KR20110084683A

KR20110084683A - 양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자

Info

Publication number: KR20110084683A
Application number: KR1020100004356A
Authority: KR
Inventors: 유홍재
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2011-07-26
Anticipated expiration: 2030-01-18
Also published as: KR101644156B1

Abstract

양자우물 구조의 활성영역을 갖는 발광 소자가 개시된다. 이 발광 소자는, 질화갈륨 계열의 n형 화합물 반도체층, 질화갈륨 계열의 p형 화합물 반도체층 및 상기 n형 및 p형 화합물 반도체층들 사이에 개재된 활성 영역을 포함한다. 상기 활성 영역은 상기 n형 화합물 반도체층측으로부터 상기 p형 화합물 반도체층측으로, 제1 장벽층, 제2 장벽층, 제3 장벽층, 우물층 및 제4 장벽층을 이 순서로 포함한다. 또한, 상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층에 비해 좁은 에너지 밴드갭을 갖고, 상기 제3 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 넓은 에너지 밴드갭을 갖고, 상기 제4 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 넓은 에너지 밴드갭을 갖는다. 상기 제1 내지 제4 장벽층들의 에너지 밴드갭을 제어함으로써 우물층 내로의 전자의 공급을 원활하게 함과 아울러, 우물층의 스트레인을 감소시켜 내부양자효율을 향상시킬 수 있다.

Description

양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE HAVING ACTIVE REGION OF QUANTUM WELL STRUCTURE}

본 발명은 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 활성영역 내 우물층에 발생하는 스트레인을 조절하여 내부양자효율을 향상시킨 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐갈륨(InGaN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색, 녹색 및 자외선 영역의 발광 소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 이러한 질화갈륨 계열의 화합물 반도체를 이용한 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 백라이트 광원, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드로 널리 활용되고 있다.

이러한 질화물계 발광소자는 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치한 InGaN 계열의 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하고, 상기 활성영역 내의 양자우물층에서 전자와 정공이 재결합하여 빛을 발생시킨다. 따라서, 질화물계 반도체 발광 소자 제조에 있어서, 원하는 발광 스펙트럼을 얻고, 발광효율을 높이기 위해 양자우물층 내에서 전자와 정공의 발광 재결합율을 향상시킬 필요가 있다.

주로 질화물계 반도체 발광 소자의 우물층으로 사용되는 물질은 InGaN 계열의 물질이고, InGaN 계열의 질화물 반도체층은 밴드갭의 특성상 근자외선에서부터 가시광선 영역을 거쳐 근적외선까지의 넓은 영역에 걸쳐 빛의 파장을 방출하는 것으로 알려져있다.

한편, InGaN계열의 박막 내에서 인듐은 다른 원소들에 비해 상대적으로 원자 크기가 크고, 또한, 편재화가 쉬운 특성 때문에 다층의 박막 적층시에 격자부정합에 의해 InGaN 계열의 우물층에 스트레인이 발생하며, 연속적으로 적층되는 다층박막의 결정성이 떨어지는 문제점이 발생한다. 특히, 복수의 우물층들이 적층되는 다중양자우물 구조를 갖는 발광 소자에서는 응력이 지속적으로 증가하여 발광효율을 더욱 감소시킬 수 있다.

특히, C축 면으로 성장된 질화갈륨 계열의 반도체층들로 형성된 활성영역에서 압전 분극(piezo-electric polarization)이 발생되는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 분극은 정전기장을 발생시켜 양자우물 구조의 에너지 밴드 구조를 왜곡시키며, 이에 따라 전자와 정공의 공간 분리가 발생되어 발광 재결합율이 감소된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 우물층에 발생되는 스트레인을 감소시켜 발광 소자의 내부 양자 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 발광 재결합율을 증가시켜 발광 소자의 발광 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자는, 질화갈륨 계열의 n형 화합물 반도체층; 질화갈륨 계열의 p형 화합물 반도체층; 및 상기 n형 및 p형 화합물 반도체층들 사이에 개재된 활성 영역을 포함한다. 상기 활성 영역은 상기 n형 화합물 반도체층측으로부터 상기 p형 화합물 반도체층측으로, 제1 장벽층, 제2 장벽층, 제3 장벽층, 우물층 및 제4 장벽층을 이 순서로 포함한다. 또한, 상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층에 비해 좁은 에너지 밴드갭을 갖고, 상기 제3 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 넓은 에너지 밴드갭을 갖고, 상기 제4 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 넓은 에너지 밴드갭을 갖는다.

