KR100857796B1 - 질화물계 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 초격자층과; 상기 초격자층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층과; 상기 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 활성층과; 상기 활성층 상에 위치하는 제3전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
질화물, 반도체, GaN, 활성층, 초격자층.

Description

질화물계 발광 소자 {Nitride based light emitting diode}
도 1은 종래의 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 종래의 발광 소자 제조과정 중의 결정 결함을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 박막 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 일부 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
10 : 기판 20 : 제1전도성 반도체층
30 : 초격자층 31 : 제1층
32 : 제2층 40 : 버퍼층
50 : 제2전도성 반도체층 60 : 활성층
70 : 제3전도성 반도체층 80 : p-형 전극
90 : n-형 전극
본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.
질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.
이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.
이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장 하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.
상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.
한편, 이러한 GaN 계열 반도체 성장이 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 어려운 이유 중에 하나는 고품질의 기판, 즉, GaN, InN, AlN 등의 물질의 웨이퍼가 존재하지 않기 때문이다.
따라서 사파이어와 같은 이종 기판 위에 LED 구조를 성장하게 되며, 이때 많은 결함이 발생하게 되고, 이러한 결함들은 LED 성능에 큰 영향을 미치게 된다.
이러한 GaN 계열 물질의 LED의 기본 구조는 도 1에서 도시하는 바와 같이, n-형 GaN 반도체층(1)이 위치하고, 이러한 n-형 GaN 반도체층(1)과 인접하여 양자우물구조를 가지는 활성층(2)이 위치하며, 이 활성층(2)과 인접하여 p-형 GaN 반도체층(3)이 위치한다.
이때, 상기 활성층(2)에서의 전하의 구속이 효율적으로 이루어지도록 하기 위하여 활성층(2)과 p-형 GaN 반도체층(3) 사이에 p-형 AlGaN 층(4)이 위치하기도 한다.
이러한 LED 구조에는 n-형 전극(5)과 p-형 전극(6)이 각각 형성되어, 이러한 전극(5, 6)을 통한 전하의 주입에 의하여 발광이 가능하게 된다.
상기 양자우물구조를 가지는 활성층(2)은 양자우물층과 양자장벽층이 반복적 으로 적층되어 있어서, 상기 n-형 반도체층(1)과 p-형 반도체층(3)으로부터 각각 주입되는 전자와 정공이 활성층(2)에서 서로 결합하여 빛을 발산하게 된다.
이러한 LED 구조는 상술한 바와 같이, 사파이어와 같은 이종 기판(7) 위에 성장되며, 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이와 같은 문제로 인하여 상기 LED 구조는, 도 2에서와 같이, 700℃ 이하의 저온에서 성장되는 GaN 버퍼층(8) 위에 형성된다.
따라서, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 관통 전위(threading dislocation: 9)와 같은 결정 결함이 발생하며, 이러한 결정 결함은 상술한 LED 구조에 그대로 전달되게 된다.
결국, 이러한 결정 결함은 LED의 발광이 이루어지는 활성층에도 영향을 미치게 되어 발광특성을 크게 저하시키고 또한, 활성층의 양자장벽층과 양자우물층 사이의 계면특성을 저하시켜서 발광 소자의 발광효율을 크게 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자의 스트레인 및 결정 결함을 조절 또는 억제함으로써 신뢰성 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 초격자층과; 상기 초격 자층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층과; 상기 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 활성층과; 상기 활성층 상에 위치하는 제3전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 초격자층은, 고품질 GaN 층과, 저품질 GaN 층이 교대로 적층되어 이루어질 수 있다.
이러한 초격자층은, GaN 물질로 이루어지는 고온성장층과 저온성장층으로 구성될 수 있고, 또한, GaN 물질로 이루어지는 고속성장층과 저속성장층으로 구성될 수 있다.
상기 고온성장층은 900 내지 1100℃ 사이의 온도에서 성장되고, 상기 저온성장층은 600 내지 800℃ 사이의 온도에서 성장되는 것이 바람직하다.
삭제
상기 초격자층을 이루는 각 층의 두께는 1 내지 2nm인 것이 바람직하다.
상기 초격자층은 GaN 물질로 이루어지는 제1층과 제2층이 반복하여 적층되어 구성되며, 상기 제1층 및 제2층 중 적어도 하나의 종류의 층은 상기 제1전도성 반도체층과 동일한 온도 및 성장속도 조건으로 성장될 수 있다.
한편, 상기 제1전도성 반도체층 및 제2전도성 반도체층은, n-형 반도체층이고, 상기 제3전도성 반도체층은, p-형 반도체층일 수 있다.
