KR20160082009A - 발광 소자 - Google Patents

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문수영
한유대
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Abstract

발광 소자가 개시된다. 발광 소자는, n형 질화물 반도체층; n형 질화물 반도체층 상에 위치하는 V-피트 발생층; V-피트 발생층 상에 위치하는 활성층; 활성층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층; 활성층을 관통하는 V-피트; V-피트를 적어도 부분적으로 채우는 고저항 메움층; 및 활성층과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역을 포함하고, 활성층은 복수의 장벽층 및 우물층을 포함하는 다중 양자 우물 구조를 포함하며, 장벽층과 우물층 사이의 계면들 중 하나 이상은 n형 도핑 영역 내에 위치하며, n형 도핑 영역은 하부면 및 상부면을 포함하고, n형 도핑 영역의 하부면 및 상부면 중 적어도 하나는 장벽층과 우물층 사이의 계면과 중첩되지 않는다.

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히, 전류 분산 및 누설 전류 방지 효율이 향상된 발광 소자에 관한 것이다.
최근 발광 다이오드와 같은 발광 소자의 베이스 물질로 폭넓게 사용되는 질화물계 반도체는 질화갈륨 기판과 같은 동종 기판 또는 사파이어와 같은 이종 기판을 이용하여 성장시켜 제조된다. 이러한 질화물계 반도체의 결정성 및 발광 효율에 영향을 미치는 요인들 중 몇몇은 성장 기판의 특성에 의해 영향을 받는다.
이종 기판을 성장 기판으로 성장되어 형성된 질화물계 반도체는 성장 기판과 질화물계 반도체 간의 격자상수 차이 및 열팽창계수 차이로 인한 높은 결함 밀도를 갖는다. 예컨대, 사파이어 기판 상에 성장된 질화물계 반도체 내에는 약 1×109/㎠ 이상의 높은 밀도의 전위가 존재한다.
상술한 전위는 전자 트랩 사이트를 제공하여 비발광 재결합을 유발하거나 전자와 정공의 공간적 분리를 유발하기도 하며, 또한, 누설 전류의 경로로 작용하기도 한다. 특히, 반도체층의 표면까지 전파되어 전극 등과 접촉된 전위는 누설 전류의 주 발생 결로로 작용하여, 역 전압에서의 역 전류를 발생시키며, 정전기 방전에 의해 발광 소자가 파손되는 주요 원인 중 하나로 작용한다.
이러한 정전기 방전에 의한 발광 소자의 파손을 방지하기 위해서, 별도의 제너 다이오드를 설치하거나, 발광 소자의 결정질을 향상시켜 정전기 방전에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 그러나 제너 다이오드를 별도로 형성하기 위해서는 추가적인 공간이 요구되므로 발광 장치의 부피가 커지고, 공정 비용이 증가한다. 또한, 발광 소자의 결정질을 향상시키는 것에는 한계가 있으며, 전위가 없는(dislocation-free) 에피층을 형성하는 것은 사실상 불가능하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전류 분산 효율이 뛰어나고, 전기적 신뢰성이 높은 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광 소자는, n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 위치하는 V-피트 발생층; 상기 V-피트 발생층 상에 위치하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층; 상기 활성층을 관통하는 V-피트; 상기 V-피트를 적어도 부분적으로 채우는 고저항 메움층; 및 상기 활성층과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역을 포함하고, 상기 활성층은 복수의 장벽층 및 우물층을 포함하는 다중 양자 우물 구조를 포함하며, 상기 장벽층과 우물층 사이의 계면들 중 하나 이상은 상기 n형 도핑 영역 내에 위치하며, 상기 n형 도핑 영역은 하부면 및 상부면을 포함하고, 상기 n형 도핑 영역의 하부면 및 상부면 중 적어도 하나는 상기 장벽층과 우물층 사이의 계면과 중첩되지 않는다.
상기 n형 도핑 영역은 도펀트로 Ge을 포함할 수 있으며, 상기 n형 도핑 영역의 두께는 10 내지 100nm일 수 있다.
상기 n형 도핑 영역의 두께는 상기 장벽층 및 우물층 중 적어도 하나의 두께보다 클 수 있고, 상기 장벽층 및 우물층 중 적어도 하나는 상기 n형 도핑 영역 내에 위치할 수 있다.
상기 n형 도핑 영역은 n형 도펀트가 변조 도핑된 영역을 포함할 수 있다.
상기 n형 도핑 영역은 제1 도핑 영역, 및 상기 제1 도핑 영역보다 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도핑 영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 도핑 영역은 상기 제2 도핑 영역보다 상기 V-피트 발생층에 더 가깝게 위치할 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 활성층 및 상기 V-피트 발생층의 사이에 개재된 V-피트 확장층을 더 포함할 수 있고, 상기 n형 도핑 영역은 상기 활성층과 상기 V-피트 발생층에 걸쳐 위치할 수 있다.
또한, 상기 V-피트 발생층은 초격자층을 포함할 수 있고, 상기 초격자층 내의 층들 간의 계면들 중 적어도 하나는 상기 n형 도핑 영역 내에 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 발광 소자는, n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 위치하는 V-피트 발생층; 상기 V-피트 발생층 상에 위치하며, 우물층 및 장벽층을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층; 상기 활성층 및 V-피트 확장층을 관통하는 V-피트; 상기 V-피트를 적어도 부분적으로 채우는 고저항 메움층; 및 상기 활성층과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역을 포함하고, 상기 n형 도핑 영역의 상부면과 하부면 중 적어도 하나는 상기 우물층 및 상기 장벽층 간의 계면에 대응하며, 상기 n형 도핑 영역의 두께는 상기 활성층 또는 우물층 두께의 정수 배이다.
상기 발광 소자는, 상기 V-피트 발생층 상에 위치하는 V-피트 확장층을 더 포함할 수 있고, 상기 V-피트 확장층은 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 제1 질화물층 및 제2 질화물층이 반복 적층된 초격자층을 포함하며, 상기 제1 및 제2 질화물층 간의 계면들 중 하나 이상은 상기 n형 도핑 영역 내에 위치할 수 있다.
상기 n형 도핑 영역의 평균 Ge 도핑 농도는 5E19/cm3 이상일 수 있다.
상기 n형 도핑 영역의 두께는 10 내지 100nm일 수 있다.
나아가, 상기 n형 도핑 영역의 두께는 상기 제1 질화물층 및 제2 질화물층 중 적어도 하나의 두께보다 클 수 있다.
상기 n형 도핑 영역은 Ge 도펀트가 변조 도핑된 영역을 포함할 수 있다.
상기 n형 도핑 영역 내에는 하나 이상의 제1 질화물층 및 하나 이상의 제2 질화물층이 위치할 수 있다.
상기 n형 도핑 영역은 제1 도핑 영역, 및 상기 제1 도핑 영역보다 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도핑 영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 도핑 영역은 상기 제2 도핑 영역보다 상기 V-피트 발생층에 더 가깝게 위치할 수 있다.
