WO2016125993A1 - 자외선 발광 다이오드 - Google Patents

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WO2016125993A1
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light emitting
emitting diode
composition ratio
ultraviolet light
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PCT/KR2015/011997
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English (en)
French (fr)
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박승환
서대웅
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Seoul Viosys Co Ltd
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Seoul Viosys Co Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/811—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
    • H10H20/812—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions within the light-emitting regions, e.g. having quantum confinement structures
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/815—Bodies having stress relaxation structures, e.g. buffer layers

Definitions

  • the present invention relates to an ultraviolet light emitting diode, and more particularly, to an ultraviolet light emitting diode having an active layer structure in which internal quantum efficiency can be improved.
  • an active layer is made of a material having a bandgap energy corresponding to the emission wavelength of the ultraviolet band.
  • an active layer of an ultraviolet light emitting diode manufactured using a nitride semiconductor includes a nitride semiconductor including Al, for example, an active layer in which a well layer is formed of AlGaN and a barrier layer of AlGaN or AlN is adopted for the ultraviolet light emitting diode.
  • a nitride semiconductor layer having a higher Al composition ratio is required to be applied to the active layer.
  • the characteristics of the active layer including AlGaN are different from those of general blue light emitting diodes, and thus, an active layer structure capable of increasing the internal quantum efficiency of the ultraviolet light emitting diodes is required.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an ultraviolet light emitting diode having a high luminous efficiency, in particular, the internal quantum efficiency is improved to increase the amount of light.
  • the barrier layer may include Al z Ga (1-z) N (0 ⁇ z ⁇ 1), and the barrier layer may have a greater bandgap energy than the well layer.
  • Y may be greater than or equal to 0 and less than or equal to 0.2 and 0 ⁇ x ⁇ 0.12.
  • the y may be 0.2 or more and 0.4 or less and 0 ⁇ x ⁇ 0.07.
  • the amount of TE-polarized light in the light emitted from the active layer, may be greater than the amount of TM-polarized light.
  • an ultraviolet light emitting diode includes a well layer including BAlGaN, thereby providing an ultraviolet light emitting diode having improved internal quantum efficiency. Also, by forming a BAlGaN well layer having a composition ratio of Al and B in a predetermined range, the light amount of TE-polarized light can be increased, so that the substantial light amount of light emitted from the ultraviolet light emitting diode can be increased.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of an ultraviolet light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view illustrating the structure of an active layer according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 6 are graphs for explaining characteristics of light emitting diodes according to exemplary embodiments of the present invention and a comparative example.
  • composition ratio, growth method, growth conditions, thickness, etc. for the semiconductor layers described below correspond to an example, and the present invention is not limited as described below.
  • the composition ratio of Al and Ga may be variously applied according to the needs of those skilled in the art.
  • the semiconductor layers described below can be grown using a variety of methods generally known to those skilled in the art (hereinafter referred to as "normal technician"), for example, MOCVD (Metal Organic Chemical) It may be grown using techniques such as Vapor Deposition, Molecular Beam Epitaxy (MBE), or Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE).
  • sources introduced into the chamber may use a source known to a person skilled in the art.
  • TMGa, TEGa, etc. may be used as a Ga source. and, as an Al source, and you can take advantage of a TMA, TEA, etc., as the In source may be used, and TMI, TEI, NH 3 may be used as the N source.
  • TMGa, TEGa, etc. may be used as a Ga source.
  • Al source and you can take advantage of a TMA, TEA, etc., as the In source may be used, and TMI, TEI, NH 3 may be used as the N source.
  • TMI, TEI, NH 3 may be used as the N source.
  • the present invention is not limited thereto.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view illustrating a structure of an active layer 400 according to an embodiment of the present invention.
  • the ultraviolet light emitting diode includes a first conductive semiconductor layer 300, an active layer 400, and a second conductive semiconductor layer 500.
  • the light emitting diode may further include a substrate 100 and a buffer layer 200.
  • the substrate 100 is not limited as long as it is a substrate for growing a nitride semiconductor layer, and may be, for example, a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a spinel substrate, or a nitride substrate such as a GaN substrate or an AlN substrate.
  • the substrate 100 may be omitted as necessary.
  • the substrate 100 may be separated and removed from the semiconductor layers.
  • the substrate 100 may be removed through laser lift off, stress lift off, chemical lift off, or physicochemical methods through lapping or polishing.
  • the buffer layer 200 is located on the substrate 100.
  • the buffer layer 200 may include a nuclear layer that helps other semiconductor layers grown on the substrate 100 to grow into a single crystal, and may include a three-dimensional growth layer and a recovery layer positioned on the nuclear layer.
  • the buffer layer 200 may also serve to alleviate stress caused by a difference in lattice constant between the substrate 100 and other semiconductor layers grown on the buffer layer 200.
  • the buffer layer 200 may include a nitride semiconductor such as (Al, Ga, In) N, and may include, for example, at least one of GaN, AlGaN, and AlN. In the present embodiment, the buffer layer 200 may include AlN.
  • the buffer layer 200 may be omitted.
  • the first conductive semiconductor layer 300 is grown on the substrate 100 without additionally forming the buffer layer 200. Can be.
