WO2012046955A2 - 질화물계 반도체 발광소자 - Google Patents

질화물계 반도체 발광소자 Download PDF

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전성란
송영호
김재범
김영우
천우영
김진홍
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    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a nitride-based semiconductor light emitting device, and more particularly, to the inside of the quantum well layer by forming at least one strain control layer having an energy bandgap larger than that of the quantum well layer in the quantum well layer of the active layer.
  • a nitride-based semiconductor light emitting device capable of improving the luminous efficiency by reducing the size of the electric field.
  • a nitride semiconductor light emitting device generally has a structure of a buffer layer, an n-type semiconductor layer, an active layer, a p-type semiconductor layer, and an electrode on a substrate.
  • the active layer is a region where electrons and holes are recombined, and has a structure in which a quantum well layer is disposed between the quantum barrier layers.
  • the wavelength of light emitted from the nitride semiconductor light emitting device is determined according to the type of the material forming the active layer.
  • the active layer includes a single quantum well (SQW) structure having one quantum well layer, a multi quantum well (MQW) structure having a plurality of quantum well layers, and a superlattice (SL) structure.
  • SQW single quantum well
  • MQW multi quantum well
  • SL superlattice
  • the active layer of the multi-quantum well structure is actively used because it has better luminous efficiency compared to the current and has a high luminous output compared to the single quantum well structure.
  • the luminous efficiency of the nitride-based semiconductor device is determined by the probability of recombination of electrons and holes that participate in the emission in the active layer, that is, internal quantum efficiency.
  • internal quantum efficiency In order to improve the internal quantum efficiency, research has been conducted mainly toward improving the structure of the active layer itself or increasing the number of electrons and holes participating in the emission process.
  • a nitride semiconductor light emitting device (also called an ultraviolet light emitting device) that emits ultraviolet light having an emission wavelength of 365 nm or less is significantly inferior in luminous efficiency as compared to nitride semiconductor light emitting devices in other wavelength bands.
  • the active layer includes an AlGaN thin film containing a high concentration of Al, so that banding of energy bands occurs due to the lattice constant difference between the quantum barrier layer of AlGaN and the quantum well layer of AlGaInN in the AlGaN / AlGaInN multi-quantum well structure used as the light emitting layer.
  • an object of the present invention is to provide a nitride based semiconductor light emitting device having an active layer structure capable of improving the luminous efficiency of the nitride based semiconductor light emitting device.
  • Another object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor light emitting device having an active layer structure capable of suppressing the reduction of the number of electrons and holes participating in the light emission process due to the spatial mismatch between the electron and hole wave function.
  • Another object of the present invention is to provide a nitride based semiconductor light emitting device having an active layer structure capable of increasing the recombination rate of electrons and holes participating in the light emission process by matching the spatial distribution of the wave function of electrons and holes.
  • the present invention comprises an n-type nitride layer, an active layer formed on the n-type nitride layer, and a p-type nitride layer formed on the active layer, is formed inside the active layer,
  • a nitride-based semiconductor light emitting device comprising a strain control layer including at least one layer having an energy bandgap larger than an energy bandgap of a quantum well layer.
  • the strain control layer is interposed in a region where the quantum well layer of the active layer is formed.
  • the energy band gap of the strain control layer is smaller than the energy band gap of the quantum barrier layer of the active layer.
  • the strain control layer is formed of a plurality of layers in the active layer, the plurality of layers may each have the same or different energy bandgap.
  • the active layer and the strain control layer are each represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • the aluminum content of the layer having an energy bandgap larger than the energy bandgap of the quantum well layer of the active layer is greater than the aluminum content of the quantum well layer of the active layer.
  • the aluminum content of the layer having an energy band gap larger than that of the quantum well layer of the active layer is the aluminum content of the quantum barrier layer of the active layer. Is smaller than.
