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KR100482511B1 - Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자 - Google Patents

Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자 Download PDF

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KR100482511B1
KR100482511B1 KR1020040007541A KR20040007541A KR100482511B1 KR 100482511 B1 KR100482511 B1 KR 100482511B1 KR 1020040007541 A KR1020040007541 A KR 1020040007541A KR 20040007541 A KR20040007541 A KR 20040007541A KR 100482511 B1 KR100482511 B1 KR 100482511B1
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Abstract

본 발명에 따른 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자는, n-InxAlyGazN층(12)과 p-InxAlyGazN층(14) 사이에 개재되는 다중양자우물 활성층(113)을 포함하되, 활성층(113)은, 샌드위치 장벽층(113a)과 InxGa1-xN (0.05<x<1)으로 이루어지는 양자우물층(113b)이 번갈아 적층되어 이루어지며, 샌드위치 장벽층(113a)은, InaGa1-aN(0<a≤0.05)으로 이루어지는 제1 외피장벽층(201)과, 제1 외피장벽층(201) 상에 형성되는 AlyGa1-yN(0≤y<1)으로 이루어진 중앙장벽층(202)과, 중앙장벽층(202) 상에 형성되는 InbGa1-bN(0<b≤0.05)으로 이루어지는 제2 외피장벽층(203)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 고전류 및 고온 특성이 우수한 고효율/고출력 발광소자를 얻을 수 있고, 500nm 이상의 고효율 녹색발광과, 고효율 근자외선 발광을 용이하게 구현할 수 있다.

Description

Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자{Ⅲ-Nitride compound semiconductor light emitting device}
본 발명은 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 양자우물층과 샌드위치 장벽층이 번갈아 적층되어 이루어지는 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 활성층을 가지는 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3은 종래의 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자를 설명하기 위한 도면들로서, 도 1은 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자의 개략적인 단면도이고, 도 2는 활성층(13)이 InGaN/GaN 다중양자우물 구조를 갖는 경우를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이고, 도 3은 활성층(13)이 InGaN/InGaN 다중양자우물 구조를 갖는 경우를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 종래의 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자는 기판(10) 상에 버퍼층(11), n-InxAlyGazN층(12), 활성층(13), p-InxAly GazN(14), 및 투명전극층(15)을 순차적으로 형성한 다음에, n-InxAlyGazN층(12)이 노출되도록 메사식각하고, n-InxAlyGazN층(12)과 투명전극층(15) 상에 전극층(16, 17)을 각각 형성한 후에 보호막(18)을 형성함으로써 이루어진다. 여기서, InxAlyGazN의 x, y, z는 x+y+z=1, 0≤x<1, 0≤y<1, 0<z≤1 의 조건을 만족시킨다.
통상적으로, 활성층(13)은 도 2에 도시된 바와 같이 InGaN 양자우물층(13b)과 GaN 장벽층(13a)이 번갈아 적층되어 이루어진 InGaN/GaN 다중양자우물 구조를 가지거나, 도 3에 도시된 바와 같이 InGaN 양자우물층(13b)과 INGaN 장벽층(13a')이 번갈아 적층되어 이루어진 InGaN/InGaN 다중양자우물 구조를 갖는다. InGaN/InGaN 다중양자우물 구조에서, 장벽층(13a')은 양자우물층(13b)보다 적은 In함량을 갖는다.
도 2에서와 같은 InGaN/GaN 다중양자우물 활성층의 경우, InGaN/InGaN 다중양자우물 활성층에 비해 장벽층(13a)을 이루는 GaN의 에너지 밴드갭이 InGaN 장벽층(13a')보다 크기 때문에 전자와 홀의 재결합 효율이 높아 그 만큼 고전류 동작이나 고온 동작에서 안정적이라는 장점이 있다.
그러나, InGaN 우물층(13b)의 성장온도가 고품질 GaN의 통상적인 성장온도에 비해 200~350℃ 정도 낮으므로 GaN 장벽층(13a)을 낮은 온도에서 성장시켜야 하는 제한이 있어 GaN 장벽층(13a)을 고품질로 만드는데 어려움이 있고, InGaN 우물층(13b)과 GaN 장벽층(13a)의 스트레인(strain)을 InGaN 우물층(13b)과 GaN 장벽층(13a)의 두께로만 최적화해야 한다는 단점이 있다.