  • the buffer layer 200 may also be removed in the process of separating the substrate 100.
  • the first conductivity type semiconductor layer 300 may include a nitride semiconductor such as (Al, Ga, In) N. Since the ultraviolet light emitting diode according to the present embodiment emits light in the ultraviolet band, the first conductivity type semiconductor layer 300 may include a nitride semiconductor that does not absorb light in the ultraviolet band. Specifically, when the bandgap energy of the nitride semiconductor forming the first conductivity type semiconductor layer 300 is smaller than the energy corresponding to the wavelength of the light of the ultraviolet band, the light of the ultraviolet band may be absorbed by the nitride semiconductor. When the light is absorbed by the nitride semiconductor, the luminous efficiency of the ultraviolet light emitting diode may be very low.
  • a nitride semiconductor such as (Al, Ga, In) N. Since the ultraviolet light emitting diode according to the present embodiment emits light in the ultraviolet band, the first conductivity type semiconductor layer 300 may include a nitride semiconductor that does not absorb light in the ultraviolet band. Specifically, when
  • the first conductivity type semiconductor layer 300 may include Al, and in particular, may include AlGaN.
  • the Al composition ratio of the AlGaN may be adjusted according to the wavelength of light emitted from the active layer 400. For example, when the peak wavelength of the light emitted from the active layer 400 is 400 nm or less, the AlGaN may have an Al composition ratio of about 0.2 or more. When the peak wavelength of the light emitted from the active layer 400 is 300 nm or less, the AlGaN is about 0.4. It may have an Al composition ratio of more than.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the first conductive semiconductor layer 300 may have an n-type or p-type conductive type, including an n-type or p-type dopant.
  • the first conductivity type semiconductor layer 300 may be doped to n-type by including impurities such as Si, Ge, and the like as a dopant.
  • the first conductivity type semiconductor layer 300 may be a single layer or may be formed of multiple layers including a plurality of layers.
  • the first conductivity type semiconductor layer 300 may include a clad layer, a contact layer, a superlattice layer, or the like.
  • the first conductivity type semiconductor layer 300 may include a gradient layer in which the composition ratio continuously changes.
  • the active layer 400 may include a nitride semiconductor such as (Al, Ga, In) N, and may control the composition ratio of the nitride semiconductor to emit light having a peak wavelength in a desired ultraviolet region.
  • the active layer 400 may include a multi-quantum well structure (MQW) in which the well layer 410 and the barrier layer 420 are alternately stacked.
  • MQW multi-quantum well structure
  • the barrier layer 420 may include a nitride semiconductor having a greater bandgap energy than the well layer 410, and may include Al z Ga (1-z) N (0 ⁇ z ⁇ 1).
  • the barrier layer 420 may be formed of AlN.
  • the barrier layer 420 is formed of a nitride semiconductor having a relatively higher bandgap energy than the well layer 410, thereby allowing a plurality of carriers (electrons and holes) to concentrate on the well layer 410. This increases the probability that electrons and holes combine.
  • the well layer 410 may include a nitride semiconductor having a bandgap energy smaller than the barrier layer 420.
  • the well layer 410 includes B (boron), for example, B x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x ⁇ y). have. Since the well layer 410 further includes B in addition to AlGaN, an absolute value of an internal field inside the well layer 410 may be reduced. This is achieved by the well layer 410 further comprising B, whereby the degree of lattice mismatch is reduced. Accordingly, spatial separation of the conduction and valence bands in the active layer 400 may be reduced, thereby improving recombination efficiency of electrons and holes. In addition, as the spatial separation of the conduction band and the valence band is reduced, the phenomenon of increasing the transition wavelength of the light emitting diode can be prevented.
  • the composition ratio of Al may be greater than 0 and less than 0.5. In this case, the effect of increasing the luminous efficiency when B is added to AlGaN can be further improved.
  • the composition ratio of Al is 0.5 or more, the addition of B causes the uppermost subband in the valence band to change from a heavy-hole band to a crystal-field splittoff hole band, thus transverse-electric ) -Polarized light is reduced and transverse-magnetic (TM) -polarized light is increased. That is, when the composition ratio of Al is 0.5 or more, the luminous efficiency of the light emitting diode is reduced. Therefore, in the ultraviolet light emitting diode emitted light of this embodiment, the light amount of TE-polarized light is larger than the light amount of TM-polarized light.
  • the composition ratio of B has a constant dependency on the composition ratio of Al.
  • the composition ratio x of B in B x Al y Ga (1-xy) N is lower than the composition ratio y of Al.
  • the composition ratio x of B may be greater than 0 and 0.12 or less, and further, the composition ratio x of B may be 0.06 or more and 0.10 or less.
  • the composition ratio (y) of Al when the composition ratio (y) of Al is 0.2 or more and 0.4 or less, the composition ratio (x) of B may be more than 0 and 0.07 or less, and further, the composition ratio (x) of B may be 0.02 or more and 0.06 or less.
  • the higher the Al composition ratio, the lower the optimum composition ratio of B, and the Al composition ratio and the B composition ratio may be in a linear relationship with each other. The relation of -5x + (0.5 ⁇ 0.7) can be satisfied.
