KR101781435B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, n형 및 p형 질화물 반도체층; 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층; 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성된 전자주입층을 포함하고, 상기 전자주입층은 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개 이상의 층이 적층된 다층구조를 구비하되, 상기 다층구조는 2회 이상 반복되며, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 적어도 하나의 층은 상기 활성층에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작고, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 층은 활성층에 가까운 것일수록 두께가 두꺼운 구성을 포함한다.

Description

질화물 반도체 발광소자{Nitride Semiconductor Light Emitting Device}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

최근 GaN 등의 Ⅲ-Ⅴ 질화물 반도체는, 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 이러한 발광 소자는 고 전류/고 출력을 요구하는 BLU(Back Light Unit), 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.

질화물 반도체 발광 소자가 다양한 분야에서 사용됨에 따라 고 출력, 대면적 발광소자에서 활성층으로의 효과적인 전류 주입 방법이 중요하게 되었다. 종래에는 활성층으로의 전류 확산 및 응력 완화를 위해 초격자층을 적층시키고 전류 주입을 위해 EEL(Electron Ejection Layer)을 성장시키는 방법이 사용되고 있다. 그러나 이러한 복잡한 적층 구조로 인해 스트레스가 증가(file-up)하여 계면에서 결함 발생 가능성이 증가하고, 이러한 결함이 활성층으로 전개되어 반도체 발광 소자의 광효율 및 신뢰성이 저하된다는 문제가 있다.

본 발명의 목적 중 하나는, 2차원 전자가스(2DEG) 효과를 통해 전류 확산이 개선되고 전류 주입 효과 및 광효율이 향상된 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적 중 다른 하나는, 전류주입층을 형성하여 질화물층의 스트레스를 완화하고 결함발생 가능성이 감소된 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적 중 또 다른 하나는, 질화물 반도체의 구조를 단순화하여 제조시간 단축함으로써 생산성 및 재현성이 우수한 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면은,

n형 및 p형 질화물 반도체층, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성된 전자주입층을 포함하고, 상기 전자주입층은 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개 이상의 층이 적층된 다층구조를 구비하되, 상기 다층구조는 2회 이상 반복되며, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 적어도 하나의 층은 상기 활성층에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다.

또한, 상기 다층구조는 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어지며, 상기 다층구조는 Al과 In의 조성비를 달리하여 서로 다른 에너지 밴드를 갖는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 InGaN/GaN/AlGaN의 적층구조를 갖는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 AlGaN/GaN/InGaN의 적층구조를 갖는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 InGaN/GaN/AlGaN/GaN의 적층구조를 갖는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층 보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 제1 및 제2층은 상기 제3층을 사이에 두고 서로 교대로 배치되는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2층은 활성층에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작은 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 제3층은 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 2 이상의 층이 상기 제1 및 제2층을 사이에 두고 에너지 밴드갭이 순차적으로 증가 또는 감소하도록 적층된 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층 보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 다층구조는 상기 제1층과 제3층 그리고 제2층이 순차적으로 적층된 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 다층구조는 상기 제2층과 제3층 그리고 제1층이 순차적으로 적층된 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 가장 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 층은 활성층에 가까운 것일수록 두께가 두꺼운 것으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은,

n형 및 p형 질화물 반도체층, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성된 전자주입층을 포함하고, 상기 전자주입층은 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개 이상의 층이 적층된 다층구조를 구비하되, 상기 다층구조는 2회 이상 반복되며, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 가장 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 층은 상기 활성층에 가까운 것일수록 두께가 두꺼운 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다.

또한, 상기 다층구조는 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어지며, 상기 다층구조는 Al과 In의 조성비를 달리하여 서로 다른 에너지 밴드를 갖는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 초격자 구조를 형성하는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 다층구조는 제1 및 제2 층은 상기 제3 층을 사이에 두고 서로 교대로 배치되는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2층 중 적어도 하나는 활성층에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작은 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 제3층은 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 2 이상의 층이 상기 제1 및 제2층을 사이에 두고 에너지 밴드갭이 순차적으로 증가 또는 감소하도록 적층된 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 다층구조는 상기 제1층과 제3층 그리고 제2층이 순차적으로 적층된 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 다층구조는 상기 제2층과 제3층 그리고 제1층이 순차적으로 적층된 것으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전류 확산을 개선하고 전류 주입 효과가 향상된 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