상기 n형 도핑 영역은 상기 활성층과 상기 V-피트 발생층에 걸쳐 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 발광 소자 내의 층들과는 독립적으로 배치되는 n형 도핑 영역이 채택되어, 충분한 전자 농도를 달성하면서 V-피트의 크기를 효과적으로 확장시킬 수 있다. 따라서, 발광 소자의 전기적 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 전류 분산 효과를 증가시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도 및 확대 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예들에 따른 활성층의 밴드갭 에너지 및 n형 도핑 영역을 도시하는 그래프들이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도 및 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 실시예들에 따른 V-피트 확장층의 밴드갭 에너지 및 n형 도핑 영역을 도시하는 그래프들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 n형 도핑 영역의 위치를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 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, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
상술한 전위로 인해 발생하는 문제를 해결하기 위해, 전위를 확장시켜 V-피트을 생성시키고 고저항 반도체로 내부를 채움으로써 전류가 전위로 진입하는 경로의 저항을 높여 전위방향으로 전류가 누설되는 것을 감소시키는 하는 기술이 제안되고 있다. 하지만 V-피트를 단순히 형성하는 것만으로 전위가 차단되는 것이 아니고 저항 효과를 얻을 정도로 V-피트가 충분히 확장되어야 한다. 또한, 확장된 피트의 사면과 접한 반도체층 간의 계면의 결정 품질이 우수하여 추가 누설이 발생하지 않아야 한다. 이하, V-피트를 이용하여 누설 전류를 감소시킬 수 있으면서, 아울러 우수한 결정 품질의 반도체층을 포함하는 발광 소자에 관하여 설명한다.
또한, 이하 설명되는 질화물계 반도체층들에 대한 각 조성비, 성장 방법, 성장 조건, 두께 등은 예시에 해당하며, 하기 기재된 바에 따라 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, AlGaN로 표기되는 경우, Al과 Ga의 조성비는 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")의 필요에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 이하 설명되는 질화물계 반도체층들은 통상의 기술자에게 일반적으로 알려진 다양한 방법을 이용하여 성장될 수 있으며, 예를 들어, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 기술을 이용하여 성장될 수 있다. 다만, 이하 설명되는 실시예들에서는, 반도체층들이 MOCVD를 이용하여 성장 챔버 내에서 성장된 것으로 설명된다. 질화물계 반도체층들의 성장 과정에서, 성장 챔버 내에 유입되는 소스들은 통상의 기술자에게 알려진 소스를 이용할 수 있으며, 예를 들어, Ga 소스로 TMGa, TEGa 등을 이용할 수 있고, Al 소스로 TMAl, TEAl 등을 이용할 수 있으며, In 소스로 TMIn, TEIn 등을 이용할 수 있으며, N 소스로 NH3를 이용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1의 'I 영역'에 대응하는 부분의 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 발광 소자는, n형 질화물 반도체층(140), V-피트 발생층(150), 활성층(170), 고저항 메움층(180), p형 질화물 반도체층(190) 및 n형 도핑 영역(310)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 소자는, 성장 기판(110), 버퍼층(120), 및 언도프 질화물층(130)을 더 포함할 수 있다.
성장 기판(110)은 질화물계 반도체층을 성장시킬 수 있는 기판이면 한정되지 않으며, 예를 들어, 사파이어 기판, 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, 질화알루미늄 기판, 또는 질화갈륨 기판일 수 있다. 또한, 성장 기판(110)은 질화물계 반도체층이 성장되는 성장면을 포함할 수 있고, 상기 성장면은 극성, 비극성 또는 반극성의 특성을 갖는 결정면일 수 있다.
상기 버퍼층(120)은 AlGaN 및/또는 GaN을 포함할 수 있고, 약 500 내지 600℃의 온도에서 성장 기판(110) 상에 성장되어 형성될 수 있다. 버퍼층(120) 상에 성장되는 질화물계 반도체와 성장 기판(110) 간의 격자 부정합에 따른 스트레스 및 스트레인을 완화시키는 역할을 할 수 있다. 한편, 버퍼층(120)은 생략될 수도 있다.
언도프 질화물층(130)은 성장 기판(110) 상에 위치할 수 있으며, (Al, Ga, In)N와 같은 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 언도프 질화물층(130)은 u-GaN을 포함할 수 있다. 언도프 질화물층(130)은 도펀트를 포함하지 않아, 상대적으로 우수한 결정성을 가질 수 있다. 이에 따라, 후술하여 설명되는 언도프 질화물층(130) 상에 위치하는 다른 반도체층들의 결정성을 향상시킬 수 있다.
다만, 성장 기판(110), 버퍼층(120) 및 언도프 질화물층(130)은 발광 소자의 형태에 따라 생략될 수도 있다. 본 실시예에 따른 발광 소자를 플립칩형 발광 소자 또는 수직형 발광 소자에 응용하여 적용하는 경우, 상기 성장 기판(110)은 제거될 수 있고, 나아가, 버퍼층(120) 및 언도프 질화물층(130)의 적어도 일부가 성장 기판(110)과 함께 제거될 수 있다.
이하, 성장 기판(110), 버퍼층(120) 및 언도프 질화물층(130)과 관련된 주지의 기술적 사항과 관련된 상세한 설명은 생략한다.
n형 질화물 반도체층(140)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함하며, 또한, n형 도펀트를 더 포함하여 n형의 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, n형 질화물 반도체층(140)은 Si, Ge, C 등을 도펀트로서 포함할 수 있다. n형 도펀트로 Si를 이용하는 경우, 상기 Si는 1×1017 atoms/cm3 이상 및 5×1019 atoms/cm3 이하의 농도로 n형 질화물 반도체층(140) 내에 포함될 수 있다. n형 질화물 반도체층(140)은 수 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다. n형 질화물 반도체층(140)은 MOCVD를 이용하여 성장될 수 있고, 성장 챔버 내에 Al, Ga, In 등과 같은 Ⅲ족 원자 소스, N과 같은 Ⅴ족 원자 소스, 및 실란(Silane)과 같은 Si 도펀트 소스를 도입시켜 성장될 수 있다.
V-피트 발생층(150)은 n형 질화물 반도체층(140) 상에 위치할 수 있다.
V-피트 발생층(150)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있다. V-피트 발생층(150)은 다양한 방법을 통해 V-피트(210)를 발생시키는 시드(seed) 역할을 할 수 있다. 예를 들어, V-피트 발생층(150) 성장 시, 수평 방향 성장 속도 대비 수직 방향 성장 속도가 n형 질화물 반도체층(140)보다 크게 되도록 성장 조건을 조절하여, V-피트 발생층(150)을 3차원 성장하여 표면이 보다 거친 반도체층이 성장될 수 있다. 예를 들어, V-피트 발생층(150)은 n형 질화물 반도체층(140)보다 낮은 온도, 예컨대 약 900℃의 온도에서 성장될 수 있다. V-피트 발생층(150)이 상대적으로 낮은 온도에서 성장됨으로써, V-피트 발생층(150) 성장 과정에서 3차원 성장 촉진됨으로써, 상대적으로 표면이 거친 반도체층으로 성장될 수 있다. V-피트 발생층(150)이 상대적으로 낮은 온도에서 성장됨으로써, V-피트 발생층(150)의 하부 반도체층들(n형 질화물 반도체층(140)을 포함한다)로부터 전파된(propagated) 전위가 위치하는 부분들 중 적어도 일부 위치에서 V-피트(210)가 형성될 수 있다.
