KR101583276B1 - 전류 분산을 위한 다층 구조체를 갖는 발광 다이오드 - Google Patents

전류 분산을 위한 다층 구조체를 갖는 발광 다이오드 Download PDF

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Abstract

전류 분산을 위한 다층 구조체를 갖는 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 n형 콘택층, p형 콘택층, 상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 개재된 활성영역 및 상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 개재된 다층 구조체를 포함한다. 상기 다층 구조체는 제1 고농도 도핑층, 제2 고농도 도핑층, 상기 제1 고농도 도핑층과 상기 제2 고농도 도핑층 사이에 개재된 언도프트 층, 및 상기 언도프트 층과 상기 제1 고농도 도핑층 사이에 개재된 저농도 도핑층을 포함한다. 상기 저농도 도핑층은 상기 제1 고농도 도핑층, 언도프트 층 및 상기 제2 고농도 도핑층에 비해 두껍다. 상기 다층 구조체를 채택함으로써 발광 다이오드의 전류 분산 성능을 개선할 수 있으며 따라서 정전 방전 특성을 향상시킬 수 있다.
발광 다이오드, 정전 방지, 콘택층, GaN

Description

전류 분산을 위한 다층 구조체를 갖는 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE HAVING MULTI-LAYERED STRUCTURE FOR CURRENT SPREADING}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류 분산을 위한 다층 구조체를 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물계 반도체는 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신 기기의 광원으로 자외선, 청/녹색 발광 다이오드(light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(laser diode)에 널리 이용되고 있다. 이러한 질화물계 발광 소자는 n형 및 p형 질화물반도체층 사이에 위치한 InGaN 계열의 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하며, 상기 활성영역 내의 양자우물층에서 전자와 정공이 재결합하는 원리로 빛을 생성시켜 방출시킨다.
이러한 발광 다이오드에 정전기와 같은 고전압이 인가될 경우, 발광 다이오드가 손상될 수 있으며, 따라서 정전기 등에 대한 내성을 확보할 필요가 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 기판(11), 핵층(13), 언도프트 GaN층(15), n형 콘택층(17), 다층 구조체(20), 활성영역(25), p형 콘택층(27), 투명전 극(29), p-전극(31) 및 n-전극(33)을 포함한다.
이러한 종래의 발광 다이오드는 n형 콘택층(17)과 p형 콘택층(27) 사이에 다중양자우물 구조의 활성영역(25)을 포함하여 발광 효율을 개선하고 있으며, 다중양자우물 구조 내의 InGaN 우물층의 In 함량을 조절하여 원하는 파장의 광을 방출할 수 있다. 또한, p형 콘택층(27) 상에 ITO와 같은 투명전극(27)을 형성하여 전류가 p형 콘택층(27) 내에 균일하게 분산되도록 하고 있다.
한편, n형 콘택층(17)과 활성 영역(25) 사이에 다층 구조체(20)가 개재되어 전자의 분산을 도모하고 있다. 상기 다층 구조체(20)는 약 100nm 두께의 n형 도핑층(19)과 약 100nm 두께의 언도프트 층(21)으로 구성된다.
그러나 상기 다층 구조체(20)를 채택한 발광 다이오드의 경우, 약 1000V의 정전압를 인가한 후의 수율이 약 18%에 불과하여 정전 방지 특성이 매우 취약한 실정이다.
발광 다이오드에서 정전 방전 특성은 전류 분산 성능과 밀접하게 관련이 있으며, 전류분산이 성능이 좋지 않을 경우, 정전 방전 특성이 나쁘게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전류 분산 성능을 개선하여 정전 방전 특성이 향상된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는, n형 콘택층; p형 콘택층; 상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 개재된 활성영역; 및 상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 개재된 다층 구조체를 포함한따. 상기 다층 구조체는 제1 고농도 도핑층, 제2 고농도 도핑층, 상기 제1 고농도 도핑층과 상기 제2 고농도 도핑층 사이에 개재된 언도프트 층, 및 상기 언도프트 층과 상기 제1 고농도 도핑층 사이에 개재된 저농도 도핑층을 포함한다. 또한, 상기 제1 고농도 도핑층이 상기 제2 고농도 도핑층에 비해 상기 n 콘택층 측에 가깝게 위치하고, 상기 저농도 도핑층은 상기 제1 고농도 도핑층, 언도프트 층 및 상기 제2 고농도 도핑층에 비해 두껍다. 제1 고농도 도핑층과 언도프트 층 사이에 상대적으로 두꺼운 저농도 도핑층을 개재함으로써 발광 다이오드의 정전 방전 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 언도프트 층은 상기 제1 고농도 도핑층 및 상기 제2 고농도 도핑층에 비해 두꺼울 수 있다.
