KR101018132B1 - 분극 완화를 위한 질화물 반도체 발광 소자 - Google Patents

Abstract

활성층에서 발생하는 분극을 완화하기 위한 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에서 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 활성층을 포함하고, 상기 양자장벽층 중 적어도 하나는 소정의 인듐 함량과 알루미늄 함량을 가지는 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N(0 < x1 ≤ 1, 0 < y1 ≤ 1, 0 < x1+y1 ≤1)으로 형성된 제1 양자장벽층; 및 상기 제1 양자장벽층의 상부면 또는 하부면에 Al_x2Ga_1-x2-y2In_y2N(0 ≤ x2 < x1, 0 ≤ y2 < y1)으로 형성된 적어도 하나의 제2 양자장벽층을 포함한다.

본 발명에 따라 In의 함량비에 따른 최적의 Al의 함량비를 가지는 제1 양자장벽층을 양자장벽층 내에 형성함으로써, 활성층 내의 응력과 분극을 완화하고, 내부양자효율을 극대화하여 고효율의 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

양자장벽층, 4원계 질화물층, 분극 완화

Description

분극 완화를 위한 질화물 반도체 발광 소자{Nitride semiconductor light emitting device for reducing polarization}

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 활성층에서 발생하는 분극을 완화하기 위한 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

종래의 질화물 반도체 소자에는 예를 들어 GaN계 질화물 반도체 소자를 들 수 있고, 이 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용분야에 있어서 청색/녹색 LED의 발광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다. 특히, 청색/녹색 LED 발광소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며 전 세계적인 매출은 지수함수적으로 증가하고 있는 상황이다.

특히, GaN계 질화물 반도체의 적용 분야중 발광다이오드 및 반도체 레이저 다이오드 등의 발광 소자의 분야에서 마그네슘, 아연 등의 2족 원소가 GaN계 질화물 반도체의 Ga 위치에 도핑된 결정층을 가진 반도체 발광소자는 청색 발광하는 소자로서 주목받고 있다.

이와 같은 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 도 1a에 도시된 바와 같이 다중 양자웰구조를 가진 질화물 반도체 발광 소자를 예로 들 수 있고, 종래의 질화물 반도체 발광 소자(10)는 사파이어 기판(11), n형 질화물층(12), 다중양자우물 구조인 활성층(15) 및, p형 질화물층(17)을 포함한다. 메사에칭된 p 질화물 반도체층(17) 상면에는 투명전극층(18)과 p측 전극(19b)이 순차적으로 형성되며, n형 질화물 반도체층(12)의 노출된 상면에는 n측 전극(19a)이 차례로 형성된다.

일반적으로, 활성층(15)은 도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이 GaN 양자장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로 이루어지고, GaN 양자장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)에는 도 1b에 도시된 바와 같이 전도대(conduction band: E_C)와 가전도대(valence band: E_V)의 높이가 InGaN 양자우물층(15b)의 전체 내에서 일정하다.

그러나, 활성층(15)의 양자장벽층(15a)과 양자우물층(15b)은 격자상수 및 열팽창계수의 차이로 인하여 응력과 변형이 발생하고, 이러한 응력과 변형은 활성층의 밴드 갭이 경사지게 하여 분극 현상을 초래하게 되며, 특히 활성층 내에서 분극 현상(polarization)이 일어나게 되면, 전자의 분포를 나타내는 파동함수(wave function: A)의 최정점은 중심에서 p 질화물 반도체층(17)으로 치우쳐 나타나게 되고, 정공의 파동함수(B)는 n형 질화물층(12)으로 치우쳐 나타나게 된다. 이렇게 전자의 파동함수(A)와 정공의 파동함수(B)는 양자우물층(15b) 내에서 서로 반대쪽에 위치하게 됨에 따라, 전자와 정공의 발광재결합 효율이 두 파동함수가 겹치는 중첩 면적에 비례하는 특성에 의해, 전자와 정공의 발광 재결합 효율은 감소하게 되어 발광량 또한 감소하게 된다.

이와 같이 재결합을 하지 못한 전자와 정공은 양자장벽을 넘어 전자는 p측 전극(19b) 쪽으로, 정공은 n측 전극(19a) 쪽으로 누설되는데, 이러한 현상은 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자의 전형적인 약점인, 전류 밀도가 증가할수록 고전류에서 발광 효율이 감소하는 문제점 중의 하나이다. 그러므로, 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인한 분극 현상의 해소는 고출력 고효율 발광소자를 제조하기 위한 필수적인 요건이 된다.

