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KR102264671B1 - 자외선 발광소자 - Google Patents

자외선 발광소자 Download PDF

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KR102264671B1
KR102264671B1 KR1020140131986A KR20140131986A KR102264671B1 KR 102264671 B1 KR102264671 B1 KR 102264671B1 KR 1020140131986 A KR1020140131986 A KR 1020140131986A KR 20140131986 A KR20140131986 A KR 20140131986A KR 102264671 B1 KR102264671 B1 KR 102264671B1
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Abstract

본 발명은 자외선 발광소자에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 위치하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하고, Al을 포함하는 홀 주입층; 상기 홀 주입층 상에 위치하며, Al을 포함하는 Al-델타층; 및 상기 Al-델타층 상에 위치하고, p형 도핑농도가 상기 홀 주입층보다 높은 제1 p형 컨택층을 포함하고, 상기 홀 주입층의 Al 함량보다 상기 제1 p형 컨택층의 Al 함량이 낮고, 상기 제1 p형 컨택층의 밴드 갭은 상기 활성층에서 발광하는 광의 에너지보다 같거나 낮으며, 상기 Al-델타층은 상기 홀 주입층의 Al의 함유량보다 Al 함유량이 높고, 홀이 터널링하여 활성층에 진입할 수 있다. 본 발명에 의하면, p형 반도체층에 홀 주입층 및 Al-델타층을 구비함에 따라 Al-델타층과 p형 반도체층 사이의 밴드 갭 차이를 높여 홀을 수직방향으로 가우더(confine) 계면의 2차원 홀 가스 효과를 통해 활성층에 보다 균일하게 홀을 주입할 수 있어, 고농도 Al 함유로 인해 Al-델타층을 통해 홀의 수평 분산 효과를 증대시킬 수 있다.

Description

자외선 발광소자{VERTICAL ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 자외선 발광소자 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자외선광을 방출하고 p형 반도체층 중간에 홀 분산층을 구비하여, 활성층에 홀 주입효율을 향상시킬 수 있는 자외선 발광소자에 관한 것이다.
발광소자는 전자와 정공의 재결합으로 빛을 발생시키는 무기 반도체 소자이다. 그 중 자외선을 발광하는 자외선 발광소자는 고분자 물질 경화나 살균 등을 위해 사용되어 의학 분야 또는 장비 부속 등에 이용될 수 있으며, 백색 광원을 만들기 위한 소스로 이용되기도 한다. 이렇듯, 자외선 발광 소자는 다양하게 이용되고 있으며, 이용범위가 더욱 증가하고 있다.
자외선 발광소자는 통상의 발광소자와 마찬가지로 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 활성층이 위치한다. 이때, 자외선 발광소자가 상대적으로 짧은 피크 파장의 빛(일반적으로 400nm이하의 피크 파장)을 방출한다. 그렇기 때문에 질화물 반도체를 이용하여 자외선 발광소자를 제조할 경우, n형 및 p형 질화물 반도체층의 밴드 갭 에너지가 자외선광의 에너지보다 작으면, 활성층에서 방출된 자외선광이 n형 및 p형 질화물 반도체층으로 흡수하는 현상이 발생한다. 그에 따라 자외선 발광소자의 발광 효율이 매우 저하된다.
