KR20170130422A - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 제 1 도전형의 제 1 반도체층, 상기 제 1 반도체층 상에 형성된 발광 기능층, 및 상기 발광 기능층 상에 형성되고 상기 제 1 반도체층의 도전형과 반대인 제 2 도전형의 제 2 반도체층을 포함한다. 상기 발광 기능층은 상기 제 1 반도체층 상에 형성되고 상기 제 2 도전형의 도펀트로 도핑된 도핑층, 상기 도핑층 상에 형성된 베이스층으로, 상기 베이스층은 도핑층으로부터 상기 베이스층 내에 응력 및 변형을 유발하는 조성을 가지고, 상기 베이스층은 랜덤 네트 형상으로 형성된 복수의 베이스 세그먼트를 포함하는 것인 베이스층, 및 상기 베이스층 상에 형성된 양자 우물 구조층을 포함한다.

Description

반도체 발광 소자
본 발명은 발광 다이오드(LED)와 같은 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
반도체 발광 소자는 통상 성장 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 형성된 반도체 구조층을 성장시키고, 각각 n형 반도체층 및 p형 반도체층에 전압을 인가하는 p형 전극 및 p형 전극을 형성함으로써 제조된다.
일본 특허 제4984119호는, 기판 상에 적층되고 기판에 대한 경사각이 완만하게 변화하는 부분을 포함하는 표면을 가지는 활성층을 포함하는 반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법을 개시한다. 비특허문헌 1은 높은 인듐 조성 및 나노구조를 가지는 다른 InGaN 층 상에 InGaN 층이 적층된 다중 양자 우물 구조를 가지는 활성층을 포함하는 발광 다이오드를 개시한다.
인용 목록
특허문헌
특허문헌 1: 일본 특허 제4984119호 공보
비특허문헌
비특허문헌 1: Applied Physics Letters 92, 261909(2008)
반도체 발광 소자는, 그 활성층에서 전극으로부터 소자 내로 주입된 전자와 정공(홀)을 결합(재결합)시킴으로써 빛을 방출한다. 활성층으로부터 방출된 빛의 파장(즉, 방출된 발광색)은 활성층을 구성하는 반도체 재료의 밴드 갭에 따라 변한다. 예를 들면, 발광 소자가 질화물계 반도체를 사용하면, 청색광이 활성층으로부터 방출된다.
한편, 예를 들어 조명 용도 등 일부 광원은 높은 연색성을 요구한다. 높은 연색성을 가지는 광원은 자연광과 유사한 빛을 방출한다. 높은 연색성을 얻기 위해서는, 광원으로부터 거의 가시 영역 전체에 걸쳐 파장을 가지는 빛이 추출되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 높은 연색성을 가지는 광원으로부터 추출된 빛은 백색광으로서 관측된다.
반도체 발광 소자를 사용하여 백색광을 얻는 다양한 기술이 제안되어 있다. 예를 들면 형광체 등의 파장 변환 부재를 밀봉 수지에 혼합하고, 밀봉 수지로 소자를 밀봉하여 발광 장치를 제조하는 기술이 있다. 예를 들면, 반도체 발광 소자가 청색광을 방출하는 활성층을 사용하는 경우, 활성층으로부터 청색광의 일부는 형광체에 의해 황색광으로 변환되고, 청색광과 황색광은 혼합되어 추출된다. 백색광은 전체적으로 관찰된다. 또한, 특허문헌 1 등과 마찬가지로, 활성층의 성장 전에 에칭 등의 가공 기술을 사용하여 요철 패턴을 형성하고, 경사면에 활성층을 형성하여 형광체를 사용하지 않은 채 발광 파장의 범위를 넓히는 기술이 제안되어 있다.
그러나 이러한 기술을 이용하여 발광 소자를 제조하는 경우, 소자 내의 발광 파장의 균일성, 제조 공정의 복잡화, 발광 강도의 면에서 문제가 있다. 예를 들면, 형광체의 혼입 공정의 추가, 형광체의 파장 변환 효율의 경년 변화, 반도체층의 가공 공정의 추가, 및 반도체층의 가공에 의한 결정성의 열화를 포함한다.
