KR20050021237A

KR20050021237A - 발광 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20050021237A
Application number: KR1020040065360A
Authority: KR
Inventors: 히라야마히데키; 아키타가츠시; 나카무라다카오
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤; 리가가쿠 겐큐쇼
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2005-03-07
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: TWI359506B; TW201212278A; TW200509422A; CN1585144B; US8420426B2; CN1585144A; US20110201142A1; US20050040414A1; KR101174908B1; US7943943B2; US7859007B2; JP4110222B2; EP1508923A2; EP1508923A3; US20070252162A1; JP2005101533A

Abstract

본 발명은 고효율 발광에 의해 고출력 발광을 실현할 수 있는, 질화물 반도체를 이용한 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 위해서 GaN 기판(1)과, 그 GaN 기판(1)의 제1 주표면 측에 InAlGaN 4정 혼정계(Quaternary Alloy)를 포함하는 발광층(4)을 갖는다.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{LIGHT-EMITTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자외광을 발하는 질화물 반도체를 이용한 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

GaN계 화합물 반도체는 밴드갭이 크기 때문에, 청색 LED(Light Emitting Diode)나 자외광 LED로서 기능하며, 백색 LED의 여기 광원에 많이 이용되고 있다. 파장이 짧은 자외광을 발광하는 GaN계 LED는 그 성능을 향상시키기 위해서, 예컨대 하기의 제안이 이루어져 왔다.

(d1) SiC 기판을 이용하여, InAlGaN층을 발광층으로 하고, 그 InAlGaN층에 있어서 In 등의 조성비를 조정함으로써 파장 360 nm 이하의 자외역에서의 발광을 고효율화한다(일본 특허 공개 2001-237455호 공보).

(d2) GaN 기판 상에 형성한 Al_0.1Ga_0.9N층/Al_0.4Ga_0.6N층으로 이루어지는 단층 양자 우물 구조를 발광층으로 하여 고휘도화를 도모한다(T.Nishida, H.Saito, N.Kobayashi; Appl. Phys. Lett. Vol. 79(2001) 711).

그러나 이러한 자외 발광 소자는 발광 효율이 낮고, 또한 조명 등에 이용하기 때문에 대전류가 흐르면 발열 때문에 발광 효율이 저하되어 버린다는 문제가 있었다. 전술한 자외 발광 소자의 발광 효율이 낮은 이유는 기판이나 발광층 등에 있어서의 전위 밀도가 높으므로, 이들 전위가 비발광 중심으로서 작용하기 때문이다. 특히 사파이어 기판을 이용한 경우, 방열성이 나빠, 발광 효율이 입력에 비례하여 선형으로 올라가지 않고 도중에 포화되는 경향이 강하다.

본 발명은 고효율 발광 및 고출력 발광을 실현할 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발광 소자는 질화물 반도체 기판의 제1 주표면 측에, InAlGaN 4정 혼정계(Quaternary Alloy)를 포함하는 발광층을 갖는다.

전술한 구성에 따르면, 저전위 밀도의 질화물 반도체 기판을 이용함으로써, 발광 소자 내에 있어서 비발광 중심으로서 작용하는 관통 전위 밀도를 억제하여, 발광 효율을 높일 수 있다. 또한, InAlGaN 4정 혼정계에 포함되는 In에 의한 조성 변조 효과에 의해, 발광 효율을 더욱 높일 수 있다. 한편, 질화물 반도체 기판은 제1 도전형의 도전성을 갖는 것으로서, GaN 기판, Al_xGa_1-xN 기판(0＜x≤1), 이 Al_xGa_1-xN 기판에 포함되는 AlN 기판 등, 질화물 반도체라면 어떤 것도 좋다.

본 발명의 다른 발광 소자는 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층(0≤x1≤1)과, 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 위에 위치하는 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층(0≤x2≤1)과, 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 및 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층 사이에 위치하여, InAlGaN 4정 혼정계를 포함하는 발광층을 갖고, 발광층에서 볼 때 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층보다 먼 곳에 두께 100 ㎛ 이하의 질화물 반도체층을 갖는다.

