KR101025971B1

KR101025971B1 - 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR101025971B1
Application number: KR1020080125284A
Authority: KR
Inventors: 윤석호; 최락준; 박기호
Original assignee: 삼성엘이디 주식회사
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: KR20100066807A

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하며, 상기 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 전자차단층을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층 중 상기 전자차단층에 가장 인접한 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 상기 최종 양자장벽층의 다른 영역보다 가장 높은 p형 불순물 농도를 가지며, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 동일하게 형성함으로써, 양자우물층으로부터의 전자 오버플로우(overflow)와 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우를 차단할 수 있다.

전자 오버플로우(overflow), p형 불순물, 초격자, 양장장벽층, 양자우물층

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양자우물층으로부터의 전자 오버플로우(overflow)와 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우를 차단할 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

반도체 발광소자(Lihgt Emitting Device: LED)는 전류가 가해지면 p 및 n형 반도체층의 접합 부분, 즉 활성층에서의 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 활성층은 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW)구조와 약 100Å보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(muti quantum well: MQW)구조가 있다. 이 중에서, 특히 다중양자우물구조의 활성층은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 적극적으로 활용되고 있다.

이러한 반도체 발광소자는 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 전항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 째 문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 Ⅲ족 질화물계 반도체가 각광을 받고 있다.

일반적으로, 질화물계 반도체 발광소자는 사파이어 기판, n형 질화물 반도체층, 다중양자우물구조인 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층된다. 이때, 메사에칭되어 노출된 n형 질화물 반도체층 상면에는 n측 전극이 형성되며, p형 질화물 반도체층 상면에는 p측 전극이 형성된다. 여기서, 다중양자우물구조로 이루어진 활성층은 일반적으로 언도프된 GaN 장벽층과 언도프된 InGaN 양자우물층이 교대로 적층된 구조로 이루어진다.

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, 질화물계 반도체 발광소자의 분극 특성에 의해 활성층에서 전자의 양자 구속력이 감소하고, 전자와 정공의 이동도 차이에 따라(전자의 이동도가 정공의 이동도보다 높다) 활성층에서 양자 구속되지 않은 전자가 p형 질화물 반도체층으로 오버플로우 되거나, 최종 양자장벽층 또는 p형 질화물 반도체층과의 계면에서 비발광 결합하여 광손실이 발생하여 발광소자의 효율이 저하된다.

즉, 전자 및 정공의 이동성이 불균형을 이룰 경우에는 일부 캐리어(전자 또는 정공)가 활성층 내에서 재결합되지 않고, 클래드층인 p형 또는 n형 질화물 반도체층으로 이동하여 활성층 내부에서의 재결합효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 활성층에서 캐리어의 유효량을 증대시키기 위해서, 활성층 외부에서 재결합되는 캐리어수를 감소시켜야 하므로, 전자와 정공의 포획율(capture rate)을 최적화할 필요가 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 초격자구조의 활성층에서 최종 양자장벽층의 에너지 밴드갭 또는 p형 불순물 농도를 제어함으로써 p형 질화물 반도체층으로의 전자의 오버플로우를 차단하여 활성층 외부의 재결합을 방지할 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하며, 상기 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 전자차단층을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층 중 상기 전자차단층에 가장 인접한 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 상기 최종 양자장벽층의 다른 영역보다 가장 높은 p형 불순물 농도를 갖는다.

이때, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴 드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 동일한 것이 바람직하다.

또한, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 밴드갭보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역이 언도프되어 있으며, 상기 양자우물층과 인접한 영역에서 상기 전자차단층과 인접한 영역에 연속적으로 높은 p형 불순물 농도를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단층과 인접한 영역에 p형 델타 도핑된 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 1×10¹⁷/㎤ 이상인 것이 바람직하다.

또한,상기 n형 질화물 반도체층에 접하여 형성된 성장용 기판을 더 포함하며, 상기 전자차단층은 초격자 구조를 가지며, 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층에 각각 접하여 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하며, 상기 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 전자차단층을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층 중 상기 전자차단층에 가장 인접한 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층에 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는다.

