KR20080045943A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이며, 본 발명은, p형 및 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 적어도 하나 이상의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 구조를 갖는 활성층 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성되고, 밴드갭 에너지가 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 양자장벽층 중 인접한 양자장벽층의 밴드갭 에너지보다 낮으며, Al_aY_bGa_1-a-bN (여기서, a는 0 ≤ a ≤ 1이고, b는 0 < b ≤ 1 을 만족함)으로 이루어진 전자주입층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 본 발명에 따르면, 전자주입층과 활성층의 고온성장을 가능하게 하여 결정성을 높이고, 전자주입층에서의 전자주입효율을 향상시켜 광학적 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.

질화물, 발광소자, 전자주입층, 내부양자효율, 이트륨, Yttrium

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도1은 본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2는 (Al,In,Ga)N과 (Al,Y,Ga)N의 3성분계 질화물에서 각각의 함량비에 따른 격자상수와 밴드갭 에너지의 관계도이다.

도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 밴드다이어그램이다.

도4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 전도층의 에너지를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11: 사파이어 기판 12: 버퍼층

13: n형 GaN 14: 전자주입층

15: 활성층 16: 전자차단층

17: p형 GaN층 18: n측 전극

19: p측 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 전자주입층과 활성층의 고온성장을 가능하게 하여 결정성을 높이고, 전자주입층에서의 전자주입효율을 향상시켜 광학적 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

III족 질화물 반도체는 가시광 전체영역뿐만 아니라 자외선 영역에 이르는 넓은 범위의 빛을 발할 수 있다는 특성으로 인해, 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD) 형태의 가시광 및 자외선 LED와 청록색 광소자를 제조하는 물질로 각광을 받고 있다.

이러한 LED를 조명용이나 디스플레이용으로 활용하기 위해서는 고출력일 것이 요구하므로 내부양자효율을 향상시킬 필요가 있다. 이 경우, 내부양자효율은 활성층에서 전자와 정공의 재결합효율에 따라 결정된다.

최근에는 이러한 활성층에서의 내부양자효율을 향상시키기 위해서, 활성층으로 캐리어(carrier)를 효과적으로 주입하기 위한 별도의 층을 추가하거나, 또는, 활성층 내부에서 캐리어의 구속 효과를 향상시키기 위한 방안이 채용되고 있다.

이러한 방안 중 대표적인 것으로, 전자주입층은 n형 질화물층과 활성층 사이에 형성되어 n형 질화물 반도체층에서 방출되는 전자를 상기 활성층으로 보다 효과 적으로 주입하는 기능을 한다.

하지만, 이러한 전자주입층은 주로 인듐(Indium)이 포함된 질화물로 이루어지는데, 인듐의 첨가량이 증가함에 따라, GaN층과의 격자상수의 차이에 의해 전자주입층의 결정성이 저하되는 문제가 있다. 특히, 인듐이 포함된 질화물의 경우, 휘발성이 높아서 고온 성장이 어렵다. 예를 들어, InGaN의 성장온도는 700 ~ 800℃ 정도로 낮은 온도에서 성장되므로 양질의 질화물층을 기대하기 어렵다.

이와 같이, 인듐이 포함된 질화물층으로 이루어진 전자주입층은 저온 성장이 필수적이므로, 저온 성장으로 인해 결정성이 저하될 수 있으며, 특히, 이로 인해, 상기 전자주입층 상에서 성장되는 활성층의 결정성도 낮아진다. 따라서, 전체적인 LED의 광학적 특성이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전자주입층과 활성층을 고온에서 성장할 수 있도록 하여 높은 결정성을 얻고 전자주입층에서 전자주입효율을 향상시켜 광학적 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,

p형 및 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 적어도 하나 이상의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 구조를 갖는 활성층 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성되고, 밴드갭 에너지가 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 양자장벽층 중 인접한 양자장벽층의 밴드갭 에너지보다 낮으며, Al_aY_bGa_1-a-bN (여기서, a는 0 ≤ a ≤ 1이고, b는 0 < b ≤ 1 을 만족함)으로 이루어진 전자주입층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

상기 n형 질화물 반도체층에서 방출된 전자 중에서 많은 수의 전자가 인접한 상기 양자장벽층에 도달하기 위해서, 상기 전자주입층은, 상기 활성층 방향으로 갈수록 밴드갭 에너지가 낮아지는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 전자주입층의 밴드갭 에너지가 낮아지는 형태는 다양한 형태가 될 수 있다. 예를 들어, 선형적으로 감소되는 형태일 수 있으며, 계단형, 지수형 등이 될 수 있다.

