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KR100674862B1 - 질화물 반도체 발광 소자 - Google Patents

질화물 반도체 발광 소자 Download PDF

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KR100674862B1
KR100674862B1 KR1020050078419A KR20050078419A KR100674862B1 KR 100674862 B1 KR100674862 B1 KR 100674862B1 KR 1020050078419 A KR1020050078419 A KR 1020050078419A KR 20050078419 A KR20050078419 A KR 20050078419A KR 100674862 B1 KR100674862 B1 KR 100674862B1
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nitride semiconductor
layer
light emitting
emitting device
semiconductor light
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송근만
이동율
김선운
김제원
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삼성전기주식회사
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Abstract

동작 전압이 낮고 정전기 내성이 높은 고출력 고효율의 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다. 본 발명에 따른 질화물 발광 소자는, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, 기판 상에 형성된 n측 콘택층과; 상기 n측 콘택층 상에 형성된 전류 확산 층과; 상기 전류 확산층 상에 형성된 활성층과; 상기 활성층 상에 형성된 p형 클래드층을 포함한다. 상기 전류 확산층은, InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 된 제1 질화물 반도체층과 InyGa(1-y)N(0≤y＜1, y＜x)로 된 제2 질화물 반도체층이 상호 교대로 적층되어 형성된 전체 3층 이상의 다층박막층으로 이루어져 있다. 또한, 상기 다층박막층 중 일부 연속하여 적층된 질화물 반도체층들은 n형 도펀트로 도핑되어 있고, 상기 다층박막층 중 다른 일부는 도핑되어 있지 않은 언도프 질화물 반도체로 되어 있다.
질화물, 발광 소자, 동작 전압, 전류 확산

Description

질화물 반도체 발광 소자{Nitride Semiconductor Light Emitting Device}
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전류 확산층을 나타내는 부분 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 전류 확산층의 조성을 개략적으로 설명하기 위한 도면으로서, 전류 확산층의 전도 대역 엣지(conduction band edge)를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시형태들에 따른 전류 확산층을 이루는 질화물 반도체막들의 두께 변화를 개략적으로 설명하기 위한 도면으로서, 전류 확산층의 전도 대역 엣지를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 12는 탄소 변조 도핑층의 탄소 도핑 농도 프로파일을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101: 기판 102: 언도프 GaN층
103: n측 콘택층 105: 전류 확산층
106: 활성층 107: p형 클래드층
108: p측 콘택층 150: n측 영역
140: p측 영역 100: 질화물 반도체 발광소자
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 균일한 발광에 의해 높은 발광 효율을 얻을 수 있는 동시에 동작 전압이 낮고 정전기 방전(Electrostatic Discharge; ESD) 내성이 높은 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
최근, GaN 등의 3족 질화물 반도체(간단히, 질화물 반도체라고도 함)는, 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되 고 있으며, 이러한 질화물 반도체 발광 소자는 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다. 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 GaN계 물질로 이루어져 있다. 질화물 반도체 발광 소자가 각종 전자 제품의 부품으로 채용되면서, 발광 성능 뿐만 아니라 신뢰성 측면에서도 중요도가 점차 더해져 가고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 질화물 반도체 LED 소자(10)는, 절연성 기판인 사파이어 기판(11) 상에 GaN로 된 버퍼층(12), n형 GaN계 클래드층(13), InGaN/GaN의 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조의 활성층(14), 및 p형 GaN계 클래드층(15)이 순차 적층된 기본 구조를 갖는다. 메사 식각에 의해 노출된 n형 GaN계 클래드층(13)의 상면에는 n측 전극(18)이 형성되어 있고, p형 GaN계 클래드층(15) 상에는 ITO 등으로 된 투명 전극층(16)과 p측 전극(17)이 형성되어 있다. 일본 특허공개공보 평10-135514호에서는, 발광효율 및 발광 광도를 향상시키기 위해, 언도프(undoped) GaN의 장벽층과 언도프 InGaN의 우물층으로 이루어진 다중 양자우물 구조를 갖는 활성층을 개시하고 있으며, 이와 더불어 상기 장벽층의 밴드갭(band gap)보다 큰 밴드갭을 갖는 클래드층을 개시하고 있다.