상기 제3 장벽층 및 제4 장벽층이 상대적으로 넓은 에너지 밴드갭을 가지어 캐리어를 우물층 내에 가둘 수 있다. 나아가, 상기 제2 장벽층이 상기 제3 장벽층에 비해 상대적으로 좁은 밴드갭을 갖기 때문에, 제3 장벽층에 의해 우물층에 인가되는 스트레스를 완화할 수 있고 따라서 우물층 내의 스트레인을 완화할 수 있다.

상기 활성 영역은 단일양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 장벽층, 제2 장벽층, 제3 장벽층, 우물층 및 제4 장벽층이 주기적으로 적층될 수 있다.

한편, 상기 제4 장벽층은 상기 제3 장벽층에 비해 상대적으로 두꺼울 수 있다. 따라서, 제3 장벽층을 통해 우물층으로 유입된 전자가 제4 장벽층을 통해 쉽게 빠져 나가지 못한다. 나아가, 상기 제3 장벽층은 전자 터널링이 발생될 수 있는 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 제3 장벽층의 두께는 1~1.5nm일 수 있다.

상기 제1 장벽층은 상기 p형 화합물 반도체층측으로 밴드갭이 감소하는 경사조성(grading)층일 수 있다. 또한, 상기 제1 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 두꺼운 것이 바람직하다. 따라서, 제2 장벽층에 유발되는 스트레스를 완화할 수 있다.

상기 제3 장벽층 및 상기 제4 장벽층이 상기 우물층에 접할 수 있다. 또한, 상기 제2 장벽층이 상기 제1 장벽층 및 상기 제3 장벽층에 접할 수 있다.

한편, 상기 우물층은 제1 우물층 및 제2 우물층을 포함할 수 있으며, 상기 제1 우물층이 상기 제3 장벽층에 접하고, 상기 제2 우물층이 상기 제4 장벽층에 접한다. 나아가, 상기 제1 우물층이 상기 제2 우물층에 비해 더 넓은 밴드갭을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 우물층 중 제2 우물층에서 전자와 정공의 결합율을 높일 수 있어 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

나아가, 상기 제1 우물층 및 상기 제2 우물층은 경사조성층들일 수 있으며, 상기 경사조성층들은 각각 상기 p형 화합물 반도체층으로 밴드갭이 감소할 수 있다.

한편, 상기 우물층은 InGaN으로 형성되고, 상기 제3 장벽층 및 제4 장벽층은 AlInGaN 또는 GaN으로 형성될 수 있다. 4성분계의 질화물계 화합물 반도체층을 이용함으로써 우물층과 장벽층 사이의 격자 부정합을 완화할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 우물층의 스트레인을 감소시켜 발광 재결합율을 향상시킬 수 있는 발광 소자가 제공될 수 있다. 나아가, 우물층을 밴드갭이 서로 다른 적어도 두개의 층으로 구성함으로써 우물층 내에서의 발광 재결합율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1의 활성 영역을 설명하기 위해 확대 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 밴드 다이어그램이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1의 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이고, 도 3은 개략적인 밴드 다이어그램이다. 도 3에서 전도대(Ec)만을 나타내었다.

도 1을 참조하면, 상기 발광 소자는 기판(21), n형 GaN계 화합물 반도체층(27), 활성영역(30), 및 p형 GaN계 화합물 반도체층(43)을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는 기판(21)과 n형 화합물 반도체층(27) 사이에 저온 버퍼층(23) 및 고온 버퍼층(25)을 포함할 수 있으며, 상기 p형 화합물 반도체층(43)과 활성 영역(30) 사이에 p형 클래드층(41)을 포함할 수 있다.