  • the luminous efficiency of the nitride semiconductor light emitting device can be improved. That is, by interposing a strain control layer in the quantum well layer of the active layer, the size of the internal electric field is reduced by reducing the lattice constant difference between the quantum well layer and the quantum barrier layer, thereby reducing the spatial distribution of the wave function of electrons and holes. Matching can increase the probability of recombination of electrons and holes participating in the light emission. Therefore, since the recombination rate of electrons and holes participating in the light emission increases, the light emission efficiency of the nitride semiconductor light emitting device is improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a nitride based semiconductor light emitting device having a strain control layer interposed in an active layer according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an energy band gap of a nitride based semiconductor light emitting device having a strain control layer interposed in an active layer according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing an energy band gap of a nitride-based semiconductor light emitting device according to the prior art.
  • FIG. 4 is a view showing an energy band gap of a nitride based semiconductor light emitting device in which a plurality of strain control layers are interposed in an active layer according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a photoluminescence (PL) spectrum measured at room temperature 300K of a nitride-based semiconductor light emitting device in which a strain control layer is interposed in an active layer according to a first embodiment of the present invention.
  • PL photoluminescence
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a nitride based semiconductor light emitting device 100 having a strain control layer 43 interposed therebetween in an active layer 40 according to a first embodiment of the present invention.
  • 2 is a diagram illustrating an energy band gap of the nitride based semiconductor light emitting device 100 having the strain control layer 43 interposed therebetween in the active layer 40 according to the first embodiment of the present invention.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 100 disclosed in FIG. 1 is just one example according to the present invention, and the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. 1.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 100 includes an n-type nitride layer 30, an active layer 40 having a strain control layer 43 interposed therebetween, and p.
  • the nitride layer 50 may be further included, and the base substrate 10, the buffer layer 20, the n-type electrode 35, the transparent electrode 52, and the p-type electrode 55 may be further included.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 includes a base substrate 10, a buffer layer 20, an n-type nitride layer 30, and a strain control layer 43 sequentially formed on the base substrate 10. ) And an active layer 40 and a p-type nitride layer 50 interposed therebetween.
  • partial regions of the p-type nitride layer 50 and the active layer 40 are removed by a mesa etching process, and the n-type nitride layer 30 Part of the upper surface is exposed.
  • An n-type electrode 35 is formed on the exposed n-type nitride layer 30.
  • a transparent electrode layer 52 made of indium tin oxide (ITO) or the like is formed on the p-type nitride layer 50, and a p-type electrode 55 is formed thereon.
  • ITO indium tin oxide
  • the base substrate 10 may be made of a material suitable for growing a nitride semiconductor single crystal.
  • the base substrate 10 may include sapphire, silicon (Si), zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), and silicon carbide (SiC). It may be made of an element or compound, such as aluminum nitride (AlN), magnesium oxide (MgO).
  • the buffer layer 20 is to reduce the difference in lattice constant between the base substrate 10 and the n-type nitride layer 30 to be described later, and may be made of a material such as GaN, AlN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlGaInN, or the like.
  • the buffer layer 20 functions to alleviate stress between the base substrate 10 and the n-type nitride layer 30, such as to prevent melt-back etching due to the chemical action of the base substrate 10.
  • the buffer layer 20 may be omitted depending on the characteristics of the device and the process conditions.
  • the n-type nitride layer 30 is formed on the buffer layer 20.
  • the n-type nitride layer 30 is formed of gallium nitride (GaN) -based, and silicon may be doped to lower the driving voltage.
  • the active layer 40 is formed on the n-type nitride layer 30.
  • the active layer 40 may be formed in multiple layers, and may be formed in a quantum well structure by using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • light is generated by combining holes flowing through the p-type nitride layer 50 and electrons flowing through the n-type nitride layer 30, where the quantum wells have excitation levels or energy band gap differences. Light of energy is emitted.
  • the active layer 40 includes a first active layer 41 formed on the n-type nitride layer 30, a strain control layer 43 formed on the first active layer 41, and a strain control layer 43. ) And a second active layer 45 formed on the substrate.
  • the strain control layer 43 functions to alleviate the strain generated due to the difference in lattice constant between the quantum barrier layer 42 and the quantum well layer 44 of the active layer 40, thereby reducing the active layer 40.
  • the quantum well layer 44 a phenomenon in which the spatial distribution of the wave function of electrons and the hole function of holes is staggered is suppressed.