반면에, 도 3에서와 같은 InGaN/InGaN 다중양자우물 활성층의 경우에는 장벽층(13a')도 InGaN으로 이루어지기 때문에 InGaN 우물층(13b)과 비슷한 성장 온도 영역에서 고품질 InGaN 장벽층(13a')을 구현할 수 있고, InGaN 우물층(13b)과 동종 물질로 이루어진 InGaN 장벽층(13a')이 다음 우물층의 성장 표면을 제공함으로써 고품질의 InGaN 우물층(13b)을 얻을 수 있어 높은 양자효율의 발광소자를 구현할 수 있다.
그러나, InGaN/GaN 다중양자우물 활성층에 비해 고전류, 고온동작에 불리하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 활성층 상단에 p-AlGaN 전자차단층을 통상 사용하여 고온 안정성과 효율을 높이나, 질화물의 에피텍셜 성장시에 반응기 내부에서 고온 열처리에 의해 용이하게 제거하기 어려운 알루미늄(Al) 함유 질화물의 증착이 일어나 양산성이 크게 감소된다는 단점이 있다.
InGaN/InGaN 다중양자우물 활성층의 또 하나의 단점은 발광 다이오드 성능 및 특성이 InGaN 장벽층(13a')의 인듐 조성의 미세 변화에 민감하게 반응하여 양산이 어렵다는 것이다.
인듐의 전구체(Precursor)로는 TMIn(Trimethy Indium)이 주로 쓰이는데 이는 용융점이 88℃ 로서 상온에서 고체이다. 따라서 이 전구체를 일정한 조성으로 유지하여 물질을 성장하는 것은 다른 전구체에 비해 상대적으로 어렵다. 특히 장벽층(13a')에서의 인듐 조성의 미세 변화는 PL(photoluminescence)이나 XRD 등과 같은 비파괴 측정장치를 통해서도 감지가 어려우므로 품질관리(quality control)에 있어서 어려움이 있으며, 불량 발생시 미치는 파장이 매우 크다.
상술한 바와 같이 종래의 대표적인 InGaN/GaN 다중양자우물 활성층과 InGaN/InGaN 다중양자우물 활성층은 서로 상반되는 장단점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다중양자우물 활성층의 장벽층이 GaN이나 InGaN의 단일층 구조를 갖는 것이 아니라 InGaN/GaN/InGaN의 샌드위치 구조를 갖도록 하여 종래의 다중양자우물 활성층의 단점을 극복하고 이들의 장점만을 취할 수 있도록 함으로써 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있고 보다 성능이 우수한 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자는, n-InxAlyGazN(x+y+z=1, 0≤x<1, 0≤y<1, 0<z≤1)층과 p-InxAlyGazN(x+y+z=1, 0≤x<1, 0≤y<1, 0<z≤1)층 사이에 개재되는 다중양자우물 활성층을 포함하되, 상기 활성층은, 샌드위치 장벽층과 InxGa1-xN (0.05<x<1)으로 이루어지는 양자우물층이 번갈아 적층되어 이루어지며, 상기 샌드위치 장벽층은, InaGa1-aN(0<a≤0.05)으로 이루어지는 제1 외피장벽층과, 상기 제1 외피장벽층 상에 형성되는 AlyGa1-yN(0≤y<1)으로 이루어진 중앙장벽층과, 상기 중앙장벽층 상에 형성되는 InbGa1-bN(0<b≤0.05)으로 이루어지는 제2 외피장벽층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 양자우물층의 두께는 60Å 이하이고, 상기 샌드위치 장벽층의 두께는 300Å 이하이며, 상기 중앙장벽층 두께 t2에 대한 상기 제1 외피장벽층과 상기 제2 외피장벽층의 두께합 t1의 비 즉, t1/t2는 1/50 내지 1/2 인 것이 바람직하다.
상기 n-InxAlyGazN층과 접촉하는 상기 활성층의 최하층은 상기 Inx Ga1-xN으로 이루어지는 첫 번째 양자우물층이고, 상기 p-InxAlyGazN층과 접촉하는 상기 활성층의 최상층은 상기 InxGa1-xN으로 이루어지는 마지막번째 양자우물층일 수 있다.
또는, 상기 n-InxAlyGazN층과 접촉하는 상기 활성층의 최하층과 상기 p-InxAlyGazN층과 접촉하는 상기 활성층의 최상층은 상기 샌드위치 장벽층의 중앙장벽층일 수도 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 여기서, 종래기술과의 반복적인 설명을 피하기 위하여 본 발명의 특징부만 도시한다. 도면에 있어서, 종래기술과 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.