상기 두께 100 ㎛ 이하의 질화물 반도체층은 본 발명에 있어서의 질화물 반도체 기판이 에칭 또는 박리된 것이다. 이 구성에 의해, 비발광 중심으로서 작용하는 관통 전위 밀도를 억제하고, 또한 InAlGaN 4정 혼정계에 포함되는 In에 의한 조성 변조 효과를 얻은 뒤에, 질화물 반도체 기판에 의한 흡수를 방지할 수 있다.

본 발명의 발광 소자의 제조 방법은, 질화물 반도체 기판의 제1 주표면 측에, 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층(0≤x1≤1)을 형성하는 공정과, 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 위에 InAlGaN 4정 혼정계를 포함한 발광층을 형성하는 공정과, 발광층 위에 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층(0≤x2≤1)을 형성하는 공정과, 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층을 형성한 후에, 질화물 반도체 기판을 제거하는 공정을 갖는다.

예를 들면 GaN은 파장 360 nm 이하의 자외광을 흡수하기 때문에, 전술한 방법에 따라서, GaN 기판을 제거 또는 박리함으로써 광 출력을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 광 출력을 더욱 크게 향상시킬 수 있다. 또, 다른 질화물 반도체에 있어서도 추출하고 싶은 파장 영역의 빛을 흡수하는 경우가 있으며, 그와 같은 경우에는, 그 질화물 반도체 기판을 제거함으로써 광 출력을 향상시킬 수 있다.

한편, A층 위에 B층이 위치한다는 것은, 질화물 반도체 기판에서 볼 때 A층보다도 먼 위치에 B층이 위치하는 것을 가리키며, B층은 A층에 접하고 있더라도 좋고, 접하지 않더라도 좋다.

다음에 본 발명의 실시예에 관해서 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1의 LED를 도시한 도면이다. 도 1에 있어서, GaN 기판(1) 위에, 〔n형 GaN층(2)/n형 Al_xGa_1-xN층(3)/InAlGaN 발광층(4)/p형 Al_xGa_1-xN층(5)/p형 GaN층(6)〕의 적층 구조가 형성되어 있다. GaN 기판(1)의 제2 주평면인 이면에는 n 전극(11)이, 또 p형 GaN층(6) 위에는 p 전극(12)이 배치되어 있다. 이들 쌍의 n 전극(11)과 p 전극(12)에 전류를 인가함으로써, InAlGaN 발광층으로부터 자외광이 발광된다. InAlGaN 발광층은 In_xaAl_yaGa_1-xa-yaN의 조성을 갖는다.

도 1에 도시하는 GaN계 LED는 다음의 처리 공정에 의해 제조된다. 두께 400 ㎛, 전위 밀도 5E6cm^-2, 비저항 1E-2Ωcm의 GaN 기판을 MOCVD(유기 금속 기상 증착법: Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 성막 장치 내의 서셉터 상에 배치하여, 성막 장치 내를 감압으로 유지하고, 하기의 MOCVD법으로 적층 구조를 형성하여, 자외 발광 다이오드를 제작했다.

MOCVD의 원료에는 트리메틸갈륨, 트리메틸알루미늄, 트리메틸인듐아닥트, 암모니아, 테트라에틸실란, 비스에틸시클로펜타디에틸마그네슘을 이용했다. 우선, 성장 온도 1050℃에서, GaN 기판(1) 위에 두께 0.1 ㎛의 n형 GaN층(2)을 기초층으로서 형성하고, 이어서 그 위에 두께 0.2 ㎛의 n형 Al_0.18Ga_0.82N층(3)을 성막했다.

그 후, 성장 온도를 830℃로 강하하여, 60 nm의 InAlGaN 발광층(4)을 성장했다. 이 때의 원료 가스의 유량은 암모니아가 2 l/min, 트리메틸갈륨 3 μmol/min, 트리메틸알루미늄 0.5 μmol/min, 트리메틸인듐아닥트 60 μmol/min이었다. 그 후, 다시 성장 온도를 1050℃로 높여, 두께 0.2 ㎛의 p형 Al_0.18Ga_0.82N층(5)을 형성했다. 또한, 이 위에 두께 30 nm의 p형 GaN층을 컨택트층으로서 성장했다.

이렇게 해서 성장한 LED 에피택셜 구조에, 적당한 금속 재료로, p형 GaN층(6) 위에 반투명의 p 전극(12), GaN 기판의 제2면의 주평면에서 에피택셜층과는 반대측의 면(이면)에 n 전극(11)을 형성했다. 이렇게 해서 제작한 자외 발광 다이오드는 도 1에 도시하는 구조를 채택한다.