상기와 같이, 자외선 발광소자의 발광 효율이 저하되는 것을 방지하기 위해, 자외선 발광소자의 활성층과 발광된 자외선광이 방출되는 쪽의 질화물 반도체층에 일정 이상의 Al을 함유시킨다. 하지만, GaN의 경우, 밴드 갭이 약 3.4eV로 약 360nm 이하의 파장이 흡수되어 상기 파장보다 짧은 파장을 발광하는 경우, Al을 질화물 반도체층에 함유시키는 것이 불가피하다. Al을 함유하여 밴드 갭이 높아질수록 홀의 이온화 에너지는 높아지고 활성도(activation rate)가 낮아지기 때문에 홀의 활성층 주입 효율이 저하된다. 이와 관련하여 종래 p형 불순물 농도가 서로 다른 층을 번갈아 복수층으로 구비한 기술이 있지만, 이는 도핑 농도 차이로 수평 분산효과를 얻으려 하였으나, 그 효과가 미미하여 자외선 발광소자의 홀 분산력이 저하되는 현상을 충분히 회복할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 홀 분산력이 저하되는 현상을 방지하도록 홀이 주입되는 방향으로 밴드 갭이 큰 Al-델타층을 도입하여 2차원 홀가스(2 dimension hole gas) 효과를 이용해 홀이 활성층에 주입되는 효율이 높으면서 수평 분산력을 강화하는 자외선 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 위치하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하고, Al을 포함하는 홀 주입층; 상기 홀 주입층 상에 위치하며, Al을 포함하는 Al-델타층; 및 상기 Al-델타층 상에 위치하는 컨택층을 포함하고, 상기 홀 주입층의 Al 함량보다 상기 컨택층의 Al 함량이 낮고, 상기 컨택층의 밴드 갭은 상기 활성층에서 발광하는 광의 에너지보다 같거나 낮으며, 상기 Al-델타층은 상기 홀 주입층의 Al의 함유량보다 Al 함유량이 높고 도핑 농도는 상기 홀 주입층 보다 높을 수 있다. 그리고 상기 Al-델타층의 두께는 홀이 터널링하여 활성층에 진입할 수 있어야 하며, 바람직하게는 20nm 이하일 수 있다.
그리고 상기 활성층 및 홀 주입층 사이에 개재되는 전자블록층을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 홀 주입층은 상기 활성층에서 발광하는 광의 에너지보다 같거나 높을 수 있다.
이때, 상기 Al-델타층은 상기 홀 주입층에서 상기 컨택층으로 갈수록 Al 함유량이 증가할 수 있다. 또한, 상기 Al-델타층은, 상기 홀 주입층 상에 위치하고, 상기 홀 주입층보다 높은 Al 함유량을 갖는 제1 Al-델타층; 및 상기 제1 Al-델타층 상에 위치하며, 상기 제1 Al-델타층보다 높은 Al 함유량을 갖는 제2 Al-델타층을 포함할 수 있다.
그리고 상기 Al-델타층은 언도프트층일 수 있으나 순방향 전압을 낮추기 위해 p형 도핑될 수 있다. 이때, p형 도펀트인 Mg 도핑 농도는 상기 홀 주입층보다 높을 수 있다.
본 발명에 의하면, p형 반도체층에 홀 주입층 및 Al-델타층을 구비함에 따라 Al-델타층과 p형 반도체층 사이의 밴드 갭 차이를 높여 홀을 수직방향으로 가우더(confine) 계면의 2차원 홀 가스 효과를 통해 활성층에 보다 균일하게 홀을 주입할 수 있어, 고농도 Al 함유로 인해 Al-델타층을 통해 홀의 수평 분산 효과를 증대시킬 수 있다. 또한, Al-델타층에 고농도 도핑을 통해 순방향 전압을 낮추고 활성층의 홀 주입 효율을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 자외선 발광소자의 밴드 갭을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광소자를 도시한 단면도이다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광소자에 대해 설명하면서, 밴드 갭에 대한 설명을 위해 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 자외선 발광소자는 기판(21), 제1 도전형 반도체층, 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층을 포함한다. 본 발명에서 설명하는 도전형 반도체층은 질화물 반도체층으로, 다양한 방법에 의해 형성될 수 있고, 일례로, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 또는 HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 등의 기술을 이용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 기판(21) 상에 버퍼층이 형성된다. 기판(21)은 질화물 반도체층을 성장시키기 위한 기판(21)으로, 사파이어 기판, 실리콘 카바이드 기판, 스피넬 기판, GaN 기판, AiN 기판 등이 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 사파이어 기판이나 AlN 기판이 이용될 수 있다.
버퍼층은 기판(21) 상에 약 20nm 두께로 성장될 수 있다. 버퍼층은 (Al, Ga, In)N이 포함된 질화물층일 수 있으며, 특히, 고온에서 결정 품질이 우수하고 가시광 흡수가 적은 AlN을 포함할 수 있다. 그리고 필요에 따라, AlN을 버퍼층 성장에 연속하여 2um 이상 두껍게 성장함으로써 전위 밀도(dislocation density)를 줄일 수 있다.