상기 제1 고농도 도핑층, 제2 고농도 도핑층, 언도프트 층 및 상기 저농도 도핑층은 동일한 조성의 질화갈륨계 화합물 반도체층, 예컨대 GaN로 형성될 수 있 다.
나아가, 상기 저농도 도핑층과 상기 언도프트 층 사이에 제3 고농도 도핑층이 개재될 수 있으며, 상기 제3 고농도 도핑층 또한 GaN로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 고농도 도핑층들과 저농도 도핑층 및 언도프트 층을 조합한 다층 구조체를 채택함으로써 발광 다이오드의 전류 분산 성능을 개선할 수 있으며, 따라서 발광 다이오드의 정전 방전 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 발광 다이오드는 n형 콘택층(57), 다층 구조체(60), 활성영역(65) 및 p형 콘택층(67)을 포함한다. 또한, 상기 발광 다이오드는 기판(51), 핵층(53) 및 버퍼층(55)을 포함할 수 있으며, n형 클래드층 및 p형 클래드층(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 p형 콘택층(67) 상에 투명전극(69) 및 p-전극(71)이 위치하고, n형 콘택층(57) 상에 n-전극(73)이 위치할 수 있다.
상기 기판(51)은 질화갈륨계 반도체층을 성장시키기 위한 기판으로, 사파이어, SiC, 스피넬 등 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 패터닝된 사파이어 기판(PSS)일 수 있다.
상기 핵층(53)은 기판(51) 상에 버퍼층(55)을 성장시키기 위해 400~600℃의 저온에서 (Al, Ga)N로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 GaN 또는 AlN로 형성된다. 상기 핵층은 약 25nm의 두께로 형성될 수 있다.
버퍼층(55)은 기판(51)과 n형 콘택층(57) 사이에서 전위와 같은 결함발생을 완화하기 위한 층으로, 상대적으로 고온에서 성장된다. 상기 n형 콘택층(57)은 Si 또는 Ge 등 n형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 InGaN층으로 형성될 수 있으며, 변조도핑층으로 형성될 수 있다.
활성영역(65)은 장벽층과 InGaN 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 상기 장벽층은 양자우물층에 비해 밴드갭이 넓은 질화갈륨계 반도체층, 예컨대, GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN로 형성될 수 있다. InGaN 양자우물층 내의 In 조성비는 원하는 광 파장에 의해 결정된다.
상기 n형 콘택층(57)과 상기 활성 영역(65) 사이에 다층 구조체(60)가 개재된다. 상기 다층 구조체(60)는 상기 n형 콘택층(57)측에 가깝게 위치하는 제1 고농도 도핑층(59a) 및 상기 활성 영역(65)측에 가깝게 위치하는 제2 고농도 도핑층(59c)을 포함한다. 상기 제1 고농도 도핑층(59a)과 제2 고농도 도핑층(59c) 사이 에 언도프트 층(63)이 개재되고, 상기 제1 고농도 도핑층(59a)과 상기 언도프트 층(63) 사이에 저농도 도핑층(61)이 개재된다. 또한, 상기 저농도 도핑층(61)과 언도프트 층(63) 사이에 제3 고농도 도핑층(59b)이 개재될 수 있다. 상기 다층 구조체(60)는 동일한 조성의 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층들, 예컨대 GaN로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 저농도 도핑층(61)은 상기 제1 내지 제3 고농도 도핑층들(59a, 59b, 59c)에 비해 낮은 농도로 불순물, 예컨대 Si이 도핑된 층이다. 상기 저농도 도핑층(61)은 예컨대 약 1~5×1018 cm-3 농도의 Si이 도핑될 수 있다. 또한, 상기 제1 내지 제3 고농도 도핑층(59a, 59b, 59c)은 예컨대 약 5~20×1018 cm-3 농도의 Si이 도핑될 수 있다. 한편, 상기 언도프트 층(63)은 의도적으로 불순물을 도핑하지 않은 층으로 약 1×1018 cm-3 이하의 불순물 농도를 가질 수 있다.
한편, 상기 저농도 도핑층(61)은 상기 제1 내지 제3 고농도 도핑층들((59a, 59b, 59c) 및 언도프트 층(63)에 비해 상대적으로 큰 두께를 갖는다. 또한, 상기 언도프트 층(63)은 상기 제1 내지 제3 고농도 도핑층들((59a, 59b, 59c)에 비해 상대적으로 두꺼운 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 제1 내지 제3 고농도 도핑층들((59a, 59b, 59c)은 20 ~ 40nm의 두께를 가지며 상기 언도프트 층(63)은 40 ~ 80 nm의 두께를 갖고, 상기 저농도 도핑층(61)은 120~200 nm의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 다층 구조체(60)는 n형 콘택층(57) 및 활성 영역(65)에 접촉할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다층 구조체(60)와 n형 콘택층(57) 사이에 다른 층이 개재될 수 있다. 또한, 상기 다층 구조체(60)와 활성 영역(65) 사이에 n형 클래드층(도시하지 않음)이 개재될 수 있다.