  • the AlGaN well layer containing no B is determined by determining the composition ratio x of B and the composition ratio y of Al in the above-mentioned ranges. Luminous efficiency can be improved compared with the case where it is used.
  • FIGS. 3 to 6 are graphs for explaining characteristics of light emitting diodes according to exemplary embodiments of the present invention and a comparative example.
  • 4A shows an optical matrix element value (
  • 4B shows the strain and the internal field of the well layer according to the composition ratio of B.
  • FIG. 5A shows a spontaneous emission coefficient according to the wavelength when x is 0, 0.02, 0.06, 0.10 and 0.12
  • FIG. 5B shows the spontaneous emission coefficient according to the composition ratio of B. (spontaneous emission coefficient).
  • 6 (a) to 6 (c) show potential profiles and wave functions when x is 0, 0.06, and 0.12 according to positions
  • FIG. 6 (d) shows pseudo Fermi levels according to the composition ratio of B (Quasi ⁇ ).
  • the graph of FIG. 3 was derived according to a self-consistent solution, which was calculated assuming a carrier density (N 2D ) of 20 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 .
  • 'HHn', 'LHn' and 'CHn' in FIGS. 3 and 6 are 'n-th heavy-hole subband', 'n-th light-hole subband' and 'n-th crystal splitting hole subband (crystal), respectively.
  • -field splittoff hole subband) ' '.
  • the energy of each subband changes according to the composition ratio x of B.
  • the uppermost subband of the valence band is represented by HH1.
  • the energy of the crystal splitting hole subband CH1 increases and is located between LH1 and HH2.
  • the heavy-hole effective mass increases as B is added to AlGaN.
  • the composition ratio (x) of B in the BAlGaN / AlN quantum well structure is 0 and 0.12
  • the heavy-hole effective mass is respectively. 1.75m 0 and 2.97m 0 .
  • the light amount of TE-polarized light increases as the composition ratio x of B increases.
  • the x value is 0.1 or more
  • the amount of light of the TE-polarized light is drastically reduced when the plane wave vector k ⁇ increases above a certain size. This is interpreted as the uppermost subband in the valence band is changed from the heavy-hole band (HH) to the crystal splitting hole band (CH) when the amount of B added is more than a predetermined value.
  • the emission wavelength is shortened as the composition ratio x of B increases from 0 to 0.12, and the amount of light of TE-polarized light increases.
  • the composition ratio y of Al is less than 0.5, the amount of light of TE-polarized light increases by adding B to the well layer. That is, as described with reference to FIGS. 3 and 4, by adding B to the well layer, the luminous efficiency of the ultraviolet light emitting diode is improved.
  • composition ratio x of B exceeds the threshold of the predetermined ratio, it can be seen that the amount of light emitted from the light emitting diode is reduced.
  • the composition ratio y of Al is 0.2
  • B Increasing the composition ratio (x) from 0 to 0.08 increases the amount of light
  • the composition ratio (x) of B is more than 0.08, the amount of light decreases with the increase in the B composition ratio.
  • composition ratio y of Al when the composition ratio y of Al is 0.4, when the composition ratio x of B is increased from 0 to 0.04, the amount of light increases, but the composition ratio x of B is greater than 0.04.
  • the amount of light decreases with the increase in the B composition ratio.
  • the composition ratio y of Al is 0.6, the amount of light decreases even if B is added.
  • the amount of light decreases.
  • the uppermost subband in the valence band has a heavy-hole band ( It is interpreted as changing from HH) to crystal splitting hole band (CH). It is also interpreted that the light amount of the TM-polarized light increases simultaneously with the decrease in the light amount of the TE-polarized light.
  • B x Al 0 B x Al 0 .
  • Increasing the B composition ratio (x) from 2 Ga (0.8-x) N to 0.12 reduces the spatial separation of the energy bands and the spatial separation of the wavefunction. As described above, this is an effect due to the reduction of the internal field, and thus, by adding B, the internal quantum efficiency of the ultraviolet light emitting diode can be increased.
  • FIG. 6D it can be seen that the pseudo Fermi level separation ( ⁇ E fc + ⁇ E f ⁇ ) decreases as the B composition ratio increases.
  • the pseudo Fermi level separation ( ⁇ E fc + ⁇ E f ⁇ ) is defined as the difference between the energy of the pseudo Fermi level and the energy of the ground state. Accordingly, it can be seen that the luminous efficiency improves with the addition of B. However, when the composition ratio of B exceeds 0.8, the value of ⁇ E fc + ⁇ E f ⁇ is lower than ⁇ E fc , and it is interpreted that the amount of light of TE-polarized light decreases with increasing B again.
  • the matrix element is related to the transition probability of electrons and holes, and as the TE optical matrix element increases, the emission intensity increases, but the maximum value is determined because the separation energy of the quasi fermi level gradually decreases. .
  • the Al component exceeds 0.5, the optimum point disappears because the TE optical matrix element suddenly decreases regardless of the separation energy of the pseudo Fermi level. Therefore, while satisfying the above relation, satisfying 0 ⁇ y ⁇ 0.5 and 0 ⁇ x ⁇ y, the TE optical matrix element can be maximized to obtain higher luminous efficiency.