다만, V-피트 발생층(150)의 결정성을 인위적으로 저하시키는 것은, 상술한 바와 같은 저온 성장 조건에서 V-피트 발생층(150)을 성장시키는 것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, V-피트 발생층(150) 성장 시, 성장 챔버 내로 공급하는 Ⅲ/Ⅴ원자 비, 성장 압력, Ⅲ족 원자 소스 및 Ⅴ족 원자 소스의 공급 유량 등을 조절하여 V-피트 발생층(150)의 결정성을 인위적으로 저하시키는 것 역시 본 발명에 포함될 수 있다.
V-피트(210)는 V-피트 발생층(150) 내에서 발생되어, 후술하는 공정에서 추가적으로 성장되는 다른 반도체층들에 걸쳐 형성될 수 있다. 또한, 이와 달리, V-피트 발생층(150) 내에는 V-피트 시드가 형성되고, 상기 V-피트 시드로부터 형성된 V-피트가 후술하는 공정에서 추가적으로 성장되는 다른 반도체층들에 형성될 수도 있다. V-피트(210)의 발생 위치는 성장 조건 등을 다양하게 변경하여 조절할 수 있으며, 또한, 추가적인 공정을 통해 조절할 수도 있다. 예를 들어, V-피트 발생층(150)의 성장 완료 후, 어닐링 공정을 더 수행하여 V-피트(210)의 발생 위치를 조절할 수 있다. 예컨대, 어닐링 공정은 성장 챔버 내의 온도를 약 1050℃까지 상승시켰다가 온도를 하강시키면서 수행될 수 있다. 어닐링 공정을 수행하는 경우, V-피트(210)의 발생 위치는 상대적으로 더 높은 위치에 형성될 수 있다. 따라서 어닐링 공정의 시간 및 온도에 따라, V-피트(210) 발생 위치를 임의로 결정할 수 있다.
V-피트(210)는 방사형으로 확장되어 형성될 수 있고, V-피트(210)의 각 표면은 질화물 반도체의 일 면(plane)에 대응할 수 있다. 예컨대, V-피트(210)는 역 육각뿔 형상으로 형성될 수 있으며, 각각의 표면은 질화물 반도체의 일 결정면에 대응할 수 있다.
V-피트 발생층(150)은 단일층 또는 다중층을 포함할 수 있다. 예를 들어, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN, InAlN 등을 포함할 수 있고, 나아가, AlInGaN층과 AlGaN층이 교대로 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다. 또한, V-피트 발생층(150)은 n형 질화물 반도체층(140)의 평균 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 예컨대, V-피트 발생층(150)은 Ga 및 Al에 비해 상대적으로 큰 원자 반지름을 갖는 In을 포함할 수 있다. V-피트 발생층(150)의 격자 상수를 상대적으로 크게 형성함으로써, V-피트 발생층(150)이 압축 스트레인(compressive strain) 받고 이로 인해 전위와 같은 결함이 V-피트(210) 모양으로 방사되는 현상이 가속화되어, V-피트(210)의 경계면이 보다 확실해지고 V-피트(210)의 크기가 커질 수 있다.
활성층(170)은 V-피트 발생층(150) 상에 위치한다. 또한, V-피트(210)는 활성층(170)을 관통할 수 있고, 이에 따라, V-피트(210)와 접하는 부분의 활성층(170)은 경사진 측면을 가질 수 있다. 즉, V-피트(210)는 활성층(170)이 성장됨에 따라 방사형으로 확장될 수 있고, 도시된 바와 같이, 'V'자 형태의 단면을 가질 수 있다. 또한, 활성층(170)의 성장과 함께 V-피트(210)가 확장됨으로써, 활성층(170)을 관통하는 V-피트(210)가 형성될 수 있다.
활성층(170)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며, 활성층(170)은 상대적으로 큰 밴드갭 에너지를 갖는 장벽층(171)과 상대적으로 작은 밴드갭 에너지를 갖는 우물층(173)을 포함하는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 활성층(170)은 In을 포함할 수 있고, 특히, 장벽층(171)은 In을 포함하는 AlInGaN을 포함할 수 있다. 이에 따라, 활성층(170)의 성장에 따라 V-피트(210)가 더욱 확장되어 V-피트(210)의 크기가 커질 수 있다. 이와 관련하여 구체적으로 설명하면, V-피트(210)가 발생된 영역 상에 상대적으로 격자 상수가 큰 In을 포함하는 질화물층들이 성장되는 경우, 확장되는 V-피트(210)에 압축 스트레인(compressive strain)이 작용할 수 있다. V-피트(210)에 압축 스트레인이 작용하게 되면, V-피트(210)의 내부에 외부로 향하는 방향에 스트레스 및 스트레인이 작용하고, 이에 따라, V-피트(210)의 크기가 증가될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 우물층(173)의 원소 및 조성은 발광 소자(100)에서 방출시키고자 하는 광의 피크 파장을 고려하여 결정될 수 있고, 우물층(173)의 밴드갭 에너지를 고려하여 장벽층(171)이 상대적으로 더 큰 밴드갭 에너지를 갖도록 장벽층(171)을 이루는 질화물계 반도체의 원소 및 조성이 결정될 수 있다.
또한, 상기 발광 소자는, 활성층(170)과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역(310)을 포함한다. 이하, n형 도핑 영역(310)과 관련하여, 도 1 내지 도 3e를 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명한다. 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예들에 따른 활성층의 밴드갭 에너지 및 n형 도핑 영역을 도시하는 그래프들이다. 하기 실시예들에서, n형 도핑 영역(310)은 Ge 도핑된 것으로 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. n형 도핑 영역(310)은 Ge에 더하여, Si 또는 C와 같은 다른 n형 도펀트를 더 포함할 수도 있다.
n형 도핑 영역(310)은 Ge을 도펀트로 포함하는 영역일 수 있고, 따라서, 반도체층이 n형의 도전형을 갖도록 한다. 질화물 반도체가 n형 도핑 영역(310)을 포함하면, 상기 질화물 반도체의 성장 과정에서 수평 방향의 성장보다 수직 방향의 성장이 우세한 3D 성장이 우세해진다(dominant). 그 이유는, 질화물 반도체 성장 과정에서 Ge을 도핑하는 경우, Ge과 N의 결합 에너지가 상대적으로 낮아서 Ge과 N의 결합이 끊어질 확률이 증가하게 된다. 따라서, 질화물 반도체를 성장 과정에서 Ge을 도핑시키면, 2D 성장보다 3D 성장이 우세해지게 된다. 다만, 상술한 바와 같이, n형 도핑 영역(310)은 Ge외에 다른 도펀트를 더 포함할 수도 있다.
