KR101922934B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 발광 소자를 개시한다. 개시된 본 발명의 N형 반도체층과 P형 반도체층; 및 상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 배치되는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 양자장벽층과 P형 반도체층 사이에 양자장벽층에 사용되는 반도체물질을 포함하는 제 1 및 제 2 정공유도층을 적층하여 상기 P형 반도체층, 제 2 정공유도층 및 제 1 정공유도층의 에너지 레벨이 순차적으로 낮아지도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 활성층의 양자우물층에 사용되는 반도체층 또는 Mg이 도핑된 반도체층을 삽입하여 활성층에 정공 주입을 원활하게 한 효과가 있다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 활성층의 양자우물층에 사용되는 반도체층 또는 Mg이 도핑된 반도체층을 삽입하여 활성층에 정공 주입을 원활하게 한 효과가 있다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 활성층에 정공 주입을 원활하게 하여 발광 효율을 개선한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로 질화물 반도체 발광 소자에 사용되는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조로 되어 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 것이고, 도 2는 상기도 1의 다중양자우물 구조의 활성층 영역을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 질화물 반도체 발광소자는, 절연 기판(10) 상에 버퍼층(12)이 형성되고, 상기 버퍼층(12) 상에 언도프트층(Undoped: 13), N형 반도체층(15), 활성층(30), P형 반도체층(40) 및 투명금속층(45) 들이 적층되어 있다. 또한, 외부로 노출된 N형 반도체층(15) 및 P형 반도체층(40) 상에는 각각 N형 전극(20)과 P형 전극(50)이 형성되어 있다.
상기 절연 기판(10)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 절연 기판(10)은 사파이어와 같은 재료를 이용하여 형성될 수 있으며, 사파이어 이외에도, 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수도 있다.
상기 활성층(30)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InxGa1-xN(0≤x≤1)의 일반식으로 표현되는 양자우물층(31)과 양자장벽층(33)들이 교대로 형성되는 다중양자우물 구조를 갖는다. 이러한 활성층(30)을 이루는 물질의 종류에 따라 질화물 반도체 발광소자에서 방출되는 발광 파장이 결정된다.
상기 활성층(30)에는 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW) 구조와 약 100Å보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조가 있다. 이 중에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 다중양자우물구조의 활성층(30)은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 갖는다.
이러한 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 원천적으로 활성층 내에서의 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. 이러한 내부양자효율의 개선방안은 주로 활성층 자체의 구조를 개선하거나 캐리어의 유효량(effective mass)을 증가시키는 방향으로 연구되고 있다.
하지만, 일반적으로 정공의 이동도가 전자의 이동도에 비해 낮기 때문에 P형 반도체층(40)으로부터 활성층(30)으로 충분히 공급되지 못하는 문제가 발생한다.
이와 같이, 활성층(30)에 정공이 충분히 공급되지 못하면, N형 반도체층(15)으로부터 공급되는 전자들 중 결합하지 않는 전자들이 발생하여 발광 효율이 떨어지게 된다.
최근, 활성층에 정공 주입 특성을 개선하기 위해 나노 적층 구조를 추가로 형성하는 방법이 제안되고 있지만, 나노 적층 구조 형성을 위한 성장 시간이 길어 전체적인 생산성은 저하되는 문제가 발생하였다.
또한, 전자 넘침 현상과 정공의 원활한 주입을 위하여 AlGaN계열의 전자장벽층 형성 방법이 제안되고 있지만, 반도체층 성장시 알루미늄(Al)은 오염원으로 작용하여 소자 특성을 저하시키는 문제가 있다. 아울러, 전자장벽층 형성을 위해 반응기를 장시간 고열 상태로 유지해야하는 추가 공정이 요구된다.
