KR100835717B1

KR100835717B1 - 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100835717B1
Application number: KR20060123497A
Authority: KR
Inventors: 이성숙; 오방원; 박길한; 박희석; 한재웅
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-12-07

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히, p형 및 n형 질화물 반도체층과 그 사이에 순차적으로 형성된 서로 다른 파장광을 발광하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 복수의 활성층은 적어도 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 활성층은 각각 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어지며, 상기 제2 활성층의 양자우물층과 양자장벽층은 Sc_XGa_(1-X)N(0<x≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

백색 발광소자(white light emitting device), 모놀리식 소자(monolithic device), 장파장, Sc(scandium)

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도 2는 GaN과 InN의 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프.

도 3은 In_XGa₁ _-XN(0<x≤1) 조성으로 이루어진 서로 다른 파장광을 내는 활성층 성장시, 성장 온도 변화에 따른 성장 시간 비교도.

도 4는 GaN과 ScN의 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프.

도 5는 Sc_XGa_(1-X)N(x≤1) 조성으로 이루어진 서로 다른 파장광을 내는 활성층 성장시, 성장 온도 변화에 따른 성장 시간 비교도.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10: 질화물 반도체 발광소자 12: 제1 도전형 질화물 반도체층

14,24: 제1 활성층 16,26: 제2 활성층

17: 제2 도전형 질화물 반도체층 19a,19b: 제1 및 제2 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 서로 다른 파장광을 발광하는 적어도 2개의 활성층을 단일 소자형태로 구현한 모놀리식 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체를 이용한 백색 발광소자는 탁월한 고휘도 및 고효율이 가능하므로, 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용된다.

이러한 백색 발광 소자의 구현방안은 개별 LED로 제조된 청색, 적색 및 녹색 LED를 단순 조합하는 방식과 형광체를 이용하는 방식이 널리 알려져 있다. 다색의 개별 LED를 동일한 인쇄회로기판에 조합하는 방식은 이를 위한 복잡한 구동회로가 요구되며, 이로 인해 소형화가 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법이 보편적으로 사용된다.

종래의 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법으로는, 청색 발광소자를 이용하는 방법과 자외선 발광소자를 이용하는 방법이 있다. 예를 들어, 청색 발광소자를 이용하는 경우에는 YAG(Yittrium Aluminum Garnet) 형광체를 이용하여 청색광을 백색광으로 파장 변환한다. 즉, 청색 LED로부터 발생된 청색파장이 YAG 형광체를 여기시켜 최종으로 백색광을 얻을 수 있다. 하지만, 형광체분말에 의한 소자 특성의 불이익한 영향이 발생되거나, 형광체 여기시 광효율이 감소하고 색보정지수가 저하되어 우수한 색감을 얻을 수 없다는 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 방안으로, 형광체 없이 다른 파장광을 발광하는 복수의 활성층을 구비한 모놀리식 발광소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 적색, 청색, 녹색을 위한 활성층 또는 청색, 오렌지색을 위한 활성층을 단일한 발광소자에 구현하거나, 그 중 일부인 청색 및 녹색을 위한 활성층을 단일 발광소자로 구현하고, 다른 적색 발광소자를 결합하는 방식으로 구현될 수 있다. 복수의 활성층을 갖는 모놀리식 발광소자의 일 예로서 도 1에는 서로 다른 파장광을 방출하는 2개의 활성층을 구비한 질화물 반도체 발광소자가 도시되어 있다.

그러면, 이하 도 1을 참조하여 종래의 질화물 반도체 발광소자에 대해 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자(10)는 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(12), 활성층(14) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(17)을 포함한다. 또한, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(12, 17)에는 각각 제1 및 제2 전극(19a,19b)이 제공된다.

도 1에 도시된 구조에서, 상기 활성층(14)은 서로 다른 파장광을 갖는 제1 활성층(15) 및 제2 활성층(16)이 순차 적층되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 서로 다른 파장광은 일반적으로 양자우물층에 함유된 인듐(In)의 함량에 따라 결정되며, 예를 들어 각각 청색, 오렌지색 또는 청색, 녹색의 광을 생성하도록 인듐(In)의 함량을 달리한 In_XGa_1-XN(0<x≤1)으로 이루어진다.

이때, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(12, 17)은 일반적으로 GaN으로 형성되고, 서로 다른 파장광을 갖는 상기 제1 및 제2 활성층(14, 16)은 In_XGa_{1- X}N(0<x≤1)으로 형성된다.

그러나, 도 2를 참조하면, GaN과 InN은 격자상수가 큼을 알 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(12, 17)과 상기 제1 및 제2 활성층(14, 16) 사이 계면에 있어서 스트레스가 높은 문제가 있다. 여기서, 도 2는 GaN과 InN의 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이다.