본 발명은 활성층에서 발생하는 분극을 완화하기 위한 양자장벽층과 양자우물층을 구비하여 고출력 고효율의 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에서 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 활성층을 포함하고, 상기 양자장벽층 중 적어도 하나는 소정의 인듐 함량과 알루미늄 함량을 가지는 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N(0 < x1 ≤ 1, 0 < y1 ≤ 1, 0 < x1+y1 ≤1)으로 형성된 제1 양자장벽층; 및 상기 제1 양자장벽층의 상부면 또는 하부면에 Al_x2Ga_1-x2-y2In_y2N(0 ≤ x2 < x1, 0 ≤ y2 < y1)으로 형성된 적어도 하나의 제2 양자장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에서 상기 제1 양자장벽층은 In의 함량비(y1)가 0 < y1 < 0.25 이고, Al의 함량비(x1)가 0 < x1 < 0.48 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 제2 양자장벽층은 상기 제1 양자장벽층의 하부면에 GaN으로 형성된 제 1 질화물층; 및 상기 제1 양자장벽층의 상부면에 GaN으로 형성된 제 2 질화물층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 제1 양자장벽층은 1 nm ~ 20 nm의 두께를 가지고, 상기 제2 양자장벽층은 1 nm ~ 10 nm의 두께를 가지며, 상기 제1 양자장벽층을 포함한 양자장벽층은 3 nm ~ 30 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 양자우물층은 In_xGa_{1 - x}N (0< x ≤1)으로 이루어진 층인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 제1 양자장벽층과 상기 제2 양자장벽층은 동일한 에너지 밴드를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명은 In의 함량비에 따른 최적의 Al의 함량비를 가지는 제1 양자장벽층을 양자장벽층 내에 형성함으로써, 활성층 내의 응력과 분극을 완화하고, 내부양자효율을 극대화하여 고효율의 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 질화물 반도체 발광 소자의 활성층 일부에 대한 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110), n형 질화물층(120), 다중양자우물구조인 활성층(150) 및, p형 질화물층(170)을 포함하고, 메사 에칭된 p형 질화물 반도체층(170) 상면에는 투 명 전극층(180)과 p측　전극(190b)이 형성되며, 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상면에는 n측 전극(190a)이 차례로 형성된다.　여기서, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110)과 n형 질화물층(120) 사이의 격자 부정합을 해소하기 위해 AlN/GaN 등과 같은 버퍼층(도시하지 않음)을 형성하여 구비할 수 있다.

활성층(150)은 양자우물층(150a)과 양자장벽층(150b)이 교대로 다수 적층된 다중양자우물구조로　이루어지고, 양자장벽층(150b)의 일부는 Al이 포함된 제1 양자장벽층(150b2), 즉 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N(0 < x1 ≤ 1, 0 < y1 ≤ 1, 0 < x1+y1 ≤1)을 기준으로 상하 양면에 GaN계 물질의 제 1 및 제 2 갈륨 질화물층(150b1, 150b3)을 제2 양자장벽층으로 구현하여 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제하도록 형성된다.

구체적으로, 활성층(150)에서 발생하는 분극을 완화하기 위해 양자장벽층(150b)중 어느 하나는 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N(0 < x1 ≤ 1, 0 < y1 ≤ 1, 0 < x1+y1 ≤1)으로 이루어진 제1 양자장벽층(150b2)을 1nm ~ 20nm의 두께로 채용하고, In_xGa_1-xN (0 < x ≤1)으로 이루어진 양자우물층(150a)에 대해 격자 상수 및 열팽창계수의 차이가 적은 재질로서 Al_x2Ga_1-x2-y2In_y2N(0 ≤ x2 < x1, 0 ≤ y2 < y1)의 재질, 예를 들어 Al 또는 In을 함유하지 않은 GaN계 물질로 이루어진 제 1 및 제 2 갈륨 질화물(150b1, 150b3)을 제1 양자장벽층(150b2)의 상하 양면에 1nm ~ 10nm의 두께로 형성할 수 있다. 여기서, 제1 양자장벽층(150b2)의 상하 양면에 GaN계 물질의 제 1 및 제 2 갈륨 질화물층(150b1, 150b3)을 구현하지 않고, 제1 양자장벽층(150b2)의 상부면 또는 하부면 일면에만 형성할 수 있으며, 제1 양자장벽층(150b2)을 포함한 양자장벽층(150b)은 3nm ~ 30nm의 두께로 형성될 수 있다.

Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N으로 이루어진 제1 양자장벽층(150b2)을 채용한 이유는, 도 3에 도시된 바와 같이 3.11Å의 격자 상수를 가지는 AlN, 3.19Å의 격자 상수를 가지는 GaN 및 3.54Å의 격자 상수를 가지는 InN 사이에서 양자장벽층(150b)은 종래에 양자장벽층인 GaN의 에너지 밴드갭을 가지면서 In_xGa_1-xN의 양자우물층(150a)과의 격자 부정합을 해소하기 위해 "A" 만큼의 격자 상수 차이를 가지는 지점(B)을 양자장벽층(150b)의 특성 지점으로 판단할 수 있고, 이러한 특성 지점(B)을 만족시키는 제1 양자장벽층을 4원계 질화물로서 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N을 적용하여 In_xGa_1-xN의 양자우물층(150a)에 대한 격자 상수 차이에 의한 응력 발생을 방지하도록 구현할 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N의 제1 양자장벽층(150b2)은 In의 함량비(y1)가 0.2인 경우(Ⅲ)를 적용한 경우, 분극 발생의 경계 그래프(Ⅰ)와 종래의 양자장벽층인 GaN의 에너지 밴드갭을 나타낸 그래프(Ⅱ)에 대해 Al의 함량비(x)는 0 < x1 < 0.48의 범위를 가지는 것을 알 수 있고, 이에 따라 Al의 함량비(x)를 가진 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N의 제1 양자장벽층(150b2)은 상하 양면 또는 일면에 GaN계 물질로 이루어진 갈륨 질화물층(150b1, 150b3)의 제2 양자장벽층을 포함하여 종래의 양자장벽층인 GaN의 에너지 밴드를 가지고 발생한 분극을 완화할 수 있다. 여기서, 제1 양자장벽층(150b2)과 갈륨 질화물층(150b1, 150b3) 모두는 종래의 양자장벽층인 GaN의 에너지 밴드와 동일한 에너지 밴드를 가지도록 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따라 양자장벽층(150b)과 양자우물층(150a)이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층(150)에서, In 함량비(y1)가 0 < y1 < 0.25 이고 Al의 함량비(x1)가 0 < x < 0.48 인 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N의 제1 양자장벽층(150b2)과 양면 또는 일면에 Al_x2Ga_1-x2-y2In_y2N으로서 GaN으로 이루어진 갈륨 질화물층(150b1, 150b3)을 포함한 양자장벽층(150b) 및 In_xGa_1-xN의 양자우물층(150a)을 교대로 형성하여, 양자우물층(150a)과 양자장벽층(150b) 사이의 격자 상수 차이에 의한 응력을 완화하고 발생한 분극을 완화함으로써, 예를 들어 청색 발광을 수행하는 질화물 반도체 발광 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명한다. 여기서, 질화물 반도체 발광 소자의 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)를 제조하기 위해서, 먼저 기판(110) 상에 n형 질화물층(120)을 성장시킨다.

n형 질화물층(120)의 성장을 위해서 예를 들어, NH₃, 트리메탈갈륨(TMG), 및 Si과 같은 n형 도펀트를 포함한 실란 가스를 공급하여 기판(110) 상에 소정 두께로 n-GaN층을 n형 질화물층(120)으로 성장시킨다. 여기서, 기판(110)과 n형 질화물 층(120) 사이에 격자 부정합을 해소하기 위해 AlN/GaN과 같은 버퍼층(도시하지 않음)을 형성하여 구비할 수 있다.

n형 질화물층(120)이 형성된 후, n형 질화물층(120)상에 활성층(150)을 성장시킨다. 여기서, 활성층(150)은 양자우물층(150a)과 양자장벽층(150b)이 교대로 다수 적층된 다중양자우물구조로　이루어지되, 양자장벽층(150b)의 일부는 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N의 제1 양자장벽층(150b2)과 제1 양자장벽층(150b2)의 양면에 Al_x2Ga_1-x2-y2In_y2N의 GaN계 물질로 이루어진 갈륨 질화물층(150b1, 150b3)을 제2 양자장벽층으로 포함하고, 양자우물층(150a)은 예를 들어 In_xGa_1-xN 으로 이루어져 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제하도록 형성된다.

구체적으로, 활성층(150)을 형성하기 위해 먼저 n형 질화물층(120)의 상부면에 InGaN로 이루어진 양자우물층(150a)을 형성하기 위해, 780℃의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH₃, TMG, 및 트리메틸인듐(TMI)을 공급하여, InGaN로 이루어진 양자우물층(150a)을 30 내지 100Å의 두께로 성장시킬 수 있다.

n형 질화물층(120)의 상부면에 양자우물층(150a)을 형성한 후, 양자우물층(150a)의 상부면에 Al_x2Ga_1-x2-y2In_y2N으로 이루어진 제 1 갈륨 질화물층(150b1)을 1nm 내지 10nm의 두께로 성장시켜 형성할 수 있다.