질화물 반도체 발광 소자를 조명용 광원이나 옥외 디스플레이의 광원으로 사용하기 위해서는, 상기 발광 소자의 광출력과 발광 효율을 더 향상시킬 필요가 있 다. 특히, 질화물 반도체 LED 또는 LD에서는, 문턱 전압 또는 동작 전압(Vf)를 더 낮추어 발열량을 줄이고 신뢰성과 수명을 향상시킬 필요가 있다. 또한, 질화물 반도체 발광 소자는 통상 정전기 방전(ESD)에 대한 내성이 약하기 때문에, 정전기 방전 특성을 개선시킬 필요가 있다. 사람이나 사물에서 쉽게 발생되는 정전기 방전에 의해 질화물 반도체 LED/LD가 파손될 수 있다. 특히, p측 전극과 n측 전극 사이에서 전류가 집중됨으로써, 불균일한 발광으로 인한 발광 효율의 저하를 초래하고 ESD 내성은 더욱 약화된다.
따라서, 질화물 반도체 발광 소자의 발광 강도를 증가시키면서 ESD로 인한 소자의 손상을 억제하기 위해 다양한 연구들이 진행되어 왔다. 예를 들어, 미국특허 제6,593,597호는, 동일 기판에 LED 소자와 쇼트키 다이오드를 집적하여 LED와 쇼트키 다이오드를 병렬로 연결시킴으로써 ESD로부터 발광 소자를 보호하는 기술을 개시하고 있다. 그외에도, ESD 내성을 개선시키기 위해, LED를 제너 다이오드(zenor diode)와 병렬 연결시키는 방법이 제시된 바 있다. 그러나, 이러한 종래의 방법들은, 발광 효율 또는 발광 강도의 증대 방안을 개시하고 있지 못하며, 별도의 제너 다이오드를 구입하거나 쇼트키 접합을 형성시켜야 하는 번거로움을 초래한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 개선 된 발광 효율을 갖고, 동작 전압이 낮은 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 목적은, ESD 내성 향상을 위한 다른 소자를 구비할 필요없이 높은 ESD 내성을 구현할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 데에 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, 기판 상에 형성된 n측 콘택층과; 상기 n측 콘택층 상에 형성된 전류 확산 층과; 상기 전류 확산층 상에 형성된 활성층과; 상기 활성층 상에 형성된 p형 클래드층을 포함한다. 상기 전류 확산층은, InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 된 제1 질화물 반도체층과 InyGa(1-y)N(0≤y＜1, y＜x)로 된 제2 질화물 반도체층이 상호 교대로 적층되어 형성된 전체 3층 이상의 다층박막층으로 이루어져 있다. 또한, 상기 다층박막층 중 일부 연속하여 적층된 질화물 반도체층들은 n형 도펀트로 도핑되어 있고, 상기 다층박막층 중 다른 일부는 도핑되어 있지 않은 언도프 질화물 반도체로 되어 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 다층박막층 중 일부 연속하여 적층된 질화물 반도체층들은 n형 도펀트로 도핑되고, 상기 다층박막층 중 다른 일부 연속하여 적층된 질화물반도체층들은 도핑되지 않은 언도프 질화물 반도체로 될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 다층박막층에서 n형 도펀트로 도핑된 층들은 도핑 농도가 모두 동일할 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 다층박막층에서 n형 도펀트로 도핑된 층들의 일부는 도핑 농도가 동일하고 다른 일부는 도핑 농도가 서로 변할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 질화물 반도체층은 InGaN로 이루어지고, 상기 제2 질화물 반도체층은 GaN으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 바람직하게는, 상기 제1 질화물 반도체층은 InxGa(1-x)N(0.05＜x＜3)으로 이루어져 있고, 상기 제2 질화물 반도체층은 GaN으로 이루어져 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 질화물 반도체층의 조성은 모두 동일할 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 제1 질화물 반도체층의 조성은 두께 방향의 거리에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 제1 질화물 반도체층의 In 조성은 활성층에 가까울수록 커지거나 또는 작아질 수 있다. 