상술한 바와 같이, V-피트(210)는 질화물 반도체가 2D 성장할 때보다 3D 성장 할 때, V-피트(210)는 더욱 크게 확장된다. 따라서, 활성층(170)과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역(310)에 의해 3D 성장이 우세해지면서, 활성층(170)의 성장 과정에서 V-피트(210)의 크기가 더욱 증가될 수 있다. 특히, V-피트(210)를 확장시키기 위하여 In의 조성비를 증가시키는 방법을 이용할 수도 있으나, 활성층(170)의 In 조성비는 발광 파장 등을 고려할 때 소정 범위 이상으로 증가시킬 수 없다. 그러므로, 활성층(170)과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역(310)을 형성함으로써, In 조성비를 증가시키지 않고도 V-피트(210)의 크기를 확장시킬 수 있다.
도펀트로 Si를 이용하는 경우에도 V-피트(210)는 확장될 수 있으나, Si를 도펀트로 이용하게 되면 활성층(170)의 결정성이 악화될 수 있다. 반면, Ge을 도펀트로 포함하는 n형 도핑 영역(310)은 Si만을 도펀트로 포함하는 도핑 영역에 비해 반도체층의 결정성을 상대적으로 덜 악화시킨다. 또한, 도펀트로 Ge을 이용할 때, Si을 도펀트로 이용하는 경우에 비해 V-피트(210)의 확장 효과가 더욱 증대될 수 있다.
이와 관련하여 구체적으로 설명하면, 도펀트로 Si을 이용하는 경우, Si은 Ⅲ족 원자(Ga, Al, In)의 사이트(site)로 치환된다. 그러나 Si은 Ga과 동일한 주기에 위치하는 원소가 아니므로, Si원자의 지름은 Ga원자의 지름보다 작다. 따라서, GaN 또는 상대적으로 높은 Ga 몰분율을 갖는 AlGaN, InGaN, 또는 AlInGaN에 Si가 도핑되면, 하나의 Ga 원자 사이트에 Si 원자로 치환되어 격자 부정합으로 인해 결함이 발생할 확률이 높다. 또한, Si 원자의 사이즈가 작아, Si로 치환된 부분 주변의 격자에 인장 스트레스 및 스트레인(tensile stress and strain)이 작용하여, V-피트(210)의 확장을 방해하는 요인으로 작용한다. 반면, Ge은 Ga과 동일한 주기 상에 위치하여 원자의 사이즈에 큰 차이가 없다. 따라서 도펀트로 Ge을 이용하는 경우, Ge이 Ga 원자 사이트로 치환되더라도 격자 부정합으로 인하여 주변 격자에 유발되는 스트레스 및 스트레인이 매우 작아서 Ge이 도펀트로서 질화물계 반도체 내에 치환되더라도 격자 부정합으로 인한 결정성의 악화되는 정도가 완화될 수 있다. 또한, Ge은 Si에 비해 큰 원자 반지름을 가져, Ge로 치환된 부분 주변의 격자에 압축 스트레스 및 스트레인을 유발시키므로, V-피트(210)가 더욱 확장되도록 한다.
한편, n형 도핑 영역(310)의 도핑 농도는 제한되지 않으나, 5×1019 atoms/cm3 이상, 나아가, 5×1019 atoms/cm3 내지 8×1020 atoms/cm3 범위 내의 농도로 도핑되면, 3D 성장이 더욱 촉진되어 V-피트(210) 확장 효과가 더욱 증가될 수 있다. 또한, n형 도핑 영역(310)의 두께는 제한되지 않으나, 너무 얇으면 V-피트(210)를 확장시키는 효과가 미미하고, 반대로 너무 두꺼우면 n형 도핑 영역(310) 내의 결정성을 악화시켜 발광 소자의 발광 효율을 저하시킬 수 있다. 따라서, n형 도핑 영역(310)의 두께는 소정 범위 내로 형성하는 것이 바람직하며, 예컨대, n형 도핑 영역(310)의 두께는 약 10 내지 100nm 범위 내일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 2를 참조하면, n형 도핑 영역(310)은 적어도 부분적으로 활성층(170)과 중첩될 수 있고, 활성층(170) 내의 적어도 두 층 이상의 층에 걸쳐 위치할 수 있다. 따라서, 장벽층(171)과 우물층(173) 간의 계면들 중 하나 이상은 n형 도핑 영역(310) 내에 위치할 수 있다. 또한, n형 도핑 영역(310)은 활성층(170) 내의 층들과는 독립적으로 위치할 수 있다. 다시 말해서, n형 도핑 영역(310)이 하부면과 상부면을 갖는 경우, n형 도핑 영역(310)의 하부면 및/또는 상부면의 위치는 장벽층(171)과 우물층(173) 간의 계면들의 위치와 일치하지 않을 수 있다.
이와 같이, n형 도핑 영역(310)이 발광 소자 내의 반도체층들로부터 독립적으로 배치되는 이유는 V-피트를 확보하기 위한 충분한 두께를 도핑하기 위함이다. [표 1]은 Ge을 1E19 cm-3 이상 도핑한 경우 두께에 따른 표면 거칠기(surface roughness)를 AFM(Atomic force measurement)을 통해 측정한 표이다. [표 1]의 결과에서 알 수 있듯이, 소정의 표면 거칠기 RMS값 이상의 거칠기를 갖는 반도체층을 형성하기 위해서는 상기 반도체층을 소정 값 이상의 두께를 갖도록 형성하여야 한다. 예컨대, 하기 [표 1]의 결과로부터 반도체층의 두께가 40nm 이상이 되었을 때 표면 거칠기가 급증하고, 반도체층의 두께가 100nm 이상이 되었을 때 표면 거칠기가 더욱 급증하는 것을 알 수 있다.
[표 1]
Figure pat00001
이와 같이, n형 도핑 영역(310)의 두께는 수십nm 이상일 수 있으나 활성층(170) 내 각각의 층의 두께는 수nm이기 때문에, 활성층(170) 내의 복수 층들에 걸쳐 n형 도핑 영역(310)을 형성하면 더욱 효과적으로 V-피트를 확장시킬 수 있다.
또한, 하나의 n형 도핑 영역(310) 내에 도핑 농도는 다양하게 형성될 수 있고, 예컨대, 하나의 n형 도핑 영역(310) 내에서 일정한 도핑 농도를 가질 수 있고, 두께 방향에 따라 단조 증가 또는 감소하는 도핑 농도를 가질 수도 있으며, 또한, 도핑 농도의 증감이 반복되도록 변조 도핑될 수도 있다.