바람직하게는, 상기 전자주입층은, 상기 활성층과의 계면에서의 밴드갭 에너지가 상기 양자우물층의 밴드갭 에너지와 거의 동일하게 형성될 수 있다.

한편, 상기 전자주입층의 밴드갭 에너지는 Al_aY_bGa_{1 -a- b}N에서 이트륨(Yttrium)의 함량으로 조절될 수 있으며, 이트륨 함량이 증가할수록 밴드갭 에너지는 낮아지게 된다. 따라서, 바람직하게는, 상기 전자주입층은, 상기 활성층 방향으로 갈수록 이트륨의 함량(b)이 높아지는 것일 수 있다.

다만, 이트륨 함량이 증가하면 격자상수 차이로 인한 응력(stress)의 증가가 야기될 수 있으므로, 바람직하게는, 상기 활성층과의 계면에서의 이트륨의 함량 b는 0 < b ≤ 0.30 을 만족하는 것일 수 있다. 여기서 이트륨의 함량(b)이 0.30인 경우는 전자주입층의 상기 활성층과의 계면에서의 밴드갭 에너지와 상기 양자우물층의 일반적인 밴드갭 에너지가 거의 동일하게 되는 때에 해당한다.

상기와 같이 전자주입층을 이트륨을 포함하는 질화물로 채용하는 경우에는 1000℃ 이상의 고온에서 성장이 가능하여, 인듐을 포함하는 경우에 비하여, 공정을 단순화할 수 있으며, 결정성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시 형태에서, 상기 전자주입층의 두께는 상기 양자장벽층보다 두꺼운 것일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 전자주입층의 두께는 20 ~ 50㎚ 일 수 있다.

이는, 상기 전자주입층이 두꺼울수록 압전효과(Piezoelectricity)에 의해 밴드갭 에너지의 경사가 더 커져서 전자주입효율이 높아지기 때문이다. 이에 따라, 이트륨의 함량 변화를 완만하게 할 수 있어 이트륨의 증가로 인한 응력의 과도한 증가를 방지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 전자주입층 외에도, 상기 활성층의 적어도 하나의 층은, 이트륨을 포함하는 질화물로 이루어질 수 있다. 이 경우, 더욱 바람직하게는, 상기 활성층의 양자우물층은, Al_cY_dGa_{1 -c- d}N (여기서, c는 0 ≤ c ≤ 1이고, d는 0 < d ≤ 1 을 만족함)으로 이루어진 것일 수 있다.

추가적으로, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자는,

상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 밴드갭 에너지가 상기 양자장벽층 중 인접한 양자장벽층의 밴드갭 에너지보다 큰 전자차단층을 더 포함할 수 있다.

상기 전자차단층은 상기 n형 질화물 반도체층에서 제공된 전자가 큰 이동도(mobility)에 의해 p형 질화물 반도체층으로 오버플로잉(overflowing) 되는 것을 방지하는 기능을 한다. 이 경우, 더욱 바람직하게는, 상기 전자차단층은, Al_eY_fGa_{1 -e-f}N (여기서, e는 0 ≤ e ≤ 1이고, f는 0 < f ≤ 1 을 만족함)으로 이루어진 것일 수 있으며, 이트륨을 채용함으로써, 상술한 바와 같이, 결정성을 높일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보다 상세하 게 설명한다.

도1은 본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 상면에 버퍼층(12)이 형성된 사파이어 기판(11)과 상기 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 GaN층(13), 전자주입층(14), 활성층(15), 전자차단층(16) 및 p형 GaN층(17)을 포함한다. 또한, 상기 n형 GaN층(13)과 상기 p형 GaN층(17) 상에 각각 형성된 n측 및 p측 전극(18,19)을 포함하는 구조를 갖는다.