  • the second conductivity type semiconductor layer 500 is located on the active layer 400.
  • the second conductivity-type semiconductor layer 500 may include a nitride semiconductor such as (Al, Ga, In) N, and may include, for example, AlGaN or GaN.
  • the second conductivity-type semiconductor layer 500 may be doped with a conductivity type opposite to that of the first conductivity-type semiconductor layer 300, and may have, for example, a p-type conductivity type including an Mg dopant.
  • the second conductivity-type semiconductor layer 500 may further include a delta doping layer (not shown) for lowering ohmic contact resistance, and may further include an electron blocking layer (not shown).
  • an ultraviolet light emitting diode having improved internal quantum efficiency, increased TE polarized light, improved light extraction efficiency, and increased emission intensity can be provided.
  • the ultraviolet light emitting diode may implement ultraviolet light of various wavelengths, and in particular, an ultraviolet light emitting diode that emits deep ultraviolet light (including light in the UVC band) may be provided.
  • the structure of the ultraviolet light emitting diode of FIG. 1 may be modified in various forms. For example, by performing an additional process to the ultraviolet light emitting diode structure of FIG. 1, light emitting diodes having various known structures, such as a horizontal type, a vertical type, or a flip chip type, may be implemented.

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Abstract

자외선 발광 다이오드가 개시된다. 자외선 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층; 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며, 장벽층 및 BxAlyGa(1-x-y)N을 포함하는 우물층을 포함하는 활성층; 및 활성층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 0＜y＜0.5 및 0＜x＜y이며, y = -5x + (0.5~0.7)의 관계식을 만족한다.

Description

자외선 발광 다이오드
본 발명은 자외선 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히, 내부 양자 효율이 향상될 수 있는 활성층 구조를 갖는 자외선 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드는 전자와 정공의 재결합으로 발생하는 광을 방출하는 무기 반도체 소자로, 특히, 자외선 발광 다이오드는 UV 경화, 살균, 백색 광원, 의학 분야, 및 장비 부속 부품 등으로 이용될 수 있어서, 그 이용 범위가 증가하고 있다. 특히, 근자외선(약 340nm 내지 약 300nm 범위의 피크 파장을 갖는 광) 발광 다이오드에 비해, 더 짧은 파장의 광을 방출하는 심자외선(약 340nm 이하의 피크 파장을 갖는 광, 나아가, 약 200nm 내지 약 340nm 범위의 피크 파장을 갖는 광) 발광 다이오드는 UV-C 영역의 광에 대한 발광 강도가 강하다. 따라서, 이러한 심자외선 발광 다이오드는 살균, 정수, 생화학 분야에서의 검출 수단, 의학 등 다양한 분야에서 다양한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
자외선 발광 다이오드를 제조하기 위해서, 자외선 대역의 발광 파장에 대응하는 밴드갭 에너지를 갖는 물질로 활성층을 제조한다. 따라서, 질화물 반도체를 이용하여 제조되는 자외선 발광 다이오드의 활성층은 Al을 포함하는 질화물 반도체를 포함하고, 예컨대, 우물층이 AlGaN으로 형성되고 장벽층이 AlGaN 또는 AlN로 형성된 활성층이 자외선 발광 다이오드에 채택된다. 이때, 상대적으로 짧은 피크 파장의 광을 방출시키기 위해서 더 높은 Al 조성비를 갖는 질화물 반도체층이 활성층에 적용될 것이 요구된다.
또한, AlGaN 기반의 활성층을 포함하는 자외선 발광 다이오드는, GaN 또는 InGaN 기반의 활성층과 달리 TM(transverse-magnetic) 편광된 광이 방출된다. 일반적으로, AlGaN 기반의 활성층에서 Al의 함량이 높아질수록 TM 편광된 광의 비율이 높은 것으로 알려져 있으며, AlN의 경우 거의 90% 이상의 광이 TM 편광된 광으로 방출된다. TM 편광된 광은 활성층의 평면에 수평한 방향으로 방출되고, TE(transverse-electric) 편광된 광은 활성층의 평면에 수직한(normal)한 방향으로 방출되므로, 이러한 방향적 특징에 따라 TM 편광된 광은 TE 편광된 광에 비해 광 추출 효율이 낮다. 따라서 TM 편광된 광의 비율이 높아질수록 자외선 발광 다이오드의 발광 효율이 저하된다.
이와 같이, AlGaN을 포함하는 활성층의 특성은 일반적인 청색 발광 다이오드의 특성과 달라, 자외선 발광 다이오드의 내부 양자 효율을 증가시킬 수 있는 활성층의 구조가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 발광 효율이 높은, 특히, 내부 양자 효율이 향상되어 광량이 증가된 자외선 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 자외선 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며, 장벽층 및 BxAlyGa(1-x-y)N을 포함하는 우물층을 포함하는 활성층; 및 상기 활성층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 0＜y＜0.5 및 0＜x＜y이며, y = -5x + (0.5~0.7)의 관계식을 만족한다.