상기 활성층은, InGaN 양자우물층과 GaN 양자장벽층을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2전도성 반도체층의 두께는 5 내지 10nm이고, 900 내지 1100℃의 온도에서 성장되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 질화물계 발광 소자의 구조는, 기판(10) 위에 제1전도성 반도체층(20)이 적층되고, 이 제1전도성 반도체층(20) 위에는 GaN 물질의 초격자층(30)이 적층된다.
상기 제1전도성 반도체층(20)은 n-형 반도체층일 수 있으며, 경우에 따라서는 p-형 반도체층이 위치할 수도 있다. 이러한 제1전도성 반도체층(20)은 기판(10) 위에 성장되는 GaN 버퍼층(40) 위에 성장될 수도 있다.
상기 초격자층(30)은 버퍼층(40)과 제1전도성 반도체층(20)에서 전달되는 결정 결함을 차단하고 스트레인을 완화시키는 역할을 할 수 있다.
이러한 초격자층(30) 위에는 고품질의 제2전도성 반도체층(50)이 성장된다.
상기 제2전도성 반도체층(50) 위에는 활성층(60)이 형성되고, 이러한 활성층(60) 위에는 제3전도성 반도체층(70)이 형성된다.
상술한 바와 같이, 제1전도성 반도체층(20)으로 n-형 반도체층이 이용되는 경우, 제2전도성 반도체층(50) 또한 n-형 반도체층이 이용되고, 이때, 상기 제3전도성 반도체층(70)은 p-형 반도체층으로 이루어진다.
도 4에서는 제1전도성 반도체층(20)부터 활성층(60)까지의 세부 구조를 도시하고 있다.
상기 제1전도성 반도체층(20) 위에 위치하는 초격자층(30)은 고품질의 GaN으로 이루어지는 제1층(31)과, 이러한 제1층(31)보다 저품질의 GaN으로 이루어지는 제2층(32)이 반복되어 적층되어 이루어진다.
상기 버퍼층(40) 및 제1전도성 반도체층(20)은 900 내지 1100℃의 온도 조건에서 성장될 수 있고, 본 실시예의 경우에는 1050℃에서 성장된다.
이러한 제1전도성 반도체층(20) 위에 성장되는 초격자층(30)은 성장 속도 및 온도를 변화시켜 결정성이 우수한 제1층(31)과, 결함을 많이 함유한 저품질의 제2층(32)을 교차로 성장하여 초격자 구조를 이루도록 한다.
이때, 상기 제1층(31)은 고온에서 저속으로 성장되어 고품질의 박막을 형성할 수 있다.
즉, 상기 제1층(31)은 제1전도성 반도체층(20) 또는 제2전도성 반도체층(50)과 동일하게 900 내지 1100℃ 사이의 온도에서 성장될 수 있다.
삭제
또한, 상기 제2층(32)은 제1층(31)에 비하여 상대적으로 저온에서 고속으로 성장되어 상대적으로 저품질의 박막을 형성할 수 있다.
삭제
이러한 초격자층(30)을 이루는 각 층(31, 32)의 두께는 1 내지 2nm인 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 초격자층(30)은 GaN 물질로 이루어지는 제1층(31)과 제2층(32)이 반복하여 적층되어 구성되며, 상기 제1층(31) 및 제2층(32) 중 적어도 하나의 종류의 층은 상기 제1전도성 반도체층과 동일한 온도 및 성장속도 조건으로 성장될 수 있다.
이와 같은 초격자층(30) 구조의 성장 과정을 거친 후에는 고온에서 제2전도성 반도체층(50)을 성장시켜 상기 초격자층(30) 구조에 의한 결정성을 향상시킬 수 있다.
즉, 이러한 초격자층(30) 구조는 기판(10) 상측에서 시작되어 버퍼층(40), 제1전도성 반도체층(20)을 통하여 이어지는 격자결함 및 스트레인을 차단할 수 있다.
이러한 초격자층(30) 중 제2층(32)은 상술한 격자결함 및 스트레인을 차단할 수 있고, 이러한 제2층(32) 사이에 위치하는 고품질의 제1층(31)은 제2층(32)에 의하여 저하된 박막의 품질을 회복시킬 수 있다.
또한 이러한 초격자층(30) 위에 고온으로 성장되는 제2전도성 반도체층(50)은 열처리를 수행하는 효과가 있다.
이러한 고온의 열처리 효과는 특히, 수직형 발광 소자 구조를 형성할 경우에 금속 지지판이 존재하므로 추후 열처리를 할 수 없는 단점을 해결할 수 있다.
이와 같이 초격자층(30) 위에 형성된 제2전도성 반도체층(50) 위에는 InGaN/GaN 구조의 활성층(60)이 형성된다.