나아가, n형 도핑 영역(310)은 복수로 형성될 수 있으며, 복수의 n형 도핑 영역(310)들은 서로 다른 도핑 농도를 가질 수도 있다. 이때, 복수의 n형 도핑 영역(310)의 도핑 농도는 n형 질화물 반도체층(140)으로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 감소될 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3a 내지 도 3e를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 n형 도핑 영역(310)의 형태를 구체적인 예로 설명한다. 다만, 본 발명이 후술하는 예시들에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 도 2 및 도 3a에 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)은 활성층(170)내의 2개 층 내지 20개 층에 걸쳐 위치할 수 있고, 예를 들어, n형 도핑 영역(310)은 세 개의 장벽층(171) 및 두 개의 우물층(173)에 걸쳐 위치할 수 있다. 또한, n형 도핑 영역(310)의 상부면과 하부면은 장벽층(171)과 우물층(173) 간의 계면과 중첩되지 않을 수 있다. 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)의 하부면은 일 장벽층(171)의 중간에 위치할 수 있고, n형 도핑 영역(310)의 상부면은 또 다른 장벽층(171)의 중간에 위치할 수 있다. 또한, n형 도핑 영역(310)은 활성층(170) 내에 복수로 형성될 수도 있다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)의 하부면 및 상부면 중 하나는 장벽층(171) 및 우물층(173) 사이의 계면에 대응하여 위치할 수 있다. 예를 들어, n형 도핑 영역(310)의 하부면은 일 장벽층(171)의 하면과 중첩될 수 있다. 이는 상기 일 장벽층(171)의 성장과 함께 성장 챔버 내에 Ge 도펀트 소스를 도입함으로써 달성될 수 있다.
상기와 같이 n형 도핑 영역(310)의 두께가 계면에 대응하게 하여 우물층(173) 또는 장벽층(171) 두께의 정수배일 경우는, 성장 시 각 층간 분위기 전환 구간(Ramping period)에서 도핑 농도도 같이 변화시킬 수 있기 때문에 도핑 영역의 계면을 확실하게 할 수 있으며 이로 인한 두께 공차를 줄일 수 있다.
나아가, 도 3c에 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)의 하부면 및 상부면은 모두 장벽층(171) 및 우물층(173) 사이의 계면에 대응하여 위치할 수 있다. 예를 들어, n형 도핑 영역(310)의 하부면은 일 장벽층(171)의 하면과 중첩될 수 있고, n형 도핑 영역(310)의 상부면은 또 다른 장벽층(171)의 상면과 중첩될 수 있다. 다만, 본 실시예에서도, n형 도핑 영역(310)은 장벽층(171) 및 우물층(173)과 상관 관계를 갖는 것은 아니며, 독립적으로 형성된다.
상기와 같이 활성층(170)과 우물층 계면과 도펀트의 투입 시점이 일치 하지 않을 경우 계면의 공차 부작용이 있지만 앞서 설명한 계면의 압축 스트레인(Compressive strain)효과를 충분히 인가한 다음 3차원 성장 효과를 가할 수 있어 V-피트 확장에 더욱 효과적이다.또 다른 실시예에 따르면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 하나의 n형 도핑 영역(310) 내에서 도핑 농도는 일정하지 않을 수 있다. 예를 들어, 하나의 n형 도핑 영역(310) 내에서 Ge 도펀트는 변조 도핑될 수 있다. Ge 도펀트를 변조 도핑함으로써, n형 도핑 영역(310)에 의해 활성층(170)의 결정성이 악화되는 것을 완화시킬 수 있다.
Ge 도핑이 Si에 비해 결정결함을 약화시킨다고는 하나 여전히 결정 결함을 유발하기 때문에 V-피트의 확장 효과와 보상관계(trade off)에 있으며 적절한 주기와 두께로 도핑하여 두 효과를 모두 취할 수 있는 최적점을 얻어야 한다. 상기 실시예와 같이 변조 도핑하는 것은 충분한 도핑 두께를 확보하면서도 결정결함을 유발하지 않기 위함이다.
또한, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 발광 소자는 복수의 n형 도핑 영역(311, 312)을 포함할 수 있다. 예를 들어, n형 도핑 영역(310)은 제1 n형 도핑 영역(311) 및 제2 n형 도핑 영역(312)을 포함할 수 있다. 제1 n형 도핑 영역(311)은 제2 n형 도핑 영역(312)보다 높은 Ge 도핑 농도를 가질 수 있다. 이때, 제1 n형 도핑 영역(311)은 제2 n형 도핑 영역(312)보다 V-피트 발생층(150)에 더 가깝게 위치할 수 있다. V-피트 발생층(150)에 상대적으로 더 가깝게 위치하는 제1 n형 도핑 영역(311)에 의해 V-피트(210)의 크기가 확장될 수 있다. 또한, 제2 n형 도핑 영역(312)은 상대적으로 더 낮은 Ge 도핑 농도를 가짐으로써, 활성층(170)의 결정성이 악화되는 것을 완화시킬 수 있고, 추가적으로 V-피트(210)의 크기를 더욱 확장시킬 수 있다.
한편, 상기 각각의 실시예들에서 설명한 기술적 특징들이 유기적으로 결합된 실시형태 역시 본 발명의 범위에 포함된다.
이와 같이, n형 도핑 영역(310)을 활성층(170) 내의 장벽층(171) 및 우물층(173)과 관계없이 독립적으로 형성시킴으로써, n형 도핑 영역(310)을 통해 V-피트(210)를 확장시키는 것을 용이하게 조절할 수 있다. 즉, 활성층(170)의 조성, 성장 조건, 및 필요로 하는 V-피트(210)의 크기 등을 고려하여, n형 도핑 영역(310)을 장벽층(171) 및 우물층(173)에 관계없이 설정함으로써 발광 소자의 발광 효율 및 신뢰성을 최적화시킬 수 있다.
V-피트(210)는 전류가 더욱 효율적으로 분산되도록 돕는 역할을 하며, 또한, V-피트(210)를 통해 전위를 차단함으로써 누설 전류의 발생을 감소시키고 정전기 방전에 대한 내성을 향상시킨다. 따라서, 발광 소자 내에 V-피트(210)를 형성함으로써 발광 효율을 향상시키고, 발광 소자의 전기적 신뢰성을 향상시킨다. 본 발명의 실시예들에 따르면, V-피트(210)의 크기를 상대적으로 크게 형성할 수 있으므로, V-피트(210)의 효과를 극대화시킬 수 있다. 따라서, 발광 효율 및 신뢰성이 향상된 발광 소자가 제공된다.
활성층(170)의 하부에는 전자주입층(미도시)이 더 개재될 수 있고, 활성층(170)의 상부에는 전자차단층(미도시)이 더 개재될 수 있다. 전자주입층과 전자차단층은 활성층(170) 내의 전자 밀도를 증가시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
고저항 메움층(180)은 V-피트(210)를 적어도 부분적으로 메운다. 나아가, 고저항 메움층(180)은 활성층(170) 상에 위치할 수 있다.