이때, 상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 가지며, 또는, 상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 상기 양자우물층과 인접한 영역보다 높은 p형 불순물 농도를 가지며, 또한, 상기 최종 양자장벽층은, 양자우물층과 인접한 영역이 언도프되어 있으며, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역에서 상기 전자차단층과 인접한 영역에 연속적으로 높은 p형 불순물 농도를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단층과 인접한 영역에 p형 델타 도핑된 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 1×10¹⁷/㎤ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하여 형성된 성장용 기판을 더 포함하며, 상기 전자차단층은 초격자 구조를 가지며, 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층에 각각 접하여 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 초격자구조를 갖는 활성층의 양자우물층으로부터의 전자 오버플로우 및 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우 현상을 동시에 차단하여 재결합효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(130), 활성층(140) 및 p형 질화물 반도체층(160)을 포함한다. 그리고, 메사 식각된 n형 질화물 반도체층(130)과 p형 질화물 반도체층(160) 상에는 각각 n측 전극(180) 및 p측 전극(170)이 제공된다. 또한, 기판(110)과 n형 질화물 반도체층(130) 사이의 격자부정합을 완화하기 위한 버퍼층(120)이 제공되며, 활성층(140)은 p형 질화물 반도체층(160)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위한 전자차단층(150)을 활성층에 인접한 영역에 더 구비한다.

이때, 기판(110)은 질화물계 반도체층의 성장을 위해 제공되는 성장용 기판으로서 사파이어 기판을 사용할 수 있다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다.

다만, C면은 극성 면으로서 C면에서 성장된 질화물계 반도체층은 질화물 반도체 고유의 이온결합 (ionicity) 특성과 구조적 비대칭성 (격자상수 a≠c)으로 인해 자발분극 (spontaneous polarization)을 갖게 되고, 격자상수가 다른 질화물 반도체가 연속적으로 적층될 경우, 반도체층에 형성된 변형 (strain)에 의해 압전 분극(piezoelectric polarization)이 발생한다. 이러한 자발분극 및 압전 분극에 의해 각 계면의 에너지 준위가 도2와 같이 벤딩(bending)되게 된다.

그리고, 질화물 반도체 발광소자의 성장용 기판(110)으로 사파이어 기판 대신 SiC, Si, GaN, AlN 등으로 이루어진 기판도 사용 가능하다.

한편, 본 실시 형태에서는 기판(110)이 포함된 수평 구조의 질화물 반도체 발광소자를 기준으로 설명하였으나, 본 발명은 상기 기판(110)이 제거되어 전극이 질화물 반도체층의 적층 방향으로 서로 마주보도록 배치된 수직구조 질화물 반도체 발광소자에도 적용될 수 있을 것이다.

그리고, n형 질화물 반도체층(130) 및 p형 질화물 반도체층(160)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖고, 각각 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다. 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(130, 160)은 질화물 반도체층 성장에 관하여 공지된 공정을 이용할 수 있으며, 예컨대, 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE) 등이 이에 해당한다.

그리고, 활성층(140)은 전자와 정공이 재결합하여 발광하도록 복수의 양자장벽층(140a)과 양자우물층(140b)이 초격자로서 교대로 반복 적층된 다중양자우물구조를 가지며, 양자장벽층(140a) 사이에 양자우물층(140b)이 끼워진 형태를 갖는다. 여기서, 양자장벽층(140a)은 p형 질화물 반도체층(160)으로부터 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진다. 또한, 상기 양자장벽층(140a)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0<y≤1, 0<x+y≤1)으로 이루어지며, 상기 양자우물층(140b)은 In_zGa_(1-z)N(0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다.

그리고, 복수의 양자장벽층(140a) 중 전자차단층(150)과 접하고 있는 양자장벽층을 최종 양자장벽층이라하며, 최종 양자장벽층과 그 인접한 양자우물층의 계면에서의 에너지 밴드갭은 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 그 크기가 동일하거나 큰 것이 바람직하다.

또한, 최종 양자장벽층은 전자차단층(150)과 접하는 계면에서의 에너지 밴드갭은 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 그 크기가 동일하거나 작은 것이 바람직하다.

또한, 최종 양자장벽층은 전자차단층(150)과 인접한 영역에서의 p형 불순물 농도가 최종 양자장벽층의 다른 영역보다 높으며, 특히, 전자차단층(150)과 접하는 계면에서의 p형 불순물 농도가 가장 높은 것이 바람직하다. 여기서, p형 분순물은 1E17/㎤ 이상의 농도로 도핑된다.

본 발명에 채용된 초격자구조의 양자장벽층(140a) 두께는 약 20 ∼ 약 40 Å 범위인 것이 바람직하며, 양자우물층(140b)의 두께도 이와 유사한 범위인 약 20 ∼ 약 40 Å인 것이 바람직하다.