전술한 자외 발광 다이오드에 연속 전류를 인가한 바, 도 2에 도시한 바와 같이, 파장 360 nm의 InAlGaN 발광층의 밴드단 발광을 얻을 수 있었다. 인가 전류치를 300 mA까지 높이더라도, 도 3에 도시한 바와 같이, 광 출력은 포화하지 않고 선형으로 증가했다. 이로부터 GaN 기판 상의 높은 방열성이 실증되었다. 또한, 본 실시예에서는, GaN 기판에 전위 밀도가 낮은 기판을 이용했기 때문에, 관통 전위 밀도가 저하되어, 발광 효율을 높일 수 있었다.

(실시예 2)

도 4는 본 발명의 실시예 2의 자외 발광 다이오드를 도시한 도면이다. 이 자외 발광 다이오드는 도 1에 도시하는 자외 LED의 적층 구조와 비교해서, 발광층(4)과 접하여 GaN 기판(1)에 가까운 측에 완충층인 In_xAl_yGa_1-x-yN층(17)을 배치한 것이 특징적이다. 또한, 발광층도 다중 양자 우물 구조로 하고 있는데, 발광층에 관하여는 이후에 설명하기로 한다.

본 실시예의 자외 LED의 제조 방법은 다음과 같다. GaN 기판(1)으로서는, 두께 400 ㎛, 관통 전위 밀도 5E6/cm²의 기판을 이용했다. 실시예 1과 같은 방법으로, GaN 기판(1) 위에 n형 GaN층(2) 및 n형 Al_xGa_1-xN층(3)을 순차 형성했다. 계속해서, n형 Al_xGa_1-xN층(3)에 접하여, 성장 온도 830℃에서 두께 50 nm의 In_xAl _yGa_1-x-yN 완충층(17)을 성장시킨다.

그 후, 그 In_xAl_yGa_1-x-yN 완충층(17) 위에, 도 5에 도시한 바와 같이〔In_x5Al_y5Ga_1-x5-y5N 장벽층(4a)/In_x4Al_y4Ga_1-x4-y4N 우물층(4b)〕의 2층 구조를 3주기 적층한 다중 양자 우물 구조를 형성했다. 실시예 2에서는, 이 다중 양자 우물 구조가 발광층(4)을 구성한다.

In_xAI_yGa_1-x-yN 완충층을 성장시킬 때와 In_x4Al_y4Ga _1-x4-y4N 장벽층을 성장시킬 때의 원료 가스의 유량은 암모니아 2 l/min, 트리메틸갈륨 1.5 μmol/min, 트리메틸알루미늄 0.65 μmol/min, 트리메틸인듐아닥트 30 μmol/min으로 했다.

In_x4Al_y4Ga_1-x4-y4N 우물층을 성장시킬 때의 원료 가스의 유량은 암모니아 2 l/min, 트리메틸갈륨 1.5 μmol/min, 트리메틸알루미늄 0.52 μmol/min, 트리메틸인듐아닥트 53 μmol/min이었다.

본 실시예에서는, 완충층인 In_xAl_yGa_1-x-yN층을 배치한 것과 발광층을 InAlGaN층의 다중 양자 우물 구조로 한 것의 2가지 점에서 실시예 1과 다르다.

전술한 2가지 점의 개량에 의해, 도 6에 도시한 바와 같이, 발광 출력은 비약적으로 향상했다. 예컨대, 도 3에서는 100 mA의 인가 전류에 대한 광 출력은 0.01 mW 정도였지만, 도 6에서는 100 mA의 인가 전류에 대한 광 출력은 1.7 mW로 150배를 넘는 대폭적인 향상을 얻을 수 있었다. 또, 도 7에 도시한 바와 같이, 발광 스펙트럼의 반치폭은 12 nm로 작아졌다. 이것은 발광층을 다중 양자 우물로 구성함에 따라 양자 준위 사이에서의 발광이 지배적이기 때문이다.