고저항 메움층(180)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며, 상대적으로 높을 저항을 가질 수 있다. 따라서, 고저항 메움층(180)은 저농도 도핑되거나 언도핑 상태일 수 있다. 또한, 고저항 메움층(180)의 밴드갭 에너지는 활성층(170)의 밴드갭 에너지보다 클 수 있다. 상대적으로 높은 저항을 갖는 고저항 메움층(180)이 V-피트(210)를 적어도 부분적으로 메움으로써, 누설 전류가 V-피트(210)의 하단부에 위치하는 전위를 통해 아래 방향으로 흐르는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 발광 소자의 정전기 방전에 대한 내성을 향상시킨다.
p형 질화물 반도체층(190)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며, 고저항 메움층(180) 및/또는 활성층(170) 상에 위치할 수 있다. p형 질화물 반도체층(190)은 p형 도펀트를 포함할 수 있으며, 예를 들어, Mg을 도펀트로서 포함할 수 있다. p형 질화물 반도체층(190)에는 공지된 기술적 사항들이 모두 적용될 수 있으며, 이와 관련된 대한 상세한 설명은 이하 생략한다.
한편, 상기 발광 소자는 활성층(170)과 V-피트 발생층(150)의 사이에 위치하는 V-피트 확장층(미도시)을 더 포함할 수 있다. V-피트 확장층에 의해 V-피트(210)의 크기를 더욱 확장시킬 수 있다. 상기 발광 소자가 V-피트 확장층을 더 포함하는 경우, n형 도핑 영역(310)은 V-피트 확장층의 적어도 일부와 중첩될 수 있다. 따라서 이 경우, n형 도핑 영역(310)은 활성층(170) 및 V-피트 확장층에 걸쳐 위치할 수 있다. 나아가, V-피트 확장층은 초격자층을 포함할 수 있으며, 상기 초격자층 내의 층들 간의 계면들 중 적어도 하나는, n형 도핑 영역(310) 내에 위치할 수 있다. V-피트 확장층과 관련된 사항은 하기 도 4 및 도 5의 실시예에서 더욱 상세하게 설명한다.
다만, 하기 도 4 및 도 5의 실시예에서, V-피트 확장층과 n형 도핑 영역(310)은 적어도 부분적으로 중첩되는 것으로 설명하나, 본 실시예에서는 이러한 사항이 필수적인 것은 아니다. 즉, 본 실시예에서 V-피트 확장층과 n형 도핑 영역(310)이 중첩되는 것은 선택적으로 채택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고저항 메움층(180)에 의해 적어도 부분적으로 채워지는 V-피트(210)를 포함하는 발광 소자가 제공될 수 있다. 특히, 발광 소자는 n형 도핑 영역(310)을 포함함으로써, V-피트(210)의 크기를 더욱 확장시킬 수 있어, 전류 분산 효과 및 신뢰성이 향상될 수 있다. 본 실시예에서 설명한 발광 소자는 추가적인 공정을 거쳐 수직형, 플립칩형 또는 수평형 등 다양한 형태의 발광 소자로 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 5는 도 4의 'Ⅱ 영역'에 대응하는 부분의 확대 단면도이다. 또한, 도 6은 다른 실시예에 따른 발광 소자에 있어서, 도 4의 'Ⅱ 영역'에 대응하는 부분의 확대 단면도이다.
본 실시예의 발광 소자는 도 1 및 도 2의 발광 소자와 비교하여, V-피트 확장층(160)을 더 포함하는 점, 및 활성층(170)과 n형 도핑 영역(310)은 선택적으로 중첩될 수 있다는 점에서 차이가 있다. 이하, 차이점을 중심으로 본 실시예의 발광 소자에 관해 설명하며, 중복되는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 발광 소자는, n형 질화물 반도체층(140), V-피트 발생층(150), V-피트 확장층(160), 활성층(170), 고저항 메움층(180), p형 질화물 반도체층(190) 및 n형 도핑 영역(310)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 소자는, 성장 기판(110), 버퍼층(120), 및 언도프 질화물층(130)을 더 포함할 수 있다.
V-피트 확장층(160)은 활성층(170) 상에 위치할 수 있으며, 이때, V-피트(220)는 V-피트 확장층(160) 및 활성층(170)을 관통할 수 있다. 즉, V-피트(220)는 V-피트 발생층(150)으로부터 발생하여, V-피트 확장층(160) 및 활성층(170)을 거쳐 방사형으로 확장되는 형태를 가질 수 있다.
V-피트 확장층(160)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물 반도체를 포함할 수 있으며, V-피트 발생층(150)의 상면으로부터 성장되어 형성될 수 있다. V-피트 확장층(160)은 V-피트 발생층(150)의 상면을 시드로 성장되며, V-피트(220)를 확장시키며 성장될 수 있다. 예를 들어, V-피트 확장층(160)의 평균 격자 상수는 V-피트 발생층(150)의 평균 격자 상수보다 클 수 있고, 이에 따라, V-피트 확장층(160)의 성장 중에 지속적인 압축 스트레스 및 스트레인이 작용한다. 따라서, V-피트 확장층(160)의 성장에 따라 V-피트(220)의 크기가 증가할 수 있다. 이 경우, 예컨대, V-피트 확장층(160)은 In을 포함할 수 있다.
한편, V-피트 확장층(160)은 제1 질화물층(161) 및 제1 질화물층(161)보다 작은 밴드갭 에너지를 갖는 제2 질화물층(163)을 포함한다. 제1 질화물층(161)과 제2 질화물층(163)은 각각 약 수십nm의 두께를 가질 수 있다. 나아가, 제1 질화물층(161)과 제2 질화물층(163)은 2주기 이상 반복 적층되어 초격자 구조를 형성할 수도 있다. 예컨대, 제1 질화물층(161)은 InxGa(1-x)N (0＜x＜1)일 수 있고, 제2 질화물층(163)은 InyGa(1-y)N (0＜y＜1, x＜y)일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. V-피트 확장층(160)이 초격자 구조로 형성됨으로써, 활성층(170)의 결정성을 향상시킬 수 있음과 동시에 V-피트(220)를 확장시킬 수 있다. 또한, 상기 발광 소자 구동 시, V-피트 확장층(160)의 초격자 구조에 의하여 활성층(170)으로의 전자 주입을 더욱 용이하게 할 수 있다.
본 실시예의 발광 소자는, V-피트 확장층(160)과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역(310)을 포함한다. 이하, n형 도핑 영역(310)과 관련하여, 도 4, 도 5 및 도 7a 내지 도 7e를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 실시예들에 따른 V-피트 확장층(160)의 밴드갭 에너지 및 n형 도핑 영역을 도시하는 그래프들이다.
n형 도핑 영역(310)은 Ge을 도펀트로 포함하는 영역일 수 있고, 따라서, 반도체층이 n형의 도전형을 갖도록 한다. 질화물 반도체가 n형 도핑 영역(310)을 포함하면, 상기 질화물 반도체의 성장 과정에서 수평 방향의 성장보다 수직 방향의 성장이 우세한 3D 성장이 우세해진다. 그 이유는, 질화물 반도체 성장 과정에서 Ge을 도핑하는 경우, Ge과 N의 결합 에너지가 상대적으로 낮아서 Ge과 N의 결합이 끊어질 확률이 증가하게 된다. 따라서, 질화물 반도체를 성장 과정에서 Ge을 도핑시키면, 2D 성장보다 3D 성장이 우세해지게 된다.