또한, 종래 기술에 따라 In_XGa₁ _-XN(0<x≤1) 조성으로 이루어진 활성층에서 장파장을 얻기 위해서는 단파장을 구현할 때보다 TMIn 소스(source) 양을 증가시켜야 하나, In_XGa₁ _-XN(0<x≤1)의 경우 TMIn 소스를 일정 양 이상으로 증가시키게 되면, 인듐의 조성은 그대로고 그에 해당하는 활성층의 표면상태만 거칠어지는 문제가 있다.

그래서, 장파장을 얻기 위한 활성층 성장시, 도 3에 도시된 바와 같이, 단파장을 얻기 위한 활성층의 성장 온도보다 낮은 온도로 성장시키고 있으나, 이 또한 서로 다른 파장 즉, 장파장과 단파장을 동시에 구현해야 하는 질화물 반도체 발광소자의 경우, 얇은 양자장벽층을 사이에 두고 성장 온도를 변화시켜야 하기 때문에 양자우물층과 양자장벽층의 성장온도 차이가 커지게 됨으로써, 양자우물층의 인듐이 양자장벽층으로 확산되어 활성층의 결정성을 떨어뜨리는 문제가 있다. 여기서, 도 3은 In_XGa₁ _-XN(0<x≤1) 조성으로 이루어진 서로 다른 파장광을 내는 활성층 성장시, 성장 온도 변화에 따른 성장 시간 비교도이다.

따라서, 당 기술분야에서는 활성층의 계면 및 막질의 손상 없이 서로 다른 파장광을 방출하는 2개의 활성층을 구비한 질화물 반도체 발광소자를 구현할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 서로 다른 파장광을 갖는 복수의 활성층이 계면 및 막질의 저하 없이 서로 다른 파장광을 가질 수 있도록, 상기 활성층의 조성을 파장에 따라 달리 구현한 새로운 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 p형 및 n형 질화물 반도체층과 그 사이에 순차적으로 형성된 서로 다른 파장광을 발광하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 복수의 활성층은 적어도 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 활성층은 각각 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어지며, 상기 제2 활성층의 양자우물층과 양자장벽층은 Sc_XGa_(1-X)N(x≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 제1 활성층의 양자우물층과 양자장벽층은 Sc_XGa_(1-X)N(x≤1)으로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 제1 및 제2 활성층은 백색 발광에 필요한 특정 파장을 갖도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 활성층은 450 내지 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 550 내지 600㎚의 발광파장을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 활성층은 450 내지 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 510 내지 535㎚의 발광파장을 갖는 형태일 수 있다. 이러한 형태는 별도의 적색(600 내지 635㎚)광을 갖는 발광소자와 결합하여 반모놀리식으로 백색발광소자로 구현될 수 있으나, 추가적으로 600 내지 635㎚의 파장광을 방출하는 제3 활성층을 더 포함한 완전한 모놀리식으로 구현될 수도 있다. 이 경우에, 상기 제3 활성층은 상기 제2 활성층보다 상기 p형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 제3 활성층의 양자우물층과 양자장벽층은 Sc_XGa_(1-X)N(x≤1)으로 이루어진 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 도 4와 도 5 및 앞서 설명한 도 1을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 일반적인 질화물 반도체 발광 소자는, 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(12), 활성층(14) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(17)을 포함한다.

상기 기판(11)은, 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며, 사파이어 이외에도 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.

상기 기판(11)과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(12)의 사이에는, 이들 간의 격자정합을 향상시키기 위한 버퍼층(도시안함)이 형성되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 버퍼층은 GaN 또는 AlN/GaN 등으로 형성될 수 있다.

상기 제1 도전형 및 제2 도전형 질화물 반도체층(12, 17)은, Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(12)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge 및 Sn 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다. 또한, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(17)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 예를 들 어, Mg, Zn 및 Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다.

그리고, 상기 활성층(14)은 복수의 층으로 형성되어 있으며, 상기 복수의 활성층은 백색 발광에 필요한 적절한 파장을 갖도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 단파장 활성층은 450 내지 475㎚의 발광파장을 가지며, 장파장 활성층은 550 내지 600㎚의 발광파장을 가질 수 있다. 즉, 적어도 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층(15)과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층(16)을 포함한다. 이때, 상기 제1 및 제2 활성층(15, 16)은 각각 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층(도시하지 않음)과 양자장벽층(도시하지 않음)으로 이루어져 있다.

특히, 본 발명에 따른 상기 제2 활성층(16)의 양자우물층과 양자장벽층은 Sc_XGa_(1-X)N(x≤1)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하고 있다.

보다 상세하게, 상기 제2 활성층(16)은 상기 제1 활성층(15)의 파장보다 긴 파장 즉, 장파장을 얻기 위한 층이다.