상기 장벽층은 AlzGa(1-z)N (0＜z≤1)을 포함할 수 있고, 상기 장벽층은 상기 우물층보다 큰 밴드갭 에너지를 가질 수 있다.
상기 y는 0초과 0.2이하이고, 0＜x≤0.12일 수 있다.
또한, 0.06≤x≤0.10일 수 있다.
상기 y는 0.2이상 0.4이하이고, 0＜x≤0.07일 수 있다.
나아가, 0.02≤x≤0.06일 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 활성층에서 방출되는 광에서, TE-편광된 광의 광량은 TM-편광된 광의 광량보다 클 수 있다.
본 발명에 따르면, 자외선 발광 다이오드가 BAlGaN을 포함하는 우물층을 포함하여, 내부 양자 효율이 향상된 자외선 발광 다이오드가 제공된다. 또한, 소정 범위의 Al 및 B의 조성비를 갖는 BAlGaN 우물층이 형성됨으로써, TE-편광된 광의 광량이 증가될 수 있어, 자외선 발광 다이오드로부터 방출된 광의 실질적인 광량이 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성층의 구조를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예들과 비교예에 따른 발광 다이오드들의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
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 개재된 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하 설명되는 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 통상의 기술자의 필요에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 이하 설명되는 반도체층들은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 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. 반도체층들의 성장 과정에서, 챔버 내에 유입되는 소스들은 통상의 기술자에게 알려진 소스를 이용할 수 있으며, 예를 들어, MOCVD를 이용하여 질화물 반도체층을 성장시키는 경우, Ga 소스로서 TMGa, TEGa 등을 이용할 수 있고, Al 소스로서 TMA, TEA 등을 이용할 수 있으며, In 소스로서 TMI, TEI 등을 이용할 수 있으며, N 소스로서 NH3를 이용할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 구조를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예들에 따른 활성층(400)의 구조를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 자외선 발광 다이오드는 제1 도전형 반도체층(300), 활성층(400) 및 제2 도전형 반도체층(500)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 다이오드는 기판(100) 및 버퍼층(200)을 더 포함할 수 있다.
기판(100)은 질화물 반도체층을 성장시키기 위한 기판이면 한정되지 않으며, 예를 들어, 사파이어 기판, 실리콘 카바이드 기판, 스피넬 기판, 또는 GaN 기판이나 AlN 기판과 같은 질화물 기판 등일 수 있다.
기판(100)은 필요에 따라 생략될 수 있다. 예를 들어, 수직형 발광 다이오드 또는 플립칩형 발광 다이오드 등에서 기판(100)은 반도체층들로부터 분리 및 제거될 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 레이저 리프트 오프, 스트레스 리프트 오프, 화학적 리프트 오프, 또는 래핑이나 폴리싱 등을 통한 물리 화학적 방법을 통해 제거될 수 있다.
버퍼층(200)은 기판(100) 상에 위치한다. 버퍼층(200)은 기판(100) 상에 성장되는 다른 반도체층들이 단결정으로 성장될 수 있도록 돕는 핵층을 포함할 수 있고, 상기 핵층 상에 위치하는 3차원 성장층 및 리커버리층을 포함할 수 있다. 버퍼층(200)은, 또한, 기판(100)과 버퍼층(200) 상에 성장되는 다른 반도체층들 간의 격자상수의 차이에 의한 스트레스를 완화시키는 역할을 할 수 있다. 버퍼층(200)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, GaN, AlGaN 및 AlN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 버퍼층(200)은 AlN를 포함할 수 있다.
한편, 버퍼층(200)은 생략될 수도 있다. 예컨대, 기판(100)과 제1 도전형 반도체층(300)이 동종 물질인 경우, 제1 도전형 반도체층(300)은 버퍼층(200)을 추가로 형성하지 않고도, 기판(100) 상에 성장될 수 있다. 또한, 기판(100)이 분리 및 제거되는 경우, 기판(100) 분리 과정에서 버퍼층(200)도 아울러 제거될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(300)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드는 자외선 대역의 광을 방출하므로, 제1 도전형 반도체층(300)은 상기 자외선 대역의 광을 흡수하지 않는 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형 반도체층(300)을 형성하는 질화물 반도체의 밴드갭 에너지가 상기 자외선 대역의 광의 파장에 대응하는 에너지보다 작은 경우, 상기 자외선 대역의 광은 질화물 반도체에 흡수될 수 있다. 상기 광이 질화물 반도체에 흡수되면, 자외선 발광 다이오드의 발광 효율이 매우 저하될 수 있다.