본 발명은, 활성층과 P형 반도체층 사이에 활성층의 양자우물층에 사용되는 반도체층 또는 Mg이 도핑된 반도체층을 삽입하여 정공이 활성층에 원활히 주입될 수 있도록 하여 발광 효율을 개선한 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 활성층과 P형 반도체층 사이에 다수의 정공유도층을 형성하여, 발광 효율 및 제조 수율을 개선한 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는, N형 반도체층과 P형 반도체층; 및 상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 배치되는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 양자장벽층과 P형 반도체층 사이에 양자우물층에 사용되는 반도체물질을 포함하는 제 1 및 제 2 정공유도층을 적층하여 상기 P형 반도체층, 제 2 정공유도층 및 제 1 정공유도층의 에너지 레벨이 순차적으로 낮아지도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 활성층의 양자우물층에 사용되는 반도체층 또는 Mg이 도핑된 반도체층을 삽입하여 정공이 활성층에 원활히 주입될 수 있도록 하여 발광 효율을 개선한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 다수의 정공유도층을 형성하여, 발광 효율 및 제조 수율을 개선한 효과가 있다.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 상기 도 1의 다중양자우물 구조의 활성층 영역을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 종래 및 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에서 발생된 결함을 비교한 도면이다.
도 2는 상기 도 1의 다중양자우물 구조의 활성층 영역을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 종래 및 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에서 발생된 결함을 비교한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
아래 본 발명의 실시 예들은 상기 도 1의 종래 질화물 반도체 발광소자를 중심으로 활성층 영역의 구조를 변경한 것이다. 따라서, 아래에서 설명하는 활성층의 구조를 제외하고는 종래 개시된 질화물 반도체 발광소자의 N형 전극, P형 전극 등의 구성부들은 본 발명의 실시예들에 그대로 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(230)은 다음과 같은 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조로 형성된다. N형 반도체층(115)과 P형 반도체층(140) 사이에는 제 1 양자장벽층(231a), 제 2 양자장벽층(231b), 제 3 양자장벽층(231c), 제 4 양자장벽층(231d), 제 5 양자장벽층(231e) 및 제 6 양자장벽층(231f)들과, 이들 양자장벽층들 사이에는 각각 제 1 양자우물층(232a), 제 2 양자우물층(232b), 제 3 양자우물층(232c), 제 4 양자우물층(232d) 및 제 5 양자우물층(232e)들로 구성된 활성층(230)이 형성된다.
또한, 상기 활성층(230)의 제 6 양자장벽층(231f)과 P형 반도체층(140) 사이에는 제 1 및 제 2 정공유도층(240, 250)들이 형성되어 있다.
상기 N형 반도체층(115)과 P형 반도체층(140)은 (Al, In, Ga)N과 같은 화합물 계열의 3족 질화물 반도체층으로 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 N형 반도체층(115) 및 P형 반도체층(140)은 각각 N형 및 P형 GaN, 또는 N형 및 P형 AlGaN 일 수 있다.
또한, 상기 제 1 양자장벽층(231a), 제 2 양자장벽층(231b), 제 3 양자장벽층(231c), 제 4 양자장벽층(231d), 제 5 양자장벽층(231e) 및 제 6 양자장벽층(231f)들은 GaN계 반도체 물질에 p형(p+) 불순물 또는 n형(n+) 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 양자우물층(232a), 제 2 양자우물층(232b), 제 3 양자우물층(232c), 제 4 양자우물층(232d) 및 제 5 양자우물층(232e)들은 InxGa1-xN(0<x<1)로 이루어질 수 있고, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑 될 수 있다.
또한, 상기 제 1 정공유도층(240)은 상기 양자우물층들인 InGaN계 반도체층으로 형성되고, 상기 제 2 정공유도층(250)은 InGaN계 반도체층에 Mg계의 금속성 도펀트를 주입하여 형성한다. Mg계 금속성 도펀트가 주입되면 InGaN계 반도체층에서 확산되어 InGaN계의 반도체층보다 동작 전압 레벨이 상승한다.