또한, 상기 제1 질화물 반도체층들 중 일부는 조성이 서로 동일하고 다른 일부는 조성이 서로 변할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 다층박막층에서, 상기 질화물 반도체층의 두께는 모두 동일할 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 다층박막층에서, 상기 질화물 반도체층의 두께는 변할 수 있다. 예를 들어, 제1 질화물층 또는 제2 질화물 반도체층의 두께는 활성층에 가까울수록 커지거나 작아질 수 있다. 또한, 상기 제1 질화물 반도체층들 중 일부는 두께가 서로 동일하고, 다른 일부는 두께가 서로 다를 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 질화물 반도체층 및 제2 질화물 반도체층의 두께는 각각 0보다 크고 5nm이하이다. 이와 같이 제1 및 제2 질화물 반도체층의 두께를 각각 5nm이하로 하면, 상기 전류 확산층은 결정성이 좋은 초격자 구조의 다층박막을 이룰 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 질화물 반도체층의 조성과 두께는 동시에 서로 다를 수 있다. 또한, 상기 제1 질화물 반도체층들 중 일부는 조성과 두께가 동일하고 일부는 조성과 두께가 서로 다를 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 기판과 상기 n측 콘택층 사이에 질화물 반도체층/SiC층의 다층 구조로 이루어진 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 버퍼층은 상기 기판 상에 형성된 SiC층과, 상기 SiC층 상에 형성된 InGaN층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판과 상기 버퍼층 사이에 형성된 언도프 GaN층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 n측 콘택층과 상기 전류 확산층 사이에 형성된 탄소 (C) 변조 도핑층을 더 포함할 수 있다. 상기 C 변조 도핑층은 두께 방향의 거리에 따라 변조되는 탄소 도핑 농도를 갖는다. 이러한 C 변조 도핑층을 구비함으로써, 더욱 더 향상된 ESD 내압을 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광 소자(100)는 사파이어 된 기판(101) 상에 순차 형성된 언도프 GaN층(102), n측 콘택층(103), 전류 확산층(105), 활성층(106), p형 클래드층(107) 및 p측 콘택층(108)을 포함한다. 본 실시형태에서는 기판(101)으로서 사파이어 기판을 사용하지만, 다른 방안으로서, 예를 들어 SiC 기판, Si 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 등의 반도체 기판을 사용하거나, 스피넬(MgAl2O4)와 같은 절연성 기판을 사용할 수도 있다.
상기 n측 콘택층(103)으로는 AlzGaN(0＜z＜0.3)을 사용하는 것이 바람직하며, 0.5 내지 5㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, n측 콘택층(103)의 n형 도펀트 농도(도핑 농도)는 3×1018이상 5×1021 cm-3이하가 바람직하다. n측 콘택층(103)의 도핑 농도가 증가될수록 결정성이 저하되지 않는 범위에서 동작 전압(Vf)가 감소되는 효과를 얻을 수 있다. 그러나, n측 콘택층(103)의 도핑 농도가 과도하게 되면 결정성이 저하되므로, n측 콘택층(103)의 도핑 농도는 5×1021 cm-3을 넘지 않는 것이 바람직하다.
상기 언도프 GaN층(102), n측 콘택층(103) 및 전류 확산층(105)은 상기 발광 소자(100)의 n측 영역(150)을 이루며, 상기 전류 확산층(105)의 일부 및 상기 n측 콘택층(103)은 n형 도펀트가 도핑된 n형 질화물 반도체로 이루어져 있다. n형 도펀트로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용할 수 있으며, 이중 Si가 바람직하다.