(실시예 3)

본 발명의 실시예 3에서는, GaN 기판 상에 형성한 자외 LED(본 발명예)와, GaN 템플릿(사파이어 기판 상에 저온 성장 GaN 버퍼층을 통해 n형 GaN을 3 ㎛ 성장한 기판) 상에 형성한 자외 LED(비교예)의 광 출력을 비교하였다. GaN 템플릿은 미리 제작한 것을 이용했다. 상기 본 발명예 및 비교예 모두, 도 4 및 도 5에 도시하는 적층 구조를 형성했다. 다만, GaN 템플릿은 이면측이 절연체이기 때문에, n 전극은 미리 노출시킨 n형 GaN층 상에 형성했다.

우선, 제조에 있어서, GaN 기판 및 GaN 템플릿의 양방을 함께 MOCVD 성막 장치 내의 서셉터 상에 배치했다. 이어서, GaN 기판과, GaN 템플릿과 n형 GaN층, n형 Al_x1Ga_1-x1N층 및 완충층인 In_xAl_yGa_1-x-yN층을 성막했다. 이 후, 실시예 2와 마찬가지로, (In_x4Al_y4Ga_1-x4-y4N 장벽층/In_x3Al_y3Ga_1-x3-y3N 우물층)의 2층 구조를 3주기 적층하여, 다중 양자 우물 구조를 제작했다. 이 후, p형 Al_x2Ga_1-x2N층/ 형 GaN층을 형성하여, p 전극 및 n 전극을 형성했다. 전술한 성막 처리를 통하여, 성장 온도, 원료 가스의 유량은 실시예 2와 같게 하였다. 다만 GaN 템플릿에의 n 전극은 전술한 바와 같이, n형 GaN층 위에 형성한다.

전술한 바와 같은 식으로 제작한 본 발명예 및 비교예의 양쪽에, 전류를 인가하여 광 출력을 측정했다. 결과를 비교할 수 있도록 도 8에 도시한다. 도 8에서는, GaN 템플릿을 이용한 비교예는 실제의 광 출력의 5배의 값이 표시되어 있다.

도 8에 따르면, 전류 50 mA로 GaN 기판 상의 LED에서 GaN 템플릿 상의 약 10배의 출력을 얻고 있다. 또한 템플릿을 이용한 LED에서는 전류 100 mA에서 출력이 포화 경향을 보이는 데 대하여, GaN 기판 상에서는 출력이 선형으로 증가했다. 따라서 저전위 GaN 기판은 InAlGaN 발광층을 이용한 자외 LED의 고효율화, 고전류 주입에 의한 LED의 고출력화에 유효하다. 본 발명예의 LED에서는, 열전도가 양호한 GaN 기판을 이용하고 있기 때문에 발열에 의한 고온화가 억제되는 것과 관통 전위 밀도가 낮기 때문에 비발광 중심이 억제되는 것의 2가지의 점에 의해 전술한 고출력을 얻을 수 있었다.

(실시예 4)

도 9는 본 발명의 실시예 4에 있어서의 발광 소자의 적층 구조를 도시한 도면이다. 우선, 제조 방법에 관해서 설명하기로 한다. Al_xGa_1-xN 기판(x=0.18)을 서셉터 상에 배치하고, 유기 금속 기상 증착법의 성막 장치 내를 감압으로 유지하면서 적층 구조를 제작하여, 자외 발광 다이오드 구조를 얻었다. 원료에는, 트리메틸갈륨, 트리메틸알루미늄, 트리메틸인듐아닥트, 암모니아, 테트라에틸실란, 비스에틸시클로펜타디에닐마그네슘을 이용했다. 우선, 성장 온도 1050℃에서, 두께 0.5 ㎛의 n형 Al_0.18Ga_0.82N 버퍼층(22)을 성장시켰다.

그 후, 성장 온도를 830℃로 강하시켜, 전술한 실시예 2와 마찬가지로, InAlGaN 장벽층(24a) 및 InAlGaN 우물층(24b)을 3주기 갖는 다중 양자 우물 구조의 발광층(24)을 형성했다. 그 후, 다시 성장 온도를 1050℃로 상승시키고, 두께 20 nm의 p형 Al_0.30Ga_0.70N층(25) 및 두께 50 nm의 p형 Al_0.18Ga_0.82N층(26)을 성장했다.

전술한 바와 같이 형성한 LED 에피택셜 구조의 p형 AlGaN층(26) 위에, 금속 재료로 반투명 p 전극(12)을 형성하고, 또한 AlGaN 기판(21)의 이면측에 n 전극(11)을 형성했다.

