KR20200052974A - Ⅲ족 질화물 발광 장치의 효율을 향상시키기 위한 알루미늄 질화물-알루미늄 산화물 층 - Google Patents

Ⅲ족 질화물 발광 장치의 효율을 향상시키기 위한 알루미늄 질화물-알루미늄 산화물 층 Download PDF

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Abstract

다중 양자우물(MQW) 다이오드 구조를 갖는 발광 장치 및 상기 발광 장치를 제조 및 사용하는 방법이 제공된다. 상기 발광 장치는 정공 주입층 위에 알루미늄 질화물/알루미늄 산화물 이중층을 포함한다. 상기 이중층은, 상기 이중층을 결여하거나 또는 정공 주입층 위에 알루미늄 산화물 층만을 포함하는 발광 장치에 비해, 본 발광 장치의 에너지 효율을 향상시킨다.

Description

Ⅲ족 질화물 발광 장치의 효율을 향상시키기 위한 알루미늄 질화물-알루미늄 산화물 층
정부 권리에 대한 언급
본 발명은 DOD/DARPA에 의해 수여된 HR0011-15-2-0002 하에서 미국 정부의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 특정 권리를 갖는다.
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2017년 10월 6일에 출원된 미국 출원 제15/726,941호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
지난 수십 년 동안, InGaN/GaN 청색 발광다이오드(LED)의 에너지 변환 효율 개선이 지속적으로 추구되어 왔다. InGaN/GaN LED의 에너지 효율의 지속적인 개선은 주로 웨이퍼 성장 기술, 패키징 기술, 및 나노포토닉스(nanophotonics)의 개발에서 비롯되었다. 고효율 LED를 달성하기 위한 주요 병목 지점은, p형 도펀트(p-type dopant)의 불충분한 활성화로 인한 p형 정공 수송 층(p-GaN:Mg)으로부터의 낮은 정공 주입 속도(hole injection rate)이다. 불량한 정공 주입은 전자와 정공의 수 사이에 상당한 불균형을 초래하여, 전자-정공 재결합률이 불량하고, 따라서, 고전류밀도에서 효율이 낮아진다. 표면 분극 층, 전자 차단 층, 터널링 층, 차등 배리어(graded barrier) 구조, 및 나노 패턴화를 포함하여, 이 문제에 돌파구를 마련하기 위한 많은 연구 노력이 이루어졌다. 이러한 접근 방식은 에너지 변환 효율을 개선하는 데 도움이 되었지만, 웨이퍼 재성장에 대한 높은 비용과 전체 웨이퍼 면적에 걸쳐 균일하지 않은 표면 패턴화와 함께, 기재와 에피텍셜 층 사이의 상이한 열팽창계수 및 상이한 격자 상수에 의해 유발되는 변형(strain)과 같은 문제가 여전히 존재한다.
c-평면 사파이어 기재 상에서 성장한 InGaN/GaN LED는 InGaN과 GaN 층들 사이의 격자 부정합에 의해 유발되는 압전 분극장(piezoelectric polarization field)을 갖는다. 또한, GaN의 우르자이트(Wurtzite) 결정 구조는 LED에서 자발 분극장을 생성하고, 이것은 결과적으로 InGaN/GaN 다중 양자 우물(MQW) 내에 타일링된 에너지 밴드(tiled energy bands)를 형성하여, 전자 및 정공 파동 함수의 공간 분포가 감소하고, 따라서, 복사성 재결합률이 감소되었다(즉, 양자-구속 스타크 효과(QCSE)). 비극성(nonpolar) 또는 반극성(semipolar) 기재의 적응, 큰 파동 함수 중첩 디자인을 갖는 극성 MQW, 기재 변화(substrate variation), 분극-매칭 에피-층, 최상부 표면 개질, 및 1차원 수직 구조 배열와 같은 LED에서의 QCSE를 억제하기 위한 여러 방법이 시도되었다. 이들 방법에는 복잡한 장치 디자인, 특수한/값비싼 기재, 및 숙련된 에피택시 기술이 요구된다. 표면 텍스쳐링, 변형이 덜한 층 성장, 및 박층 증착을 포함하는, LED 최상부 표면 개질을 위한 다양한 프로세스가 또한 시도되었다. 이들 표면 개질 접근법은 다른 에피택셜 방법보다 간단하지만, 이러한 접근법과 관련된 비용은 여전히 높을 수 있다.
발광 장치 및 발광 장치의 제조 및 사용 방법이 제공된다.
발광 장치의 일 구현예는: 단결정 p형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체를 포함하는 정공 주입층; 단결정 n형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체를 포함하는 전자 주입층;정공 주입층과 전자 주입층 사이에 배치된 진성 또는 n형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체 층을 포함하는 발광 활성 영역으로서, 교번하는 배리어 층 및 양자우물 층을 포함하는 다중 양자우물 구조를 포함하는 발광 활성 영역; 정공 주입층 상의 알루미늄 질화물 층; 및 알루미늄 질화물 층 상의 알루미늄 산화물 층;을 포함한다. 발광 장치는 청색 발광 다이오드 및 자외선 발광 다이오드를 포함한다.
알루미늄 질화물 및 알루미늄 산화물 층을 장치 내로 통합하면, 발광 장치의 벽-플러그 효율(wall-plug efficiency), 외부 양자 효율 및 발광 효율 중 적어도 하나는, 알루미늄 질화물 층 및 알루미늄 산화물 층 둘다를 결여하되 동일한 장치 구조를 갖는 발광 장치에 비해 증가될 수 있다.
본 발명의 다른 주요 특징 및 장점은, 하기 도면, 상세한 설명, 및 첨부된 청구 범위를 검토하면 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 구현예가 설명될 것이며, 여기서 동일한 지시 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1a는 원격 플라즈마 전처리(RPP) 및 플라즈마-강화 원자층 증착(PEALD) 공정을 통해 InGaN/GaN-기반 LED의 GaN:Mg 층 위에 표면 AlN/Al2O3 적층 층(stacked layers)의 형성을 도시한다. 이것은 RPP 자연 산화막 제거 (I)로 시작되어, 이후에 표면 질화(II), 0.6 nm 두께의 AlN 단일층(Ⅲ)의 PEALD, 및 1 nm 두께의 Al2O3 층(IV)의 PEALD가 수행된다. AlN 계면 층의 증착은 하나의 단일층으로 정확하게 제어될 수 있다. 도 1b는 PEALD 공정이 완료된 후 AlN/Al2O3-캡핑된 GaN 최상부 층의 원자 결정 구조를 보여준다.