한편, 상기 p형 클래드층(107), p측 콘택층(108)은 p측 영역(140)을 이루며, p형 도펀트가 도핑된 p형 질화물 반도체로 이루어져 있다. p형 도펀트로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용할 수 있으며, 이중 Mg가 바람직하다. n측 영역(150)과 p측 영역(140) 사이에 개재된 활성층(106)은 예를 들어, InGaN/GaN의 다중 양자우물 구조를 가질 수 있다.
전류 확산층(105)은 n측 콘택층(103)과 활성층(106) 사이에 개재되어 있다. 이 전류 확산층(105)은, 인듐(In)이 포함된 InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 된 제1 질화물 반도체층(105a)과 InyGa(1-y)N(0≤y＜1, y＜x)로 된 제2 질화물 반도체층(105b)이 상호 교대로 적층되어 이루어진다. 또한, 전류 확산층(105)은 전체 3층 이상의 다층박막층으로 이루어져 있다. 바람직하게는, 제1 및 제2 질화물 반도체층(105a, 105b)이 2층 이상 적층되어 합계 4층 이상 적층된다.
또한, 전류 확산층(105) 중에서 연속하여 적층된 일부 질화물 반도체층들(105a, 105b)은 n형 도펀트로 도핑되어 있고, 전류 확상층(105) 중에서 다른 일부는 도핑되어 있지 않은 언도프 질화물 반도체로 되어 있다. 실시형태에 따라서는, 일부 연속하여 적층된 질화물 반도체층들(105a, 105b)은 n형 도펀트로 도핑되고, 다른 일부 연속하여 적층된 질화물 반도체층들(105a, 105b)은 도핑되지 않은 언도프 질화물 반도체로 될 수 있다.
만약 전류 확산층(105)을 구성하는 상기 다층박막을 모두 언도프 질화물 반도체로 형성하면, 발광이 전체 면적에 걸쳐 균일하게 되고 ESD 내성이 크게 향상되지만 발광 소자의 동작 전압(Vf)이 증가된다. 만약 상기 다층박막을 모두 n형으로 도핑하면, 동작 전압은 감소되지만 발광 균일성과 ESD 내성이 저하된다.
그러나, 본 발명과 같이 도핑된 부분(연속하여 적층된 n형 질화물 반도체층들)과 도핑되지 않은 부분을 적절히 조합하여 전류 확산층(105)을 구성하면, 동작 전압의 증가 없이 균일한 발광과 높은 ESD 내성을 얻을 수 있다. 즉, 전류 확산층 내의 일부 연속 적층된 n도핑층들에 의해 동작 전압의 과도한 증가를 억제할 뿐만 아니라, 전류 확산층 내의 일부 언도프층에 의해 전류를 균일하게 인가하여 균일한 발광과 높은 ESD 내성 특성을 얻을 수 있다.
전류 확산층(105)에서, n형 도펀트로 도핑된 질화물 반도체층들(105a, 105b)은 도핑 농도가 모두 동일할 수 있다. 다른 방안으로서, 전류 확산층(105)층에서 n형 도펀트로 도핑된 질화물 반도체층들(105a, 105b)의 일부는 도핑 농도가 동일하고 다른 일부는 도핑 농도가 서로 변할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 질화물 반도체층(105a) 및 제2 질화물 반도체층(105b)의 두께는 각각 5nm이하이다. 이와 같이 제1 및 제2 질화물 반도체층(105a, 105b)의 두께를 각각 5nm이하로 하면, 상기 전류 확산층은 결정성이 좋은 초격자 구조의 다층박막을 이룰 수 있다.
도 2에서는, 제1 질화물 반도체층(105a)에서 시작하여 제1 질화물 반도체층(105b)으로 끝나는 적층 순서를 나타내고 있지만, 이와 다른 적층 순서를 취할 수도 있다. 예를 들어, 제1 질화물 반도체층(105a)에서 시작하여 제2 질화물 반도체 층(105b)으로 끝나는 적층 순서를 취하거나, 제2 질화물 반도체층(105b)에서 시작하여 제1 또는 제2 질화물 반도체층(105b)으로 끝나는 적층 순서를 취할 수도 있다.
