KR100628200B1 - 질화물 발광 소자 - Google Patents

Abstract

질화물 발광 소자에 대한 것으로, 기판 위에 형성되는 광 가이드층이나 클래딩층 중 적어도 어느 한 층과 활성층 사이에 중간 완충층이 삽입되는 구조를 포함한다. 중간 완충층은 900℃ 이하의 저온에서 0.01∼5㎚의 두께로 성장시키고, 활성층이 InGaN으로 구성되는 경우, GaN, AlGaN, InGaN 중 어느 하나로 이루어지며, 중간 완충층이 InGaN로 이루어질 경우, In의 조성은 양자 장벽(quantum barrier)에 들어가는 In의 조성보다 작아야 한다. 따라서, 본 발명은 저온 성장 중에 중간 완충층을 첨가함으로써, 온도 상승에 의해 전해지는 활성층의 손상을 감소시킨다. 또한, 활성층 위에 성장시키는 에피택셜층의 결정성을 좋게 하고, 활성층과 그 이후 층들 사이의 격자 상수 차이에 기인한 거친 계면 형성을 막아 캐리어들의 흐름을 용이하게 하며, 소수 캐리어 제한 효율(low carrier confinement efficiency)을 높일 수 있게 된다. 그리하여, 고효율 광 특성 및 열 특성을 가진 질화물 발광소자를 얻을 수 있다.

중간 완충층, 활성층, 클래딩층, 광 가이드층

Description

질화물 발광 소자 {nitride light emitting device}

도 1 본 발명에 따른 질화물 발광 소자의 에너지 밴드도

도 2 본 발명에 따른 질화물 발광 소자의 구조 단면도

본 발명은 화합물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 질화물 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체를 이용한 광소자 및 전자소자는 지금까지 많은 개발이 되어 왔고, 점차 그 용도가 여러 분야로 넓혀지고 있다. 실제로 이들 물질을 이용한 자외선 또는 가시광선 영역의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드는 총 천연색 전광판, 신호등과 같은 디스플레이 그리고, 고 밀도 광 기록 매체의 개발 등을 위해서 필수적이라고 할 수 있겠다.

이러한 질화물 반도체는 그들의 조성에 따라 약 1.95∼6.0eV의 에너지 밴드갭(Eg)을 가질 수 있어서 발광 다이오드 및 레이저 다이오드와 같은 반도체 발광 소자의 재료로서 주목받아 왔다.

일반적인 레이저 다이오드는 광과 캐리어가 각각 제한되는 분리 제한 구조를 가진다. 즉 InGaN 활성층은 GaN 광가이드층(Wave Guide Layer) 사이에 형성되어 있고, 그 주변에는 AlGaN 클래딩층(Cladding Layer)이 존재한다.

InGaN 활성층을 바탕으로 한 단 파장용 레이저 다이오드의 작동이 처음 성공한 이후에 광 특성, 열 특성 및 소자 수명 연장을 위한 많은 노력들이 진행되어지고 있다. 레이저 다이오드 소자는 특성상 다층의 복잡한 구조를 갖고 있어서, 최상의 소자 동작을 구현하는 데 필요한 소자 구조의 최적화를 위해 매우 다양한 변형들이 가능하다.

이러한 레이저 다이오드 구조에서 InGaN를 바탕으로 하는 활성층은 800℃ 이하의 저온에서 성장되고, 나머지 층들은 1000℃ 이상의 고온에서 성장되어진다.

도 1의 에너지 밴드 도에 도시된 바와 같이 종래의 활성층 구조에서는 양자 우물층(quantum well)의 성장이 끝나면 곧바로 기판의 온도를 1000℃ 이상 올려서 에너지 밴드갭(Eg)이 큰 AlGaN 클래딩층 혹은 GaN 광가이드층을 성장시킨다.

그러나, 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 질화물 발광 소자에는 다음과 같은 문제점이 있다.

InGaN을 활성층으로 하는 소자의 제작에 있어서 광가이드층 및 클래딩층으로 사용되어지는 GaN 및 AlGaN와 활성층으로 사용되어지는 InGaN와의 격자 상수 차이 때문에 상당한 크기의 응력이 발생한다.

따라서, 이를 흡수할 수 있는 적절한 응력 흡수층을 만들지 않으면 많은 양의 균열(crack)이 발생하는 것을 피할 수 없게 된다.

또한, 800℃ 이하의 저온에서 형성되는 InGaN 활성층 위에 곧바로 1000℃ 이상의 고온으로 AlGaN 클래딩층 및 GaN 광가이드층을 성장시키게 되면, 열에 의해 InGaN 활성층 안에 있는 In이 증발(evaporation)되면서 활성층 내부의 In 조성이 불균일해지며, 표면이 거칠어져서 광 특성이 현저히 저하된다.