  • the active layer 40 including the strain control layer 43 may be formed of a material represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment may generate ultraviolet rays having a light emission wavelength of 365 nm or less by adjusting the thickness of the active layer 40 and the composition ratio of aluminum and indium.
  • the p-type nitride layer 50 is formed on the active layer 40.
  • the p-type nitride layer 50 is a semiconductor layer doped with p-type conductive impurities such as Mg, Zn, Be, and the like.
  • the p-type nitride layer 50 is a p-type AlGa (In) N layer adjacent to the light emitting region and serves as an electron blocking layer (EBL), and a p-type adjacent to the p-type AlGa (In) N layer ( Al) Ga (In) N layer.
  • the transparent electrode layer 52 is formed on the p-type nitride layer 50.
  • the transparent electrode layer 52 is a kind of electrode contact layer, so that current can be transferred to the p-type electrode 55 well.
  • the transparent electrode layer 52 may be made of, for example, ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx, or the like as a transparent oxide film.
  • n-type nitride layer 30 is exposed by performing wet etching, for example, anisotropic wet etching, from the surface.
  • wet etching for example, anisotropic wet etching
  • an n-type electrode 35 made of titanium (Ti), silver (Au), or the like is deposited on the n-type nitride layer 30, and nickel (Ni) or the like is formed on the transparent electrode layer 52.
  • the p-type electrode 55 is deposited.
  • the active layer 40 of the nitride semiconductor light emitting device 100 has a structure in which quantum barrier layers 42 are formed on both sides of the quantum well layer 44.
  • the strain control layer 43 is interposed in a single layer in the active layer 40.
  • the strain control layer 43 is formed inside the active layer 40 and has an energy band gap w3 larger than the energy band gap w2 of the quantum well layer 44 of the active layer 40.
  • the strain control layer 43 has an energy bandgap w3 smaller than the energy bandgap w1 of the quantum barrier layer 42 of the active layer 40.
  • the reason for forming the strain control layer 43 having the energy bandgap w3 larger than the energy bandgap w2 of the quantum well layer 44 in the quantum well layer 44 is as follows.
  • the quantum well layer 44 and the quantum barrier layer 42 of Al x In y Ga 1-xy N material used as the active layer 40 have a lattice constant.
  • the internal electric field is generated by the difference, which causes banding of the energy band gap, resulting in low luminous efficiency.
  • the banding of the energy bandgap causes inconsistency in the spatial distribution of the wave function of the electron and the wave function of the hole.
  • the strain control layer 43 which is a nitride-based semiconductor layer capable of alleviating strain in the quantum well layer 44, is interposed.
  • a nitride-based semiconductor light emitting device is formed in the quantum well layer 44 of the active layer 40 by forming a strain control layer 43 having an energy band gap w3 larger than the energy band gap w2 of the quantum well layer 44.
  • the luminous efficiency of 100 can be improved.
  • the strain control layer 43 in the quantum well layer 44 of the active layer 40, the lattice constant difference between the quantum well layer 44 and the quantum barrier layer 42 can be reduced, thereby By matching the spatial distribution of the wave function of the hole, it is possible to increase the recombination rate of electrons and holes that contribute to light emission.
  • the wave function is a function of changing the energy band of the quantum well layer 44 with respect to the width of the quantum well layer 44.
  • the wave function of the electron and the wave function of the hole are respectively present.
  • the energy band gap of the first active layer 41, the second active layer 45, and the strain control layer 43 can be adjusted by controlling the aluminum and indium content.
  • the aluminum content of the strain control layer 43 is equal to the quantum well layer of the active layer 40. More than the aluminum content of (44), the aluminum content of the strain control layer 43 is smaller than the aluminum content of the quantum barrier layer 42 of the active layer (40). In other words, the strain control layer 43 has a value between the aluminum content of the quantum well layer 44 and the quantum barrier layer 42.
  • FIG. 5 is a photoluminescence (PL) spectrum measured at room temperature 300K of a nitride-based semiconductor light emitting device in which a strain control layer is interposed in an active layer according to a first embodiment of the present invention.
  • PL photoluminescence
  • the PL spectral intensity of the active layer into which the strain control layer is inserted is increased by about 30% compared to the case without the strain control layer.