도 3은 일 실시형태에 따른 전류 확산층(105)의 나타내는 부분 단면도이다. 도 3을 참조하면, In 함량이 상대적으로 많은 제1 질화물 반도체층(105a)과 In 함량이 적은 제2 질화물 반도체층(105b)이 5쌍으로 적층되어 총 10개층을 이루고 있다. 예를 들어, 제1 질화물 반도체층(105a)은 InGaN층로 이루어지고 제2 질화물 반도체층(105b)은 GaN층으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 제1 질화물 반도체층(105a)은 InxGa(1-x)N(0.05＜x＜3)로 이루어진 것이 바람직하다. InGaN는 GaN에 비하여 밴드 갭이 작기 때문에, 전도 대역 엣지(conduction band edge)에서 전류 확산층(105)내의 InGaN층(제1 질화물층)은 양자 우물을 형성하고 GaN층(제2 질화물 반도체층)은 양자 장벽을 형성한다. 도 3을 참조하여 설명한 전류 확산층(105)의 도핑 영역 구성 및 각 질화물 반도체층(105a, 105b)의 조성은 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 전류 확산층의 조성을 개략적으로 설명하기 위한 도면으로서, 전류 확산층의 전도 대역 엣지(conduction band edge)를 나타내는 도면이다. 제1 질화물 반도체층(105a)의 조성은 모두 동일 할 수 있다. 다른 방안으로서, 제1 질화물 반도체층(105a)의 조성은 두께 방향의 거리에 따라 변할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 질화물 반도체층(105a)의 조성이 모두 동일하다. 예를 들어 InGaN/GaN 다층박막으로 전류 확산층(105)을 형성할 경우, InGaN층(제1 질화물 반도체층(105a))의 조성을 모두 동일하게 할 수 있다. 따라서, 전류 확산층 내의 양자 우물들의 깊이가 거의 모두 같게 나타난다.
도 5를 참조하면, 제1 질화물 반도체층(105a)의 조성이 두께 방향의 거리에 따라 변한다. 특히, 양자 우물을 이루는 제1 질화물 반도체층(105a)의 In 조성은 활성층 쪽으로 갈수록 커지고 있다. 이와 같이 In 조성을 변화시킴으로써, 전류 확산층 내부에 있어서 두께 방향에 따라 굴절율을 변화시킬 수 있다. 이러한 굴절율 변화를 통해 상기 전류 확산층(105)으로 광도파관을 형성하여 LD 소자의 레이저광의 모드를 조정할 수 있다. 특히, 활성층에 가까울수록 In 조성을 크게 하면(굴절율을 크게 하면), 양질의 광도파관을 형성할 수 있고 레이저광의 모드를 용이하게 효과적으로 조정할 수 있다. 따라서, 광 출력과 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 질화물 반도체층(105a)의 In 조성이 변함에 따라 정전용량이 변한다.
도 6을 참조하면, 도 5와는 반대로 제1 질화물층(105a)의 In 조성은 활성층 쪽으로 갈수록 작아지고 있다. 이와 같이 In 조성을 변화시킴으로써, 전류 확산층 내부에 있어서 두께 방향에 따라 굴절율을 변화시킬 수 있고, 이에 따라 상기 전류 확산층(105)으로 광도파관을 형성하여 LD 소자의 레이저광의 모드를 조정할 수 있다. 또한, 제1 질화물 반도체층(105a)의 In 조성이 변함에 따라 정전용량이 변한다.