도 2a 내지 2c는 GaN:Mg에 대한 AlN/Al2O3 층의 부동태화 성질을 도시한다. 표면 특성화(characterization)를 위해 X-선 광전자 분광법(XPS)을 사용하였다. 표준 샘플 A는 AlN 또는 Al2O3 코팅이 없는 노출된 샘플이었다. 샘플 B는 종래의 ALD를 사용하여 1 nm Al2O3로 코팅되었다. 샘플 C는 PEALD를 사용하여 0.6 nm/1.0 nm AlN/Al2O3로 코팅되었다. 도 2a는 3개의 샘플(LED 제조 전)의 XPS Ga 3d 코어 레벨을 도시한다. Ga-N 및 Ga-O는 각각 N에 결합된 Ga 및 O에 결합된 Ga를 나타낸다. 도 2b는 샘플 A, B 및 C의 Ga 3d 결합 에너지 및 Ga-O/Ga-N 강도 비를 보여준다. 도 2c는 샘플 B 및 C의 XPS Al 2p 코어 레벨 결합 에너지를 나타낸다.
도 3a 내지 3c는 샘플 A, B 및 C LED의 밴드 휨(band bending), 표면 전위(surface potential), 및 정공 주입을 도시한다. 도 3a는 샘플 A LED에 대한 표면 전위 및 밴드 휨을 도시한다. 도 3b는 샘플 B LED에 대한 표면 전위 및 밴드 휨을 나타낸다. 도 3c는 샘플 C LED에 대한 표면 전위 및 밴드 휨을 나타낸다.
Figure pct00001
및
Figure pct00002
는 각각 최상부(top) p-GaN 및 AlN/Al2O3 층에서의 분극 전하를 나타낸다. + 및 - 기호는 양극 및 음극 분극 전하를 나타낸다.
도 4a 내지 4b는 3개 샘플의 광루미네센스(PL) 성질을 나타낸다. 도 4a는 샘플 A, B 및 C GaN LED의 PL 스펙트럼을 보여준다. 도 4b는 샘플 A, B 및 C LED의 PL 피크 강도 및 파장 성질의 플롯을 도시한다.
도 5a는 샘플 C LED의 일 구현예의 개략도이다. 도 5b는 도 5a의 LED에 대한 등가 회로 모델을 도시한다. 도 5c는 3개 애노드 및 2개 캐소드 핑거(fingers)를 갖는 LED의 이미지이다. 도 5d는 3 가지 유형의 LED의 전류밀도-전압(J-V) 특성을 도시한다. 도 5d의 삽입 그림은 역 바이어스 하에서 3 가지 유형의 LED의 전류 레벨의 비교를 보여준다.
도 6a 내지 6e는 샘플 A, B 및 C GaN LED의 전계발광(electroluminescence)(EL) 성질을 도시한다. 도 6a는 샘플 A GaN LED의 EL 스펙트럼을 보여준다. 도 6b는 샘플 B GaN LED의 EL 스펙트럼을 보여준다. 도 6c는 구동 전류밀도가 0.1에서 40 A/cm2로 증가함에 따라 샘플 C GaN LED의 EL 스펙트럼을 보여준다. 2 개의 점선은 각각 0.1 및 40 A/cm2에서의 피크 파장을 나타낸다. 도 6a 내지 6c의 삽입 그림은, 각각 샘플 A, B 및 C LED의 EL 스펙트럼의 색도 좌표를 포함하는 CIE1931 색도 다이아그램을 보여준다. 도 6d는 구동 전류밀도가 0.1에서 40 A/cm2로 증가함에 따라 샘플 A, B 및 C GaN LED의 EL 강도를 보여준다. 도 6e는 구동 전류밀도가 0.1에서 40 A/cm2로 증가함에 따라 샘플 A(Δλ A ), B(ΔλB) 및 C(ΔλC) GaN LED의 EL 피크 파장 청색 이동(blue-shift)을 보여준다.
도 7a 내지 7c는 LED의 광 출력 전력을 도시한다. 도 7a는 전류밀도의 함수로서 복사속(radiant flux)을 보여준다. 도 7b는 전류밀도의 함수로서 광속(luminous flux)을 도시한다. 도 7c는 전류밀도의 함수로서 샘플 A, B 및 C LED의 방출된 광자 및 주입된 전자의 수를 보여준다.
도 8a 내지 도 8c는 최상부 표면 AlN/Al2O3 적층 층(stacked layers)에 의한 LED 성능 향상 메커니즘을 도시한다. 도 8a는 샘플 A 및 C LED의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다. hv A 및 hv C 는 샘플 A 및 C LED의 광자 에너지를 나타낸다. 도 8b는 양자-구속 스타크 효과(QCSE)를 갖는 샘플 A LED의 GaN:Mg 근처의 단일 양자우물(QW)의 밴드 다이어그램을 도시한다. 도 8c는 QW로의 정공 주입 증가에 의한 밴드 충전(band filling) 효과 및 내부 분극장의 스크리닝(즉, 억제된 QCSE)을 갖는 샘플 C LED의 GaN:Mg 근처의 단일 QW의 밴드 다이어그램을 도시한다. Ψ e 및 Ψ h 는 QW에서의 전자 및 정공 파동 함수 프로파일을 나타내고, P sp 는 우르자이트(Wurtzite) GaN LED(0001)의 내부 자발 분극(internal spontaneous polarization)을 나타낸다.
도 9a 내지 9f는 LED의 효율 성질을 도시한다. 도 9a는 벽-플러그 효율(WPE)을 도시한다. 도 9b는 WPE에 대한 전류밀도의 함수로서 LED의 효율 드룹률(droop rate)을 도시한다. 도 9c는 외부 양자 효율(EQE)을 도시한다. 도 9d는 EQE에 대한 전류밀도의 함수로서 LED의 효율 드룹률을 도시한다. 도 9e는 효능(efficacy)을 나타낸다. 도 9f는 효능에 대한 전류밀도의 함수로서 LED의 효율 드룹률을 도시한다.