아래의 실시예들은 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예들에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
[실시예 1]
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 4를 참조하면, 다중양자우물 활성층(113)은 InxGa1-xN (0.05<x<1)으로 이루어지는 양자우물층(113b)과, 양자우물층(113b) 상에 형성되는 샌드위치 장벽층(113a)이 번갈아 적층되어 이루어진다.
샌드위치 장벽층(113a)은 양자우물층(113b) 상에 형성되는 InaGa1-aN(0<a≤0.05)으로 이루어지는 제1 외피장벽층(201)과, 제1 외피장벽층(201) 상에 형성되는 AlyGa1-yN(0≤y<1)으로 이루어진 중앙장벽층(202)과, 중앙장벽층(202) 상에 형성되는 InbGa1-bN(0<b≤0.05)으로 이루어지는 제2 외피장벽층(203)을 포함하여 샌드위치 구조를 갖는다.
n-InxAlyGazN층(12)과 접촉하는 활성층(113)의 최하층은 첫 번째 양자우물층(113b)이고, p-InxAlyGazN층(14)과 접촉하는 활성층(113)의 최상층은 마지막번째 양자우물층(113b)이다.
외피장벽층(201, 202)은 양자우물층(113b)과 마찬가지로 InGaN으로 이루어지지만 양자우물층(113b)보다는 In함량이 적어 양자우물층(113b)보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다. GaN에 In이 많이 첨가될수록 에너지 밴드갭은 작아진다.
도5에 도시된 바와 같이 중앙장벽층(202)을 이루는 GaN은 InGaN 장벽층(13b')보다 ΔEc 만큼 에너지 밴드갭이 커서 에너지 장벽(energy barrier, h)이 높으므로 고전류 동작과 고온 동작에서 전자의 오버플로우(overflow)가 감소되어 안정적인 발광이 이루어진다. 예를 들면, 외피 InGaN 장벽층의 In 조성을 5%로 할 경우 에너지 밴드갭이 3.28 eV로서 ΔEc는 0.12 eV 되므로 그 만큼 전자의 오버플로우를 차단하는 효과가 있어, 전자-홀 재결합 효율을 높일 수 있다.
또한, 외피장벽층(201, 203)은 저온에서 성장되어 상대적으로 저품질인 GaN 중앙장벽층(202)을 보완할 뿐만 아니라, 연이어 성장될 InGaN 우물층(113b)의 동종 물질계 성장 표면을 제공함으로써 고품질의 InGaN 우물층(113b)을 얻는데 일조한다.
이외에도, 본 발명의 경우는 활성층(113)의 스트레인(strain)을 최적화하는데 있어서 중앙장벽층(202)의 두께 뿐만 아니라 외피장벽층(201, 203)의 두께와 인듐(In)의 조성을 조절할 수 있어 종래의 InGaN/GaN 이나 InGaN/InGaN 다중양자우물 활성층의 경우에 비해 그 조절 자유도가 커서 활성층(113)의 스트레인을 최적화하는데 있어 더욱 유리하다.
특히, 활성층(113)의 스트레인은 압전전계(piezoelectric field)의 방향과 세기를 결정하기 때문에 더욱 중요하다. 활성층(113)에 압전전계가 생기면 우물층(113b)의 에너지밴드 휘어짐(bending)이 일어나고 그로 인해 스타크 쉬프트(stark shift)가 생긴다. 그러면, 결과적으로 유효 밴드갭(effective bandgap)이 좁아져 발광파장이 장파장 쪽으로 이동하는 현상을 보이고, 전도대역(conduction band)과 가전자대역(valence band)의 양자파동함수(wave function)가 양자우물층(113b) 내에서 분리되어 전자-홀 재결합 효율이 감소하게 된다. 따라서 전자-홀 재결합 효율을 높이기 위해서는 활성층(113)의 스트레인을 최적화하는 것이 매우 중요하다.
활성층(113)의 스트레인은 양자우물층(113b)의 두께와 인듐(In)의 조성에 의해 조절될 수 있지만 양자우물층(113b)에 의한 스트레인 조절은 소자의 성능에 매우 민감하게 영향을 미치지 때문에 샌드위치 장벽층(113a)에 의한 스트레인 조절이 더욱 효과적이다.
500nm 이상의 장파장 발광소자인 경우에는 양자우물층(113b)의 인듐 조성이 높은데 이 경우 활성층(113)의 스트레인을 최적화하는 것이 매우 중요하다. 본 발명에 따른 활성층(113)의 구조는 이러한 경우에 매우 유리하다.