또한, 반도체층의 스트레스를 완화시킴으로써 결함 발생 가능성이 감소되고, 이에 따라 발광 소자의 광 효율과 신뢰성이 크게 개선된 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시형태에 따른 다층구조 전자주입층을 나타내는 부분 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 적용될 수 있는 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 변형 예를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층을 나타내는 부분 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 변형 예를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 또다른 변형 예를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 또다른 변형 예를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층 밴드갭 프로파일의 또다른 변형 예를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 7에 도시된 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자와 종래의 GaN계 LED 소자의 광학적, 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
도 12는 도 7에 도시된 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자와 종래의 GaN계 LED 소자의 생산시간을 비교한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시형태에 따른 다층구조 전자주입층을 나타내는 부분 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(10)는, n형 및 p형 질화물 반도체층(12, 16), 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(12, 16) 사이에 형성된 활성층(15) 및 상기 n형 질화물 반도체층(12)과 상기 활성층(15) 사이에 형성된 전자주입층(14)을 포함하고, 상기 전자주입층(14)은 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개 이상의 층(14a, 14b, 14c)이 적층된 다층구조(14')를 구비하되, 상기 다층구조(14')는 2회 이상 반복되며, 상기 다층구조(14')를 구성하는 층들 중 적어도 하나의 층은 상기 활성층(15)에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작다.

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(12, 16)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가질 수 있으며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다. n형 및 p형 질화물 반도체층(12, 16) 사이에 형성되는 활성층(15)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다. 한편, n형 및 p형 질화물 반도체층(12, 16)과 활성층(15)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.

도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(10)는, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(12, 16) 및 활성층(15)을 포함하는 발광구조물의 일면에 배치된 기판(11)을 더 포함할 수 있다. 상기 기판(11)은 사파이어, SiC, MgAl₂O₄, MgO, LiAlO₂, LiGaO₂, GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a축 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 버퍼층(미도시)은 질화물 등으로 이루어진 언도프 반도체층으로 채용될 수 있으며, 그 위에 성장되는 반도체층의 격자 결함을 완화시킬 수 있다.

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(12, 16) 상에는 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(12, 16) 각각과 전기적으로 연결되는 n측 및 p측 전극(18a, 18b)이 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 n측 전극(18a)은 상기 p형 질화물 반도체층(16), 활성층(15), 전자주입층(14) 및 n형 질화물 반도체층(12)의 일부가 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상에 형성될 수 있으며, 상기 p측 전극(18b)은, 상기 p형 질화물 반도체층(16) 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, p형 질화물 반도체층(16)과 p측 전극(18b) 사이의 오믹 컨택 기능을 향상시키기 위하여 ITO, ZnO 등과 같은 투명 전극(17)이 더 구비될 수 있다. 도 1에 도시된 구조의 경우, n측 및 p측 전극(18a, 18b)이 동일한 방향을 향하도록 형성되어 있으나, 상기 n측 및 p측 전극(18a, 18b)의 위치 및 연결 구조는 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 n측 전극(18a)이 상기 기판(11)이 제거되어 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상에 형성되는 경우, 전류 흐름 영역이 확대되어 전류 분산 기능이 향상될 수 있다.

전자주입층(14)은 n형 질화물 반도체층(12)과 활성층(15) 사이에 위치하며, 밴드갭이 서로 다른 3층(14a, 14b, 14c) 이상이 적층된 다층구조(14')가 2회 이상 반복 적층된 형태로, 다층구조(14')를 형성하는 층들 중에서 적어도 하나의 층은 활성층(15)에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작은 구조를 구비할 수 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 전자주입층(14)을 구성하는 다층구조(14')는, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 3개의 제1, 제2 및 제3층(14a, 14b, 14c)을 포함한다. 구체적으로, 상기 다층구조(14')는, 제1층(14a), 상기 제1층(14a) 보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(14b)과, 상기 제1 및 제2(14a, 14b) 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층(14c)을 구비하며, 상기 제1 및 제2층(14a, 14b)은 상기 제3층(14c)을 사이에 두고 서로 교대로 배치되어, 차례로 제1층(14a)/제3층(14c)/제2층(14b)/제3층(14c)으로 구성된 총 4개의 층이 하나의 다층구조(14')를 이룰 수 있다.