본 발명은, 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 형광체와 같은 파장 변환 부재의 필요를 없애고, 가시 영역을 걸쳐 넓은 방출 파장 대역폭(스펙트럼 폭)을 가진 높은 연색성 및 높은 발광 강도를 가지고, 방출 파장 범위를 제어하기 용이한 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자는, 제 1 도전형의 제 1 반도체층; 상기 제 1 반도체층 상에 형성된 발광 기능층; 및 상기 발광 기능층 상에 형성되고 상기 제 1 반도체층과 반대인 제 2 도전형의 제 2 반도체층;을 포함하고, 상기 발광 기능층은 상기 제 1 반도체층 상에 형성되고 제 2 도전형의 도펀트로 도핑된 도핑층; 및 상기 도핑층 상에 형성된 베이스층으로, 상기 베이스층은 상기 도핑층으로부터 상기 베이스층에 응력 및 변형을 야기하는 조성을 가지고, 상기 베이스층은 랜덤 네트 형상으로 형성된 복수의 베이스 세그먼트를 포함하는 것인 베이스층; 및 상기 베이스층 상에 형성된 양자 우물 구조층;을 포함한다.
본 명세서에 포함되어 있음.
도 1a는 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1b는 발광 기능층의 베이스층의 개략적인 평면도이다.
도 2는 제 1 실시예의 변형예에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 5는 제 3 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서, 동일 또는 동등한 구성요소는 동일 부호에 의해 표시된다.
제 1 실시예
도 1a는 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자(이하, 간단히 발광 소자 또는 소자라고도 함)(10)의 구조를 도시한 단면도이다. 반도체 발광 소자(10)는 사파이어로 형성된 탑재 기판(이하, 간단히 기판이라 함)(11) 상에 반도체 구조층(SS)이 형성된 구조를 가진다. 이하, 반도체 구조층(SS)이 구체적으로 설명된다.
제 1 반도체층으로서 n형 반도체층(12)은, 예를 들면 n형 도펀트(예를 들면, Si)를 함유하는 GaN 층으로 형성된다. 발광 기능층(13)은 n형 반도체층(12) 상에 형성되고 양자 우물 구조(QW)를 포함하는 층이다. 발광 기능층(13)은 하기에 상세히 설명된다.
전자 차단층(14)은 발광 기능층(13) 상에 형성되고, 예를 들어 AlGaN 층으로 형성된다. p형 반도체층(15)이 전자 차단층(14) 상에 형성되고, p형 도펀트(예를 들어, Mg)를 함유하는 GaN 층으로 형성된다. n형 반도체층(12)은 상이한 도펀트 농도를 가지는 복수의 n형 반도체층을 포함할 수 있다. 전자 차단층(14)은 p형 도펀트를 함유할 수 있다. p형 반도체층(15)은 전자 차단층(14)과의 계면으로부터 반대인 주요 표면 상에 접촉층을 가질 수 있다.
발광 기능층(13)은 하기에 상세히 설명된다. 발광 기능층(13)은 복수의 발광 기능층을 포함할 수 있지만, 본 실시예에서는 발광 기능층(13)이 하나의 발광 기능층으로 형성되는 경우를 다룬다.
도핑층으로서 가변 도핑층(VDL)은 n형 반도체층(12) 상에 형성된 층이다. 가변 도핑층(VDL)은 Mg와 같은 p형 도펀트로 도핑된 GaN 층이다. 가변 도핑층(VDL) 상에, 예를 들어 Mg가 도핑된 AlN 층인 베이스층(BL)이 형성된다. 가변 도핑층(VDL)의 도핑량은 가변 도핑층(VDL) 상에 형성된 베이스층(BL)의 형상 및 크기를 변화시키기 위해 제어된다. 가변 도핑층(VDL)의 도핑량은 결정화도의 감소의 관점에서 1e21 atoms/cm3 이하로 바람직하게 설정된다.
베이스층(BL)은 가변 도핑층(VDL)으로부터의 응력 하에서 랜덤 네트 형상으로 형성된 그루브(GR1)를 가진다. 그루브(GR1)는 가변 도핑층(VDL)과 베이스층(BL) 사이의 조성이 다르기 때문에 베이스층(BL)에 발생하는 응력 및 변형에 의해 발생하는 복수의 그루브 부분을 연결함으로써 형성되며, 전체적으로 메쉬 형상을 가진다. 베이스층(BL)에 발생된 응력 및 변형은 n형 반도체층(12)과 가변 도핑층(VDL)의 격자 상수와 베이스층(BL)의 격자 상수의 차이에 의해 베이스층(BL)의 결정 구조가 변형되기 때문에 발생한다.