따라서, 제1 도전형 반도체층(300)은 Al을 포함할 수 있고, 특히, AlGaN을 포함할 수 있다. 이때, 활성층(400)에서 방출되는 광의 파장에 따라 상기 AlGaN의 Al 조성비를 조절할 수 있다. 예를 들어, 활성층(400)에서 방출되는 광의 피크 파장이 400nm 이하인 경우 상기 AlGaN은 약 0.2 이상의 Al 조성비를 가질 수 있고, 활성층(400)에서 방출되는 광의 피크 파장이 300nm 이하인 경우 상기 AlGaN은 약 0.4 이상의 Al 조성비를 가질 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 도전형 반도체층(300)은 n형 또는 p형 도펀트를 포함하여 n형 또는 p형의 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(300) Si, Ge 등과 같은 불순물을 도펀트로서 포함하여 n형으로 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(300)은 단일층일 수 있고, 또는 복수의 층을 포함하는 다중층으로 형성될 수도 있다. 제1 도전형 반도체층(300)이 복수의 층을 포함하는 경우, 클래드층, 컨택층, 또는 초격자층 등을 포함할 수 있다. 나아가, 제1 도전형 반도체층(300)은 연속적으로 조성비가 변화하는 그레디언트층을 포함할 수도 있다.
활성층(400)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물 반도체를 포함할 수 있고, 상기 질화물 반도체의 조성비를 조절하여 원하는 자외선 영역의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 또한, 활성층(400)은 도 2에 도시된 바와 같이, 우물층(410)과 장벽층(420)이 교대로 적층된 다중양자우물구조(MQW)를 포함할 수 있다.
장벽층(420)은 우물층(410)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 질화물 반도체를 포함할 수 있고, AlzGa(1-z)N (0＜z≤1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 장벽층(420)은 AlN로 형성될 수 있다. 장벽층(420)은 우물층(410)에 비해 상대적으로 높은 밴드갭 에너지를 갖는 질화물 반도체로 형성됨으로써, 다수의 캐리어(전자 및 정공)들이 우물층(410)에 집중되도록 한다. 이에 따라, 전자와 정공이 결합할 확률을 증가시킨다.
우물층(410)은 장벽층(420)보다 작은 밴드갭 에너지를 갖는 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 특히, 우물층(410)은 B(붕소)를 포함하며, 예컨대, BxAlyGa(1-x-y)N (0＜x＜1, 0＜y＜1 및 x＜y)을 포함할 수 있다. 우물층(410)이 AlGaN에 더하여 B를 더 포함함으로써, 우물층(410) 내부의 내부장(internal field)의 절댓값을 감소시킬 수 있다. 이는 우물층(410)이 B를 더 포함하여, 격자부정합의 정도가 감소됨으로써 얻어진다. 이에 따라, 활성층(400)에서의 전도대와 가전자대의 공간적 분리(spatial separation)가 감소되어, 전자와 정공의 재결합 효율이 향상될 수 있다. 또한, 전도대와 가전자대의 공간적 분리(spatial separation)가 감소됨에 따라, 발광 다이오드의 전이 파장(transition wavelength)이 증가하는 현상도 방지될 수 있다.
또한, 우물층(410)의 BxAlyGa(1-x-y)N 에 있어서, Al의 조성비는 0 초과 0.5 미만일 수 있다. 이 경우, AlGaN에 B를 첨가하였을 때의 발광 효율 증가 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. Al의 조성비가 0.5 이상인 경우, B의 첨가에 따라 원자가 밴드(valance band) 내의 최상부 서브 밴드가 헤비-홀 밴드에서 결정장 갈라짐 홀 밴드(crystal-field splittoff hole band)로 바뀌어, TE(transverse-electric)-편광된 광이 감소되고 TM(transverse-magnetic)-편광된 광이 증가한다. 즉, Al의 조성비가 0.5 이상인 경우, 발광 다이오드의 발광 효율이 감소된다. 그러므로, 본 실시예의 자외선 발광 다이오드 방출된 광에서, TE-편광된 광의 광량은 TM-편광된 광의 광량보다 크다.
또한, 우물층(410)의 BxAlyGa(1-x-y)N에 있어서, B의 조성비는 Al의 조성비에 대해 일정한 의존성을 갖는다. 상술한 바와 같이, BxAlyGa(1-x-y)N에서 B의 조성비(x)는 Al의 조성비(y)보다 낮다. 예를 들어, Al의 조성비(y)가 0초과 0.2이하인 경우, B의 조성비(x)는 0 초과 0.12 이하일 수 있고, 나아가, B의 조성비(x)는 0.06 이상 0.10 이하일 수 있다. 또 다른 예로서, Al의 조성비(y)가 0.2이상 0.4이하인 경우, B의 조성비(x)는 0 초과 0.07 이하일 수 있고, 나아가, B의 조성비(x)는 0.02 이상 0.06 이하일 수 있다. 나아가, 우물층(410)의 BxAlyGa(1-x-y)N에 있어서, Al 조성비가 높을수록 B의 조성비 최적점이 하향하며 Al조성비와 B 조성비는 서로 선형 관계에 있을 수 있고, y = -5x + (0.5~0.7)의 관계식을 만족할 수 있다. 