이 밖에도, 제1 질화물 반도체층들(105a) 중 일부는 조성이 서로 동일하고 다른 일부는 서로 변할 수 있다. 이러한 예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, n측 콘택층에 인접한 2개의 제1 질화물 반도체층들(105a)은 서로 동일한 In 조성을 가지고 있고(A 영역 참조), 활성층에 인접한 3개의 제1 질화물 반도체층들(105a)은 서로 동일한 In 조성을 가지고 있다(B 영역 참조). 그러나, A 영역의 제1 질화물 반도체층(105a)의 In 조성과 B 영역의 In 조성은 서로 다르다. 또한, A 영역과 B 영역 사이에 있는 제1 질화물 반도체층(105a)의 조성은 상기 A 영역과 B 영역의 제1 질화물 반도체층(105a)의 In 조성과 다르다. 이상 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한 여러 가지 전류 확산층 조성은 실시예들에 불과하며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시형태들에 따른 전류 확산층을 이루는 질화물 반도체막들의 두께 변화를 개략적으로 설명하기 위한 도면으로서, 전류 확산층의 전도 대역 엣지를 나타내는 도면이다. 전류 확산층(105)에서, 질화물 반도체층(105a, 105b)의 두께는 모두 동일할 수 있다. 다른 방안으로서, 질화물 반도체층 (105a, 10b)의 두께는 변할 수 있다. 또한, 질화물 반도체층들(105a, 105b) 중 일부는 두께가 서로 동일하고, 다른 일부는 두께가 서로 다를 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 질화물 반도체층(105a)의 두께는 활성층에 가까울수록 커진다. 이와 같이 두께를 조절함으로써, 활성층 쪽으로 갈수록 In 조성이 커지는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 활성층 쪽으로 갈수록 굴절율이 커지게 된다. 이러한 두께 조절은 전술한 바와 같이 레이저광 모드를 조정하는 데 이용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 8과는 반대로 제1 질화물 반도체층(105a)의 두께는 활성층에 가까울수록 작아진다. 이와 같이 두께를 조절함으로써, 활성층 쪽으로 갈수록 In 조성이 작아지는 효과를 얻을 수 있으며, 이러한 두께 조절은 굴절율 조정과 레이저광 모드 조정에 이용될 수 있다.
이 밖에도, 제1 질화물 반도체층들(105a) 중 일부는 두께가 서로 동일하고, 다른 일부는 두께가 서로 다를 수 있다. 또한, 제2 질화물 반도체층(105b)의 두께 또는 제1 및 제2 질화물 반도체층(105a, 105b)의 두께를 모두 조절할 수도 있다. 나아가, 제1 질화물 반도체층(105a)의 조성과 두께를 동시에 조절하여 서로 다르게 할 수 있으며, 제1 질화물 반도체층들(105a) 중 일부는 조성과 두께가 동일하고 다른 일부는 조성과 두께가 서로 다를 수도 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 일부를 나타내는 단면도이다. 이 실시형태에의 반도체 발광 소자(200)는, 언도프 GaN층(102)과 n측 콘택층(103) 사이에 질화물 반도체층/SiC층의 다층 구조로 이루어진 버퍼층(110, 112)을 더 포함한다는 점을 제외하고는, 전술한 실시형태의 반도체 발광 소자(100)(도 2 참조)과 동일한다. 따라서, 활성층(106)의 윗 부분은 도시를 생략하였다. 상기 버퍼층(110, 112)은 언도프 GaN층(102) 상에 형성된 SiC층(110)과, 상기 SiC층(110) 상에 형성된 InGaN층(112)을 포함한다.