양자우물층(113b)의 두께는 60Å이하가 바람직하고 샌드위치 장벽층(113a)의 두께는 300Å이하가 바람직하다. 그리고, 중앙장벽층(202)의 두께 t2에 대한 제1 외피장벽층(201)과 제2 외피장벽층(203)의 두께합 t1의 비, 즉 t1/t2는 1/50 내지 1/2 인 것이 바람직하다. 또한, 외피장벽층(201, 203)의 In 조성비 즉 b×100은 10% 이하가 바람직하고 5% 이하가 더욱 바람직하다.
중앙장벽층(202)에 Al을 첨가하여 에너지 장벽(h)을 더 크게 하면 고전류 동작과 고온 동작에서 전자의 오버플로우를 더욱 억제할 수 있으므로 더욱 향상된 발광소자를 얻을 수 있다. 이러한 구조는 본 발명의 샌드위치 구조의 외피장벽층(201,203)이 없이는 현실적으로 구현하기 어렵다. 왜냐하면, InGaN 우물층(113b) 상에 AlGaN 장벽층을 바로 성장시키면 격자상수 불일치가 매우 커서 AlGaN을 교대로 계속 적층하여 고품질의 다중양자우물 구조를 얻기가 매우 어렵기 때문이다. 그러나, InGaN 외피장벽층(201, 203)을 형성시키면 이로 인해 격자 불일치가 완화되고, 또한 연이어 성장되는 InGaN 우물층(113b)에 동종 물질의 성장 표면을 제공하여 고품질의 InGaN 우물층(113b)을 성장시킬 수 있다.
본 발명에 따른 활성층(113)의 구조 중 중앙 장벽층(202)이 알루미늄(Al)을 함유하여 에너지 장벽(h)를 더욱 높인 구조는 전자의 활동 에너지가 높은 영역에서 동작되는 400nm 근처의 근자외선 발광소자의 구현에 매우 적합하다.
도 6은 본 발명에 따른 도 4의 Ⅲ-질화물계 반도체 녹색 발광소자와 종래기술에 따른 도 3의 Ⅲ-질화물계 반도체 녹색 발광소자의 전류 대 발광출력 특성을 비교한 실험 그래프이다.
동일 조건에서 비교하기 위해 발광 파장을 같은 영역의 525nm에서 선정하였으며, 도6에서 알 수 있듯이 표준 20mA의 동작 전류에서 본 발명에 의한 녹색 LED가 기존 InGaN/InGaN 다중양자우물 활성층의 녹색 LED에 비해, 광출력이 17%정도 우수하였다. 특히, 도6에서와 같이 본 발명에 의한 LED는 동작전류가 증가함에 따라서 비교적 선형으로 증가하는 반면 InGaN 단일 장벽층의 LED는 전류가 증가함에 따라서 서서히 포화되어가는 곡선을 보여 준다. 선형에 가까울수록 내부양자효율(Internal Quantum Efficiency)이 동작 전류가 상승하고 따라서 동작 온도가 상승하여도 거의 일정하게 유지하는 것을 의미하므로 그 만큼 고전류 동작에 유리할 뿐만 아니라 소자의 안정성 및 신뢰성에 있어서도 좋다.
[실시예 2]
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 4에 도시된 바와 같이 n-InxAlyGazN층(12)과 접촉하는 활성층(113)의 최하층과 p-InxAlyGazN층(14)과 접촉하는 활성층(113)의 최상층이 반드시 양자우물층(113b)일 필요는 없으며, 도 7에 도시된 바와 같이 n-InxAlyGazN층(12)과 접촉하는 활성층(113)의 최하층과 p-InxAlyGazN층(14)과 접촉하는 활성층(113)의 최상층은 샌드위치 장벽층(113a)의 중앙장벽층(202)일 수도 있다.
이 구조의 특징은 모든 InGaN 양자우물층을 InGaN 외피 장벽층으로 제공되는 동일한 조건의 성장 표면에서 성장할 수 있어서, 균일한 다중우물 활성층을 구현하는 데 있어 유리하여, 발광 파장의 반폭치를 개선할 수 있다는 장점이 있다.
[제조방법]
도 4의 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자의 제조방법을 설명한다.
증착은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법으로 하고, 갈륨 전구체로는 TMGa(Trimethylgalium)을, 알루미늄 전구체로는 TMAl(Trimethylaluminum)을, 인듐 전구체로는 TMIn(Trimethylindium)을 , 질소 전구체로는 암모니아(NH3)를 사용한다.