도면에 도시된 바와 같이, P형 반도체층(140), 제 2 정공유도층(250) 및 제 1 정공유도층(240) 들이 순차적으로 동작 전압 레벨이 낮아지는 것을 볼 수 있다. 따라서, P형 반도체층(140)에 주입되는 정공들은 제 2 정공유도층(250) 및 제 1 정공유도층(240)의 장벽들을 쉽게 넘어가 활성층(230)의 제 6 양자장벽층(231f)에 공급될 수 있다. 또한, 상기 P형 반도체층(140)의 정공들이 활성층(230)까지 쉽게 도달할 수 있어, 질화물 반도체 발광소자의 동작 전압이 낮아진다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 활성층의 양자우물층에 사용되는 반도체층 또는 Mg이 도핑된 반도체층을 삽입하여 활성층에 정공 주입을 원활하게 한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 다수의 정공유도층을 형성하여, 발광 효율 및 제조 수율을 개선한 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(230) 영역은 N형 반도체층(115), 활성층(230), 제 3 정공유도층(350), 제 4 정공유도층(350) 및 P형 반도체층(140)으로 이루어진다.
상기 활성층(230)은 제 1 양자장벽층(231a), 제 2 양자장벽층(231b), 제 3 양자장벽층(231c), 제 4 양자장벽층(231d), 제 5 양자장벽층(231e) 및 제 6 양자장벽층(231f)들과, 이들 양자장벽층들 사이에는 각각 제 1 양자우물층(232a), 제 2 양자우물층(232b), 제 3 양자우물층(232c), 제 4 양자우물층(232d) 및 제 5 양자우물층(232e)들로 구성된다.
상기 활성층(230)과 P형 반도체층(140) 사이에는 양자우물층들을 형성하기 위한 InGaN계 반도체층에 Mg계 금속성 도펀트를 확산시킨 상기 제 3 정공유도층(350)과, 양자우물층을 구성하는 InGaN계 반도체층으로 형성된 제 4 정공유도층(340)이 형성되어 있다.
상기 제 3 정공유도층(350)은 Mg의 확산 현상으로 제 6 양자장벽층(231f)과 제 3 정공유도층(350) 경계에서 에너지 레벨이 상승하는 구간이 발생하여, P형 반도체층(140)에서 주입된 정공이 제 4 정공유도층(340)을 거쳐 제 3 정공유도층(350) 및 제 6 양자장벽층(231f)으로 쉽게 이동할 수 있다.
이로 인하여, 활성층(230)의 정공 및 전자의 결합율이 높아지고 발광소자의 구동 전압이 낮아지는 이점이 있다.
따라서, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 활성층의 양자우물층에 사용되는 반도체층 또는 Mg이 도핑된 반도체층을 삽입하여 활성층에 정공 주입을 원활하게 한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 다수의 정공유도층을 형성하여, 발광 효율 및 제조 수율을 개선한 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 활성층 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(230) 영역은 N형 반도체층(115), 활성층(230), 제 5 정공유도층(440a), 제 6 정공유도층(440b) 및 P형 반도체층(140)으로 이루어진다.
상기 활성층(230)은 제 1 양자장벽층(231a), 제 2 양자장벽층(231b), 제 3 양자장벽층(231c), 제 4 양자장벽층(231d), 제 5 양자장벽층(231e) 및 제 6 양자장벽층(231f)들과, 이들 양자장벽층들 사이에는 각각 제 1 양자우물층(232a), 제 2 양자우물층(232b), 제 3 양자우물층(232c), 제 4 양자우물층(232d) 및 제 5 양자우물층(232e)들로 구성된다.
상기 활성층(230)과 P형 반도체층(140) 사이에는 양자우물층들 형성하기 위한 InGaN계 반도체층으로 형성된 제 5 정공유도층(440a)과 제 6 정공유도층(440b)이 형성되어 있다.
상기 제 5 정공유도층(440a)은 In 주입량이 제 6 정공유도층(440b)보다 상대적으로 많아 에너지 레벨(에너지 장벽)이 P형 반도체층(140)에서부터 순차적으로 낮아지도록 하였다(In 조성량을 서로 다르게 함). 이로 인하여 P형 반도체층(140)에서 주입된 정공이 제 5 정공유도층(440a)을 거쳐 제 6 정공유도층(440b) 및 제 6 양자장벽층(231f)으로 쉽게 이동할 수 있다.
이로 인하여, 활성층(230)의 정공 및 전자의 결합율이 높아지고 발광소자의 구동 전압이 낮아지는 이점이 있다.