한편, 종래 기술에 따른 복수의 활성층은 모두 In_XGa₁ _-XN(0<x≤1)으로 이루어져 있는 바, 장파장을 얻기 위한 활성층 성장시, 인듐의 조성을 높이기 위하여 단파장을 얻기 위한 활성층보다 낮은 온도로 성장시키고 있으나, 장파장과 단파장을 동시에 구현해야 하는 질화물 반도체 발광소자의 경우, 얇은 양자장벽층을 사이에 두고 성장 온도를 변화시켜야 하기 때문에 양자우물층과 양자장벽층의 성장온도 차이가 커지게 됨으로써, 양자우물층의 인듐이 양자장벽층으로 확산되어 활성층의 결 정성을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명에 따른 상기 활성층(14)은 적어도 장파장을 얻기 위한 제2 활성층(16)이 In_XGa_1-XN(0<x≤1)이 아닌 GaN과 격자상수의 차이가 별로 없는 Sc(도 4 참조)를 포함한 Sc_XGa_(1-X)N(0<x≤1)로 이루어져 있기 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이, 단파장을 얻기 위한 제1 활성층(15)의 성장 온도와 비슷한 고온에서도 성장 가능하다. 여기서, 도 4는 GaN과 ScN의 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이고, 도 5는 Sc_XGa_(1-X)N(x≤1) 조성으로 이루어진 서로 다른 파장광을 내는 활성층 성장시, 성장 온도 변화에 따른 성장 시간 비교도이다.

다시 말하여, 본 발명은 서로 다른 파장광을 갖는 복수의 활성층(14) 형성시, 성장 온도의 변화 없이 비슷한 온도에서 서로 다른 파장광을 갖는 각각의 활성층을 형성하는 것이 가능하여 성장 온도의 차로 인해 활성층의 계면 및 막질이 떨어지는 문제의 발생을 방지할 수 있다.

이때, 상기 단파장을 얻기 위한 제1 활성층(15) 또한, 장파장을 얻기 위한 제2 활성층(16)과 마찬가지로, GaN과 격자상수의 차이가 별로 없는 Sc를 포함한 Sc_XGa_(1-X)N(0<x≤1)로 이루어질 수 있다.

한편, 도시하지는 않았으나, 상기한 실시예와 유사하게 단파장 활성층은 450내지 475㎚의 발광파장을 가지며, 장파장 활성층은 510 내지 535㎚의 발광파장을 갖는 형태일 수 있다. 이 경우에는, 별도의 적색(600∼635㎚)광을 갖는 발광소자에 접합시킴으로써 백색 발광소자로 구현될 수 있으나, 추가적으로 600 내지 635㎚ 의 파장광을 방출하는 적색 활성층을 더 포함한 완전한 모놀리식으로 구현될 수도 있다. 이 경우에, 상기 적색 활성층은 p형 질화물 반도체층과 에너지 밴드갭의 차이가 가장 크므로, 다른 활성층보다 p형 질화물 반도체층인 제2 도전형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3 활성층 또한, 장파장을 얻기 위한 제2 활성층(16)과 마찬가지로, GaN과 격자상수의 차이가 별로 없는 Sc를 포함한 Sc_XGa_(1-X)N(0<x≤1)로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 제2 도전형 잘화물 반도체층(17)과, 상기 활성층(14)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 제1 도전형 질화물 반도체층(12)의 일부를 드러내고 있다. 즉, 상기 활성층(14) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(17)은 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(12) 상의 일부분에 형성되어 있는 것이다.

상기 제2 도전형 질화물 반도체층(17) 상에는 제2 전극(19b)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 메사 식각에 의해 드러난 제1 도전형 질화물 반도체층(12) 상에는 제1 전극(19a)이 형성되어 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실 시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 활성층 중 적어도 장파장을 얻기 위한 활성층을 GaN과 격자상수의 차이가 별로 없는 Sc를 포함한 Sc_XGa_(1-X)N(0<x≤1)로 형성함으로써, 서로 다른 파장광을 갖는 복수의 활성층이 계면 및 막질의 저하 없이 서로 다른 파장광을 구현할 수 있다.

이러한 기술은 모노리식 백색 발광소자를 제조하는데 매우 유용하게 채용될 수 있다.

Claims

제1 도전형 및 제2 도전형 질화물 반도체층과 그 사이에 순차적으로 형성된 서로 다른 파장광을 발광하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,

상기 복수의 활성층은 적어도 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 활성층은 각각 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어지며,

상기 제2 활성층의 양자우물층과 양자장벽층은 Sc_XGa_(1-X)N(0<x≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 활성층의 양자우물층과 양자장벽층은 Sc_XGa_(1-X)N(0<x≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 활성층은 450 내지 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 550 내지 600㎚의 발광파장을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 활성층은 450 내지 475㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 활성층은 510 내지 535㎚의 파장광을 생성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 복수의 활성층은 600 내지 635㎚의 파장광을 생성하며 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어진 제3 활성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,

상기 제3 활성층은 상기 제2 활성층보다 상기 제2 도전형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제6항에 있어서,

상기 제3 활성층의 양자우물층과 양자장벽층은 Sc_XGa_(1-X)N(0<x≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.