기판(10)으로는 (0002) 사파이어를 사용하였고, 기판과 GaN층의 격자불일치를 완화하기 위해 버퍼층(11)을 두께 300Å로 600℃에서 성장시킨다. 이어서, 암모니아 분위기에서 온도를 1050℃로 상승시켜 실란기체(SiH4)를 Si 도판트의 전구체로 사용하여 n-InxAlyGazN층(12)으로서 n-GaN층을 4㎛ 두께로 성장시킨다.
그리고, 온도를 730℃로 낮추어 InGaN 우물층(113a)을 25Å로 성장하고 TMIn의 몰비를 감소시켜 InGaN 제1 외피장벽층(201)을 20Å 두께로 성장시키고, 이어서, GaN 중앙장벽층(202)을 120Å 두께로 성장시키고, 이어서 InGaN 제1 외피장벽층(203)을 20Å 두께로 성장시킨다.
다음에, 두 번째 InGaN 우물층(113a)을 성장시키고, 상기의 과정을 반복하여 총 5개의 양자우물층을 성장시킨다. 마지막 5번째 InGaN 우물층을 성장시킨 다음에 연이어 GaN 캡층을 100Å 두께로 성장하고 온도를 1050℃로 상승시켜 p-InxAlyGaz N층(12)으로서 p-GaN층을 2000Å 두께로 성장시킨다. 이때 캐리어 기체로는 질소를 사용하고, p형 도판트로는 Cp2Mg를 사용한다.
본 발명에 의하면, 고전류 및 고온 특성이 우수한 고효율/고출력 발광소자를 얻을 수 있고, 500nm 이상의 고효율 녹색발광과, 고효율 근자외선 발광을 용이하게 구현할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자를 설명하기 위한 도면들;
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램;
도 5는 본 발명의 샌드위치 장벽층의 에너지 밴드갭 구조에 의한 동작원리를 설명하기 위한 도면;
도 6은 본 발명에 따른 도 4의 Ⅲ-질화물계 녹색 반도체 발광소자와 종래기술에 따른 도 3의 Ⅲ-질화물계 녹색 반도체 발광소자의 동작전류 대 발광출력 특성을 비교한 실험 그래프;
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램;
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10: 기판 11: 버퍼층
12: n-InxAlyGazN층 13, 113: 활성층
13b, 113b: 양자우물층 13a, 13a': 장벽층
14: p-InxAlyGazN 15: 투명전극층
16, 17: 전극층 18: 보호막
113a: 샌드위치 장벽층 201: 제1 외피장벽층
202: 중앙장벽층 203: 제2 외피장벽층

Claims (4)

  1. n-InxAlyGazN(x+y+z=1, 0≤x<1, 0≤y<1, 0<z≤1)층과 p-InxAlyGazN(x+y+z=1, 0≤x<1, 0≤y<1, 0<z≤1)층 사이에 개재되는 다중양자우물 활성층을 포함하되,
    상기 활성층은, 샌드위치 장벽층과 InxGa1-xN (0.05<x<1)으로 이루어지는 양자우물층이 번갈아 적층되어 이루어지며,
    상기 샌드위치 장벽층은, InaGa1-aN(0<a≤0.05)으로 이루어지는 제1 외피장벽층과, 상기 제1 외피장벽층 상에 형성되는 AlyGa1-yN(0≤y<1)으로 이루어진 중앙장벽층과, 상기 중앙장벽층 상에 형성되는 InbGa1-bN(0<b≤0.05)으로 이루어지는 제2 외피장벽층을 포함하고,
    상기 중앙장벽층은 상기 제1 외피장벽층과 상기 제2 외피장벽층 보다 큰 밴드갭 에너지를 가지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양자우물층의 두께는 60Å 이하이고, 상기 샌드위치 장벽층의 두께는 300Å 이하이며, 상기 중앙장벽층 두께 t2에 대한 상기 제1 외피장벽층과 상기 제2 외피장벽층의 두께합 t1의 비 즉, t1/t2 가 1/50 내지 1/2 인 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 n-InxAlyGazN층과 접촉하는 상기 활성층의 최하층은 상기 InxGa1-xN으로 이루어지는 첫 번째 양자우물층이고, 상기 p-InxAly GazN층과 접촉하는 상기 활성층의 최상층은 상기 InxGa1-xN으로 이루어지는 마지막번째 양자우물층인 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 n-InxAlyGazN층과 접촉하는 상기 활성층의 최하층과 상기 p-InxAlyGazN층과 접촉하는 상기 활성층의 최상층이 상기 샌드위치 장벽층의 중앙장벽층인 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물계 반도체 발광소자.
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