상기 다층구조는 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 다층구조를 구성하는 반도체층은 Al과 In의 조성비를 달리하여 서로 다른 에너지 밴드를 갖도록 할 수 있다. 구체적으로, In의 함량이 많을수록 밴드갭 에너지가 작아지고, Al의 함량이 많을수록 밴드갭 에너지가 커지므로, 예를 들면, 상기 제1, 제2 및 제3층(14a, 14b, 14c)을 각각 AlGaN, InGaN, GaN으로 구성하여, 상기 전자주입층(14)이 AlGaN/GaN/InGaN/GaN으로 이루어진 다층 구조(14')가 2회 이상 반복 적층된 초격자 구조를 갖도록 할 수 있다. 밴드갭 변조된 전자주입층(14)이 초격자 구조를 가질 경우, 결정결함을 차단하는 효과는 더욱 커지게 된다.

이와 같이, 전자주입층(14)이 AlGaN층을 포함하는 경우, 사파이어 기판과의격자상수 차이가 감소되어 응력을 완화하고, 따라서, 반도체층 내의 결함 발생 비율을 감소시킬 수 있다. 또한, 서로 다른 밴드갭을 갖는 3층 이상이 적층된 다층 구조(14')를 포함함에 따라, 효과적으로 전위 결함을 차단하여 반도체 발광소자의 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 특히, InGaN층(14b)은 AlGaN(14a)와 GaN층(14c) 성장 시 전위 결함을 효과적으로 벤딩(bending)시키고 중단(stopping)시킬 수 있으며, GaN층(14c)은, 밴드갭 에너지가 큰 AlGaN층(14a)에서 발생된 인장 응력(tensile stress)과 밴드갭이 작은 InGaN층(14b)에서 발생된 압축 응력(compress stress)를 완화시켜주는 역할을 할 수 있다. 따라서, 상기 전자주입층(14)은 응력을 완화함과 동시에, 전위 결함을 차단할 수 있다. 상기 전자주입층(14)이 갖는 향상된 응력 완화 효과는, 전자주입층(14) 상부에 형성된 반도체층들의 결정 품질 개선에 추가적으로 기여하게 된다.

한편, 상기 다층구조(14')를 구성하는 층들 중 적어도 하나의 층은 상기 활성층(15)에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작은 것일 수 있다. 도 3을 참조하면, 상기 다층구조(14')를 구성하는 제1 내지 제3층(14a, 14b, 14c) 중 적어도 하나의 층, 여기서는 가장 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1층(14a)이 활성층(15)에 가까울수록 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 이와 같이, 상기 다층구조(14')를 구성하는 층들 중 적어도 하나의 층의 에너지 밴드갭이 활성층(15)에 가까울수록 낮아지는 경사 구조를 형성함에 따라, 상기 n형 질화물 반도체층(12)으로부터 활성층(15)으로의 전자 주입을 용이하게 하여 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 따르면, n형 질화물 반도체층(12)과 활성층(15) 사이에 전자주입층(14)을 개재시킴으로써 전류 주입 효율을 개선함과 동시에, 응력을 완화하고 전위 결함을 차단하여 결정성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 적용될 수 있는 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 변형 예를 나타내는 그래프이다. 도 3에 도시된 실시형태와는 달리, 다층구조(14')를 구성하는 제1 내지 제3층(14a, 14b, 14c) 중 가장 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(14b)이 활성층(15)에 가까울수록 더 작은 에너지 밴드갭을 가지며, 제1 및 제3층(14a, 14c)의 에너지 밴드갭은 전자주입층(14)의 전 영역에서 일정하게 유지될 수 있다. 이 경우에도, 도 3에서 설명한 것과 마찬가지로 n형 반도체층(12)으로부터 활성층(15)으로의 전자 주입 효율이 향상될 수 있으며, 본 실시형태와 달리, 제1 내지 제3층(14a, 14b, 14c)의 밴드갭 에너지가 모두 경사진 구조를 갖거나, 2개의 층은 경사진 구조를 갖고, 하나의 층은 에너지 밴드갭이 일정하기 유지되는 등 다양하게 변형될 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 4에서는, 전자주입층(14)이, 제1층(14a)/제3층(14c)/제2층(14b)/제3층(14c)이 하나의 다층 구조(14')를 이루어 2회 이상 반복 적층된 형태로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 3개 이상의 층이 적층된 다층 구조가 반복 적층되는 구조라면 어느 것이나 가능하다. 예를 들면, 상기 전자주입층(14)은 AlGaN/GaN/InGaN의 3층으로 이루어진 다층구조가 2회 이상 반복 적층되어 구성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층을 나타내는 부분 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 일례를 나타내는 그래프이다. 본 실시형태에서, 전자주입층(14)을 제외한 구성은 제1 실시형태와 동일한 구성이 적용되는 것으로 이해할 수 있다. 본 실시형태에 따른 전자주입층(24)은, n형 질화물 반도체층(12)과 활성층(15) 사이에 형성되며, 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개 이상의 층(24a, 24b, 24c)이 적층된 다층구조(24')를 구비하되, 상기 다층구조(24')는 2회 이상 반복되며, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 가장 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 층(24b)은 상기 활성층(15)에 가까운 것일수록 두께가 두꺼울 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시형태에 따른 전자주입층(24)을 구성하는 다층구조(24')는, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 3개의 제1, 제2 및 제3층(24a, 24b, 24c)을 포함한다. 구체적으로, 상기 다층구조(24')는, 제1층(24a), 상기 제1층(24a) 보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(24b)과, 상기 제1 및 제2층(24a, 24b) 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층(24c)을 구비하며, 상기 제1 및 제2층(24a, 24b)은 상기 제3층(24c)을 사이에 두고 서로 교대로 배치되어, 차례로 제1층(24a)/제3층(24c)/제2층(24b)/제3층(24c)으로 구성된 총 4개의 층이 하나의 다층구조(24')를 이룰 수 있다. 이때, 상기 다층구조(24')를 구성하는 층들 중 가장 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 제2층(24b)은 활성층(15)에 가까운 것일수록 두꺼운 두께를 가지며, 이에 따라, 활성층(15)에 가까운 영역에 더 많은 전자가 분포할 수 있도록 하여 전류 확산 및 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다.