다중 양자우물(MQW) 다이오드 구조를 갖는 발광 장치 및 발광 장치를 제조 및 사용하는 방법이 제공된다. 발광 장치는 정공 주입층 위에 알루미늄 질화물/알루미늄 산화물 이중층(bilayers)을 포함한다. 이중층은, 이중층이 없거나 또는 정공 주입층 위에 알루미늄 산화물 층만을 포함하는 장치에 대해, 장치의 에너지 효율을 향상시킨다.
발광 장치의 일 구현예는, 단결정 p형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체를 포함하는 정공 주입층; 단결정 n형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체를 포함하는 전자 주입층; 정공 주입층과 전자 주입층 사이에 배치된 진성 또는 n형 도핑된 발광 활성 영역; 정공 주입층 위의 알루미늄 질화물 층; 및 알루미늄 질화물 층 위의 알루미늄 산화물 층;을 포함하는 다이오드 구조를 갖는 발광 다이오드(LED)이다.
활성 영역은 교번하는 배리어 및 양자우물 층을 포함하는 MQW 구조를 포함하고, 이는 상이한 Ⅲ-V 족 반도체 재료로 만들어진다. MQW 구조에서, 전하 캐리어는 반도체 "우물(well)" 재료의 얇은 층에서 양자 구속을 통해 한정되며, 이는 반도체 "배리어" 재료의 층들 사이에 끼워져 있다. 활성 영역은 하부 스페이서 층 및/또는 상부 스페이서 층을 더 포함할 수 있으며, 그 사이에 MQW 구조가 배치된다. 스페이서 층은 활성 영역의 두께를 증가시키기 위해 사용된다. 스페이서 층들이 진성 활성 영역의 일부를 형성하는 경우, 스페이스 층들은 도핑되지 않은 단결정 반도체 재료로 이루어진다.
발광 장치의 일부일 수 있는 다른 구성요소는 이러한 장치에 통상적으로 포함되는 것들로서, 기재, 버퍼 층, 그레이딩 층(grading layers), 클래딩 층(cladding layers), 반사기, 전기전도성 접촉 층(contact layers), 전극 및 인터커넥트를 포함한다. 예를 들어, 장치는 p형 및 n형 도핑된 반도체 재료과 전기적으로 연통하는 전극들 및 활성 영역에 걸쳐 전압을 인가하도록 구성된 전압원을 더 포함할 수 있다.
LED의 일 구현예의 개략도는 도 5a에 제공된다. LED는 기재(102) 및 n형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체를 포함하는 전자 주입층(104)을 포함한다. 기재(102)는 전자 주입층(104)이 에피택시로 성장될 수 없는 성장 기재이면(예를 들어, 재료가 충분히 근접한 격자 정합을 갖지 않기 때문에), 이 헤테로구조체는 기재(102)와 전자 주입층(104) 사이에 버퍼 층을 추가적으로 포함하여, 전자 주입층의 에피택셜 성장을 촉진할 수 있다. MQW 구조를 포함하는 활성 영역(106)은 전자 주입층(104) 위에 배치되고, Ⅲ 족 질화물 반도체의 p형 도핑 층은 정공 주입층(108)을 제공한다. AlN(110)의 층은 정공 주입층(108) 위에 배치되고 Al2O3 층(112)은 AlN 층(110) 위에 배치된다. 애노드(114) 및 캐소드(116)는 정공 주입층(108) 및 전자 주입층(104)과 각각 전기적으로 연결된다.
알루미늄 질화물 층 및 알루미늄 산화물 층은 매우 얇을 수 있다. 예로서, 일부 구현예에서, 알루미늄 질화물 층 및 알루미늄 산화물 층 둘 다는 5 nm 이하의 두께를 갖는다. 이는 알루미늄 질화물 층 및 알루미늄 산화물 층이 3 nm 이하, 또는 2 nm 이하의 두께를 갖는 구현예를 포함한다. 예를 들어, 이들 층의 두께는 약 1 nm 내지 5 nm의 범위일 수 있다. 그러나, 이 범위 밖의 두께를 사용할 수 있다. 발광 장치의 다른 부분을 구성하는 단결정 Ⅲ-V 족 반도체 층의 두께는 의도된 발광 장치 응용분야에 의존할 것이다. 그러나, 예시로서, 발광 장치의 일부 구현예에서, 단결정 반도체 재료의 일부 또는 모든 층은 약 1000 nm 이하의 두께를 갖는다. 전하 주입층의 반도체 재료가 활성 영역의 방출 파장 범위 내에서 복사선을 흡수하는 경우, 매우 얇은 층의 재료를 사용하는 것이 유리하다. 예를 들어, p형 및/또는 n형 도핑된 반도체 층은 5 nm 이하의 두께를 포함해 10 nm 이하의 두께로 얇아질 수 있다.
발광 장치의 다양한 층을 형성하는데 사용되는 Ⅲ-V 족 반도체는 화학식 AlxInyGa(1-x-y)N으로 표현될 수 있으며, 여기서 x 및 y의 값은 독립적으로 0 내지 1의 범위일 수 있다. Ⅲ 족 질화물 반도체의 예는 GaN, InGaN, InAlN, AlN 및 AlGaN을 포함한다. 특히, 정공 주입층은, 예를 들어 p형 도핑된 InxGa(1-x)N을 포함할 수 있으며, 여기서 x는 0 내지 0.30 범위의 값을 갖는다. 대안적으로, 정공 주입층은, 예를 들어 p형 도핑된 AlxGa(1-x)N을 포함할 수 있으며, 여기서 x는 0 내지 0.55 범위의 값을 갖는다.
발광 장치에 의해 방출된 복사선의 파장은 활성 영역에서 사용되는 반도체 물질에 의존할 것이다. 따라서, 재료를 적절히 선택하면, 발광 장치는 전자기 스펙트럼의 자외선 영역(UV; 약 100 내지 400 nm, 220 내지 240 nm 포함하여), 가시광선 영역(vis; 400 내지 780 nm) 및/또는 적외선 영역(IR; 780 nm 내지 1 mm; 예를 들어, 1.55 μm)에서 방출되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 청색광을 방출하도록 설계된 발광 장치는 단결정 InGaN 양자우물 층과 단결정 GaN 배리어 층의 교번하는 층을 포함하는 MQW 구조를 갖는 활성 영역을 이용할 수 있다. 이 활성 영역은 n형 GaN 전자 주입층 위에서 에피택시로 성장될 수 있다. p형 GaN 층은 발광 장치의 정공 주입층으로서 기능할 수 있다.