즉, 상기 활성층(60)은 InGaN 층이 양자우물층으로 이용되고 GaN 층이 양자 장벽층으로 이용될 수 있다.
그 외에 AlGaN 층 또는 AlInGaN 층도 또한 양자우물층으로 이용될 수 있으며, InGaN 또는 AlInGaN 층이 양자장벽층으로 이용될 수도 있다.
본 발명의 구체적인 실시예로서 성장방법은 다음과 같다.
먼저, 초격자층(30) 구조 성장조건은 1050℃에서 제1전도성 반도체층(20)으로서 n-형 GaN 층을 성장하였다.
그 후 650 내지 750℃로 성장 온도를 낮추고, 성장 속도를 빠르게하여 결함을 많이 함유한 제2층(32)을 성장하고, 이후 다시 온도를 1050℃로 상승 후 결정성이 우수한 제1층(31)을 저속 성장을 하였다.
이러한 제1층(31)과 제2층(32)을 교차하여 성장하여 활성층(60) 내에 유입될 수 있는 전위(dislocation)를 차단하고 스트레인(strain)을 제어하게 되어 발광 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 초격자층(30) 위에 다시 1050℃에서 제2전도성 반도체층(50)으로서 n-형 GaN 층을 성장하였다.
도 5은 상술한 구조를 갖는 수평형 발광 소자의 일례를 나타낸다.
도시하는 바와 같이, 기판(10) 위에 버퍼층(40), 제1전도성 반도체층(20)으로서의 n-형 반도체층, 초격자층(30), 제2전도성 반도체층(50)으로서의 n-형 반도체층, 활성층(60), 및 제3전도성 반도체층(70)으로서의 p-형 반도체층으로 이루어지는 상술한 발광 소자의 구조를 가진다.
이러한 구조에서 제1전도성 반도체층(20)이 드러나도록 식각된 후에 각각 p- 형 전극(80)과 n-형 전극(90)이 구비된 상태를 나타낸다.
또한, 도 6에서는 상술한 구조를 가지는 수직형 발광 소자의 일례를 나타낸다.
상기와 같은 제1전도성 반도체층(20), 초격자층(30), 제2전도성 반도체층(50), 활성층(60), 및 제3전도성 반도체층(70)으로 이루어지는 상술한 발광 소자의 구조가 기판(도시되지 않음)에 형성되고, 이러한 기판은 금속 또는 전도성 반도체층으로 형성되는 지지층(83)이 위치한 상태에서 분리되어 도 6과 같은 상태를 이루게 된다.
상기 제3전도성 반도체층(70)과 지지층(83) 사이에는 p-형 전극(80)이 위치하며, 이러한 p-형 전극(80)은 오믹전극(81)과 반사전극(82)으로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 오믹전극(81)은 투명전극일 수 있다.
이와 같은 형태로 제작되는 발광 소자는 상술한 초격자층(30)의 작용에 의하여 활성층(60)에 전달되는 결정결함 및 스트레인을 완화시킴으로써 발광 효율을 크게 증가시킬 수 있도록 할 수 있는 것이다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.
이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
첫째, 본 발명에 따른 발광 소자는 초격자층에 의하여 활성층의 밴드구조가 개선되어 내부양자효율을 크게 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명의 초격자층은 그 위에 성장되는 활성층에서의 응력 분포와 결정 결함을 제어할 수 있어 광특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 발광 소자에 있어서,
    제1전도성 반도체층과;
    상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 초격자층과;
    상기 초격자층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층과;
    상기 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 활성층과;
    상기 활성층 상에 위치하는 제3전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 초격자층은, GaN 물질로 이루어지는 고온성장층과 저온성장층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 초격자층의 고온성장층은 900 내지 1100℃ 사이의 온도에서 성장되고, 상기 초격자층의 저온성장층은 600 내지 800℃ 사이의 온도에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 초격자층은, GaN 물질로 이루어지는 고속성장층과 저속성장층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 초격자층은 GaN 물질로 이루어지는 제1층과 제2층이 반복하여 적층되어 구성되며, 상기 제1층 및 제2층 중 적어도 하나의 종류의 층은 상기 제1전도성 반도체층과 동일한 온도 및 성장속도 조건으로 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 초격자층을 이루는 각 층의 두께는 1 내지 2nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제1전도성 반도체층 및 제2전도성 반도체층은, n-형 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제3전도성 반도체층은, p-형 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 활성층은, InGaN 양자우물층과 GaN 양자장벽층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제2전도성 반도체층의 두께는 5 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 제2전도성 반도체층은 900 내지 1100℃의 온도에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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