한편, 상기 활성 영역(65)과 p형 콘택층(67) 사이에 p형 클래드층(도시하지 않음)이 개재될 수 있다. 상기 n형 클래드층 및 p형 클래드층(도시하지 않음)은 각각 AlGaN 또는 AlGaN층을 포함하는 초격자 구조로 형성될 수 있다.
한편, p형 콘택층(67)은 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있으며, 내부에 변조 도핑층을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 p형 콘택층(67)은 제1 p형 GaN층, 변조도핑층 및 제2 p형 GaN층을 이 순서로 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 p형 GaN층은 MOCVD 기술을 이용하여 약 950℃ 온도에서 성장될 수 있으며, p형 불순물로서 예컨대, 약 1~5×1018 cm-3 농도의 Mg가 도핑될 수 있다. 안정된 공정 진행을 위해, 상기 제1 및 제2 p형 GaN층은 동일한 도핑농도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 변조도핑층은 p형 불순물이 도핑된 InGaN층과 언도프트 InGaN층이 교대로 적층되며, 7 내지 15 주기 성장될 수 있다. 상기 InGaN층에는 제1 및 제2 p형 GaN층보다 낮은 농도, 예컨대 약 1×1017~1×1018 cm-3 정도의 Mg가 도핑될 수 있다. 이들 InGaN층들은 불순물 도핑 유무를 제외하면 동일한 조성으로 형성된다. 따라서, 상기 변조도핑층은 p형 불순물의 소스 가스, 예컨대 Cp2Mg의 공급 및 중단을 반복하면서 동일온도에서 연속적으로 성장될 수 있다.
상기 변조도핑층은 도핑된 InGaN층과 언도프트 InGaN층이 반복되므로, 전류가 도핑된 InGaN층 내에서 쉽게 분산될 수 있고, 그 결과, p형 콘택층 내에서 전류 가 고르게 분산된다.
한편, 상기 p형 콘택층 상에 Ni/Au 또는 인디움 틴 산화막(ITO)과 같은 투명 전극(69)이 형성될 수 있으며, 그 위에 p-전극(71)이 예컨대 리프트오프 공정으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 n형 콘택층(57) 상에 Ti/Al 등의 n-전극(73)이 리프르오프 공정으로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 다층 구조체 내의 전류 분산을 설명하기 위해 다층 구조체(60)를 확대 도시한 개략 단면도이다.
제1 내지 제3 고농도 도핑층들(59a, 59b, 59c)은 두께가 상대적으로 얇고 또한 고농도로 도핑되어 전자의 이동도가 크기 때문에, 전자가 빠르게 이동하여 전류 분산이 발생되지 않는다. 한편, 저농도 도핑층(61) 내에서는 전자의 이동도가 상대적으로 느리고 또한 저농도 도핑층(61)의 두께가 두껍기 때문에 전자들의 분산이 완만하게 일어난다. 또한, 언도프트 층(63) 내에서는 전자의 이동도가 매우 느려져 전류 분산이 상대적으로 많이 일어난다. 따라서, 저농도 도핑층(61)과 언도프트 층(63)의 조합에 의해 전류 분산 성능이 개선된다.
본 실시예에 있어서, 제3 고농도 도핑층(59b)이 저농도 도핑층(61)과 언도프트 층(63) 사이에 개재된 것으로 설명하였지만, 제3 고농도 도핑층(59b)은 생략될 수도 있다.
본 실시예에 있어서, 수평형 구조의 발광 다이오드를 예로서 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형 구조의 발광 다이오드에 적용될 수도 있다.
(실시예)
사파이어 기판 상에 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 다층 구조체(60)를 채택한 발광 다이오드들을 형성하였다. 이때, 상기 다층 구조체의 제1 내지 제3 고농도 도핑층들(59a, 59b, 59c)은 모두 20nm의 두께로 약 1×1019 cm-3 의 농도로 Si이 도핑되었으며, 저농도 도핑층(61)은 150nm의 두께로 약 4×1018 cm-3 의 농도로 Si이 도핑되었다. 또한, 언도프트 층(63)은 50nm의 두께로 형성되었으며, 1×1018 cm-3 이하의 Si 농도 분포를 나타내었다. 위 농도는 모두 SIMS 상에서 측정된 값들이다.
한편, 상기 다층 구조체(60) 대신에 도 1의 다층 구조체(20)를 형성하고 다른 조건을 동일하게 하여 발광 다이오드들을 제작하였다. n형 도핑층(19)은 100nm의 두께로 5×1018 cm-3 의 농도로 Si이 도핑되었으며, 언도프트 층(21)은 100nm의 두께로 형성되었다.
사파이어 기판 상에 형성된 발광 다이오드들에 각각 1000V의 정전압을 인가한 후 누설 전류를 측정하여 발광 다이오드들의 불량 여부를 검사하였으며, 그 결과, 본 발명에 따른 발광 다이오드들은 88%의 수율을 나타내었으나, 종래의 발광 다이오드들은 18%의 수율을 나타내었다.
따라서, 본 발명에 따른 다층 구조체(60)를 채택함으로써 전류 분산 성능이 개선되고 그 결과 정전 방전 특성이 급격히 향상된 것을 확인할 수 있었다.
도 1은 종래의 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 다층 구조체 내의 전류 분산을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