  • the PL spectral wavelength of the active layer having the strain control layer showed a short wavelength when the strain was present because the thickness of the active layer having the strain insertion layer was thin. From this fact, it can be seen that the strain control layer insertion is more effective in the ultraviolet light emitting device using the nitride semiconductor.
  • the strain control layer 43 has been described an example in which a single layer is not limited thereto.
  • the strain control layer 140 may be formed in multiple layers.
  • the nitride based semiconductor light emitting device has a structure in which a strain control layer 143 is formed in multiple layers in the active layer 140.
  • the plurality of strain control layers 143 may be formed to have the same or different energy band gaps w3 and w4, respectively.
  • the maximum energy band gap w3 of the plurality of strain control layers 143 has an energy band gap between the quantum barrier layer 142 and the quantum well layer 144.
  • the minimum energy bandgap w4 of the plurality of strain control layers 143 may be the same as or smaller than the energy bandgap w2 of the quantum well layer 144.
  • the minimum energy bandgap w4 of the plurality of strain control layers 143 may be slightly larger than the energy bandgap w2 of the quantum well layer 144.
  • the plurality of strain control layers 143 may include a first layer 146 having an energy bandgap w3 that is larger than an energy bandgap w2 of the quantum well layer 142, and lower energy than the first layer 146.
  • the second layer 148 having the band gap w4 has a structure formed alternately.
  • the nitride semiconductor light emitting device according to the second exemplary embodiment also has an energy band gap larger than the energy band gap w2 of the quantum well layer 144 in the active layer 140, like the nitride based semiconductor light emitting device according to the first exemplary embodiment. Since the strain control layer 143 including the plurality of first layers 146 having (w3) is included, the luminous efficiency of the nitride semiconductor light emitting device can be improved as in the first embodiment.

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Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로, 전자와 정공의 파동함수의 공간적 분포를 일치 시키므로서 발광에 기여하는 전자와 정공의 재결합률을 증가시켜 발광효율을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 n형 질화물층과, n형 질화물층 상에 형성된 활성층, 및 활성층 위에 형성된 p형 질화물층을 포함한다. 이때 스트레인 제어층은 활성층의 내부에 적어도 하나의 층으로 형성되며, 적어도 하나의 층 중 적어도 하나는 활성층의 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는다. 스트레인 제어층은 활성층의 양자우물층이 형성된 영역에 개재된다. 그리고 스트레인 제어층의 에너지 밴드갭은 활성층의 양자장벽층의 에너지 밴드갭보다는 작다.

Description

질화물계 반도체 발광소자
본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성층의 양자우물층에 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 적어도 하나의 스트레인 제어층을 형성하여 양자우물층내의 내부전기장의 크기를 감소시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.
질화물계 반도체 발광소자는 일반적으로 기판 위에 버퍼층, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 전극의 구조로 이루어져 있다. 이때, 활성층은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 양자우물층(quantum well layer)이 양자장벽층(quantum barrier layer) 사이에 배치된 구조를 갖는다. 이러한 활성층을 이루는 물질의 종류에 따라 질화물계 반도체 발광소자에서 방출되는 발광 파장이 결정된다.
활성층에는 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well; SQW) 구조, 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well; MQW) 구조 및 슈퍼래티스(superlattice; SL) 구조가 있다. 이 중에서, 특히 다중양자우물구조의 활성층은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 발광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 적극적으로 활용되고 있다.
이러한 질화물계 반도체 소자의 발광효율은 원천적으로 활성층 내에서의 발광에 참여하는 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. 이러한 내부양자효율의 개선방안은 주로 활성층 자체의 구조를 개선하거나 발광 과정에 참여하는 전자와 정공의 수를 증가시키는 방향으로 연구되고 있다.