기판(21)이 GaN 기판이거나 AlN 기판과 같은 질화물 기판인 경우에는 버퍼층이 생략될 수도 있다.
그리고 버퍼층 상에 초격자층이 형성될 수 있다. 초격자층은 AlGaN의 Al 농도가 서로 다른 층이 교번 적층된 다중층을 포함할 수 있으며, 일례로, AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N의 초격자층일 수 있다.
초격자층 상에 제1 도전형 반도체층이 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층은 본 발명의 일 실시예에서 n형 반도체층(23)일 수 있으며, MOCVD 등의 기술을 이용하여 성장될 수 있다. 이때, n형 반도체층(23)은 AlGaN을 포함할 수 있으며, Si와 같은 n형 불술물을 포함할 수 있다. 일례로, n형 반도체층(23)은 n-AlxGa(1-x)N(0<x<1)일 수 있다.
n형 반도체층(23) 상에 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층이 차례로 형성될 수 있다. 활성층(25)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다. 그리고 단일 양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 그리고 양자장벽층들 중 n형 반도체층에 가까운 양자장벽층은 다른 양자장벽층들에 비해 Al 함량이 더 높을 수 있다. 이렇게 n형 반도체층(23)에 가장 가까운 양자장벽층을 다른 양자장벽층들보다 더 넓은 밴드 갭을 갖도록 형성하여 전자의 이동속도를 감소시켜 전자의 오버플로우를 효과적으로 방지할 수 있다.
그리고 활성층(25) 상에 p형 반도체층(27)을 형성할 수 있다. p형 반도체층(27)은 MOCVD와 같은 기술을 통해 형성되고, 50nm 내지 300nm의 두께로 성장될 수 있다. p형 반도체층(27)은 AlGaN을 포함할 수 있으며, Al의 조성비는 활성층(25)에서 발생한 광의 흡수를 막도록 활성층(25)내 우물층의 밴드 갭 에너지 이상의 밴드 갭 에너지를 갖도록 결정될 수 있다.
p형 반도체층(27)은 전자블록층(27a), 홀 주입층(27b), Al-델타층(27c) 및 제1 p형 컨택층(27d)을 포함한다.
전자블록층(27a)은 활성층(25) 상에 형성되며, Al이 함유된다. 전자블록층(27a)은 Al을 20wt% 내지 40wt%를 함유할 수 있으며, Mg의 도핑 농도는 3E18/㎤ 내지 5E19/㎤일 수 있다. 그리고 전자블록층(27a) 상에 홀 주입층(27b)을 형성할 수 있다. 홀 주입층(27b)은 전자블록층(27a)보다 상대적으로 Al 함량이 낮게 조성할 수 있으며, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 활성층(25)에서 발광하는 광의 에너지보다 같거나 낮을 수 있다. 홀 주입층(27b)의 도핑 농도 또한 전자블록층(27a)보다 낮을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 홀 주입층(27b)에 함유되는 Al은 20wt% 내지 30wt%일 수 있다. 이때, 홀 주입층(27b)에 도핑되는 Mg 농도는 1E18/㎤ 내지 5E19/㎤일 수 있다.
또한, 홀 주입층(27b) 상에 제1 p형 컨택층(27d)을 형성할 수 있다. 제1 p형 컨택층(27d)은 홀 주입층(27b)보다 Al 함량이 같거나 낮을 수 있으며, 두께는 50nm 내지 100nm로 성장시킬 수 있다. 이때, 제1 p형 컨택층(27d)의 Mg 농도는 5E19/㎤ 내지 1E20/㎤일 수 있다.