즉, 베이스층(BL)에 발생하는 응력 및 변형은 가변 도핑층(VDL)의 Mg에 의한 도핑량의 변화에 따라 변한다. 가변 도핑층(VDL)의 Mg에 대한 도핑량이 많을수록, 베이스층(BL)에서 압축 방향으로 발생하는 응력 및 변형, 즉 압축 스트레인(strain)은 더 작아진다.
베이스층(BL)은 이제 도 1b를 참조하여 설명될 것이다. 도 1b는 베이스층(BL)의 상면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 베이스층(BL)은 제 1 그루브(GR1)에 의해 한정되고 랜덤 사이즈로 형성된 다수의 미세한 베이스 세그먼트(BS)를 포함한다. 베이스층은 n형 반도체층(12) 및 가변 도핑층(VDL)으로부터의 응력 및 변형을 겪음으로써, 베이스 세그먼트(BS)는 베이스층(BL) 내에서 랜덤 네트 형상으로 한정된다.
제 1 그루브(GR1)는 랜덤하고 상이한 길이 및 형상을 가지는 그루브 부분으로 구성된다. 제 1 그루브(GR1)는 베이스층(BL)의 표면에 그물 형상(메쉬 형상)으로 넓게 덮게 형성된다. 각 베이스 세그먼트(BS)는 제 1 그루브(GR1)에 의해 랜덤하게 베이스층(BL)에 한정되고 형성된 부분(세그먼트)이다. 베이스 세그먼트(BS)는 실질적으로 원형, 실질적으로 타원형 및 다각형과 같은 다양한 상부 형상을 가진다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 제 1 그루브(GR1)는 예를 들어 V자 형상을 가지며, 선 형상의 바닥부(BP)를 가진다. 이 실시예에서, 베이스 세그먼트(BS)는 각각 제 1 그루브(GR1)의 바닥부(BP)에서 가장자리부를 가진다. 각각의 베이스 세그먼트(BS)는 바닥부(BP)에서 다른 베이스 세그먼트(BS)에 인접한다.
베이스층(BL)은 각각의 베이스 세그먼트(BS)에 대응하는 평탄부(이하, 제 1 평탄부라 함)(FL1)를 포함한다. 베이스층(BL)의 표면은 제 1 평탄부(FL1) 및 제 1 그루브(GR1)의 측벽 표면으로 구성된다. 제 1 평탄부(FL1)는 제 1 그루브(GR1)에 의해 베이스 세그먼트(BS)마다 한정된다. 베이스 세그먼트(BS)는 제 1 평탄부(FL1)로 형성된 상면 및 제 1 그루브(GR1)의 측벽 표면으로부터 형성된 측면들을 포함한다.
즉, 제 1 평탄부(FL1)는 각 베이스 세그먼트(BS)의 상면을 구성한다. 제 1 그루브(GR1)의 내벽 표면은 베이스 세그먼트(BS)의 측면들을 구성한다. 따라서, 각 베이스 세그먼트(BS)는 경사 측면들을 가지고, 예를 들어, 단면이 실질적으로 사다리꼴 형상이다.
상술한 바와 같이, 베이스층(BL)에 발생하는 응력 및 변형은 가변 도핑층(VDL)의 결정성의 변화, 격자 상수의 변화 등에 따라 변한다. 베이스층(BL)의 그루브(GR1) 및 베이스 세그먼트(BS)의 형상 및 크기도 그에 따라 변한다. 베이스층(BL)에 발생하는 응력 및 변형이 작을수록, 베이스 세그먼트(BS)의 크기가 커지는 경향이 있다.
베이스층(BL) 상에 양자 우물층(WA)이 형성된다. 양자 우물층(WA)은, 예를 들면 InGaN으로 형성되는 층이다. 양자 우물층(WA)은 표면에서 제 1 그루브(GR1)의 형상을 따르게(유지하게) 형성되고, 제 1 그루브(GR1)와 동일한 메쉬 형상을 가지는 그루브를 가진다. 즉, 양자 우물층(WA)은 베이스층(BL)과의 계면(바닥면)에서 및 상면에서 그루브(GR1)에 대응하는 요철 형상을 가진다. 양자 우물층(WA)은 이른바 변형된 양자 우물층으로 형성된다.
장벽층(BA)은 양자 우물층(WA) 상에 형성된다. 장벽층(BA)은, 예를 들면 미도핑된 AlN 층으로 형성된 층이다. 장벽층(BA)은 양자 우물층(WA)과 마찬가지로, 표면에서의 제 1 그루브(GR1)의 형상을 따르게(유지하게) 형성되고, 제 1 그루브(GR1)와 동일한 메쉬 형상을 가지는 그루브를 가진다. 양쪽 주 표면은 평탄면으로 형성된다. 구체적으로, 장벽층(BA)이 양자 우물층(WA)의 제 1 평면(FS1) 상에 형성된다. 장벽층(BA)의 상면은 평면(이하, 제 2 평면이라고 함)(FS2)으로 형성된다.