대안적으로, 약 220 내지 240 nm의 파장 범위의 광을 방출하도록 설계된 발광 장치는 단결정 AlGaN 양자우물 층 및 단결정 AlN 배리어 층의 교번하는 층을 포함하는 MQW 구조를 갖는 활성 영역을 이용할 수 있다. 이 활성 영역은 n형 AlGaN 전자 주입층 위로 에피택시로 성장될 수 있다. p형 AlGaN 층은 발광 장치의 정공 주입층으로서 기능할 수 있다.
알루미늄 질화물/알루미늄 산화물 이중층은, 이중층을 결여하되 동일한 장치 구조를 갖는 발광 장치에 비해, 이중층을 포함하는 발광 장치의 에너지 효율을 개선한다. 에너지 효율의 향상은 발광 장치의 벽 플러그 효율, 외부 양자 효율, 발광 효율, 및/또는 이에 상응하는 드룹률(droop rates)에 대한 피크 효율(peak efficiency) 값으로 측정될 수 있다. 벽-플러그 효율(WPE)은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있으며:
Figure pct00003
여기서, Φ e 는 복사속이고, I는 주입 전류이고 V 는 주입 전압이다. 외부 양자 효율(EQE)은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있으며:
Figure pct00004
여기서, h는 플랑크 상수이고, v는 광자 주파수이다. 발광 효율(즉, 효능)은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있으며:
Figure pct00005
여기서, Φ v 는 광속(luminous flux)이다. WPE, EQE 및 효능(efficacy)을 측정하기 위한 실험 방법이 실시예에 설명되어 있다. 예로서, 발광 장치의 다양한 구현예에서, 알루미늄 질화물/알루미늄 산화물 이중층은 발광 장치의 WPE, EQE 및/또는 효능을 적어도 10% 만큼 향상시킨다. 이것은 이중층이 발광 장치의 WPE, EQE 및/또는 효능을 적어도 20% 만큼 향상시키는 구현예를 포함하고, 이중층이 발광 장치의 WPE, EQE 및/또는 효능을 적어도 25% 만큼 향상시키는 구현예를 더 포함한다. 유사하게, 발광 장치의 다양한 구현예에서, 알루미늄 질화물/알루미늄 산화물 이중층은 WPE, EQE 및/또는 효능 드룹률(efficacy droop rates)을 각각 적어도 10%, 적어도 5% 및 적어도 1% 만큼 감소시킨다.
달리 지시되지 않는 한, 온도 및/또는 압력의 함수로서 변하는 본 명세서에 인용된 임의의 값은 실온(RT, 약 23 ℃) 및/또는 대기압에서의 값을 지칭한다.
본 발명의 임의의 특정 이론에 구속되지 않고, WPE, EQE 및 효능의 개선에 대한 하나의 설명은 적층된 AlN/Al2O3 층이 표면 부동태화(surface passivation)를 제공할 뿐만 아니라, 발광 장치의 활성 영역으로의 정공 주입 속도를 증가시키고 MQW 구조 내에서 QCSE를 억제시킬 수 있다는 것이다. 실시예에서 더 상세하게 논의된 바와 같이, 단결정-유사(monocrystal-like) AlN 층에서의 양의 분극 전하는, 발광 장치의 p형 도핑된 정공 주입 영역의 원자가 대역에서 하향 밴드 휨 및 반발력을 유도함으로써 발광 장치의 활성 영역으로의 정공 주입 속도를 증가시킬 수 있다. 주입된 정공 수의 증가는 밴드 충전 효과 및 GaN LED의 MQW에서 내부 분극장(internal polarization field)의 스크리닝을 유도한다. 그런 다음, 감소된 분극장은 QW의 기울기를 감소시켜, 중첩 영역을 증가시키고 또한 전자 및 정공 파동 함수들 사이의 수직 거리를 증가시킨다. 그 결과, AlN/Al2O3가 없는 유사한 장치로부터 방출된 광자의 에너지에 비해, 복사성 재결합률은 증가하고 방출된 광자의 에너지도 증가한다. AlN/Al2O3의 표면 증착의 총괄 효과는 QCSE를 억제하였다.
실시예
이 실시예에서, PEALD AlN/Al2O3가 InGaN/GaN 청색 LED의 에너지 변환 효율에 미치는 영향에 대한 자세한 연구가 보고된다.
AlN/Al2O3 적층된 부동태화 및 분극 층으로 코팅된 InGaN/GaN LED의 p-GaN 층 내부의 표면 전위 변화를 특성화하는데 XPS를 사용하였다. InGaN/GaN LED 위의 PEALD AlN/Al2O3가 수행하는 3 가지 역할이 발견되었다. 1) 상기 층의 부동태화 기능에 의해 누설 및 산화와 관련한 p-GaN의 표면 결함 상태가 감소되었다. 2) p-GaN의 표면 전위를 증가시키고 p-GaN의 원자가 대역에서 정공에 반발력을 형성함으로써, MQW로의 정공 주입 속도가 향상되었다. p-GaN 상의 정공의 표면 재결합은 또한, 증가된 표면 전위에 의해 감소되었다. 3) 정공 주입 증가로 인한 밴드 충전 효과 및 내부 분극장의 스크리닝으로 인해 MQW의 QCSE가 억제되었다. 상기 요인들에 의해, InGaN/GaN LED의 복사성 재결합률 및 발광 효율이 향상되고, 효율 드룹률(efficiency droop rates)은 감소되었다.
실험 섹션
InGaN/GaN LED 웨이퍼 제조
InGaN/GaN LED 웨이퍼는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)에 의해 (0001)-배향을 따라 패터닝된 사파이어 기재(PSS) 위에서 성장되었다. 도핑되지 않은 GaN 버퍼층이 먼저 성장된 후, 약 1019 cm3의 도핑 농도 및 약 350 nm의 GaN 그레이딩 층을 갖는 600 nm Si-도핑된 GaN 층이 이어서 성장되었다. 그 다음, 약 450 nm의 목표 파장을 갖는 8-주기(period) InGaN/GaN MQW가 성장되었다. LED 구조의 성장은 Mg-도핑된 GaN 층으로 마무리되었다. 에피-성장 후, 습식 화학 세정 단계를 통해 LED 웨이퍼를 추가적으로 처리하였는데, 실온(RT)에서 아세톤/이소프로필 알코올 중에서 초음파 처리로 시작하여, 이후 RCA 세정으로 처리하였다. 실험에서 3 가지 유형의 샘플이 준비되었다.