발광 파장이 365nm 이하의 자외선을 발광하는 질화물계 반도체 발광소자(또는 자외선 발광소자라고도 함)는 다른 파장대의 질화물계 반도체 발광소자에 비해서 발광효율이 현저히 떨어진다. 이는 활성층이 고농도의 Al 조성을 함유한 AlGaN 박막을 포함함으로써, 발광층으로 사용되는 AlGaN/AlGaInN 다중양자우물 구조에서 AlGaN의 양자장벽층과 AlGaInN의 양자우물층의 격자 상수 차이에 의하여 에너지 밴드의 밴딩이 발생하게 되어 전도대(conduction band)에 형성되는 전자의 파동함수의 공간적 분포와 가전자대(valance band)에 형성되는 정공의 파동함수의 공간적 분포의 불일치를 야기한다. 이로 인해 발광 과정에 참여하는 전자와 정공의 수가 감소함으로써, 자외선 발광소자의 발광효율이 떨어지는 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 질화물계 반도체 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있는 활성층 구조를 갖는 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전자와 정공의 파동함수 간의 공간적 불일치에 의한 발광 과정에 참여하는 전자와 정공의 수 감소를 억제할 수 있는 활성층 구조를 갖는 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전자와 정공의 파동함수의 공간적 분포를 일치시켜 발광 과정에 참여하는 전자와 정공의 재결합률을 증가시킬 수 있는 활성층 구조를 갖는 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 n형 질화물층과, 상기 n형 질화물층 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물층을 포함하며, 상기 활성층의 내부에 형성되며, 상기 활성층의 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 층을 적어도 하나를 포함하는 스트레인 제어층을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 스트레인 제어층은 상기 활성층의 양자우물층이 형성된 영역에 개재된다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 스트레인 제어층의 에너지 밴드갭은 상기 활성층의 양자장벽층의 에너지 밴드갭보다는 작다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 스트레인 제어층은 상기 활성층에 복수의 층으로 형성되며, 상기 복수의 층은 각각 서로 동일하거나 다른 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 활성층과 스트레인 제어층은 각각 AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 표현되는 물질이다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 스트레인 제어층에서, 상기 활성층의 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 층의 알루미늄 함유량은 상기 활성층의 양자우물층의 알루미늄 함유량보다 많다.
그리고 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 스트레인 제어층에서, 상기 활성층의 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 층의 알루미늄 함유량은 상기 활성층의 양자장벽층의 알루미늄 함유량보다는 작다.
본 발명의 구조를 따르면, 활성층의 양자우물층에 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 적어도 하나의 층을 포함하는 스트레인 제어층을 형성함으로써, 질화물계 반도체 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다. 즉 활성층의 양자우물층에 스트레인 제어층을 개재함으로써, 양자우물층과 양자장벽층의 격자 상수 차이의 감소에 의해 내부전기장의 크기를 감소시키므로서, 이로 인해 전자와 정공의 파동함수의 공간적 분포를 일치시킬 수 있어 발광에 참여하는 전자와 정공의 재결합 확률을 증가시킬 수 있다. 따라서 발광에 참여하는 전자와 정공의 재 결합률이 증가하기 때문에, 질화물계 반도체 발광소자의 발광효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 활성층에 스트레인 제어층이 개재된 질화물계 반도체 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 활성층에 스트레인 제어층이 개재된 질화물계 반도체 발광소자의 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 활성층에 복수의 스트레인 제어층이 개재된 질화물계 반도체 발광소자의 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예 따른 활성층에 스트레인 제어층이 개재된 질화물계 반도체 발광소자의 상온(300K)에서 측정한 PL(photoluminescence) 스펙드럼이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 활성층(40)에 스트레인 제어층(43)이 개재된 질화물계 반도체 발광소자(100)를 보여주는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 활성층(40)에 스트레인 제어층(43)이 개재된 질화물계 반도체 발광소자(100)의 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다. 한편 도 1에 개시된 질화물계 반도체 발광소자(100)는 본 발명에 따른 하나의 예시에 불과하며, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자가 도 1에 도시된 구성에 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는 n형 질화물층(30), 스트레인 제어층(43)이 개재된 활성층(40) 및 p형 질화물층(50)을 포함하며, 그 외 베이스 기판(10), 버퍼층(20), n형 전극(35), 투명 전극(52) 및 p형 전극(55)을 더 포함할 수 있다.