양자 우물층(WA)은 바람직하게 미도핑층이다. 이 경우, 반도체 구조층(SS)은, n형 반도체층(12), p형 가변 도핑층(VDL), p형 베이스층(BL), 미도핑된 양자 우물층(WA), 장벽층(BA) 및 p형 반도체층(15)이 이 순서로 적층된 구조를 가진다.
구체적으로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 양자 우물층(WA) 및 장벽층(BA)은 베이스층(BL) 상에 형성되어 베이스 세그먼트(BS)의 세그먼트 형상이 남아 있다. 그러므로, 양자 우물층(WA) 및 장벽층(BA)은 베이스층(BL)의 제 1 그루브(GR1)의 각 그루브 부분에 대응하는 위치에 그루브를 가진다. 즉, p형 반도체층(15)에 가장 가까운 층인 장벽층(BA)에 형성된 그루브는 제 2 그루브(GR2)이다.
발광 기능층(13)의 표면, 즉 장벽층(BA)의 제 2 그루브(GR2) 이외의 표면은 평탄부(이하, 제 2 평탄부라고 함)(FL2)로서 형성된다. 제 2 평탄부(FL2)는 각각의 제 1 평탄부(FL1)에 대응하는 위치 및 형상으로 형성된다.
즉, 발광 기능층(13)은 표면에 제 2 평탄부(FL2) 및 제 2 그루브(GR2)를 포함한다. 제 2 그루브(GR2)는 발광 기능층(13)을 복수의 섬 형상의 발광 세그먼트(ES)로 한정하게 형성된다.
발광 세그먼트(ES)는 각 베이스 세그먼트(BS)에 대응하여 형성된다. 보다 구체적으로, 발광 세그먼트(ES)는 발광 기능층(13)의 표면을 랜덤 네트 형상으로 한정함으로써 형성된다. 발광 세그먼트(ES)는 크기와 모양에 임의의 변형 또는 분포를 가지고, 제 1 발광 기능층(13)의 표면에 랜덤하게 배치(병렬 배치)된다.
상기 베이스층(BL)은 양자 우물층(WA)에 대한 장벽층의 역할을 한다. 베이스층(BL), 양자 우물층(WA) 및 장벽층(BA)은 양자 우물 발광층(QW)을 구성한다. 양자 우물층(WA)과 장벽층(BA)은 양자 우물 구조층을 형성한다.
발광 기능층(13)의 장벽층(BA) 상에 형성된 전자 차단층(14)은 제 2 그루브(GR2)을 매립하게 형성된다. 보다 구체적으로는, 장벽층(BA)과 전자 차단층(14)의 계면(하면)은 그루브(GR2)에 대응하는 요철 형상을 가진다. 전자 차단층(14)은 상부에 평탄한 표면을 가진다.
이제, 베이스 세그먼트의 크기에 따라 변형의 발생, 베이스 세그먼트(BS)의 형성, 및 양자 우물층(WA)으로부터 방출된 빛의 방출 파장에서의 변화가, 발광 기능층(13)을 형성하기 위한 순서를 따라 후술될 것이다. 베이스층(BL)에 기인한 변형에 의해 형성된 베이스 세그먼트(BS)는 상대적으로 낮은 성장 온도에서 GaN 층인 가변 도핑층(VDL) 상에 베이스층(BL)을 성장시킴으로써 형성될 수 있다.
우선, 가변 도핑층(VDL) 상에 n형 반도체층(12) 및 가변 도핑층(VDL)과 다른 결정 조성을 가지는 베이스층(BL)을 성장시킴으로써, 응력(변형)이 베이스층(BL)에서 발생된다. 예를 들어, n형 반도체층(12)으로서 GaN 층 상에 베이스층(BL)인 AlN 층이 성장되면, GaN 층과의 격자 부정합에 의해 AlN 층에 인장 변형이 발생한다. 따라서 성장 중에 AlN 층에 인장 응력이 발생한다. 이것은 성장의 시작에서 또는 AlN 층의 성장 중에 AlN 층에 그루브를 생성한다. 그 다음, AlN 층은 3차원적으로 성장한다. 즉, AlN 층은 입체적으로 성장하여 복수의 미세한 요철을 형성한다. 이러한 그루브의 형성 시작점은 그루브(GR1)의 바닥부(BP)가된다.