따라서, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 활성층의 양자우물층에 사용되는 반도체층 또는 Mg이 도핑된 반도체층을 삽입하여 활성층에 정공 주입을 원활하게 한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 활성층과 P형 반도체층 사이에 다수의 정공유도층을 형성하여, 발광 효율 및 제조 수율을 개선한 효과가 있다.
도 6a 및 도 6b는 종래 및 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에서 발생된 결함을 비교한 도면이다.]
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 종래 질화물 반도체 발광소자와 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에 각각 동일한 구동 전압과 출력이 나오도록 한 후, 결함 발생을 비교하였다.
종래 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 절연기판(10) 상에 버퍼층(12), 언도프트층(13), N형 반도체층(15), 활성층(30) 및 P형 반도체층(40)이 순차적으로 형성하는데, 활성층(30) 상에 곧바로 P형 반도체층(40)이 형성되어 격자 상수 불균일로 인하여 반도체층 성장시 결함 발생률이 높다.
아래는 본 발명의 제 2 실시예의 질화물 반도체 발광소자를 예로 들었지만, 본 발명의 제 1 및 제 3 실시예에서도 동일하게 적용된다.
하지만, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 절연기판(110) 상에 버퍼층(112), 언도프트층(113), N형 반도체층(115), 활성층(130), 제 3 정공유도층(350), 제 4 정공유도층(340) 및 P형 반도체층(140)이 순차적으로 형성된다.
즉, 활성층(130) 상에 버퍼 역할을 하는 정공유도층들이 적층된 후, P형 반도체층(140)이 형성되기 때문에 반도체층 성장시 격자 상수 불균일로 인한 결함 발생이 현저히 낮아진다.
따라서, 질화물 반도체 발광소자를 동작시키더라도 종래 질화물 반도체 발광소자의 결함 발생율보다 낮아져 소자 안정성에 유리하다.
110: 절연 기판 112: 버퍼층
113: 언도프트층 115: N형 반도체층
130: 활성층 240: 제 1 정공유도층
250: 제 2 정공유도층 140: P형 반도체층
113: 언도프트층 115: N형 반도체층
130: 활성층 240: 제 1 정공유도층
250: 제 2 정공유도층 140: P형 반도체층
Claims (2)
- N형 반도체층과 P형 반도체층;
상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 배치되는 다중양자우물 구조의 활성층; 및
상기 양자장벽층과 P형 반도체층 사이에 개재되며, 상기 양자우물층에 사용되는 반도체물질을 포함하는 제 1 및 제 2 정공유도층을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 정공유도층의 에너지 레벨은 상기 양자장벽층의 에너지 레벨보다 더 낮고, 상기 P형 반도체층의 에너지 레벨보다 상기 제2 정공유도층의 에너지 레벨이 더 낮고, 상기 제2 정공유도층의 에너지 레벨보다 상기 제1 정공유도층의 에너지레벨이 더 낮고,
상기 양자장벽층과 인접한 제 1 정공유도층은 InGaN계 반도체층으로 형성되거나, InGaN계 반도체층에 Mg이 도핑된, 질화물 반도체 발광소자. - N형 반도체층과 P형 반도체층;
상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 배치되는 다중양자우물 구조의 활성층; 및
상기 양자장벽층과 P형 반도체층 사이에 개재되며, 상기 양자우물층에 사용되는 반도체물질을 포함하는 제 1 및 제 2 정공유도층을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 정공유도층의 에너지 레벨은 상기 양자장벽층의 에너지 레벨보다 더 낮고, 상기 P형 반도체층의 에너지 레벨보다 상기 제2 정공유도층의 에너지 레벨이 더 낮고, 상기 제2 정공유도층의 에너지 레벨보다 상기 제1 정공유도층의 에너지레벨이 더 낮고,
상기 P형 반도체층과 인접한 제 2 정공유도층은 InGaN계 반도체층으로 형성되거나, InGaN계 반도체층에 Mg이 도핑된, 질화물 반도체 발광소자.
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| JP2002270894A (ja) * | 2001-03-08 | 2002-09-20 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | 半導体発光素子 |
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