002A (ko) | 2015-07-27 |
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| KR (1) | KR20150086002A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111180556A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-05-19 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 发光二极管外延片的制备方法 |
-
2014
- 2014-01-17 KR KR1020140006069A patent/KR20150086002A/ko not_active Application Discontinuation
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