또한, 저온에서 GaN 층 상에 AlN 층을 성장시키면, AlN 층의 성장이 3차원적으로 촉진된다. 그 다음, 다수의 그루브가 서로 연결되어 있는 AlN 층의 표면에 형성되고(그루브 GR1), AlN 층은 복수의 세그먼트로 한정된다. 이러한 방식으로, 베이스 세그먼트(BS)들을 포함하는 베이스층(BL)이 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 베이스층(BL)으로서 AlN 층은 780℃의 성장 온도에서 형성되었다.
양자 우물층(WA)으로서 InGaN 층이 베이스층(BL) 상에 형성되면, 상술한 바와 같이 양자 우물층(WA)은 압축 변형 하에서 변형된 양자 우물층으로서 형성된다. 이것은 또한 양자 우물층(WA) 내의 In 함량의 분포를 생성한다. 보다 구체적으로, 예를 들면 평탄부(FL1) 상의 영역과 양자 우물층(WA)의 그루브(GR1) 상의 영역은 상이한 In 조성을 가지게 형성된다. 양자 우물층(WA)은 또한 베이스 세그먼트(BS)의 상면 및 측면에서 상이한 층 두께를 가진다. 따라서, 양자 우물층(WA) 내의 밴드 갭은 층 내에서 일정하지 않고, 미세한 섬 형상의 요철을 포함하는 발광 기능층(13)으로부터 다양한 색의 빛이 방출된다.
양자 우물층(WA)으로서 InGaN 층은 압축 변형 하일 때, In을 용이하게 도입한다. 이는 InGaN 층에서 밴드 갭, 즉 양자 레벨 사이의 에너지를 감소시키는 것으로 보인다. 따라서, 압축 변형 하에서 InGaN 층으로 형성된 양자 우물층(WA)은 압축 변형이 없는 상태에서 InGaN 보다 긴 파장의 빛을 방출한다.
InGaN 층에 작용하는 압축 변형이 크거나 또는 등가적으로 베이스 세그먼트(BS)의 크기가 작을수록, In의 도입량이 많거나 또는 등가적으로 In 조성이 크다. 반대로, 압축 변형이 낮을수록 또는 등가적으로 베이스 세그먼트(BS)의 크기가 클수록, In의 도입량이 작거나 또는 등가적으로 In 조성이 작다.
따라서, Mg 도펀트로 가변 도핑층(VDL)의 도핑량은 양자 우물층(WA)에 작용하는 압축 변형을 조정하고, 양자 우물층(WA)으로부터 방출된 빛의 방출 파장을 제어하기 위해 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자(10)에서, 압축 변형 하에서 그루브(GR1)를 가지는 베이스층(BL) 상에 양자 우물층(WA)이 형성된다. 상술한 바와 같이, 양자 우물층(WA)의 In 함량이 층 내에서 불균일하게 되고, 양자 우물층(WA)의 두께가 층 내에서 불균일하게 된다. 양자 우물층(WA)의 밴드 갭이 층 내에서 불균일해지기 때문에, 높은 연색성을 가지는 광파장 밴드 빛을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 가변 도핑층(VDL)의 Mg 도핑량이 많을수록, 베이스층(BL)에서 발생하는 압축 변형은 낮다. 상술한 바와 같이, 압축 변형이 낮을수록, 양자 우물층(WA)에 도입되는 In의 함량이 작고 InGaN 층의 밴드 갭이 크다.
따라서, 본 발명의 반도체 발광 소자(10)에 의하면, 가변 도핑층(VDL)의 Mg 도핑량을 증가시켜 양자 우물층(WA)으로부터 방출되는 빛의 파장을 더 짧은 파장으로 시프트시킬 수 있다. 반대로, 가변 도핑층(VDL)의 Mg 도핑량을 감소시켜 양자 우물층(WA)으로부터 방출되는 빛의 파장을 더 긴 파장으로 시프트할 수 있다. 즉, 가변 도핑층(VDL)의 Mg 도핑량을 조정하여 발광 소자(10)의 발광 파장을 조정할 수 있다.