제 1 갈륨 질화물층(150b1)을 형성한 후, Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N의 제1 양자장벽층(150b2)을 형성하되, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법으로 소정의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH₃, TMG, 트리메틸알루미늄(TMA) 및 트리메틸인듐(TMI)을 공급하여, Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N으로 이루어진 제1 양자장벽층(150b2)을 형성한다. 여기서, 제1 양자장벽층(150b2)은 In 함량비(y)가 0 < y1 < 0.25 이고 Al의 함량비(x1)가 0 < x1 < 0.48 인 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N의 4원계 질화물로 성장시킨 층으로 형성할 수 있다.

Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N의 제1 양자장벽층(150b2)을 형성한 후, 제1 양자장벽층(150b2)의 상부면에 제 1 갈륨 질화물층(150b1)과 동일하게 Al_x2Ga_1-x2-y2In_y2N으로 이루어진 제 2 갈륨 질화물층(150b3)을 1nm 내지 10nm의 두께로 성장시켜 형성할 수 있다.

이후, 형성된 제 2 갈륨 질화물층(150b3)의 상부면에 전술한 바와 같이 InGaN로 이루어진 양자우물층(150a)을 성장시킬 수 있으며, 이와 같은 양자우물층(150a)과 양자장벽층(150b)을 교대로 다수 적층된 다중양자우물구조를 가지는 활성층(150)을 형성할 수 있다.

이와 같이 활성층(150)을 형성한 후, 일반적인 질화물 반도체 발광소자와 동일하게 활성층(150)에 대해 p형 질화물층(170)을 형성하고 에칭하며, 에칭된 p형 질화물 반도체층(170) 상면으로 투명 전극층(180)과 p측　전극(190b)이 형성되며, 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상면에는 n측 전극(190a)이 차례로 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 도 4에 도시된 분극 발생의 경계 그래프(Ⅰ)와 종래의 양자장벽층인 GaN의 에너지 밴드갭을 나타낸 그래프(Ⅱ)를 근거로 하여, In의 함량비(y1)에 따른 최적의 Al의 함량비(x1)를 설정하여, In_xAl_yGa_1-x-yN의 4원계 질화물로 이루어진 제1 양자장벽층(150b2)을 양자장벽층(150b) 내에 형성함으로써, 활성층(150) 내의 응력과 분극을 완화하고, 내부양자효율을 극대화하여 고효율의 질화물 반도체 발광소자를 구현할 수 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1a는 종래의 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도.

도 1b는 도 1a에 도시된 질화물 반도체 발광 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양자장벽층의 4원계 질화물의 격자 상수를 설명하기 위한 격자상수와 에너지 밴드갭에 관한 그래프.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양자장벽층의 4원계 질화물의 인듐 함량비와 알루미늄 함량비에 관한 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 질화물 반도체 발광 소자 110: 기판

120: n형 질화물층 150: 활성층

150a: 양자우물층 150b: 양자장벽층

150b1: 제 1 질화물층 150b2: 제1 양자장벽층

150b3: 제 2 질화물층 170: p형 질화물층

180: 투명 전극층 190a: n측　전극

190b: p측 전극

Claims (8)

1. n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에서 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 활성층을 포함하고,

   상기 양자장벽층 중 적어도 하나는

   소정의 인듐 함량과 알루미늄 함량을 가지는 Al_x1Ga_1-x1-y1In_y1N(0 < x1 ≤ 1, 0 < y1 ≤ 1, 0 < x1+y1 ≤1)으로 형성된 제1 양자장벽층; 및

   상기 제1 양자장벽층의 상부면 또는 하부면에 Al_x2Ga_1-x2-y2In_y2N(0 ≤ x2 < x1, 0 ≤ y2 < y1)으로 형성된 적어도 하나의 제2 양자장벽층을 포함하며,

   상기 제1 양자장벽층 및 제2 양자장벽층은 동일한 에너지 밴드를 갖되, 서로 다른 조성을 갖고,

   상기 제2 양자장벽층은, 상기 제1 양자장벽층의 하부면에 GaN으로 형성된 제1 질화물층과, 상기 제1 양자장벽층의 상부면에 GaN으로 형성된 제2 질화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 양자장벽층은 In의 함량비(y1)가 0 < y1 < 0.25 이고, Al의 함량비(x1)가 0 < x1 < 0.48 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 양자장벽층은 1 nm ~ 20 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 양자장벽층은

   1 nm ~ 10 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 양자장벽층을 포함한 양자장벽층은

   3 nm ~ 30 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 양자우물층은 In_xGa_{1 - x}N (0< x ≤1)으로 이루어진 층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
8. 삭제

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