상술한 바와 같이, V-피트(220)는 질화물 반도체가 2D 성장할 때보다 3D 성장 할 때, V-피트(220)는 더욱 크게 확장된다. 따라서, V-피트 확장층(160)과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역(310)에 의해 3D 성장이 우세해지면서, V-피트 확장층(160)의 성장 과정에서 V-피트(220)의 크기가 더욱 증가될 수 있다. 특히, V-피트(220)를 확장시키기 위하여 In의 조성비를 증가시키는 방법을 이용할 수도 있으나, 후속 공정에서 성장되는 다른 반도체층들과의 격자 상수 차이를 고려할때, In의 조성비를 증가시키는 것에 한계가 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, V-피트 확장층(160)과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역(310)을 형성함으로써, In 조성비를 증가시키지 않고도 V-피트(220)의 크기를 확장시킬 수 있다.
도펀트로 Si를 이용하는 경우에도 V-피트(220)는 확장될 수 있으나, Si를 도펀트로 이용하게 되면 V-피트 확장층(160)의 결정성이 악화될 수 있고, 나아가, 활성층(170)의 결정성이 악화될 수 있다. 반면, Ge을 도펀트로 포함하는 n형 도핑 영역(310)은 Si를 도펀트로 포함하는 도핑 영역에 비해 반도체층의 결정성을 상대적으로 덜 악화시킨다. 또한, 도펀트로 Ge을 이용할 때, Si을 도펀트로 이용하는 경우에 비해 V-피트(220)의 확장 효과가 더욱 증대될 수 있다. 이는, 상술하여 설명한 바와 대체로 유사하다.
n형 도핑 영역(310)의 도핑 농도는 제한되지 않으나, 5×1019 atoms/cm3 이상의 농도로 도핑되면, 3D 성장이 더욱 촉진되어 V-피트(220) 확장 효과가 더욱 증가될 수 있다. 또한, n형 도핑 영역(310)의 두께는 제한되지 않으나, 너무 얇으면 V-피트(210)를 확장시키는 효과가 미미하고, 반대로 너무 두꺼우면 n형 도핑 영역(310) 내의 결정성을 악화시켜 발광 소자의 발광 효율을 저하시킬 수 있다. 따라서, n형 도핑 영역(310)의 두께는 소정 범위 내로 형성하는 것이 바람직하며, 예컨대, n형 도핑 영역(310)의 두께는 약 10 내지 100nm 범위 내일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, n형 도핑 영역(310)이 V-피트 확장층(160)의 적어도 일부와 중첩되어, 활성층(170)의 하단에 위치하는 V-피트 확장층(160)이 전자주입층의 역할을 동시에 수행하도록 할 수 있다. 그러므로, 별도의 전자주입층을 형성하지 않고, V-피트 확장층(160)을 이용하여 V-피트(220)의 크기를 증가시킴과 아울러, 활성층(170)으로의 전자 주입 효율을 향상시켜 발광 효율을 향상시키는 효과를 동시에 얻을 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, n형 도핑 영역(310)은 적어도 부분적으로 V-피트 확장층(160)과 중첩될 수 있고, V-피트 확장층(160) 내의 적어도 두 층 이상의 층에 걸쳐 위치할 수 있다. 따라서, 제1 질화물층(161)과 제2 질화물층(163) 간의 계면들 중 하나 이상은 n형 도핑 영역(310) 내에 위치할 수 있다. 또한, n형 도핑 영역(310)은 V-피트 확장층(160) 내의 층들과는 독립적으로 위치할 수 있다. 다시 말해서, n형 도핑 영역(310)이 하부면과 상부면을 갖는 경우, n형 도핑 영역(310)의 하부면 및/또는 상부면의 위치는 제1 질화물층(161)과 제2 질화물층(163) 간의 계면들의 위치와 일치하지 않을 수 있다.
또한, 하나의 n형 도핑 영역(310) 내에 도핑 농도는 다양하게 형성될 수 있고, 예컨대, 하나의 n형 도핑 영역(310) 내에서 일정한 도핑 농도를 가질 수 있고, 두께 방향에 따라 단조 증가 또는 감소하는 도핑 농도를 가질 수도 있으며, 또한, 도핑 농도의 증감이 반복되도록 변조 도핑될 수도 있다.
나아가, n형 도핑 영역(310)은 복수로 형성될 수 있으며, 복수의 n형 도핑 영역(310)들은 서로 다른 도핑 농도를 가질 수도 있다. 이때, 복수의 n형 도핑 영역(310)의 도핑 농도는 n형 질화물 반도체층(140)으로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 감소될 수 있다.
이하, 도 4, 도 5 및 도 7a 내지 도 7e를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 n형 도핑 영역(310)의 형태를 구체적인 예로 설명한다. 다만, 본 발명이 후술하는 예시들에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 도 4, 도 5 및 도 7a에 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)은 V-피트 확장층(160)내의 2개 층 내지 20개 층에 걸쳐 위치할 수 있고, 예를 들어, n형 도핑 영역(310)은 세 개의 제1 질화물층(161) 및 두 개의 제2 질화물층(163)에 걸쳐 위치할 수 있다. 또한, n형 도핑 영역(310)의 상부면과 하부면은 제1 질화물층(161)과 제2 질화물층(163) 간의 계면과 중첩되지 않을 수 있다. 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)의 하부면은 일 제1 질화물층(161)의 중간에 위치할 수 있고, n형 도핑 영역(310)의 상부면은 또 다른 제1 질화물층(161)의 중간에 위치할 수 있다. 또한, n형 도핑 영역(310)은 V-피트 확장층(160) 내에 복수로 형성될 수도 있다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)의 하부면 및 상부면 중 하나는 제1 질화물층(161) 및 제2 질화물층(163) 사이의 계면에 대응하여 위치할 수 있다. 예를 들어, n형 도핑 영역(310)의 하부면은 일 제1 질화물층(161)의 하면과 중첩될 수 있다. 이는 상기 일 제1 질화물층(161)의 성장과 함께 성장 챔버 내에 Ge 도펀트 소스를 도입함으로써 달성될 수 있다.
나아가, 도 7c에 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)의 하부면 및 상부면은 모두 제1 질화물층(161) 및 제2 질화물층(163) 사이의 계면에 대응하여 위치할 수 있다. 예를 들어, n형 도핑 영역(310)의 하부면은 일 제1 질화물층(161)의 하면과 중첩될 수 있고, n형 도핑 영역(310)의 상부면은 또 다른 제1 질화물층(161)의 상면과 중첩될 수 있다. 다만, 본 실시예에서도, n형 도핑 영역(310)은 제1 질화물층(161) 및 제2 질화물층(163)과 상관 관계를 갖는 것은 아니며, 독립적으로 형성된다.