제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는 베이스 기판(10)과, 베이스 기판(10) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(20), n형 질화물층(30), 스트레인 제어층(43)이 개재된 활성층(40) 및 p형 질화물층(50)을 포함한다. 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는 p형 질화물층(50)과 활성층(40)이 메사식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되어, n형 질화물층(30)의 일부 상면이 노출되는 구조를 갖는다. 그리고 노출된 n형 질화물층(30)에는 n형 전극(35)이 형성된다. 그리고 p형 질화물층(50) 상에는 ITO(Indium-Tin oxide) 등으로 이루어진 투명전극층(52)이 형성되며, 그 위에는 p형 전극(55)이 형성된다.
이때 베이스 기판(10)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 베이스 기판(10)은 사파이어, 실리콘(Si), 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 갈륨 비소(GaAs), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 산화 마그네슘(MgO) 등의 원소 혹은 화합물로 제조될 수 있다.
버퍼층(20)은 베이스 기판(10)과 후술할 n형 질화물층(30)의 격자 상수 차이를 줄여 주기 위한 것으로서, GaN, AlN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlGaInN 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다. 버퍼층(20)은 베이스 기판(10)의 화학적 작용에 의한 멜트백(melt-back) 에칭을 방지하는 등, 베이스 기판(10)과 n형 질화물층(30) 사이의 스트레스를 완화하는 기능을 수행하며, 구체적으로 AlInN/GaN 구조, InxGa1-xN/GaN 구조, AlxInyGa1-x-yN/InxGa1-xN/GaN 구조 등의 멀티버퍼층으로 형성될 수 있다(0≤x≤1, 0≤y≤1). 한편 이러한 버퍼층(20)은 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략될 수도 있다.
n형 질화물층(30)은 버퍼층(20) 위에 형성된다. n형 질화물층(30)은 질화갈륨(GaN)계로 형성되며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑될 수 있다.
활성층(40)은 n형 질화물층(30) 위에 형성된다. 활성층(40)은 다층으로 형성될 수 있으며, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공법을 이용하여 양자우물구조로 형성될 수 있다. 활성층(40)에서는 p형 질화물층(50)을 통하여 흐르는 정공과 n형 질화물층(30)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광이 발생되는데, 이때 양자우물의 여기 준위 또는 에너지 밴드갭 차이에 해당되는 에너지의 빛이 발광된다.
특히 제1 실시예에 따른 활성층(40)은 n형 질화물층(30) 위에 형성된 제1 활성층(41)과, 제1 활성층(41) 위에 형성된 스트레인 제어층(43)과, 스트레인 제어층(43) 위에 형성된 제2 활성층(45)을 포함한다. 이때 스트레인 제어층(43)은 활성층(40)의 양자장벽층(42)과 양자우물층(44)의 격자 상수 차이로 인해 발생되는 스트레인을 완화시키는 기능을 수행하며, 이로 인해 활성층(40)의 양자우물층(44) 내에서 전자의 파동함수와 정공의 파동함수의 공간적 분포가 서로 엇갈리는 현상을 억제한다. 스트레인 제어층(43)을 포함한 활성층(40)은 AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 표현되는 물질로 이루어질 수 있다. 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는 활성층(40)의 두께와, 알루미늄과 인듐의 조성비를 조절하여, 발광파장이 365nm 이하인 자외선을 발생시킬 수 있다.
p형 질화물층(50)은 활성층(40) 위에 형성된다. 이러한 p형 질화물층(50)은 Mg, Zn, Be등과 같은 p형 도전형 불순물이 도핑된 반도체층이다. p형 질화물층(50)은 발광영역과 인접하여 전자장벽층(electron blocking layer; EBL) 역할을 수행하는 p형 AlGa(In)N층과, p형 AlGa(In)N 층에 인접한 p형 (Al)Ga(In)N층으로 이루어질 수도 있다.