PEALD 공정
습식 세정 절차 후, LED 웨이퍼(샘플 C 용)를 PEALD 시스템 내로 로딩하였다. NH3-Ar-N2 플라즈마와 순차적으로 인시투적으로(in situ) RPP 공정을 수행하여 GaN 상의 표면 자연산화물(surface native oxide)을 제거하였다. RPP 공정 후, N2-H2 및 트리메틸알루미늄(TMA) 전구체를 사용하는 0.6 nm AlN 단일층 및 H2O 및 TMA 전구체를 사용하는 1 nm Al2O3 층을 0.6 Å/사이클의 성장 속도로 PEALD에 의해 시간순으로 증착시켰다. RPP 및 PEALD는 300 ℃의 기재 온도에서 수행되었다. 자세한 공정은 이전에 다른 곳에 설명되어 있다.(S. Huang 등의 IEEE Electron Device Lett. 33(2012) 516-518; 및 S. Liu 등의 Appl. Phys. Lett. 106(2015) 051605 참조) AlN/Al2O3 적층 층의 두께는 타원분광분석계(ellipsometer)에 의해 측정되었다.
XPS 측정
샘플 A, B 및 C GaN LED의 최상부 Mg-도핑된 GaN 층에서 원소들의 코어 에너지 레벨 이동은 XPS를 사용하여 측정되었다. 상이한 산화물 코팅 조건하에서 GaN의 표면 전위 변화를 분석하기 위해 Ga 3d, Al 2p, C 1s, N 1s 및 O 1s의 원자가 밴드 최대값(VBM) 및 코어 레벨을 스캔하였다. 90°이륙 각도(표면에 수직)을 갖는 단색 Al Kα(hν = 1486.60 eV) X-선 공급원이 1.66A의 필라멘트 전류, 2.98 mA의 방출 전류, 및 12kV의 가속 전압과 함께 사용되었다. 0.01 eV의 조사 단계(survey step), 100 μm의 스팟 크기, 50 eV의 통과 에너지 및 50 ms의 체류 시간으로 20 회 스캔을 반복하였다. XPS 장비는 Cu 2p3/2의 933.00 eV, Ag 3d5/2의 368.20 eV, 및 Au 4f7/2의 84.00 eV에서의 표준 피크 위치를 사용하여 보정되었다. 284.80 eV의 C 1s 피크는 표면 전하에 의해 유도된 결합 에너지 이동을 상쇄하기 위해 참조되었다. 코어 레벨 중심의 불확실성은 ± 0.015 eV였다.
GaN LED의 제조
GaN LED는 XPS-특성화된 샘플 A, B 및 C 상에서 각각 제조되었다. 공정의 시작부터 끝까지 세 가지 유형의 LED가 함께 제조되었다. Ni/Au(5/300 nm)를 애노드에 대해 증착한 다음, BCl3, Cl2, 및 Ar 가스와 유도 결합 플라즈마를 사용하여 각각 10, 16 및 3 sccm의 유량으로 100/500W ICP/RF 전력, 190V DC 전압 및 4 mT 압력에서 캐소드 메사 에칭(cathode mesa etching)을 수행하였다. Ti/Al(5/300)을 캐소드에 대해 증착하고 후속 오믹 어닐링(ohmic annealing)을 애노드 및 캐소드 둘다에 대해 N2 대기에서 500 ℃에서 30 초 동안 수행하였다. 모든 전극은 포토리소그래피, e-빔 증발 및 리프트-오프(lift-off)에 의해 형성되었다. 분리(isolation) 후, GaN LED의 활성 영역은 0.0025 cm2인 것으로 정의되었다. 상호 연결 전극을 갖는 제조된 GaN LED는 적분구를 사용하여 효율 측정을 위해 Al 와이어 본딩되었다. 세 가지 유형의 제조된 LED에 대해 광 추출 설비(light extraction fixture)가 사용되지 않았다.
특성화
I-V 특성은 Keithley 4200-SCS 반도체 특성화 시스템을 사용하여 측정되었다. PL 스펙트럼은 He-Cd 레이저 공급원이 장착된 Horiba Jobin Yvon Labram Aramis Raman 분광기를 사용하여 얻어졌다. 보정된 적분구를 갖는 Gamma Scientific GS-1290 분광복사계(spectroradiometer)를 사용하여 EL 스펙트럼을 획득하였다. 효율 측정을 위한 입력 바이어스는 Keithley 2602b 시스템 공급원 미터에 의해 공급되었다. 화학적 결합 상태는 Thermo Fisher Scientific K-Alpha + XPS로 분석되었다. 모든 측정은 RT에서 이루어졌다.
결과 및 토론
표면 특성화
도 1a는 RPP 및 PEALD 공정의 상이한 단계에서 샘플 C의 최상부 층의 원자 구조를 보여주는데, 이것은 RPP 자연 산화물 제거 (I), 질화 (II), 0.6 nm AlN 단층의 PEALD (Ⅲ) 및 1 nm Al2O3 층의 PEALD (IV)를 수반한다. AlN 계면 층의 증착은 하나의 단일층이 되도록 정확하게 제어되었다. PEALD를 완료한 후 샘플 C의 최상부 층의 원자 결정 구조를 도 1b에 나타냈다.
GaN:Mg에 대한 AlN/Al2O3 층의 부동태화 성질은 XPS 측정을 사용하여 분석되었다. 광전자는 표면으로부터 10 nm 깊이로부터 벗어날 수 있기 때문에, 1.6 nm의 AlN/Al2O3의 총 두께는 XPS 특성화에 적합하다. 3개의 샘플(LED 제조 전)의 XPS Ga 3d 코어 레벨을 수득하고 도 2a에 도시된 바와 같이, Ga-N 및 Ga-O의 2가지 성분으로 나누었다. 샘플 A, B 및 C의 경우, Ga 3d 결합 에너지는 각각 18.43, 18.35 및 18.81 eV이고, Ga-O/Ga-N의 피크 강도 비는 도 2b에 도시된 바와 같이 각각 0.46, 0.30 및 0.26이었다. GaN의 Ga 3d 결합 에너지는, 기준 GaN LED 웨이퍼(샘플 A)에 비해, Al2O3 증착에 의해 감소되었고(샘플 B), AlN/Al2O3 증착에 의해 증가되었다(샘플 C). AlN/Al2O3 적층 층에 따라 증가된 Ga 3d 결합 에너지는 GaN의 증가된 표면 전위를 나타낸다. Al2O3 층에 따라 감소된 Ga-O/Ga-N 비 및 AlN/Al2O3 적층된 층에 따라 더 감소된 비는 Al2O3에 비해 AlN/Al2O3의 더 우수한 부동태화 품질을 입증하였다. 도 2c는 샘플 B 및 C의 XPS Al 2p 코어 레벨 결합 에너지를 보여주며, 이는 각각 74.48 및 73.89 eV였다. Al 2p 코어 레벨 결합 에너지의 이동은 2개의 계면 재료(즉, AlN 대 Al2O3)의 상이한 밴드갭에 인한 것이었다.