전술한 바와 같이 형성한 자외 발광 다이오드에 연속 전류를 인가한 바, 파장 351 nm의 lnAlGaN의 밴드단 발광을 얻을 수 있었다. 이 밴드단 발광의 광 출력으로서 전류 100 mA일 때 8 mW를 얻을 수 있었다.

이상 본 발명의 실시예에 관해서 설명했지만, 전술한 실시예도 포함시켜 본 발명의 실시 형태에 관해서 나열적으로 설명하기로 한다.

전술한 질화물 반도체 기판을 GaN 기판으로도 할 수 있다. GaN 기판은 대형이며 저렴한 것을 입수할 수 있기 때문에, 양산에 적합하다. 전술한 GaN 기판의 관통 전위 밀도는 1E7cm^-2 이하로 하는 것이 좋다. 그렇게 함으로써, 본 발명의 발광 소자 중의 관통 전위 밀도를 줄일 수 있어, 비발광 중심 밀도를 저감시킬 수 있다.

또, 전술한 질화물 반도체 기판을 Al_xGa_1-xN 기판(0＜x≤1)으로 하더라도 좋다. Al_xGa_1-xN 기판을 이용함으로써 InAlGaN 발광층의 결정성을 높일 수 있다. 즉, 발광층과 질화물 반도체 기판과의 결정 격자의 차이를 작게 할 수 있어, 발광층에 생기는 격자 부정합을 억제할 수 있다.

전술한 Al_xGa_1-x 기판(0＜x≤1)의 관통 전위 밀도는 1E7cm^-2 이하로 하는 것이 좋다. 이 구성에 의해, 본 발명의 발광 소자 중의 관통 전위 밀도를 줄일 수 있어, 비발광 중심 밀도를 저감시킬 수 있다.

전술한 Al_xGa_1-xN 기판(0＜x≤1)의 밴드갭 에너지를, InAlGaN 4정 혼정계를 포함하는 발광층이 발하는 빛의 파장에 대응하는 에너지 이하로 할 수 있다. 이러한 질화물 반도체 기판의 밴드갭으로 함으로써, 발광층으로부터 발한 빛이 질화물 반도체 기판에 흡수되지 않고, 유효하게 이용할 수 있다.

전술한 질화물 반도체 기판의 제1 주표면 측에, 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층(0≤x1≤1)과, 질화물 반도체 기판에서 볼 때 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층보다 먼 곳에 위치하는 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층(0≤x2≤1)을 갖고, 제1 도전형의 Al_x1Ga _1-x1N층 및 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층 사이에 상기 InAlGaN 4정 혼정계를 포함하는 구성을 채택하여도 좋다.

전술한 구성에 의해, p 도전형층과 n 도전형층으로부터, 그 사이에 개재되는 InAlGaN 4정 혼정계에 전류를 주입함으로써, 높은 효율의 발광을 얻을 수 있다.

또, 전술한 질화물 반도체 기판과 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 사이에 제1 도전형의 질화물 반도체 기판과 동종의 질화물 반도체층을 갖도록 구성하여도 좋다.

이 구성에 의하면, 질화물 반도체 기판에 접하여 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층을 형성하는 구조보다도, 전술한 제1 도전형의 질화물 반도체 기판과 동종의 질화물 반도체층을 완충층으로서 기능하게 함으로써 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층의 결정성을 높일 수 있다.

상기 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층 위에 두께 1 nm∼500 nm의 제2 도전형의 Al_x3Ga_1-x3N층(0≤x3＜1, x3＜x2)을 갖도록 구성하여도 좋다.

전술한 구성에 따르면, 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층에 접하여 전극을 형성하는 것보다도 접촉 저항을 낮게 할 수 있어, 전력-광 변환 효율을 높일 수 있다. 제2 도전형의 Al_x3Ga_1-x3N층은 두께 1 nm 미만에서는 접촉 저항을 저하할 수 있을 정도로 양호한 층을 얻을 수 없고, 또 두께가 500 nm을 넘으면 파장 360 nm 이하의 자외광의 흡수량이 증가한다. 이 때문에, 제2 도전형의 Al_x3Ga_1-x3N층의 두께는 1 nm∼500 nm의 범위로 한다.

상기 제1 주표면과는 반대측의 제2 주표면에 제1 전극이, 또 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층 위에 제1 전극과 쌍을 이루는 제2 전극이 형성되는 구성을 채택할 수 있다.