예를 들면, 상기 제1, 제2 및 제3층(24a, 24b, 24c)을 각각 AlGaN, InGaN, GaN으로 구성하여, 상기 전자주입층(24)이 AlGaN/GaN/InGaN/GaN으로 이루어진 다층 구조(24')가 2회 이상 반복 적층된 초격자 구조를 갖도록 할 수 있다. 밴드갭 변조된 전자주입층(24)이 초격자 구조를 가질 경우, 결정결함을 차단하는 효과는 더욱 커질 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 경우, 전자주입층(24)이 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 다층구조(24')로 이루어짐으로써 반도체층의 결정결함을 차단함과 동시에, 가장 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(24b)이 활성층(14)에 가까울수록 두꺼운 두께를 가짐에 따라, n형 반도체층(12)으로부터 활성층(15)으로의 전자 주입 효율을 향상시키는 기능을 할 수 있다.

다만, 본 실시형태에서 상기 전자주입층(24)을 구성하는 다층구조(24')가 제1층(24a)/제3층(24c)/제2층(24b)/제3층(24c)로 이루어져 2회 이상 반복 적층된 형태로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 3개 이상의 층이 적층된 다층 구조가 반복 적층되는 구조라면 어느 것이나 가능하다. 예를 들면, 상기 전자주입층(24)은 AlGaN/GaN/InGaN의 3층으로 이루어진 다층구조가 2회 이상 반복 적층되되, 가장 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 InGaN이 활성층(15)에 가까울수록 더 두꺼운 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 변형 예를 나타내는 그래프이다. 본 실시형태에서는, 도 6에 도시된 실시형태와는 달리 상기 전자주입층(34)을 구성하는 다층구조(34') 중 적어도 하나의 층이 활성층(15)에 가까울수록 밴드갭 에너지가 작은 구성을 가질 수 있다. 즉, 활성층(15)에 가까울수록 가장 작은 에너지 밴드갭을 갖는 층의 두께가 두꺼워짐과 동시에, 활성층(15)에 가까울수록 에너지 밴드갭이 작아지는 경사 구조를 가짐에 따라, n형 반도체층(12)으로부터 활성층(15)으로의 전자 주입 효율을 극대화할 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 실시형태에 따른 전자주입층(34)을 구성하는 다층구조(34')는, 도 6에 도시된 전자주입층(24)과 마찬가지로, 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 3개의 제1, 제2 및 제3층(34a, 34b, 34c)을 포함하며, 제1층(34a)/제3층(34c)/제2층(34b)/제3층(34c)으로 구성된 총 4개의 층이 하나의 다층구조(34')를 이룬다. 이때, 제1 및 제2층(34a, 34b)은 활성층(15)에 가까울수록 더 작은 에너지 밴드갭을 가짐으로써 경사진 구조를 형성하여 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 또다른 변형 예를 나타내는 그래프이다. 본 실시형태에서 상기 제3층(44c)은 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 2 이상의 층(44c1, 44c2)을 구비한다. 도 8을 참조하면, 가장 높은 밴드갭을 갖는 제1층(44a), 상기 제1층(44a) 보다 작은 밴드갭을 갖는 제2층(44c), 상기 제1 및 제2층 사이의 밴드갭을 갖는 제3층이 2개의 층(44c1, 44c2)으로 나뉜다. 상기 제3층은 상기 제1 및 제2층(44a, 44b)을 사이에 두고 에너지 밴드갭이 순차적으로 증가 또는 감소하도록 적층된다. 각 층의 밴드갭 크기는 각 층(44a, 44b, 44c1, 44c2)의 Al 및 In 조성비를 조절함으로써 제어할 수 있다.