전자차단층(150)은 전자의 오버플로잉을 방지하기 위한 위한 층으로서, 활성층(140)과 p형 질화물 반도체층(160) 사이에 형성되며, Al_xGa_(1-x)N(0≤x≤1)으로 이루어져 높은 에너지 준위를 가진다. 이러한 전자차단층(150)은 통상적으로 전자의 이동도가 정공보다 크므로, 인접한 양자장벽층(140a) 및 p형 질화물 반도체층(160)보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 질화물 반도체로 이루어진다. 이로써, 높은 장벽으로 제공되는 전자차단층(150)에 의해 활성층(140)으로의 전자 주입효율이 크게 저하되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 전자차단층(150)은 더욱 향상된 전자차단효과를 위해, 초격자구조로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 전자차단층(150)은, p형 질화물 반도체층에 접하는 제1 막과 활성층에 접하며 상기 제1 막의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제2 막을 포함할 수 있다. 이 경우에, 전자차단특성을 보장하기 위해서, 상기 제1 막의 두께는 상기 제2 막의 두께보다 큰 것이 보다 바람직하다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자에서 활성층 및 그 인접영역의 전도대역에 대한 개략적인 에너지 밴드갭을 나타낸 다이어그램이다. 여기서, 점선은 최종 양자장벽층이 언도프된 경우의 에너지 밴드갭 상태를 나타낸 것으로, 최종 양자장벽층을 제외한 양자장벽층의 에너지 밴드갭을 의미한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 양자장벽층(140a) 및 양자우물층(140b)은 자발분극 및 압전분극에 의해 에너지 밴드가 벤딩되며, 전자차단층(150)은 활성층(140)의 최종 양자장벽층에서 p형 질화물 반도체층(160)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 활성층 전체 양자장벽층(140a)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다.

그리고, 최종 양자장벽층은 양자우물층(140b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(140a)의 에너지 밴드갭과 동일하며, 전자차단층(150)과 인접한 영역(B)은 양자우물층(140b)에 인접한 영역(A)보다 높은 p형 불순물 농도를 가진다.

즉, 최종 양자장벽층은 전자차단층(150)과 인접한 영역(B)에 높은 p형 불순물을 도핑하여 이 영역에서의 에너지 준위를 높여 최종 양자장벽층과 그 인접한 양자우물층(140b) 간의 에너지차를 크게 하여 양자우물층(140b)으로부터의 전자 오버플로우를 억제한다. 여기서, p형 분순물은 1E17/㎤ 이상의 농도로 도핑된다. 이때, p형 불순물 농도는 양자우물층에 인접한 최종 양자장벽층의 영역에서는 언도프된 질화물 반도체층으로 형성하고, 전자차단층(150)에 가까워질수록 높게하는 것이 바람직하다.

도 3은 도 1에 도시된 질화물 반도체 소자에 있어서, 전자차단층에 접하는 최종 양자장벽층 영역의 p형 도핑 농도에 따른 발광소자의 효율을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 3 (a)는 전자차단층이 AlGaN일 경우이며, 도 3 (b)는 AlGaN/GaN의 초격자구조일 경우이다.

도 3 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 전자차단층(150)에 접하는 최종 양자장벽층 영역(B)에 p형 불순물을 도핑한 경우가 언도프된 양자장벽층(A)의 경우보다 발광소자의 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. 특히, 전자차단층(150)에 접하는 최종 양자장벽층 영역(B)에서의 p형 도핑 농도가 1E17/㎤보다 높을 경우 언도프된 양자장벽층(A)과 비교하여 발광소자의 효율이 향상됨을 알 수 있다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 채용가능한 다양한 형태의 질화물 반도체 발광소자의 활성층 및 그 인접영역의 전도대역에 대한 개략적인 에너지 밴드갭을 나타낸 다이어그램이다. 여기서, 도 4 내지 도 6의 질화물 반도체 발광소자는 도 1과 그 구조가 동일하므로, 동일 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 활성층(440)은 복수의 양자장벽층(440a) 및 양자우물층(440b)을 가지며, 전자차단층(450)은 p형 질화물 반도체층(460)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 활성층 전체 양자장벽층(440a)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다.

그리고, 최종 양자장벽층은 양자우물층(440b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(440b)보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다. 이로써, 양자우물층(440b)으로부터의 전자 오버플로우를 억제할 수 있다.

한편, 전자차단층(450)과 최종 양자장벽층의 에너지차가 작아짐에 따른 p형 질화물 반도체층(460)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 최종 양자장벽층은 전자차단층(450)과 인접한 영역(B)에 양자우물층(140b)과 인접한 영역(A)보다 높은 농도의 p형 불순물을 도핑한다. 이때, p형 불순물 농도는 양자우물층에 인접한 최종 양자장벽층의 영역(A)에서는 언도프 되어 있으며, 전자차단층(450)에 가까워질수록 높게하는 것이 바람직하다.