투명전극층(52)은 p형 질화물층(50) 상에 형성된다. 투명전극층(52)은 전극접촉층의 일종으로서, p형 전극(55)으로 전류가 잘 전달될 수 있도록 한다. 이와 같은 투명전극층(52)은 투과성 산화막으로서, 예컨대 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 베이스 기판(10)부터 투명전극층(52)까지의 기본 적층 구조가 완성되면, 표면으로부터 습식 에칭, 예를 들어 이방성 습식에칭을 실행하여 n형 질화물층(30)의 일부를 노출시킨다. 그리고 에칭 공정이 진행된 후, n형 질화물층(30) 위로 티탄(Ti), 은(Au) 등으로 이루어진 n형 전극(35)이 증착되고, 투명전극층(52) 위로 니켈(Ni) 등으로 이루어진 p형 전극(55)이 증착된다.
특히 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)의 활성층(40)은 양자우물층(44)을 중심으로 양쪽에 양자장벽층(42)이 형성된 구조를 갖는다. 활성층(40)의 내부에 스트레인 제어층(43)이 단일층으로 개재된다. 스트레인 제어층(43)은 활성층(40)의 내부에 형성되며, 활성층(40)의 양자우물층(44)의 에너지 밴드갭(w2)보다 큰 에너지 밴드갭(w3)을 갖는다. 스트레인 제어층(43)은 활성층(40)의 양자장벽층(42)의 에너지 밴드갭(w1)보다는 작은 에너지 밴드갭(w3)을 갖는다.
이와 같이 양자우물층(44)에 양자우물층(44)의 에너지 밴드갭(w2)보다 큰 에너지 밴드갭(w3)을 갖는 스트레인 제어층(43)을 형성하는 이유는 다음과 같다. 질화물계 반도체 발광소자(100)는 활성층(40) 내의 전자와 정공의 재결합에 의한 발광효율의 증대는 소자의 응용을 위해서 반드시 필요하다. 그러나 종래의 자외선 발광소자는, 도 3에 도시된 바와 같이, 활성층(40)으로 사용되는 AlxInyGa1-x-yN 소재의 양자우물층(44)과 양자장벽층(42)은 격자 상수 차이에 의하여 내부전기장이 발생하고, 이로 인한 에너지 밴드갭의 밴딩이 발생하여 발광효율이 떨어진다. 그리고 에너지 밴드갭의 밴딩은 전자의 파동함수와 정공의 파동함수의 공간적 분포의 불일치를 야기한다.
하지만 제1 실시예의 경우, 양자우물층(44) 내에 스트레인을 완화시킬 수 있는 질화물계 반도체층인 스트레인 제어층(43)이 개재된다. 활성층(40)의 양자우물층(44)에 양자우물층(44)의 에너지 밴드갭(w2)보다 큰 에너지 밴드갭(w3)을 갖는 스트레인 제어층(43)이 형성됨으로써, 질화물계 반도체 발광소자(100)의 발광효율을 향상시킬 수 있다. 즉 활성층(40)의 양자우물층(44)에 스트레인 제어층(43)을 개재함으로써, 양자우물층(44)과 양자장벽층(42)의 격자 상수 차이를 감소시킬 수 있고, 이로 인해 전자와 정공의 파동함수의 공간적 분포를 일치시켜 발광에 기여하는 전자와 정공의 재결합률을 증가시킬 수 있다. 여기서 파동함수란 양자우물층(44)의 폭에 대한 양자우물층(44)의 에너지밴드 변화를 나타낸 함수로서, 양자우물층(44) 내에는 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 각각 존재하며, 스트레인 제어층(43)을 형성함으로써 이 두 파동함수의 공간적 분포를 일치시킬 수 있다.
이때 제1 활성층(41), 제2 활성층(45) 및 스트레인 제어층(43)의 에너지 밴드갭의 조절은 알루미늄과 인듐 함유량의 제어로 가능하다. 양자우물층(44)의 에너지 밴드갭(w2) 보다 스트레인 제어층(43)의 에너지 밴드갭(w3)을 크게 하기 위해서, 스트레인 제어층(43)의 알루미늄 함유량은 활성층(40)의 양자우물층(44)의 알루미늄 함유량 보다는 많고, 스트레인 제어층(43)의 알루미늄 함유량은 활성층(40)의 양자장벽층(42)의 알루미늄 함유량 보다는 작다. 즉 스트레인 제어층(43)은 양자우물층(44)과 양자장벽층(42)이 갖는 알루미늄 함유량의 사이값을 갖는다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예 따른 활성층에 스트레인 제어층이 개재된 질화물계 반도체 발광소자의 상온(300K)에서 측정한 PL(photoluminescence) 스펙드럼이다.