가변 도핑층(VDL)의 Mg 도핑량이 2 X 1019 atoms/cm3로 설정되면, 발광 기능층(13)으로부터 500nm 부근에서 피크를 가지는 460 내지 580nm의 파장 영역에서 빛이 방출된다. 가변 도핑층(VDL)의 Mg 도핑량이 실험적으로 0으로 설정되면, 570nm 부근에서 피크를 가지는 510 내지 650nm의 파장 영역에서 빛이 방출된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는, Mg가 도핑된 가변 도핑층(VDL)이 형성되고, 가변 도핑층(VDL) 상에 베이스층(BL)이 형성된다. 따라서 본 발명의 발명자들은 n형 반도체층(12)과 베이스층(BL) 사이에 가변 도핑층(VDL)을 형성하고 가변 도핑층(VDL)의 Mg 도핑량을 제어함으로써 발광 빛에 대한 높은 재현성을 가지는 발광 소자가 형성될 수 있다는 것을 발견하였다.
[제 1 변형예]
도 2는 제 1 실시예의 제 1 변형예에 따른 반도체 발광 소자(10A)의 구성을 나타내는 단면도이다. 발광 소자(10A)는 발광 기능층(13)의 구성을 제외하고 발광 소자(10)와 동일한 구성을 가진다. 발광 기능층(13)은 복수의 양자 우물층(본 변형예에서는, 2개)이 적층되는 구조를 가진다. 보다 구체적으로는, 발광 기능층(13)은 베이스층(BL), 양자 우물층(WA) 및 장벽층(BA)을 포함하고, 양자 우물층(WB)과 장벽층(BB)이 장벽층(BA) 상에 추가로 적층되는 구조를 가진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 장벽층(BA, BB)은 도핑되지 않는다.
따라서, 발광 기능층(13)은 2개 이상의 양자 우물층을 포함하는 다중 양자 우물 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 베이스층(BL) 측 상에 양자 우물 구조(WA, BA)와 그 위에 형성된 다른 양자 우물 구조(WB, BB)는 조성(In 함유량) 및 총 두께의 평면 내 분포의 불균일성에서 상이하다. 복수의 양자 우물 구조(MQW)를 가지는 본 변형예에서는, 단일 양자 우물(제 1 실시예)보다 넓은 스펙트럼 폭을 가지는 발광을 제공하기 위해 밴드 갭(양자 레벨 사이의 에너지)의 불균일성이 증가한다.
제 2 실시예
도 3은 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자(30)의 구조를 나타내는 단면도이다. 발광 소자(30)는 제 2 발광 기능층으로서 발광 기능층(33)이 추가되는 것을 제외하고는, 반도체 발광 소자(10)와 동일한 구성을 가진다. 제 2 발광 기능층으로서 발광 기능층(33)은 n형 반도체층(12)과 발광 소자(10)의 제 1 발광 기능층으로서 발광 기능층(13) 사이에 형성된다. 발광 기능층(33)은 발광 기능층(13)과 다른 중심 발광 파장과 밴드 갭을 가지게 형성된다.
본 실시예에서, 발광 기능층(33)은 균일하게 평평한 양자 우물층(WC)이 n형 반도체층(12) 상의 두 장벽층(BB1, BB2) 사이에 샌드위치된 구조를 가진다. 발광 기능층(13)(가변 도핑층(VDL))은 p형 반도체층(15)에 가장 가까이 놓인 장벽층(BB2)에 형성된다. 예를 들면, 양자 우물층(WC)은 양자 우물층(WA)과 동일한 구성, 예를 들면 InGaN 조성을 가진다. 장벽층(BB1, BB2)은 각각 n형 반도체층(12)과 동일한 구성, 예를 들면 GaN 조성을 가진다.
본 실시예에서는, 제 1 실시예의 발광 소자(10)에 있어서, 발광 기능층(13)의 n형 반도체층(12) 측에 양자 우물 구조를 가지는 발광 기능층(33)이 부가된다. 발광 기능층(33)은 n형 반도체층(12)의 평면 상에 형성되고, 발광 기능층(13)으로부터 방출된 빛보다 짧은 파장의 빛, 예를 들면 약 450nm의 파장을 가지는 청색광을 방출한다.
본 실시예의 반도체 발광 소자(30)에 의하면, 제 1 실시예와 비교하여 순수 청색 영역에 발광 파장 피크를 가지는 빛이 추가로 방출될 수 있다. 본 실시예의 구성은, 예를 들어, 반도체 발광 소자로부터의 청색 영역의 빛의 강도를 증가시키고자 하는 경우에 유리하다.
베이스층(BL)은 장벽층(BB2) 위에 직접 형성되는 것이 아니라, p형 도펀트로서 Mg가 도핑된 가변 도핑층(VDL) 상에 형성된다. 상술한 바와 같이, 발광 기능층(13)의 발광 파장은 제어될 수 있고, 발광 파장의 재현성이 향상될 수 있다.