상기 SiC층(110)은 500 내지 1500℃에서 성장된 것이 바람직하며, 상기 InGaN층(112)은 500 내지 600℃의 저온 범위에서 성장된 것이 바람직하다. 이러한 버퍼층(110, 112)에 의하여 버퍼층 상에 보다 양질의 질화물 반도체 결정을 얻을 수 있게 된다. 이에 따라, 발광 소자의 발광 효율과 ESD 내성의 향상을 기대할 수 있다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 이 실시형태의 질화물 반도체 발광 소자(300)는, n측 콘택층(103)과 전류 확산층(105) 사이에 형성된 탄소(C) 변조 도핑층(104)을 더 포함한다는 점을 제외하고는, 전술한 실시형태의 발광 소자(100)(도 2 참조)와 동일하다. 상기 C 변조 도핑층(104)은 두께 방향의 거리에 따라 변조되는 탄소 도핑 농도를 갖는다. 도 12에는 C 변조 도핑층(104)의 탄소 농도 프로파일이 개략적으로 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, C 변조 도핑층(104)은 두께 방향의 거리에 따라 탄소 도핑 농도가 증가하였다가 감소하는 농도 변화를 반복한다. 도 12에서 Ch는 최고 농도를 나타내며 Cl은 최저 농도를 나타낸다. 이러한 C 변조 도핑층(104)을 구비함으로써, 더욱 더 향상된 ESD 내압을 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전류 확산층에 의해 전류가 균일하게 인가되므로 발광이 균일해지고 발광 효율이 향상된다. 또한, 효과적인 전류 주입에 의해 동작 전압의 과도한 증가를 억제할 수 있다. 나아가 균일한 전류 주입에 의해 ESD 내성 특성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (23)

  1. 기판 상에 형성된 n측 콘택층과;
    상기 n측 콘택층 상에 형성된 전류 확산 층과;
    상기 전류 확산층 상에 형성된 활성층과;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 클래드층을 포함하고,
    상기 전류 확산층은, InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 된 제1 질화물 반도체층과 InyGa(1-y)N(0≤y＜1, y＜x)로 된 제2 질화물 반도체층이 상호 교대로 적층되어 형성된 전체 3층 이상의 다층박막층으로 이루어져 있고,
    상기 다층박막층 중 일부 연속하여 적층된 질화물 반도체층들은 n형 도펀트로 도핑되고, 상기 다층박막층 중 다른 일부는 도핑되어 있지 않은 언도프 질화물 반도체로 된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다층박막층 중 일부 연속하여 적층된 질화물 반도체층들은 n형 도펀트로 도핑되고, 상기 다층박막층 중 다른 일부 연속하여 적층된 질화물 반도체층들은 도핑되지 않은 언도프 질화물 반도체로 된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다층박막층에서, n형 도펀트로 도핑된 질화물 반도체층들은 도핑 농도가 모두 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다층박막층에서, n형 도펀트로 도핑된 질화물 반도체층들의 일부는 도핑 농도가 동일하고 다른 일부는 도핑 농도가 서로 변하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층은 InGaN로 이루어지고, 상기 제2 질화물 반도체층은 GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층은 InxGa(1-x)N(0.05＜x＜3)으로 이루어지고, 상기 제2 질화물 반도체층은 GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층의 조성은 모두 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층의 조성은 두께 방향의 거리에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    제1 질화물 반도체층의 In 조성은 활성층에 가까울수록 커지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    제1 질화물 반도체층의 In 조성은 활성층에 가까울수록 작아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층들 중 일부는 조성이 서로 동일하고 다른 일부는 조성이 서로 변하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 다층박막층에서, 상기 질화물 반도체층의 두께는 모두 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 다층박막층에서, 상기 질화물 반도체층의 두께는 변하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    제1 질화물층 또는 제2 질화물 반도체층의 두께는 활성층에 가까울수록 커지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  15. 제13항에 있어서,
    제1 질화물층 또는 제2 질화물 반도체층의 두께는 활성층에 가까울수록 작아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층들 중 일부는 두께가 서로 동일하고, 다른 일부는 두께가 서로 다른 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층 및 제2 질화물 반도체층의 두께는 각각 0보다 크고 5nm이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층의 조성과 두께는 동시에 서로 다른 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층들 중 일부는 조성과 두께가 동일하고 일부는 조성과 두께가 서로 다른 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 n측 콘택층 사이에 질화물 반도체층/SiC층의 다층 구조로 이루어진 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 기판 상에 형성된 SiC층과, 상기 SiC층 상에 형성된 InGaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 기판과 상기 버퍼층 사이에 형성된 언도프 GaN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 n측 콘택층과 상기 전류 확산층 사이에 형성된 탄소 변조 도핑층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
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