본 실시형태에서 가장 큰 밴드갭을 갖는 제1층(44a)과 가장 작은 밴드갭을 갖는 제2층(44b)은 활성층(15)에 가까운 것일수록 밴드갭 에너지가 작고, 그 사이의 밴드갭 에너지를 갖는 상기 제3층(44c1, 44c2)의 밴드갭 에너지는 일정하며, 가장 작은 밴드갭을 갖는 제2층(44b)의 두께는 활성층(15)에 가까운 것일수록 두껍다. 이와 달리, 상기 제3층(44c1, 44c2)의 밴드갭 에너지가 활성층(15)에 가까운 것일수록 작은 구조를 포함할 수 있다. 특히, 본 실시형태에서와 같이 밴드갭이 적층방향을 따라 순차적으로 증가 또는 감소하는 구조를 형성함으로써, 밴드갭의 차이에 의해 초래되는 응력(stress)를 효과적으로 완화시켜 줄 수 있다. 즉, 가장 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(44b)과 가장 큰 에너지 밴드갭을 갖는 층(44a) 사이에 배치된 층들(44c1, 44c2)은, 순차 증가 또는 감소하는 밴드갭 구조를 구비함으로써 응력을 효과적으로 완화시키는 역할을 한다.

도 9는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층의 밴드갭 프로파일의 또다른 변형 예를 나타내는 그래프이다. 본 실시형태에 따른 전자주입층(54)은, n형 질화물 반도체층(12)과 활성층(15) 사이에 형성되며, 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개의 층(54a, 54b, 54c)이 적층된 다층구조(54')를 구비하되, 상기 다층구조(54')는 2회 이상 반복되며, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 가장 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 층(54b)은 상기 활성층(15)에 가까운 것일수록 두꺼운 두께를 갖는다. 구체적으로, 상기 다층구조(54')는, 제1층(54a), 상기 제1층(54a) 보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(54b)과, 상기 제1 및 제2층(54a, 54b) 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층(54c)을 구비하며, 상기 제1 및 제2층(24a, 24b)은 상기 제3층(54c)을 사이에 배치되어, 차례로 제1층(54a)/제3층(54c)/제2층(54b)으로 구성된 총 3개의 층이 하나의 다층구조(54')를 이룰 수 있다.

본 실시형태에서, 상기 전자주입층(54) 내부에는, 예를 들면, AlGaN으로 이루어진 제1층(54a)과 GaN으로 이루어진 제3층(54c)의 에너지 밴드 불연속성에 의해 그 계면에 2차원 전자가스층(2DEG, 미도시)이 형성된다. 이 경우, 상기 2차원 전자가스층이 형성된 영역에서는 높은 캐리어 이동도가 보장되므로, 전류 분산 효과를 보다 크게 개선시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전자주입층 밴드갭 프로파일의 또다른 변형 예를 나타내는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 전자주입층(64)을 구성하는 다층구조(64')는 제2층(64b)/제3층(64c)/제1층(64a)의 적층 구조를 가지며, 상기 전자주입층(64)이 초격자 구조를 형성할 수 있다. 상기 제1 및 제2층(64a, 64b)의 밴드갭 에너지는 활성층(15)에 가까운 것일수록 작고, 상기 제3층(64c)의 밴드갭 에너지는 일정하며, 상기 제3층(14c)은 활성층에 가까운 것일수록 그 두께가 두꺼운 구조를 포함한다. 본 실시형태에서, 상기 전자주입층(64) 내부에는, 예를 들면, AlGaN으로 이루어진 제1층(64a)과 InGaN으로 이루어진 제2층(14b)의 에너지 밴드 불연속성에 의해 그 계면에 2차원 전자가스층(2DEG, 미도시)이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 2차원 전자가스층이 형성된 영역에서는 높은 캐리어 이동도가 보장되므로, 전류 분산 효과를 보다 크게 개선시킬 수 있다.