그리고 홀 주입층(27b)과 제1 p형 컨택층(27d) 사이에 Al-델타층(27c)이 개재될 수 있다. Al-델타층(27c)은 Mg의 도핑농도가 제1 p형 컨택층(27d)과 동일하거나 더 높게 도핑되고, Al이 홀 주입층(27b)보다 높게 함유된다. 이때, Al-델타층(27c)의 두께가 너무 두꺼우면 홀이 활성층(25)으로 주입되는 효율이 낮아지고, 너무 얇으면 2차원 홀 가스 효과가 충분히 발생하지 않아 수평 분산력이 낮아진다. 본 발명의 일 실시예에서 2nm 내지 20nm일 수 있다. 또한, Al-델타층(27c)은 언도프트층일 수 있으나 홀의 주입 효율을 높이고 순방향 전압을 낮추기 위해 추가로 p형 도핑될 수 있다. 이때, Al-델타층(27c)의 Mg 농도는 5E20/㎤ 이하일 수 있다.
상기와 같이, Al-델타층(27c)이 구비됨에 따라 제1 p형 컨택층(27d)에서 홀 주입층(27b)으로 홀(h)이 주입될 때, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, AL-델타층(27c)에 의해 2차원 구속됨에 따라 2DHG(2 demension hole gas)가 형성되어 수평 분산력이 높아질 수 있다. 그리고 이렇게 주입된 홀(h)은 터널링을 통해 활성층(25)에 효과적으로 주입된다. 이때, Al-델타층(27c)은 p형 도핑될 수 있으며, 도핑 농도가 홀 주입층(27b)보다 높기 때문에 홀(h)의 수평 분산력이 높고, 활성층(25)으로의 홀(h) 주입 효율이 향상되고, 순방향 전압이 감소될 수 있다.
이때, Al-델타층(27c)은 단일층으로 구성하고, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, Al-델타층(27c)의 Al 함유량이 제1 p형 컨택층(27d)으로 갈수록 커지게 형성할 수 있다. Al-델타층(27c)의 Al 함유량을 수직 방향으로 다르게 조정하는 것은, Al-델타층(27c)을 성장시킬 때, 소스가스의 Al 조성비를 의도적으로 높이면서 성장시켜 수직방향의 상부로 갈수록 Al 함유량이 증가되도록 조성할 수 있다.
또한, Al-델타층(27c)을 성장시킬 때, 홀 주입층(27b)을 성장시킨 다음, Al 소스 가스의 주입을 멈추고 열처리를 실시한 다음 Al-델타층(27c)을 성장시킨다. 그러면, 챔버 내에 잔류하고 있는 Al소스가 Al-델타층(27c) 표면에 침착되어 반응함에 따라 Al 함유량이 서서히 증가되도록 Al-델타층(27c)이 성장될 수 있다.
상기와 같이, 상부로 갈수록 Al 함유량을 증가시킴에 따라 Al-델타층(27c)과 제1 p형 컨택층(27d) 사이에 스트레스로 인해 발생하는 2DHG 효과를 유지하면서 Al-델타층(27c)과 홀 주입층(27b) 간 격자 상수로 인한 스트레스가 완화되고 이로 인해서 터널링으로 Al-델타층(27c)을 통과한 홀이 활성층(25)으로 주입되는 효율이 증가한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 발광소자를 도시한 단면도이다. 그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 발광소자에 대해 설명하면서 밴드 갭에 대한 설명은 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 발광소자의 Al-델타층(27c)은 단일층이 아닌 다중층으로 형성할 수 있다. 다중층의 Al-델타층(27c)은 Al 함유량이 낮은 Al-델타층(27c)을 형성한 다음 그 위에 Al 함유량이 높은 Al-델타층(27c)을 차례로 성장시킬 수 있다. 이와 같이, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 단계적으로 성장시킴으로써, 두 개의 Al-델타층(27c) 사이에 발생하는 스트레스의 반발(counter stress)로 Al-델타층(27c)과 제1 p형 컨택층(27d) 사이에서 스트레스로 인해 발생하는 2DHG 효과를 보다 강화하고, Al-델타층(27c)과 홀 주입층(27b) 간의 격자 상수로 인한 스트레스를 보다 완화할 수 있다.