이러한 현상을 막기 위해 활성층을 보호해주는 중간층이 필요하게 된다. 또한 전자(electron)와 정공(hole)의 흐름을 원활히 하면서 활성층 안에서의 캐리어 제한(carrier confinement)을 극대화 할 수 있는 구조가 필요하다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 활성층의 In 증발을 방지할 수 있고 완충층을 활성층 위에 형성하여 고효율 광 특성 및 열 특성을 갖는 질화물(GaN) 발광 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 발광 소자는 기판 위에 형성되는 광 가이드층이나 클래딩층 중 적어도 어느 한 층과 활성층 사이에 활성층의 In 증발을 방지하기 위한 중간 완충층이 삽입되는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하여 구성된다.

여기서, 중간 완충층은 900℃ 이하의 저온에서 0.01∼5㎚의 두께로 성장되고, 활성층이 InGaN으로 이루어질 경우, GaN, AlGaN, InGaN 중 어느 하나로 이루어지며, InGaN로 이루어질 경우, In의 조성은 활성층의 양자 장벽(quantum barrier)에 들어가는 In 조성보다 작아야 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 질화물 발광 소자는 저온 성장 중에 중간 완충 층을 첨가함으로서, 온도 상승에 의한 활성층에 전해지는 손상(damage)을 감소시키고, 에피택셜층(epitaxial layer)의 결정성을 좋게 하며, 활성층과 그 이후 층들 사이의 격자 상수 차이에 기인한 계면 특성을 향상시킨다. 또한, 소수 캐리어 제한 효율(low carrier confinement efficiency)을 높일 수 있게 된다.

이로 인해, 고효율 광 특성 및 열 특성을 가진 질화물 발광소자를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 질화물 발광 소자의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 질화물 발광 소자의 에너지 밴드도(energy band diagram)이고, 도 2는 본 발명에 따른 질화물 발광 소자의 구조 단면도이다.

본 발명에 따른 질화물 발광 소자는 800℃ 이하의 저온에서 형성되는 InGaN 활성층 위에 곧바로 1000℃ 이상의 고온으로 AlGaN 클래딩층 및 GaN 광가이드층을 성장시킬 경우, 열에 의해 InGaN 활성층 안에 있는 In이 증발되면서 활성층 내부의 In 조성이 불균일해지며, 표면이 거칠어지는 현상을 막기 위해서, 점선으로 표시되어 있는 층, 즉, InGaN 활성층과 AlGaN 클래딩층 및 GaN 광가이드층 사이에 중간 완충층을 저온에서 성장시킨다.

도 2에 도시된 바와 같이, 실제 소자 구조에서 중간 완충층의 두께는 InGaN 양자 우물층이나 중간 완충층 위에 성장되어지는 AlGaN 클래딩층 보다 훨씬 얇은 0.01∼5㎚ 정도가 적당한데, 도 2에서는 실제 두께에 비해 과장되게 나타나 있다.

이 때, 중간 완충층을 성장시키는 온도는 보통 900℃ 이하의 활성층의 특성을 저하시키지 않는 범위 내에서 최대 온도로 하며, 중간 완충층을 성장시키는 물질로는 InGaN으로 활성층을 성장시키는 경우, GaN, AlGaN, InGaN 등을 사용할 수 있다.

이 때, InGaN을 사용하는 중간 완충층의 In 조성은 활성층의 양자 장벽에 들어가는 In의 조성보다 작아야 한다.

본 발명에서, 중간 완충층을 성장시킬 때의 온도가 매우 중요하며, 이 때의 온도가 너무 낮으면 활성층을 효과적으로 보호할 수 없게 되며, 너무 높으면 중간 완충층을 성장시키는 과정에서 활성층에 손상이 생기게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 질화물 발광소자는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 의한 공정을 통해 800℃ 이하의 저온에서 형성되는 InGaN 활성층 위에 곧바로 1000℃ 이상의 고온으로 AlGaN 클래딩층 및 GaN 광가이드층을 성장시킬 때, 열에 의해 InGaN 활성층 안에 있는 In이 증발(evaporation)되면서 활성층 내부의 In 조성이 불균일해지며, 표면이 거칠어지는 현상을 저온 성장 중에 중간 완충층을 첨가함으로서 막을 수 있다.

또한, 중간 완충층을 첨가함으로서, 온도 상승에 의해 전해지는 활성층의 손상을 감소시킨다.

그리고, 활성층 위에 성장시키는 에피택셜층의 결정성을 좋게 하며, 활성층과 그 이후 층들 사이의 격자 상수 차이에 기인한 거친 계면(rough interface) 형성을 막아 캐리어들의 흐름을 용이하게 하고, 소수 캐리어 제한 효율을 높일 수 있게 된다.

이로 인해, 고효율 광 특성 및 열 특성을 가진 질화물 발광소자를 얻을 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 기판 위에 형성되는 광 가이드층이나 클래딩층 중 적어도 어느 한 층과 활성층 사이에 중간 완충층이 삽입되는 구조를 포함하며,

   상기 중간 완충층은 AlGaN 및 InGaN 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 중간 완충층은 900℃ 이하에서 성장됨을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 중간 완충층의 두께는 0.01∼5㎚인 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 중간 완충층이 InGaN을 사용하여 이루어질 때, In의 조성은 양자 장벽에 들어가는 In의 조성보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.

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