표면 밴드 특성화
XPS로 특성화된 3개의 샘플을 LED 내로 함께 제작하였다. 상이한 계면/표면 조건으로 인한 원자핵 레벨의 결합 에너지의 이동은 표면 전위 변화 및 이에 상응하는 밴드 휨 상황을 유발하였다. XPS 결과에 기초하여, 3가지 유형의 LED의 밴드 휨 및 표면 전위를 3a, 3b 및 3c에 도시하였다. 샘플 A는 세정된 그대로의 GaN:Mg의 18.31 eV Ga 3d 결합 에너지에 기초하여 0.12 eV 표면 전위로 상향 밴드 휨을 나타낸다. 샘플 A의 상향 밴드 휨은 GaN의 내부 자발 분극장에서 나온 음의 속박 시트 전하(negative bound sheet charges)에서 비롯되었다(도 3a). 상향 원자가 밴드 휨으로 인해, GaN의 정공은 전위 골짜기(potential valley)에 "감금"되었고, 이것은 정공 주입을 방해하였다. Al2O3 층의 증착(샘플 B)은 샘플 A의 표면 전위와 비교하여 더 낮은 표면 전위 및 밴드 휨을 발생시켰는데, 이는 단 0.08 eV의 표면 전위를 나타내지만 여전히 상향 휨을 생성하였다(도 3b). 샘플 C의 경우, GaN:Mg의 표면에 0.38eV 표면 전위 및 하향 밴드 휨이 형성되었다(도 3c). 샘플 A 및 B에서 상향 휨으로부터 샘플 C에서 하향 휨으로의 밴드 휨 방향의 변화는 양의 표면 전하는 GaN/AlN 계면에서 형성되었음을 나타내었으며, 이는 전적으로 AlN/Al2O3층의 증착 때문이다. 이전 연구에서 커패시턴스-전압 측정으로부터, PEALD AlN/Al2O3 적층된 층과 AlN/GaN 계면에서 약 3.20 Х 1013 cm-2의 고정된 시트 양전하 밀도가 형성되었다(S. Huang, et al., IEEE Electron Device Lett. 34(2013) 193-195 참조). PEALD-AlN 층의 단결정-유사 구조로 인해, 양전하는 분극 전하로 간주될 수 있다. AlN/Al2O3에 의해 유도된 계면에서의 양의 표면 전하는 GaN에서 2.10 Х 1013 cm-2의 음의 자발 분극 전하에 대해 과도하게 보상되었다. 따라서, 계면에서 양의 표면 상태가 형성되어 GaN의 표면에서 하향 밴드 휨이 발생하였다. 하향 밴드 휨은 MQW 내로의 정공 주입을 촉진시켰다. 또한, AlN/GaN 계면에서 양의 분극 전하로부터의 반발력은 또한, 정공 수송을 향상시켰다. 상기 상황의 조합은 정공의 표면 재결합을 감소시켰다.
도 4a는 3개 샘플의 PL 스펙트럼을 보여준다. 샘플 A, B 및 C LED의 피크 파장은 각각 448.6 nm, 447.8 nm 및 447.6 nm였으며, 이때 동일한 조건하에서 측정된 피크 강도를 점진적으로 증가시켰다(도 4b). 샘플 A와 비교하여, 샘플 B 및 C의 증가된 PL 강도는 정공의 표면 재결합 감소에 기인하였다. 피크 파장에서의 청색 이동은, 아마도 최상부층 증착으로 인한 표면 분극 전하의 보상에 의해 야기된 GaN의 내부 분극장의 감소로 인한 것일 수 있다.
LED의 특성화
AlN/Al2O3 적층 층(샘플 C LED)으로 제조된 GaN LED의 수직 구조가 도 5a에 도시되어 있다. 벌크 전류(I B )와 병렬로 누설 경로와 관련된 표면 상태는 I s 로 표시된다. I합계는 I B 와 I s 의 합이다. LED의 등가 회로는 도 5b에 도시되어 있다. R AC 및 R CC 는 각각 애노드 및 캐소드 접촉 저항이다. R B 는 벌크 직렬 저항이고 D B 는 벌크 다이오드를 나타낸다. 주목되는 바와 같이, R B 는 주로 GaN:Mg의 저항 때문이었다. 표면 누설(I S )은 최상부 표면 층의 증착에 의해 감소될 수 있다. 도 5c는 전류 퍼짐 길이(current spreading length) 및 발광 강도를 최대화하기 위해 3개의 애노드 및 2개의 캐소드 핑거를 갖는 GaN LED의 평면도를 보여준다.
도 5d는 3개의 LED의 측정된 전류 밀도 대 바이어스 전압을 도시한다. 바이어스 V 하의 샘플 B LED에서, I S 는 Al2O3 부동태화로 감소될 수 있고, 따라서, I합계 또한 샘플 A LED의 총 전류 레벨에 비하여 감소될 수 있다. 동일한 바이어스 하에서 샘플 C LED의 경우, I S 는 또한, AlN/Al2O3 층의 부동태화로 감소되어야 한다. 그러나, 향상된 정공 주입은 I B 를 향상시킨다. 3 가지 유형의 LED의 다이오드 이상 계수(n)는 방정식
Figure pct00006
에 의해 2.03(샘플 A), 1.69(샘플 B) 및 1.58(샘플 C)인 것으로 계산되었으며, 여기서 k는 볼츠만 상수이다(K. Kim 외, ACS Appl. Mater. Interfaces 8(2016) 2764-2773 참조). 도 5d의 삽입도는 샘플 B 및 C LED의 감소된 누설 전류 레벨을 도시하고, 이는 각각 다른 레벨에서의 Al2O3 및 AlN/Al2O3의 부동태화 효과를 확인한다.