우물층(410)의 BxAlyGa(1-x-y)N에 있어서, B의 조성비(x) 및 Al의 조성비(y)를 상술한 범위로 결정함으로써, B을 포함하지 않는 AlGaN 우물층을 이용하는 경우에 비해 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 우물층(410)의 구성과 관련하여, 이하 도 3 내지 도 6을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예들과 비교예에 따른 발광 다이오드들의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 3 내지 도 6에서 설명되는 자외선 발광 다이오드 특성은, BxAl0 . 2Ga(0.8-x)N를 포함하는 2.5nm 두께의 우물층 및 AlN을 포함하는 장벽층을 갖는 자외선 발광 다이오드로부터 계산된 값이다. 구체적으로, 도 3은 B의 조성비(x)의 변화에 따른 원자가 밴드 구조(Valance band structure)를 도시하는 그래프들이다. 도 3의 (a) 내지 (c)는 각각 x가 0, 0.06 및 0.12인 경우의 각 서브 밴드의 에너지를 면상 웨이브 벡터(in-plane wave vector; k∥)의 함수로 나타낸 원자가 밴드 구조를 도시한다. 도 4의 (a)는 x가 0, 0.06 및 0.12인 경우의 광학 매트릭스 요소(optical matrix element) 값(│M│2)을 면상 웨이브 벡터(in-plane wave vector; k∥)의 함수로 나타내고, 도 4의 (b)는 B의 조성비에 따른 우물층의 스트레인(strain) 및 내부장(internal field)을 나타낸다. 도 5의 (a)는 x가 0, 0.02, 0.06, 0.10 및 0.12인 경우의 파장에 따른 자발 방출 계수(spontaneous emission coefficient)를 나타내고, 도 5의 (b)는 B의 조성비에 따른 자발 방출 계수(spontaneous emission coefficient)를 나타낸다. 도 6의 (a) 내지 (c)는 x가 0, 0.06 및 0.12인 경우의 포텐셜 프로파일과 파동 함수를 위치에 따라 나타내고, 도 6의 (d)는 B의 조성비에 따른 의사 페르미 준위(Quasi-Fermi level)의 분리를 나타내는 그래프이다.
도 3의 그래프는 셀프 컨시스턴트 솔루션(self-consistent solution)에 따라 도출되었으며, 상기 솔루션은 캐리어 밀도(N2D)가 20×1012 cm-2인 경우를 가정하여 계산되었다. 도 3 및 도 6의 'HHn', 'LHn' 및 'CHn'은 각각 'n번째 헤비-홀 서브밴드', 'n번째 라이트-홀 서브밴드' 및 'n번째 결정장 갈라짐 홀 서브밴드(crystal-field splittoff hole subband)'를 나타낸다.
도 3을 참조하면, B의 조성비(x)에 따라, 각 서브 밴드의 에너지가 변화하는 것을 알 수 있다. 특히, B가 첨가되지 않은 경우((a)), 원자가 밴드의 최상부 서브 밴드는 HH1으로 나타난다. AlGaN에 B가 첨가되면((b), (c)), 결정장 갈라짐 홀 서브밴드(CH1)의 에너지가 증가하여 LH1와 HH2 사이에 위치한다. 한편, AlGaN에 B가 첨가됨에 따라 헤비-홀 유효 질량은 증가하게 되는데, 예를 들어, BAlGaN/AlN 양자우물구조에서 B의 조성비(x)가 0 및 0.12일 때, 헤비-홀 유효 질량은 각각 1.75m0 및 2.97m0로 나타난다.
도 4(a)를 참조하면, B의 조성비(x)가 증가함에 따라 TE-편광된 광의 광량이 증가하는 것을 알 수 있다. 다만, x값이 0.1이상인 경우, 면상 웨이브 벡터(k∥)가 일정 크기 이상으로 증가하면 TE-편광된 광의 광량이 급격히 감소한다. 이는 B의 첨가량이 소정 값 이상이 되는 경우, 원자가 밴드 내의 최상부 서브 밴드가 헤비-홀 밴드(HH)에서 결정장 갈라짐 홀 밴드(CH)로 바뀌기 때문으로 해석된다.
또한, 우물층에 B를 첨가함에 따라, 격자부정합이 감소한다. 나아가, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, B의 조성비(x)가 증가함에 따라 내부장 및 스트레인이 감소하여, 전자와 정공간의 공간적 분리 및 파동함수의 공간적 분리가 감소한다. 이는 곧 내부 양자 효율 증가시켜 자외선 발광 다이오드의 발광 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 도 4(a)에 나타난 바와 같이, 밴드 엣지(k∥=0)에서의 광학 매트릭스 요 값(│M│2)은 B의 조성비(x)가 증가함에 따라 증가한다.
다음, 도 5(a)를 참조하면, B의 조성비(x)가 0에서 0.12까지 증가함에 따라 발광 파장이 짧아지며, TE-편광된 광의 광량이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5(b)를 참조하면, Al의 조성비(y)가 0.5 미만일 때, B을 우물층에 첨가함으로써 TE-편광된 광의 광량이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 우물층에 B을 첨가함으로써, 자외선 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시킨다.