장벽층(BB2) 상에 가변 도핑층(VDL)의 형성은, 장벽층(BB2) 상에 베이스층(BL)이 직접 형성되는 경우와 비교하여, 발광 기능층(33)으로의 정공 주입 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 발광 기능층(33)으로부터의 방출 빛이 증가될 수 있다.
장벽층(BB2)은 제 2 실시예의 반도체 발광 소자(30)에서 생략될 수 있다. 이 경우, 가변 도핑층(VDL)은 장벽층으로서 기능하고, 발광 기능층(33)으로부터 청색광이 방출된다.
도 4는 제 2 실시예의 반도체 발광 소자(30)에서 가변 도핑층(VDL)의 Mg를 도핑량이 2e19 atoms/cm3인 경우의 발광 파장 스펙트럼(차트에서 P1) 및 가변 도핑층(VDL)이 도핑되지 않은 경우의 파장 스펙트럼(차트에서 P2)을 도시한다. 도 4 에서 파선으로 둘러싸인 영역은 발광 기능층(13)으로부터 방출된 빛의 파장 스펙트럼을 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 발광 기능층(13)으로부터 방출된 빛의 파장 스펙트럼은, 가변 도핑층(VDL)이 도핑되지 않은 경우보다 가변 도핑층이 Mg로 도핑될 때 더 짧은 파장을 포함한다. 가변 도핑층(VDL)을 Mg로 도핑함으로써 방출 파장의 피크를 더 짧은 파장으로 시프트할 수 있다.
제 3 실시예
도 5는 제 3 실시예에 따른 반도체 발광 소자(50)의 구조를 나타내는 단면도이다. 발광 소자(50)는 제 2 실시예에 따른 발광 기능층(33)과 유사한 발광 기능층(53)을 포함한다. 발광 기능층(53)은 발광 기능층(13)의 p형 반도체층(15) 측 상에 형성된다.
발광 소자(50)에서, 평면을 가지는 층 상에 발광 기능층(53)이 형성되어 발광 기능층(53)으로부터 청색광이 방출된다. 도면에 도시된 바와 같이, 발광 기능층(13)의 양자 우물층(WA)은 그루브(GR1)를 매립하게 형성되어 양자 우물층(WA)은 평면을 가진다.
발광 기능층(53)은, 장벽층(BA) 상의 2개의 장벽층(BB1, BB2) 사이에 균일하게 평평한 양자 우물층(WC)이 샌드위치된 구조를 가진다. 예를 들면, 양자 우물층(WC)은 양자 우물층(WA)과 동일한 구성, 예를 들면 InGaN 조성을 가진다. 장벽층(BB2, BB1) 각각은 n형 반도체층(12)과 동일한 구성, 예를 들어, GaN으로 조성을 가진다.
본 실시예에서는, 양자 우물 구조를 가지는 발광 기능층(53)은 제 1 실시예의 발광 소자(10)의 발광 기능층(13)의 p형 반도체층(15) 측에 부가되게 구성된다. 발광 기능층(33)은 장벽층(BA)의 평면 상에 형성되고, 발광 기능층(13)으로부터 방출된 빛의 파장보다 더 짧은 파장을 가지는 빛, 예를 들어 약 450nm의 파장을 가지는 청색광을 방출한다.
본 실시예의 반도체 발광 소자(50)에 따르면, 제 1 실시예와 비교하여 순수 청색 영역에 발광 파장 피크를 가지는 빛이 추가로 방출될 수 있다. 본 실시예의 구성은, 예를 들어 반도체 발광 소자로부터의 청색 영역의 빛의 강도를 증가시키는 것이 바람직한 경우에 유리하다. 하나 이상의 발광 기능층(13)이 포함될 수 있다. 이러한 구성에서, 장벽층(BA) 상에 다른 베이스층, 양자 우물층 및 장벽층이 이러한 순서로 더 적층될 수 있다.
반도체 발광 소자는 제 2 실시예의 발광 기능층(33)과 제 3 실시예의 발광 기능층(53)을 모두 포함하게 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 발광 기능층(13)은 발광 기능층들(33 및 53) 사이에 샌드위치되게 구성될 수 있다.
전술한 실시예에서, 제 1 도전형은 n형 도전형으로 설명되고, 제 2 도전형은 n형과 반대인 도전형인 p형으로 설명된다. 그러나 제 1 도전형이 p형일 수 있고, 제 2 도전형이 n형일 수 있다.