LED의 EL 성질
0.1 내지 40 A/cm2의 구동 전류밀도를 갖는 3 가지 유형의 LED의 EL 스펙트럼이 각각 도 6a, 6b 및 6c에 도시되어 있다. 점선은 0.1 A/cm2 및 40 A/cm2에서의 EL 피크 파장을 나타낸다. 3개의 LED의 EL 스펙트럼의 색도 좌표는 별도로 도 6a, 6b 및 6c의 삽입도에서 CIE 1931 색도 다이어그램의 인접한 청색 영역 내에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 샘플 B 및 C LED의 EL 강도는 샘플 A LED의 EL 강도보다 높으며, 도 6d에 도시된 바와 같이, 샘플 C LED의 강도는 모든 구동 전류밀도 레벨에서 가장 높다. 샘플 C LED는, 다른 두 샘플에 비해, EL 피크 강도가 가장 높았는데, 부동태화에 의해 MQW에서 증가된 전자-정공 쌍(EHP) 재결합률 및 AlN/Al2O3 적층 층의 증착에 의한 정공 주입 속도의 향상에 기인한다.
도 6e는 구동 전류밀도의 함수로서 3 가지 유형의 LED의 EL 피크 파장을 도시한다. 청색 이동(blue-shift)은 국소화된 전위 에너지 상태의 밴드-충전 및 주입된 캐리어에 의한 MQW의 내부 분극장의 스크리닝에 기인한다. 구체적으로, 0.1 A/cm2 의 전류밀도에서의 LED의 피크 파장은, 샘플 A, B 및 C LED에 대해, 각각 450.4 nm, 449.1 nm 및 448.8 nm였다. 전류밀도가 40 A/cm2로 증가함에 따라, 3개의 샘플의 피크 파장은 각각 445.4 nm(-5 nm), 444.9 nm(-4.2 nm) 및 444.7 nm(-4.1 nm)로 이동되었다. 샘플 C LED의 피크 파장(Δλ C )과 최고 광자 에너지(E ph = hc/λ, 여기서 h는 플랑크 상수, c는 광속, λ는 광의 파장)의 가장 작은 청색 이동은, 샘플 C에서 AlN/Al2O3 적층 층의 증착에 의해 밴드-충전 및 내부 분극 효과의 스크리닝이 최대화되었다는 것을 나타낸다.
LED의 광 출력
도 7a는 전류밀도의 함수로서 3 가지 유형의 LED의 플롯팅된 복사속을 보여준다. 40 A/cm2의 전류밀도에서, 샘플 B 및 C LED의 광학 출력은 기준 샘플 A LED의 광학 출력과 비교하여 각각 22% 및 52% 개선되었다. 도 7b에 도시된 전류밀도의 함수로서의 광속은 또한, 샘플 A LED와 비교하여, 샘플 B 및 C LED에 대해 각각 16% 및 47% 만큼 개선된 광학 출력을 나타냈다. 샘플 B 및 C LED의 개선된 복사속(radiant flux) 및 광속(luminous flux)은 AlN/Al2O3층에 의한 정공 주입 속도의 증가와 더불어 Al2O3 및 AlN/Al2O3 층의 부동태화 효과에 기인한다. AlN/Al2O3 적층 층으로의 정공의 감소된 표면 재결합은 또한, 개선된 출력에 기여하였다. 구동 전류밀도가 증가함에 따라 복사속과 광속의 기울기의 감소는 아마도 자기 발열(self-heating) 효과 때문일 것이다[44]. GaN LED 내부의 초기 복사성 재결합 계수가 동일한 에피 성장 구조로 인해 동일하다는 가정하에, 샘플 B 및 C LED로부터 방출된 광자 수의 증가는 LED의 성능 향상에 대한 상이한 최상부 표면층의 효과를 지지하는 직접적인 증거로 간주된다. 도 7c는 LED에 대해 방출된 광자 및 주입된 전자의 수를 도시하고, 방출된 광자 수는 동일한 수의 주입된 전자를 갖는 샘플 유형에 따라 변한다. 주입된 전자의 수가 방출된 광자의 수보다 많았기 때문에, 샘플 B 및 C LED의 증가된 광자 방출은 EHP 재결합을 위해 그들의 MQW 내로의 더 많은 정공 주입에 기인한 것이었다. 즉, 표면 증착 층은 표면 부동태화 및 정공 주입 증가를 통해 복사성 재결합률을 향상시켰다.
메커니즘 토의
도 8a는 샘플 A 및 C LED의 에너지 밴드 다이어그램을 도시하고, 여기서 적색 및 청색 실선은 AlN/Al2O3 최상부 표면 층의 증착 전(샘플 A) 및 증착 후(샘플 C)의 밴드 다이어그램을 나타낸다. AlN/Al2O3 층으로, 양의 표면 상태는 AlN/GaN 계면에서 형성되었는데, 이는 하향 표면 밴드 휨을 유도하고 복사성 재결합을 위해 MQW로의 정공 주입 속도를 증가시킨다. 주입된 정공 수의 증가는 GaN LED의 MQW에서 밴드 충전 효과 및 내부 분극장의 스크리닝을 유도하였다. p형 GaN 측에 근접한 QW는 멀리 떨어진 다른 것들보다 증가된 정공 주입으로부터 더 많은 이점을 얻으므로, 밴드 충전 및 스크리닝 효과는 n형 측보다 p형 측에 더 효과적이고, 따라서, 샘플 C LED의 MQW에서 향상된 광자 에너지를 유도하므로, hv C3 > hv C2 > hv C1 (v는 방출된 빛의 주파수)가 된다. 그러나, 샘플 A LED는 MQW에서 유사한 광자 에너지(hv A )를 보여주었다. 상세한 설명을 위해, p형 GaN/EBL 옆에 있는 샘플 A 및 C LED의 개별 InGaN/GaN QW는 각각 도 8b 및 도 8c에서 확대되어 있으며, 주입된 전하 캐리어, 전자 및 정공 파동 함수(Ψ e 및 Ψ h ), 및 GaN에서의 내부 자발적 분극장(PSP)를 포함한다. 샘플 A LED의 QW에서(도 8b), 내부 분극장은 QW의 기울기를 기울였으며, 이는 전자 및 정공 파동 함수의 공간 분포를 감소시켰다. 파동 함수의 중첩 영역이 더 작기 때문에, EHP 재결합률은 덜 효율적이 되었다(즉, QCSE). QW 내로의 정공 주입 속도가 증가된 샘플 C LED의 경우(도 8c), 자발 분극장은 QW에서 증가된 정공 농도의 스크리닝 효과에 의해 보상되었다. 따라서, 감소된 분극장(P'sp)은 QW의 에너지 기울기를 감소시켜, 전자와 정공 파동 함수 사이의 중첩 영역 및 수직 거리를 증가시켰다. 그 결과, AlN/Al2O3의 표면 증착이 없는 샘플(즉, 샘플 A LED)에 비해, 복사성 재결합률이 증가하고 방출된 광자의 에너지도 증가했다. 전반적으로, AlN/Al2O3의 표면 증착은 QCSE를 억제했다.