상기 기판(21)은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 사파이어, 스피넬, 탄화실리콘 기판 또는 금속과 같은 도전성 기판일 수 있다. 한편, 저온 버퍼층(23)은 일반적으로 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)로 형성될 수 있고, 상기 고온 버퍼층(25)은 예컨대 언도프트 GaN 또는 n형 불순물이 도핑된 n형 GaN일 수 있다.

상기 n형 화합물 반도체층(27) 상부에 p형 화합물 반도체층(43)이 위치하고, 상기 n형 화합물 반도체층(27)과 p형 화합물 반도체층(43) 사이에 활성 영역(30)이 개재된다. 상기 n형 화합물 반도체층 및 p형 화합물 반도체층은 (Al, In, Ga)N 계열의 III족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 n형 화합물 반도체층(27) 및 p형 화합물 반도체층(43)은 각각 n형 및 p형 GaN, 또는 n형 및 p형 AlGaN일 수 있다. 이에 더하여, 상기 p형 화합물 반도체층(43)과 활성 영역(30) 사이에 p형 클래드층(41)이 개재될 수 있다. 상기 p형 클래드층(41) 또한 (Al, In, Ga)N 계열의 III족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있으며, 예컨대 AlGaN로 형성될 수 있다. 또한, n형 화합물 반도체층(27)과 활성 영역(30) 사이에 n형 클래드층(도시하지 않음)이 개재될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 활성 영역(30)은 장벽층(31), 우물층(33), 제4 장벽층(35)이 주기적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 장벽층(31)은 제1 장벽층(31a), 제2 장벽층(31b) 및 제3 장벽층(31c)을 포함한다. 한편, 상기 우물층(33)은 제1 우물층(33a) 및 제2 우물층(33b)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 p형 클래드층(41)과 제4 장벽층(35) 사이에 완충층(37)이 개재될 수 있다.

상기 활성 영역(30)은 상기 n형 화합물 반도체층(27)측으로부터 제1 장벽층(31a), 제2 장벽층(31b), 제3 장벽층(31c), 제1 우물층(33a), 제2 우물층(33b) 및 제4 장벽층(35)을 이 순서로 포함할 수 있다.

상기 제1 장벽층(31a)은 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)로 형성될 수 있다. 상기 제1 장벽층(31a)은 전자를 우물층(33)으로 공급할 수 있는 에너지 밴드갭을 갖는다. 즉, 상기 제1 장벽층(31a)은 n형 화합물 반도체층(27)보다 대체로 좁은 밴드갭을 가지며, 우물층(33)보다 넓은 밴드갭을 갖는다. 제1 장벽층(31a)이 4성분계로 형성될 경우, 상대적으로 우수한 결정질을 가질 수 있으며, n형 화합물 반도체층(27)이 GaN인 경우, n형 화합물 반도체층(27)과 InGaN계열의 우물층(33) 사이에서 격자 부정합을 완화시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 장벽층(31a)은 p형 화합물 반도체층(43)측으로 밴드갭이 감소하는 경사조성(grading)층일 수 있다. 제1 장벽층(31a)의 조성은 n형 화합물 반도체층(27)의 조성 또는 n형 화합물 반도체층(27)보다 좁은 밴드갭을 갖는 조성으로부터 제2 장벽층(32a)의 조성으로 경사질 수 있다. 한편, 상기 제1 장벽층(31a)의 성장온도는 상기 n형 화합물 반도체층(27) 보다는 낮고, 상기 제3 장벽층(31c), 제1 우물층(33a) 그리고, 상기 제2 우물층(33b), 상기 제4 장벽층(35) 보다는 높은 온도에서 성장되고 상기 제1 장벽층(31a) 내에서의 p형 화합물 반도체층(43) 측으로 밴드갭이 감소하는 경사조성은 동일성장 온도에서 In의 유량을 22cc에서 70cc까지 점차적으로 증가(grading)시킴으로서 조절되게 한다.