도 5를 참조하면, 스트레인 제어층이 삽입된 활성층의 PL 스펙트럼 세기가 스트레인 제어층이 없는 경우에 비하여 약 30% 정도 증가되었음을 보여주고 있다. 이때, 스트레인 제어층을 구비한 활성층의 PL 스펙트럼 파장이 스트레인이 있는 경우가 짧은 파장을 보여주는 이유는 스트레인 삽입층을 갖는 활성층의 두께가 얇아졌기 때문임을 XRD 측정 결과로부터 알 수 있었다. 이러한 사실로부터 질화물계 반도체를 이용한 자외선 발광소자의 경우 스트레인 제어층 삽입이 더욱 더 효과적임을 알 수 있다.
제2 실시예
한편 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 스트레인 제어층(43)이 단일층으로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 4에 도시된 바와 같이, 스트레인 제어층(140)은 다층으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 활성층(140) 내에 스트레인 제어층(143)이 다층으로 형성된 구조를 갖는다. 이때 복수의 스트레인 제어층(143)은 각각 서로 동일하거나 서로 다른 에너지 밴드갭(w3,w4)을 갖도록 형성될 수 있다.
복수의 스트레인 제어층(143)의 최대 에너지 밴드갭(w3)은 양자장벽층(142)과 양자우물층(144) 사이의 에너지 밴드갭을 갖는다. 복수의 스트레인 제어층(143)의 최소 에너지 밴드갭(w4)은 양자우물층(144)의 에너지 밴드갭(w2)과 동일하거나 작게 형성할 수 있다. 또는 복수의 스트레인 제어층(143)의 최소 에너지 밴드갭(w4)은 양자우물층(144)의 에너지 밴드갭(w2) 보다는 약간 크게 형성할 수도 있다. 예컨대 복수의 스트레인 제어층(143)은 양자우물층(142)의 에너지 밴드갭(w2)보다 큰 에너지 밴드갭(w3)을 갖는 제1 층(146)과, 제1 층(146)보다 낮은 에너지 밴드갭(w4)을 갖는 제2 층(148)이 교대로 형성된 구조를 갖는다.
이와 같은 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자 또한 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자와 같이 활성층(140) 내에 양자우물층(144)의 에너지 밴드갭(w2)보다 큰 에너지 밴드갭(w3)을 갖는 복수의 제1 층(146)을 포함하는 스트레인 제어층(143)을 포함하기 때문에, 제1 실시예와 같이 질화물계 반도체 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다. 즉 활성층(140)의 양자우물층(144)에 스트레인 제어층(143)을 개재함으로써, 양자우물층(144)과 양자장벽층(142)의 격자 상수 차이를 감소시킬 수 있고, 이로 인해 전자와 정공의 파동함수의 공간적 분포를 일치시킬 수 있어 발광에 참여하는 전자와 정공의 재결합률을 증가시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (7)

  1. n형 질화물층;
    상기 n형 질화물층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물층;을 포함하며,
    상기 활성층의 내부에 형성되며, 상기 활성층의 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 층을 적어도 하나를 포함하는 스트레인 제어층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 제어층은 상기 활성층의 양자우물층이 형성된 영역에 개재되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스트레인 제어층의 에너지 밴드갭은 상기 활성층의 양자장벽층의 에너지 밴드갭보다는 작은 것을 특징으로 하는 스트레인 제어층이 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스트레인 제어층은 상기 활성층에 복수의 층으로 형성되며, 상기 복수의 층은 각각 서로 동일하거나 다른 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층과 스트레인 제어층은 각각 AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 표현되는 물질인 것을 특징으로 질화물계 반도체 발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스트레인 제어층에서, 상기 활성층의 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 층의 알루미늄 함유량은 상기 활성층의 양자우물층의 알루미늄 함유량보다는 큰 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스트레인 제어층에서, 상기 활성층의 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 층의 알루미늄 함유량은 상기 활성층의 양자장벽층의 알루미늄 함유량보다는 작은 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
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