본 실시 형태에서 채용된 상기 전자주입층(14)은 상기 활성층(15) 및 상기 n형 GaN층(13) 사이에 형성되며, Al_aY_bGa_{1 -a- b}N (여기서, a는 0 ≤ a ≤ 1이고, b는 0 < b ≤ 1 을 만족함)으로 이루어진다.

이 경우, 상술한 바와 같이, 상기 전자주입층의 밴드갭 에너지는 이트륨의 함량(b)으로 조절될 수 있으며, 이트륨 함량이 증가할수록 밴드갭 에너지는 낮아지게 된다. 따라서, 바람직하게는, 상기 전자주입층은, 상기 활성층 방향으로 갈수록 이트륨의 함량(b)이 높아지는 것일 수 있다.

다만, 이트륨 함량이 증가하면 격자상수 차이로 인한 응력(stress)의 증가가 야기될 수 있으므로, 상기 활성층과의 계면에서의 이트륨의 함량 b는 0 < b ≤ 0.30을 만족하는 것이 바람직하다. 이에 관한 사항은 도2에서 보다 자세하게 설명하기로 한다.

한편 도3a 및 도3b는 본 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 밴드다이어그램으로, 전자주입효율을 향상시키기 위한 전자주입층의 이트륨 함량의 조절을 설명하기 위한 것이다.

도3a를 참조하면, 전자주입층은 인접한 n형 GaN층과 양자장벽층에 비하여 낮은 밴드갭 에너지를 갖기 때문에, 상기 n형 GaN층에서 방출된 전자가 상기 전자주입층에 수용된 후 활성층으로의 주입이 용이하게 된다.

다만, 도3a의 경우는, 상기 전자주입층이 이트륨의 함량이 일정하게 유지된 상태로 성장된 것이나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 후술할 바와 같이, 상기 활성층 방향으로 갈수록 이트륨 함량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 전자주입층의 밴드갭 에너지를 경사진 형태로 감소시켜 내부양자효율을 향상시킬 수 있다.

도3b는 압전효과를 고려한 경우의 상기 질화물 반도체 발광소자의 밴드다이어그램이다. 도3b와 같이, 압전효과를 고려한 경우에는 전자주입층의 밴드갭 에너지는 활성층으로 갈수록 낮아지므로, 상기 전자주입층과 양자장벽층의 계면 부분으로 상기 n형 GaN층에서 방출된 전자가 모이기가 용이 해지며, 이에 따라 상기 활성 층으로의 전자주입효율도 증가한다. 이 경우, 상기 전자주입층의 두께(t1)가 증가할수록 압전효과에 의한 전자주입효율 향상도 커지게 되며, 바람직한 두께(t1)는 상기 활성층의 인접한 양자장벽층보다 두꺼운 것이 바람직하다.

계속하여 도1을 참조하면, 상기 전자차단층(16)은 상기 활성층(15)과 상기 p형 GaN층(17) 사이에 형성되어 상기 n GaN층(13)에서 공급된 전자가 상기 활성층(25)을 지나 상기 p형 GaN층(17)으로 오버플로잉 되는 것을 방지하는 기능을 하며, 상기 전자주입층(14)과 마찬가지로 Al_eY_fGa_{1 -e- f}N (여기서, e는 0 ≤ e ≤ 1이고, f는 0 < f ≤ 1 을 만족함)으로 이루어질 수 있다.

추가적으로, 상기 활성층(15)의 적어도 하나의 층은 이트륨을 포함하는 질화물로 이루어질 수 있으며, 상기 활성층(15)의 적어도 하나의 층은 양자우물층인 것이 바람직하다.

본 실시 형태와 같이, 이트륨을 포함한 질화물을 사용함으로써, 상기 전자주입층(14)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 이를 도2를 참조하여 설명한다.