도 11은 도 7에 도시된 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자와 종래의 GaN계 LED 소자의 광학적, 전기적 특성을 비교한 그래프이며, 도 12는 도 7에 도시된 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자와 종래의 GaN계 LED 소자의 생산시간을 비교한 그래프이다.

본 발명자들은 본 발명에 따른 휘도 및 전기적 특성 개선 효과를 확인하기 위해, 도 7에 도시된 구조의 전자주입층(34)을 갖는 GaN계 LED소자와 전자주입층이 없는 종래의 GaN계 LED 소자에 대하여 휘도 및 전기적 특성 평가 실험을 실시하였다. 이 실험에 사용된 LED의 상기 다층구조는 AlGaN/GaN/InGaN/GaN이 적층된 구조로, 활성층에 가까운 것일수록 AlGaN층(34a)과 InGaN층(34b)의 밴드갭 에너지가 작고, GaN층(34c)의 밴드갭 에너지는 일정한 구조를 포함한다. 또한, 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 InGaN층(34b)의 두께는 활성층(15)에 가까운 것일수록 두꺼운 구조를 가진다.

이러한 휘도 및 전기적 특성 평가 실험 결과, 상기의 전자주입층(34)을 갖는 LED가 종래의 LED에 비하여 역방향 항복전압(Vr) 향상 효과를 나타냄을 확인하였다. 또한, 상기 전자주입층(34)을 갖는 LED는 상기 전자주입층(34)이 없는 LED에 비하여 광파워(Po) 향상 효과를 보였다. (도11) 상기 전자주입층(34)에 의한 광파워(Po) 향상은 휘도 증가를 의미하는데, 이는 반도체 결정 내의 결함 감소와 전류 확산에 기인한다. 또한, 상기 전자주입층(34)에 의한 역방향 항복전압 향상은 발광 소자의 신뢰성 개선을 의미하는데, 이는 반도체 결정 내의 결함 감소에 기인한다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 전자주입층(34)의 삽입에 의해 결정 품질이 개선되고, 이에 따라, 발광 휘도와 소자 신뢰성이 높아지게 된다.

또한, 본 발명에 따른 생산성 향상 효과를 확인하기 위해 도 7에 도시된 실시형태에 따른 전자주입층(34)을 갖는 GaN계 LED소자와 종래의 GaN계 LED 소자에 대하여 제조시간을 측정하였다. 이 실험에 사용된 LED의 상기의 전자주입층(34)은 AlGaN/GaN/InGaN/GaN이 반복 적층되어 활성층에 가까운 것일수록 AlGaN층(34a)과 InGaN층(34b)의 밴드갭 에너지가 작고, GaN층(34c)의 밴드갭 에너지는 일정한 구조를 가진다. 또한, 가장 작은 밴드갭 에너지를 갖는 InGaN층(14b)의 두께는 활성층에 가까운 것일수록 두꺼운 구조를 가진다. 이러한 휘도 및 전기적 특성 평가 실험 결과, 상기의 전자주입층(34)을 갖는 LED가 종래의 LED에 비하여 생산시간이 40% 단축됨을 확인하였다. (도 12)

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.

11: 기판
12: n형 질화물 반도체층
14, 24, 34, 44, 54, 64: 전자주입층
14', 24', 34', 44', 54', 64': 다층구조
15: 활성층
16: p형 질화물 반도체층
17: 투명전극층
18a: n측 전극
18b: p측 전극

Claims (20)

1. n형 및 p형 질화물 반도체층;
   상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 활성층; 및
   상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성된 전자주입층을 포함하고,
   상기 전자주입층은 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개 이상의 층이 적층된 다층구조를 구비하되, 상기 다층구조는 2회 이상 반복되며, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 가장 큰 에너지 밴드갭을 갖는 층은 상기 활성층에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작고, 상기 다층구조를 구성하는 층들 중 가장 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 층은 상기 활성층에 가까운 것일수록 두께가 두꺼운 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 다층구조를 구성하는 층들 중 가장 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 층은 상기 활성층에 가까운 것일수록 에너지 밴드갭이 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 다층구조는 In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어지며, 상기 다층구조는 Al과 In의 조성비를 달리하여 서로 다른 에너지 밴드를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 다층구조는 초격자 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층 보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 제1 및 제2층은 상기 제3층을 사이에 두고 서로 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층 보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 다층구조는 상기 제1층과 제3층 그리고 제2층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 다층구조는 제1층, 상기 제1층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2층 및 상기 제1 및 제2층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 제3층을 구비하며, 상기 다층구조는 상기 제2층, 제3층 및 제1층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

Images