제1 p형 컨택층(27d)은 In을 함유할 수 있고, Al 농도가 홀 주입층(27b)보다 낮을 수 있다. 따라서 제1 p형 컨택층(27d)의 밴드 갭은 홀 주입층(27b)보다 낮을 수 있고, 활성층(25)에서 발광하는 광의 에너지 보다 같거나 낮을 수 있다. 또한, Mg 도핑 농도가 홀 주입층(27b)보다 높을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 In 조성비는 1% 내지 20%일 수 있고, 두께는 0.5nm 내지 20nm 이며, Mg 도핑은 1E19/㎤ 이하일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 p형컨택층(27d)과 Al-델타층(27c) 사이에 추가로 제2 p형 컨택층(27e)을 구비할 수 있다. 제2 p형 컨택층(27e)은 AlGaN으로 형성될 수 있으며, 도핑 농도는 제1 p형 컨택층(27d)보다 낮을 수 있고, Al 농도는 홀 주입층(27b) 및 활성층(25)에서 발광하는 에너지보다 낮을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제2 p형 컨택층(27e)은 p형 GaN일 수 있다. 제1 p형 컨택층(27d) 및 제2 p형 컨택층(27e)의 밴드 갭은 활성층(25)에서 발광하는 광의 에너지보다 낮기 때문에 광 흡수를 일으킬 수 있어, p형 전극(미도시)과의 컨택 저항 및 홀 주입 효율을 고려하면서 되도록 얇게 성장시키는 것이 바람직하며, 예컨대, 전체 두께가 1nm 내지 50nm일 수 있다.
제1 p형 컨택층(27d) 상단에는 질화물 반도체로 전류(홀)를 주입하기 위해 p전극(미도시)을 형성하며, Ni, Ti, W, Au 중 어느 하나이거나 이들의 다중층일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 Ni를 0.1nm~5nm로 형성하고, Au를 1nm~20nm로 형성할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
21: 기판 23: n형 반도체층
25: 활성층 27: p형 반도체층
27a: 전자블록층 27b: 홀 주입층
27c: Al-델타층 27d: 제1 p형 컨택층
27e: 제2 p형 컨택층

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 n형 반도체층;
    상기 n형 반도체층 상에 위치하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하고, Al을 포함하는 홀 주입층;
    상기 홀 주입층 상에 위치하며, Al을 포함하는 Al-델타층; 및
    상기 Al-델타층 상에 위치하고, p형 도핑농도가 상기 홀 주입층보다 높은 제1 p형 컨택층을 포함하고,
    상기 홀 주입층의 Al 함량보다 상기 제1 p형 컨택층의 Al 함량이 낮고,
    상기 제1 p형 컨택층의 밴드 갭은 상기 활성층에서 발광하는 광의 에너지보다 같거나 낮으며,
    상기 Al-델타층은 상기 홀 주입층의 Al의 함유량보다 Al 함유량이 높고, 홀이 터널링하여 활성층에 진입할 수 있는 자외선 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Al-델타층은 p형 도핑되며, 도핑 농도는 상기 홀 주입층보다 높은 자외선 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 Al-델타층의 두께는 2nm 내지 20nm인 자외선 발광소자.
  4. 청구항 1에 있어서
    상기 Al-델타층과 제1 p형 컨택층 사이에 p형 도핑 농도가 상기 제1 p형 컨택층보다 낮고 Al 농도가 상기 홀 주입층보다 낮은 제2 p형 컨택층을 더 포함하는 자외선 발광소자.
  5. 삭제
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 p형 컨택층의 밴드 갭은 상기 활성층에서 발광하는 광의 에너지보다 같거나 낮은 자외선 발광 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 p형 컨택층은 In을 함유하는 자외선 발광소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 홀 주입층의 밴드 갭은 상기 활성층에서 발광하는 광의 에너지보다 같거나 높은 자외선 발광 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 Al-델타층은 상기 홀 주입층에서 상기 제1 p형 컨택층으로 갈수록 Al 함유량이 증가하는 자외선 발광소자.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 Al-델타층은,
    Al 농도가 컨택층 방향으로 계단형으로 증가하는 자외선 발광소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 Al-델타층의 두께는 2nm 내지 20nm인 자외선 발광소자.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 Al-델타층의 Mg 도핑 농도는 상기 홀 주입층보다 높은 자외선 발광소자.
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