다만, B의 조성비(x)가 소정 비율의 임계값을 초과하는 경우, 발광 다이오드에서 방출되는 광량이 감소하는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 우물층(410)의 BxAlyGa(1-x-y)N에 있어서, Al의 조성비(y)가 0.2인 경우 B의 조성비(x)를 0 내지 0.08까지 증가시키면 광량이 증가하다가, B의 조성비(x)를 0.08 초과로 설정하는 경우 B 조성비의 증가에 따라 광량이 감소한다. 또한, 도 5(b)를 참조하면, Al의 조성비(y)가 0.4인 경우, B의 조성비(x)를 0 내지 0.04까지 증가시키면 광량이 증가하다가, B의 조성비(x)를 0.04 초과로 설정하는 경우 B 조성비의 증가에 따라 광량이 감소한다. 나아가, Al의 조성비(y)가 0.6인 경우, B를 첨가하더라도 광량은 오히려 감소한다.
우물층(410)의 BxAlyGa(1-x-y)N에 B를 소정 조성비 이상으로 첨가하였을 때 광량이 감소하는 것은, 상술한 바와 같이, 원자가 밴드 내의 최상부 서브 밴드가 헤비-홀 밴드(HH)에서 결정장 갈라짐 홀 밴드(CH)로 바뀌기 때문으로 해석된다. 또한, 이는 곧, TE-편광된 광의 광량 감소함과 동시에 TM-편광된 광의 광량이 증가하는 것으로 해석된다.
이어서, 도 6의 (a) 내지 (c)를 참조하면, BxAl0 . 2Ga(0.8-x)N에서 B 조성비(x)를 0.12까지 증가시킴에 따라 에너지 밴드의 공간적 분리가 감소하며, 파동함수의 공간적 분리 역시 감소한다. 이는 상술한 바와 같이, 내부 장의 감소에 의한 효과이며, 이에 따라, B를 첨가함으로써 자외선 발광 다이오드의 내부 양자 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 도 6의 (d)를 참조하면, 의사 페르미 레벨 분리(ΔEfc + ΔEfν)가 B 조성비의 증가에 따라 감소하는 것을 알 수 있다. 이때, 의사 페르미 레벨 분리(ΔEfc + ΔEfν)는 의사 페르미 레벨의 에너지와 바닥 상태의 에너지의 차이로 정의된다. 이에 따라, B의 첨가에 따라 발광 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. 다만, B의 조성비가 0.8을 초과하는 경우, ΔEfc + ΔEfν값이 ΔEfc보다 낮아지게 되어, 다시 B의 증가에 따라 TE-편광된 광의 광량이 감소하는 것으로 해석된다.
즉, 매트릭스 요소는 전자와 정공의 천이확률과 관련이 있으며, TE 광학적 매트릭스 요소가 증가하면 발광 강도가 증가하지만, 의사 페르미 준위(Quasi Fermi level)의 분리 에너지가 점점 감소하기 때문에 최대값이 정해진다. 다만, Al 성분이 0.5를 초과하는 경우, 의사 페르미 준위의 분리 에너지에 관계없이 TE 광학적 매트릭스 요소가 갑자기 감소되므로 최적점이 소멸된다. 따라서 상기 관계식을 만족하면서, 0＜y＜0.5 및 0＜x＜y 를 만족하면 TE 광학 매트릭스 요소가 최대화 되어 보다 높은 발광 효율을 수득할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제2 도전형 반도체층(500)은 활성층(400) 상에 위치한다.
제2 도전형 반도체층(500)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, AlGaN 또는 GaN을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(500)은 제1 도전형 반도체층(300)과 반대의 도전형으로 도핑될 수 있고, 예를 들어, Mg 도펀트를 포함하여 p형의 도전형을 가질 수 있다.
나아가, 제2 도전형 반도체층(500)은 오믹 컨택 저항을 낮추기 위한 델타 도핑층(미도시)을 더 포함할 수 있고, 전자차단층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
상술한 실시예들에 따르면, 내부 양자 효율이 향상되며, TE 편광된 광이 증가되고, 광 추출 효율이 향상되고, 발광 강도가 증가된 자외선 발광 다이오드가 제공될 수 있다. 또한, 상기 자외선 발광 다이오드는 다양한 파장대의 자외선 광을 구현할 수 있으며, 특히, 심자외선(UVC 대역의 광 포함) 광을 방출하는 자외선 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
도 1의 자외선 발광 다이오드의 구조는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 예컨대, 도 1의 자외선 발광 다이오드 구조에 추가적인 공정을 더 수행함으로써, 수평형, 수직형 또는 플립칩형 등 공지된 다양한 구조의 발광 다이오드가 구현될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 상술한 다양한 실시예들 및 특징들에 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.

Claims (7)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며, 장벽층 및 BxAlyGa(1-x-y)N을 포함하는 우물층을 포함하는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    0＜y＜0.5 및 0＜x＜y이며, y = -5x + (0.5~0.7)의 관계식을 만족하는 자외선 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 장벽층은 AlzGa(1-z)N (0＜z≤1)을 포함하고, 상기 장벽층은 상기 우물층보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 자외선 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 y는 0초과 0.2이하이고, 0＜x≤0.12인 자외선 발광 다이오드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    0.06≤x≤0.10인 자외선 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 y는 0.2이상 0.4이하이고, 0＜x≤0.07인 자외선 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    0.02≤x≤0.06인 자외선 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층에서 방출되는 광에서, TE-편광된 광의 광량은 TM-편광된 광의 광량보다 큰 자외선 발광 다이오드.
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