도2는 (Al,In,Ga)N과 (Al,Y,Ga)N의 3성분계 질화물에서 각각의 함량비에 따른 격자상수와 밴드갭 에너지의 관계를 도시한 것이다. 여기서, 실선으로 도시된 부분은 AlInGaN 3성분계를, 쇄선으로 도시된 부분은 AlYGaN 3성분계를 나타낸다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, n형 GaN층과의 격자불일치 정도를 최소화하면서 전자주입층으로서 기능을 수행하기 위해서는, GaN과 격자상수 차이가 크게 나지 않으면서도 GaN보다 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 물질이어야 한다.

이 경우, 도2에 도시된 바와 같이, Al_aY_bGa_{1 -a- b}N에서 이트륨의 함량(b)이 증가할수록 밴드갭 에너지는 낮아지나 그에 따른 GaN과의 격자불일치 역시 증가하므로, 바람직한 이트륨 함량(b)은 0 ~ 0.30의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 이를 도2에 점선과 화살표로 표시하였다.

한편, 도2를 참조하면, 인듐에 비하여 이트륨을 포함하는 질화물의 경우가 동일한 밴드갭 에너지를 갖는 경우에도 격자불일치 정도가 더 작은 것을 볼 수 있다. 또한, 이트륨이 포함된 질화물은 인듐의 경우에 비하여 고온성장이 가능하여, 통상적인 질화물 성장온도인 1000℃ 이상에서 성장이 가능하다.

따라서, 본 실시 형태와 같이, 전자주입층으로서 Al_aY_bGa_{1 -a- b}N을 사용하는 경우에는, 높은 결정성을 얻을 수 있으며, 상기 전자주입층 상에 성장되는 활성층의 결정성도 향상시킬 수 있다.

마지막으로, 도4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소 자의 전도층의 에너지를 도시한 것이다.

도4를 참조하면, 상술한 바와 같이, 전자주입층의 밴드갭 에너지는 활성층 방향으로 갈수록 감소되며, 그 형태는 다양한 형태가 될 수 있다. 예를 들면, 상기 전자주입층의 밴드갭 에너지는 계단형(도4a), 선형(도4b), 곡선형(도4c) 등의 형태로 감소할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전자주입층과 활성층을 고온에서 성장할 수 있도록 하여 결정성을 향상시킬 수 있고 전자주입층에서 전자주입효율을 향상시켜 광학적 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.

Claims (12)

1. p형 및 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 적어도 하나 이상의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 구조를 갖는 활성층; 및

   상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성되고, 밴드갭 에너지가 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 양자장벽층 중 인접한 양자장벽층의 밴드갭 에너지보다 낮으며, Al_aY_bGa_{1 -a- b}N (여기서, a는 0 ≤ a ≤ 1이고, b는 0 < b ≤ 1 을 만족함)으로 이루어진 전자주입층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전자주입층은, 상기 활성층 방향으로 갈수록 밴드갭 에너지가 낮아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 전자주입층은, 밴드갭 에너지가 상기 활성층으로 갈수록 계단형으로 낮아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제2항에 있어서,

   상기 전자주입층은, 상기 활성층과의 계면에서의 밴드갭 에너지가 상기 양자우물층의 밴드갭 에너지와 거의 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 제2항에 있어서,

   상기 전자주입층은, 상기 활성층 방향으로 갈수록 이트륨의 함량(b)이 높아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전자주입층은, 상기 활성층과의 계면에서의 이트륨의 함량 b는 0 < b ≤ 0.30 을 만족하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 전자주입층의 두께는 상기 양자장벽층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
8. 제1항에 있어서,

   상기 전자주입층의 두께는 20 ~ 50㎚ 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 활성층의 적어도 하나의 층은, 이트륨을 포함하는 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
10. 제9항에 있어서,

    상기 활성층의 양자장벽층은, Al_cY_dGa_{1 -c- d}N (여기서, c는 0 ≤ c ≤ 1이고, d는 0 < d ≤ 1 을 만족함)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
11. 제1항에 있어서,

    상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 밴드갭 에너지가 상기 양자장벽층 중 인접한 양자장벽층의 밴드갭 에너지보다 큰 전자차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
12. 제11항에 있어서,

    상기 전자차단층은, Al_eY_fGa_{1 -e- f}N (여기서, e는 0 ≤ e ≤ 1이고, f는 0 < f ≤ 1 을 만족함)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

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