그리고, 도 5에 도시한 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 활성층(540)은 복수의 양자장벽층(540a) 및 양자우물층(540b)을 가지며, 전자차단층(550)은 활성층(540)의 최종 양자장벽층에서 p형 질화물 반도체층(560)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 활성층 전체 양자장벽층(540a)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다.

그리고, 최종 양자장벽층은 양자우물층(540b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(540b)보다 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 전자차단층(550)에 인접한 영역(B)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(540b)과 동일한 에너지 밴드갭을 가진다. 즉, 최종 양자장벽층은 전자차단층(550)에 인접한 영역(B)의 에너지 밴드갭이 양자우물층(540b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 가진다. 이로써, 양자우물층(540b)로부터의 전자 오버플로우를 억제할 수 있다.

그리고, 도 6에 도시한 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 활성층(640)은 복수의 양자장벽층(640a) 및 양자우물층(640b)을 가지며, 전자차단층(650)은 활성층(640)의 최종 양자장벽층에서 p형 질화물 반도체층(660)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 활성층 전체 양자장벽층(640a)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다.

그리고, 최종 양자장벽층은 양자우물층(640b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(540b)보다 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 전자차단층(550)에 인접한 영역(B)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(540b)보다 낮은 에너지 밴드갭을 가진다. 이로써, 양자우물층(540b)으로부터의 전자 오버플로우 및 p형 질화물 반도체층(660)으로의 전자 오버플로우를 동시에 억제할 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 최종 양자장벽층의 에너지 밴드갭을 제어하으로써 밴드 벤딩이 증가하는데, 이는 전자차단층(650)과 인접한 최종 양자장벽층 영역(B)의 p형 불순물 농도를 높게하여 완화 가능하다.

따라서, 도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명은 활성층에서의 양자 구속력을 증가시키는 동시에 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우를 효과적으로 차단할 수 있도록 초격자 구조의 활성층과 전자차단층을 채택하고, 상기 전자차단층에 인접한 최종 양자장벽층은 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도를 다른 영역보다 높게 하고, 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭을 다른 양자장벽층보다 높게 한다.

또한, 본 발명에서는, 활성층에서의 양자 구속력을 증가시키는 동시에 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우를 효과적으로 차단할 수 있도록, 상기 전자차단층에 인접한 최종 양자장벽층은 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭을 다른 양자장벽층보다 높게 하고, 전자차단층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭을 다른 양자장벽층과 같거나 낮게 한다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도 2는 도1에 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층 및 그 인접영역에 대한 에너지밴드갭을 나타낸 다이어그램이다.

도 3은 도 1에 도시된 질화물 반도체 소자의 전류에 따른 발광소자의 효율을 나타낸 그래프이다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 채용가능한 다양한 형태의 질화물 반도체 소자의 활성층 및 그 인접영역에 대한 에너지밴드갭을 나타낸 다이어그램이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

100: 질화물 반도체 발광소자 110: 기판

120: 버퍼층 130: n형 질화물 반도체층

140: 활성층 150: 전자차단층

160: p형 질화물 반도체층 170: p측 전극

180: n측 전극

Claims

n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층; 및

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함하고,

상기 p형 질화물 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하며, 상기 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 전자차단층을 포함하며,

상기 복수의 양자장벽층 중 상기 전자차단층에 가장 인접한 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 상기 최종 양자장벽층의 다른 영역보다 가장 높은 p형 불순물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역이 언도프되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제4항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역에서 상기 전자차단층과 인접한 영역에 연속적으로 높은 p형 불순물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 그 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 1×10¹⁷/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단층과 인접한 영역에 p형 델타 도핑된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층에 접하여 형성된 성장용 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 전자차단층은 초격자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층과 각각 접하여 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층; 및

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함하고,

상기 p형 질화물 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하며, 상기 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 전자차단층을 포함하며,

상기 복수의 양자장벽층 중 상기 전자차단층에 가장 인접한 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층에 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제11항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제11항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제12항 또는 제13항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 상기 양자우물층과 인접한 영역보다 높은 p형 불순물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제14항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은, 상기 양자우물층과 인접한 영역이 언도프되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제15항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역에서 상기 전자차단층과 인접한 영역에 연속적으로 높은 p형 불순물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제14항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단층과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 1×10¹⁷/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제11항에 있어서,

상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단층과 인접한 영역에 p형 델타 도핑된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제11항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층에 접하여 형성된 성장용 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제11항에 있어서,

상기 전자차단층은 초격자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제11항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층에 각각 접하여 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.