전술한 구성에 따르면, 질화물 반도체 기판의 제2 주표면인 이면에 제1 전극을 배치할 수 있기 때문에, 직렬 저항을 작게 할 수 있다. 이 때문에, 전압 효율을 향상시켜, 발열을 작게 할 수 있기 때문에, 발광 효율을 높일 수 있다. 또한, 질화물 반도체는 열전도율이 양호하기 때문에 발열의 영향을 받기 어려운 것도 좋은 방향으로 작용한다.

전술한 발광층의 Al_x1Ga_1-x1N층(0≤x1≤1)과, 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층(0≤x2≤1)층과의 두께의 합계가 0.4 ㎛ 이하로 하여도 좋다.

제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 및 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층의 두께의 합계가 0.4 ㎛를 넘으면 크랙이 발생하고, 이들 층의 일부에 대응하는 부분에서밖에 발광하지 않기 때문에, 상기 두께 합계는 0.4 ㎛ 이하로 하는 것이 좋다.

전술한 발광 소자는 발광층에 있어서의 발광에 의해 파장 330 nm∼370 nm 범위의 빛을 발할 수 있다.

상기 범위의 파장이 방사되도록 발광층을 조정함으로써, 발광 효율이 우수한 자외선역의 발광 소자를 얻을 수 있다.

상기 발광층은 In_x4Al_y4Ga_1-x4-y4N(0＜x4＜0.2, 0＜y4＜0.5)으로 표시되는 우물층과, In_x5Al_y5Ga_1-x5-y5N(0≤x5＜0.2, 0＜y5＜0.5)로 표시되는 장벽층을 포함하는 양자 우물 구조를 갖는 구성을 채택하여도 좋다.

전술한 바와 같이, 발광층을 양자 우물 구조로 구성함으로써 발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있다. 그리고, 우물층 및 장벽층 모두 InAlGaN의 결정을 이용함으로써, 왜곡을 작게 할 수 있어 발광 효율을 높일 수 있다.

전술한 발광층과 질화물 반도체 기판 사이에 두께 10 nm∼200 nm의 In_xAl_yGa_1-x-yN(0＜x＜0.2, 0＜y＜0.5)층을 갖는 구성을 채택하여도 좋다.

전술한 구성으로, 발광층에 관한 왜곡을 작게 할 수 있어, 피에조 효과에 의한 전자와 정공의 공간적 분리를 방지하여, 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 다른 본 발명의 발광 소자에서는 질화물 반도체 기판이 에칭 또는 박리되어 발광층에서 볼 때 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층보다 먼 곳에 질화물 반도체층을 갖지 않도록 하여도 좋다.

이 구성에 의해, 질화물 반도체 기판(질화물 반도체층)에 의한 단파장역의 흡수를 없앨 수 있다.

본 발명, 질화물 반도체를 이용한 발광 소자 및 그 제조 방법으로 고효율 발광에 의해 고출력 발광을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 자외 LED를 도시한 도면.

도 2는 도 1의 자외 LED의 발광 스펙트럼을 도시한 도면.

도 3은 도 1의 자외 LED의 인가 전류와 광 출력의 관계를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 자외 LED를 도시한 도면.

도 5는 도 4의 발광층의 확대도.

도 6은 도 4의 자외 LED의 인가 전류와 광 출력의 관계를 도시한 도면.

도 7은 도 4의 자외 LED의 발광 스펙트럼을 도시한 도면.

도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 본 발명예의 자외 LED와, 비교예의 자외 LED의 인가 전류와 광 출력의 관계를 도시한 도면.

도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 자외 LED의 적층 구조를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: GaN 기판

2: n형 GaN층

3: n형 Al_x1Ga_1-x1N층

4: InAlGaN 발광층

4a: In_x5Al_y5Ga_1-x5-y5N층(장벽층)

4b: In_x4Al_y4Ga_1-x4-y4N층(우물층)

5: p형 Al_x2Ga_1-x2N층

6: p형 GaN층

11: n전극

12: p전극

17: In_xAl_yGa_1-x-yN(완충층)