또 다른 실시예에 따르면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 하나의 n형 도핑 영역(310) 내에서 도핑 농도는 일정하지 않을 수 있다. 예를 들어, 하나의 n형 도핑 영역(310) 내에서 Ge 도펀트는 변조 도핑될 수 있다. Ge 도펀트를 변조 도핑함으로써, n형 도핑 영역(310)에 의해 V-피트 확장층(160)의 결정성이 악화되는 것을 완화시킬 수 있다. 이에 따라, V-피트 확장층(160) 상에 형성되는 활성층(170)의 결정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 발광 소자는 복수의 n형 도핑 영역(311, 312)을 포함할 수 있다. 예를 들어, n형 도핑 영역(310)은 제1 n형 도핑 영역(311) 및 제2 n형 도핑 영역(312)을 포함할 수 있다. 제1 n형 도핑 영역(311)은 제2 n형 도핑 영역(312)보다 높은 Ge 도핑 농도를 가질 수 있다. 이때, 제1 n형 도핑 영역(311)은 제2 n형 도핑 영역(312)보다 V-피트 발생층(150)에 더 가깝게 위치할 수 있다. V-피트 발생층(150)에 상대적으로 더 가깝게 위치하는 제1 n형 도핑 영역(311)에 의해 V-피트(220)의 크기가 확장될 수 있다. 또한, 제2 n형 도핑 영역(312)은 상대적으로 더 낮은 Ge 도핑 농도를 가짐으로써, V-피트 확장층(160)의 결정성이 악화되는 것을 완화시킬 수 있고, 추가적으로 V-피트(220)의 크기를 더욱 확장시킬 수 있다.
한편, 상기 각각의 실시예들에서 설명한 기술적 특징들이 유기적으로 결합된 실시형태 역시 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, n형 도핑 영역(310)은 V-피트 확장층(160) 및 활성층(170)에 중첩되어 위치할 수 있다. 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, n형 도핑 영역(310)의 일부는 V-피트 확장층(160)과 중첩되어 위치하고, 나머지 일부는 활성층(170)과 중첩되어 위치할 수 있다. 나아가, 상기 발광 소자가 복수의 n형 도핑 영역(310)을 포함하는 경우, 복수의 n형 도핑 영역(310) 중 하나는 V-피트 확장층(160)과 중첩되어 위치하고, 복수의 n형 도핑 영역(310) 중 다른 하나는 활성층(170)과 중첩되어 위치하며, 복수의 n형 도핑 영역(310) 중 또 다른 하나는 V-피트 확장층(160) 및 활성층(170)에 걸쳐 위치할 수도 있다. 이와 같이, n형 도핑 영역(310)의 배치는 다양하게 변형될 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 발광 소자가 V-피트 확장층(160)을 더 포함함으로써, V-피트(220)의 크기를 더욱 증가시켜 발광 소자의 전기적 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 나아가, n형 도핑 영역(310)이 V-피트 확장층(160)과 중첩되어, V-피트 확장층(160)이 전자주입층의 역할까지 수행함으로써, 발광 소자의 발광 효율이 향상될 수 있다.
이상, 상기 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하고, 본 발명은 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 모두 포함한다.

Claims (16)

  1. n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 위치하는 V-피트 발생층;
    상기 V-피트 발생층 상에 위치하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층;
    상기 활성층을 관통하는 V-피트;
    상기 V-피트를 적어도 부분적으로 채우는 고저항 메움층; 및
    상기 활성층과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역을 포함하고,
    상기 활성층은 복수의 장벽층 및 우물층을 포함하는 다중 양자 우물 구조를 포함하며,
    상기 장벽층과 우물층 사이의 계면들 중 하나 이상은 상기 n형 도핑 영역 내에 위치하며,
    상기 n형 도핑 영역은 하부면 및 상부면을 포함하고, 상기 n형 도핑 영역의 하부면 및 상부면 중 적어도 하나는 상기 장벽층과 우물층 사이의 계면과 중첩되지 않는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역은 도펀트로 Ge을 포함하며, 상기 n형 도핑 영역의 두께는 10 내지 100nm인 발광 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역의 두께는 상기 장벽층 및 우물층 중 적어도 하나의 두께보다 크고,
    상기 장벽층 및 우물층 중 적어도 하나는 상기 n형 도핑 영역 내에 위치하는 발광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역은 n형 도펀트가 변조 도핑된 영역을 포함하는 발광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역은 제1 도핑 영역, 및 상기 제1 도핑 영역보다 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도핑 영역을 포함하고,
    상기 제1 도핑 영역은 상기 제2 도핑 영역보다 상기 V-피트 발생층에 더 가깝게 위치하는 발광 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층 및 상기 V-피트 발생층의 사이에 개재된 V-피트 확장층을 더 포함하고,
    상기 n형 도핑 영역은 상기 활성층과 상기 V-피트 발생층에 걸쳐 위치하는 발광 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 V-피트 발생층은 초격자층을 포함하고, 상기 초격자층 내의 층들 간의 계면들 중 적어도 하나는 상기 n형 도핑 영역 내에 위치하는 발광 소자.
  8. n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 위치하는 V-피트 발생층;
    상기 V-피트 발생층 상에 위치하며, 우물층 및 장벽층을 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층;
    상기 활성층 및 V-피트 확장층을 관통하는 V-피트;
    상기 V-피트를 적어도 부분적으로 채우는 고저항 메움층; 및
    상기 활성층과 적어도 부분적으로 중첩되는 n형 도핑 영역을 포함하고,
    상기 n형 도핑 영역의 상부면과 하부면 중 적어도 하나는 상기 우물층 및 상기 장벽층 간의 계면에 대응하며, 상기 n형 도핑 영역의 두께는 상기 활성층 또는 우물층 두께의 정수 배인 발광 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 V-피트 발생층 상에 위치하는 V-피트 확장층을 더 포함하고
    상기 V-피트 확장층은 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 제1 질화물층 및 제2 질화물층이 반복 적층된 초격자층을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 질화물층 간의 계면들 중 하나 이상은 상기 n형 도핑 영역 내에 위치하는 발광 소자.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역의 평균 Ge 도핑 농도는 5E19/cm3 이상인 발광 소자.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역의 두께는 10 내지 100nm인 발광 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역의 두께는 상기 제1 질화물층 및 제2 질화물층 중 적어도 하나의 두께보다 큰 발광 소자.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역은 Ge 도펀트가 변조 도핑된 영역을 포함하는 발광 소자.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역 내에는 하나 이상의 제1 질화물층 및 하나 이상의 제2 질화물층이 위치하는 발광 소자.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역은 제1 도핑 영역, 및 상기 제1 도핑 영역보다 낮은 도핑 농도를 갖는 제2 도핑 영역을 포함하고,
    상기 제1 도핑 영역은 상기 제2 도핑 영역보다 상기 V-피트 발생층에 더 가깝게 위치하는 발광 소자.
  16. 청구항 8에 있어서,
    상기 n형 도핑 영역은 상기 활성층과 상기 V-피트 발생층에 걸쳐 위치하는 발광 소자.
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