LED 효율 특성
GaN LED, WPE, EQE 및 효능에서의 효율 향상에 대한 최상부 표면 층 증착의 효과를 평가하기 위해, 이들의 드룹률을 3 가지 유형의 LED에 대해 추정하였다. 도 9a 및 도 9b에서 전류밀도의 함수로서 WPE 및 효율 드룹률은 전류밀도가 증가함에 따라, 샘플 C LED의 최고 피크 효율 및 세 샘플 모두의 효율 드룹 거동을 나타냈다. 샘플 C LED의 0.3 A/cm2에서의 피크 효율 및 40 A/cm2에서의 효율 드룹률은, 샘플 A LED와 비교하여, 각각 29% 및 13% 만큼 개선되었다. WPE와 마찬가지로, EQE 및 이의 드룹률은, 도 9c 및 9d에 도시된 바와 같이, 샘플 C LED의 0.3 A/cm2에서 피크 효율 및 40 A/cm2에서 효율 드룹률을 나타내는데, 샘플 A LED에 비해, 각각 29% 및 6% 만큼 개선되었다. 또한, 효능 및 이의 드룹률은, 도 9e 및 9f에 도시된 바와 같이, 샘플 C LED의 0.3 A/cm2에서의 피크 효율 및 40 A/cm2에서의 효율 드룹률을 나타내는데, 샘플 A LED에 비해, 각각 30% 및 3% 만큼 개선되었다. 샘플 C LED의 개선된 피크 효율 및 감소된 드룹률은 증가된 정공 주입으로 MQW에서의 개선된 복사성 재결합률 및 감소된 전자 누출에 기인하였다. 샘플 C LED에 대한 MQW에서의 증가된 정공 농도는 전자 농도의 비대칭을 감소시켰고, 따라서, EHP의 더 많은 재결합에 기여하였다.
본 명세서에서 "예시적"이라는 단어는 실시예, 경우 또는 예시로서 기능하는 것을 의미하는 것으로 사용된다. 본 명세서에서 "예시적"으로 기술된 임의의 측면 또는 설계는 다른 측면들 또는 설계들에 대해 바람직하거나 또는 유리한 것으로 해석될 필요는 없다. 또한, 본 개시의 목적을 위해 그리고 달리 명시되지 않는 한, 단수 용어는 그것의 "하나 이상"을 의미한다.
본 발명의 예시적인 구현예의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 본 발명을 개시된 정확한 형태로 철저하게 하거나 제한하려는 것이 아니며, 수정 및 변형이 상기 가르침의 관점에서 가능하거나 또는 본 발명의 실시로부터 획득될 수 있다. 구현예들은 본 발명의 원리를 설명하기 위해, 그리고 본 발명의 실제 적용으로서 이 분야의 통상의 기술자로 하여금 다양한 구현예에서 본 발명을 사용하고, 고려되는 특정 용도에 적합하도록 다양한 변형으로 본 발명을 사용할 수 있도록 하기 위해 선택되고 설명되었다. 본 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구 범위 및 그의 균등물에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (12)

  1. 단결정 p형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체(single-crystalline p-type doped Group Ⅲ-nitride semiconductor)를 포함하는 정공 주입층;
    단결정 n형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체를 포함하는 전자 주입 층;
    상기 정공 주입층과 상기 전자 주입층 사이에 배치된 진성 또는 n형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체 층을 포함하는 발광 활성 영역으로서, 교번하는 배리어 층 및 양자우물 층을 포함하는 다중 양자우물 구조를 포함하는 발광 활성 영역;
    상기 정공 주입층 위의 알루미늄 질화물 층; 및
    상기 알루미늄 질화물 층 위의 알루미늄 산화물 층;을 포함하는 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정공 주입층의 p형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체는 p형 도핑 GaN인, 발광 장치.
  3. 제 3 항에 있어서, 상기 배리어 층은 진성 GaN을 포함하고, 상기 양자우물 층은 진성 InGaN을 포함하는, 발광 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 정공 주입층의 상기 p형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체는 p형 도핑 InxGa(1-x)N이고, 여기서 0≤x≤0.3인, 발광 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 배리어 층은 진성 GaN을 포함하고, 상기 양자우물 층은 진성 InGaN을 포함하는, 발광 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 정공 주입층의 상기 p형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체는 p형 도핑 AlGaN인, 발광 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 배리어 층은 진성 AlN을 포함하고, 상기 양자우물 층은 진성 AlGaN을 포함하는, 발광 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 정공 주입층의 상기 p형 도핑 Ⅲ족 질화물 반도체는 p형 도핑 AlxGa(1-x)N이고, 여기서 0≤x≤0.55인, 발광 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 배리어 층은 진성 AlN을 포함하고, 상기 양자우물 층은 진성 AlGaN을 포함하는, 발광 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 질화물 층 및 상기 알루미늄 산화물 층은 각각 3 nm 이하의 두께를 갖는, 발광 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 장치의 벽-플러그 효율(wall-plug efficiency), 외부 양자 효율 및 발광 효율 중 적어도 하나는, 상기 알루미늄 질화물 층 및 상기 알루미늄 산화물 층 둘 다를 결여하되 동일한 장치 구조를 갖는 발광 장치에 비해 10% 만큼 증가되는, 발광 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 장치의 벽-플러그 효율, 외부 양자 효율 및 발광 효율 중 적어도 하나는, 상기 알루미늄 질화물 층 및 상기 알루미늄 산화물 층 둘 다를 결여하되 동일한 장치 구조를 갖는 발광 장치에 비해 20% 만큼 증가되는, 발광 장치.
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