21: n형 Al_0.18Ga_0.82N 기판

22: n형 Al_0.18Ga_0.82N층

24a: InAlGaN 장벽층

24b: InAlGaN 우물층

24: InAlGaN 발광층

25: p형 Al_0.30Ga_0.70N층

26: p형 Al_0.18Ga_0.82N층

Claims

질화물 반도체 기판과,

상기 질화물 반도체 기판의 제1 주표면 측에 InAlGaN 4정 혼정계(Quaternary Alloy)를 포함하는 발광층(4, 24)을 갖는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체 기판은 GaN 기판(1)인 것인 발광 소자.
제2항에 있어서, 상기 질화물 반도체 기판의 관통 전위 밀도는 1E7cm^-2 이하인 것인 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체 기판은 Al_xGa_1-xN 기판(0＜x≤1)(21)인 것인 발광 소자.
제4항에 있어서, 상기 질화물 반도체 기판의 관통 전위 밀도는 1E7cm^-2 이하인 것인 발광 소자.
제4항에 있어서, 상기 Al_xGa_1-xN 기판(0＜x≤1)(21)의 밴드갭 에너지는 상기 InAlGaN 4정 혼정계를 포함하는 발광층이 발하는 빛의 파장에 대응하는 에너지인 것인 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 질화물 반도체 기판의 제1 주표면 측에 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층(0≤x1≤1)(3, 22)과, 상기 질화물 반도체 기판에서 볼 때 상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층보다 먼 곳에 위치하는 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층(0≤x2≤1)(5, 25)을 갖고, 상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 및 제2 도전형의 Al_x2Ga _1-x2N층 사이에 상기 InAlGaN 4정 혼정계를 포함하는 발광 소자.
제7항에 있어서, 상기 질화물 반도체 기판과 상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 사이에, 제1 도전형의 상기 질화물 반도체 기판과 동종의 질화물 반도체층(12)을 갖는 발광 소자.
제7항에 있어서, 상기 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층 위에 두께 1 nm∼500 nm의 제2 도전형의 Al_x3Ga_1-x3N층(0≤x3＜1, x3＜x2)(26)을 갖는 발광 소자.
제7항에 있어서, 상기 제1 주표면과는 반대측의 제2 주표면에 제1 전극(11)이, 또 상기 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층 위에 상기 제1 전극과 쌍을 이루는 제2 전극(12)이 형성되어 있는 발광 소자.
제7항에 있어서, 상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층(0≤x1≤1)과 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층(0≤x2≤1)층의 두께의 합계는 0.4 ㎛ 이하인 것인 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 발광층에 있어서의 발광에 의해 파장 330 nm∼370 nm 범위의 빛을 발하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 발광층은 In_x4Al_y4Ga_1-x4-y4N(0＜x4＜0.2, 0＜y4＜0.5)로 표시되는 우물층(4b)과, In_x5Al_y5Ga_1-x5-y5N(0≤x5＜0.2, 0＜y5＜0.5)으로 표시되는 장벽층(4a)을 포함하는 양자 우물 구조를 갖는 것인 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 발광층과 상기 질화물 반도체 기판 사이에 두께 10 nm∼200 nm의 In_xAl_yGa_1-x-yN(0＜x＜0.2, 0＜y＜0.5)층(17)을 갖는 발광 소자.
상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층(0≤x1≤1)(3, 22)과, 상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 위에 위치하는 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층(0≤x2≤1)(5, 25)과, 상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 및 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층 사이에 위치하며, InAlGaN 4정 혼정계를 포함하는 발광층(4, 24)을 갖고,

상기 발광층에서 볼 때 상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층보다 먼 곳에 두께 100 ㎛ 이하의 질화물 반도체층(1, 21)을 갖는 발광 소자.
제15항에 있어서, 상기 발광층에서 볼 때 상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층보다 먼 곳에 질화물 반도체층을 갖지 않는 발광 소자.
질화물 반도체 기판의 제1 주표면 측에 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층(0≤x1≤1)을 형성하는 공정과,

상기 제1 도전형의 Al_x1Ga_1-x1N층 위에 InAlGaN 4정 혼정계를 포함한 발광층을 형성하는 공정과,

상기 발광층 위에 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층(0≤x2≤1)을 형성하는 공정과,

상기 제2 도전형의 Al_x2Ga_1-x2N층을 형성한 후에, 상기 질화물 반도체 기판을 제거하는 공정을 갖는 발광 소자의 제조 방법.