전술한 실시예에서는, 발광 소자(10)는 반도체 구조 층(SS)이 탑재 기판(11)으로서 성장 기판 상에 형성되는 구조를 포함하는 것으로서 설명된다. 그러나 탑재 기판(11)은 성장 기판에 한정되지 않는다. 예를 들면, 반도체 발광 소자들(10, 10A, 30, 50)은 성장 기판 상에 반도체 구조층(SS)이 성장된 후, 반도체 구조층(SS)이 다른 기판(지지 기판) 상에 결합되고 성장 기판이 제거되게 하는 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 결합된 다른 기판은 p형 반도체층(15) 상에 결합된다. 결합될 기판은 Si, AlN, Mo, W 및 CuW 와 같은 높은 방열 특성을 가지는 재료로 이루어질 수 있다.
전술한 실시예에서, 베이스층(BL)은 Mg로 도핑된다. 그러나, 베이스층(BL)은 반드시 Mg로 도핑될 필요는 없으며, 미도핑층일 수 있다. 도핑될 베이스층(BL)에 대한 도펀트는 Mg에 한정되지 않고 다른 p형 도펀트일 수 있다.
전술한 실시예들은 베이스층(BL)이 AlN으로 형성된 층인 예를 이용하여 설명된다. 그러나, 베이스층(BL)은 AlGaN으로 형성된 층일 수 있다.
전술한 실시예들은 가변 도핑층(VDL)이 Mg가 도핑된 GaN으로 형성된 층인 예를 사용하여 설명된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 가변 도핑층(VDL)은 p형 도펀트로 도핑된 AlInGaN과 같은 다른 GaN 재료의 층일 수 있다.
도시되지는 않지만, 성장 기판과 반도체 구조층(SS) 사이의 계면에서 및 반도체 구조층(SS)의 각 층간의 계면에서 발생할 수 있는 변형을 완화시키기 위해, 버퍼층(하지층)이 탑재 기판(11)과 n형 반도체층(12) 사이에 배치될 수 있다.
상기 실시예에서 각종 수치, 치수, 재료 등은 예시이며, 의도된 용도 및 제조될 발광 소자에 따라 적절히 선택될 수 있다.
10, 10A, 30, 50: 반도체 발광 소자
12: n형 반도체층(제 1 반도체층)
13, 33, 53: 발광 기능층
14: 전자 차단층
15: p형 반도체층(제 2 반도체층)
BL: 베이스층
BS: 베이스 세그먼트
GR1, GR2: 그루브
WA, WB, WC: 양자 우물층
VDL: 가변 도핑층

Claims (6)

  1. 제 1 도전형의 제 1 반도체층;
    상기 제 1 반도체층 상에 형성된 발광 기능층; 및
    상기 발광 기능층 상에 형성되고 상기 제 1 반도체층의 도전형과 반대인 제 2 도전형의 제 2 반도체층을 포함하고,
    상기 발광 기능층은 상기 제 1 반도체층 상에 형성되고 상기 제 2 도전형의 도펀트로 도핑된 도핑층; 상기 도핑층 상에 형성된 베이스층으로, 상기 베이스층은 상기 도핑층으로부터 상기 베이스층에 응력 및 변형을 유발하는 조성을 가지며, 상기 베이스층은 랜덤 네트 형상으로 형성된 복수의 베이스 세그먼트를 포함하는 것인 베이스층; 및 상기 베이스층 상에 형성된 양자 우물 구조층을 포함하는 것인 반도체 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자 우물 구조층은 도핑되지 않은 층인 것인 반도체 발광 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도핑층의 도펀트는 Mg인 것인 반도체 발광 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층 및 상기 도핑층은 GaN 조성을 포함하고;
    상기 양자 우물 구조층은 상기 베이스층 상에 형성된 양자 우물층 및 장벽층을 포함하고;
    상기 베이스층 및 상기 장벽층은 AlN 또는 AlGaN 조성을 포함하고;
    상기 양자 우물층은 InGaN 조성을 포함하는 것인 반도체 발광 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도핑층과 상기 제 1 반도체층 사이에 제 2 발광 기능층을 더 포함하고, 상기 제 2 발광 기능층은 균일하게 평평한 양자 우물 구조를 포함하는 것인 반도체 발광 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 발광 기능층은 상기 양자 우물층과 상이한 중심 방출 파장을 가지는 것인 반도체 발광 소자.
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