Claims (6)

  1. n형 콘택층;
    p형 콘택층;
    상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 개재된 활성영역; 및
    상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 개재된 다층 구조체를 포함하되,
    상기 다층 구조체는 제1 고농도 도핑층, 제2 고농도 도핑층, 상기 제1 고농도 도핑층과 상기 제2 고농도 도핑층 사이에 개재된 언도프트 층, 및 상기 언도프트 층과 상기 제1 고농도 도핑층 사이에 개재된 저농도 도핑층을 포함하고,
    상기 제1 고농도 도핑층이 상기 제2 고농도 도핑층에 비해 상기 n형 콘택층 측에 가깝게 위치하고,
    상기 제1 고농도 도핑층과 상기 제2 고농도 도핑층은 상기 저농도 도핑층에 비해 높은 도핑 농도를 갖고,
    상기 저농도 도핑층은 상기 제1 고농도 도핑층, 언도프트 층 및 상기 제2 고농도 도핑층에 비해 두꺼운 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 언도프트 층은 상기 제1 고농도 도핑층 및 상기 제2 고농도 도핑층에 비해 두꺼운 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 고농도 도핑층, 제2 고농도 도핑층, 언도프트 층 및 상기 저농도 도핑층은 동일한 조성의 질화갈륨계 화합물 반도체층으로 형성된 발광 다이오드.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 질화갈륨계 화합물 반도체층은 GaN인 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 저농도 도핑층과 상기 언도프트 층 사이에 개재된 제3 고농도 도핑층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 내지 제3 고농도 도핑층, 상기 언도프트 층 및 상기 저농도 도핑층은 GaN로 형성된 발광 다이오드.
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