한편, 상기 제2 장벽층(31b)은 제1 장벽층(31a) 상에 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)로 형성되고, 제1 장벽층(31a)보다 좁은 에너지 밴드갭을 갖는다. 또한, 상기 제2 장벽층(31b)은 우물층(33)보다 넓은 에너지 밴드갭을 갖는다. 나아가, 상기 제2 장벽층(31b)은 상기 제1 장벽층(31a)보다 얇은 것이 바람직하다. 상기 제2 장벽층(31b)은 경사조성층일 수 있으나 층 전체에 걸쳐서 대체로 균일한 조성을 갖는 것이 바람직하고 성장온도는 상기 제1 장벽층(31a)과 같은 성장온도이며, 조성 또한 상기 제1 장벽층(31a)에서 사용되는 In 유량과 같은 유량으로 조성을 조절할 수 있다.

제3 장벽층(31c)은 제2 장벽층(31b) 상에 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1) 또는 GaN로 형성될 수 있으며, 제2 장벽층(31b)보다 넓은 에너지 밴드갭을 갖는다. 상기 제3 장벽층(31c)은 제1 장벽층(31a) 및 제2 장벽층(31b)을 거쳐 공급된 전자가 터널링할 수 있는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 장벽층(31c)은 1.0~1.5nm의 두께를 가질 수 있고 상기 제3 장벽층(31c)의 성장온도는 상기 제1 장벽층(31a)과 상기 제2 장벽층(31b)의 성장온도보다 낮거나 같을 수 있는데, 통상 제2 장벽층(31b) 형성 후 온도를 45℃ 정도로 낮게 램핑(ramping)한 후 보다 낮은 온도에서 성장한다.

우물층(33)은 제1 우물층(33a) 및 제2 우물층(33b)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 우물층(33a)이 제3 장벽층(31c)에 접하고, 제2 우물층(33b)이 제4 장벽층(35)에 접할 수 있다. 제1 우물층(33a) 및 제2 우물층(33b)은 In_xGa_1-xN(0<x<1)으로 형성될 수 있다.

상기 제1 우물층(33a)과 제2 우물층(33b)은 서로 다른 밴드갭을 갖는다. 특히, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 우물층과 제2 우물층은 서로 단속적인 구조를 가질 수 있다. 자세히 설명하면, 종래의 일반적인 양자우물층은 단속적이지 않고, 단일층의 단일조성(15~16% In함량 포함)으로 이루어지는데 반해, 본 발명에서는 경사조성을 이루고 있는 각각의 제1 우물층(33a)과 제2 우물층(33b)의 In 함유량을 ~12%, ~19%의 평균 In 함량을 갖도록 조절하여 경사조성 구조를 설계하였다. 상기 제1 우물층(33a)과 상기 제2 우물층(33b)의 밴드갭 조절은 각각 다른 평균 In 함량을 갖도록 해서 실현하는데, 상기 제1 우물층(33a)과 제2 우물층(33b)에 대해 성장온도를 같게 조절하고, In의 유량을 각각 380cc~456cc, 487cc~515cc로 조절해서 경사조성을 가지는 밴드갭을 구현한다. 따라서, 상기 제1 우물층(33a)이 상기 제2 우물층(33b)에 비해 넓은 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 우물층 및 제2 우물층은 경사조성층들일 수 있으며, p형 화합물 반도체층(43)측으로 밴드갭이 감소하는 것이 바람직하다. 상기 우물층(33)에 불순물이 도핑될 수 있으나, 우물층(33)의 결정성을 향상시키고 캐리어의 재결합을 촉진하도록 불순물이 도핑되지 않는 것이 바람직하다. 한편, 다른 실시예로 n형 화합물 반도체층(27)측으로 밴드갭이 감소하게 하면, 실제 작동전압이 인가되었을 때 다이오드의 역전압 및 역전류와 같은 역방향(reverse) 특성이 저하될 수 있다.

한편, 상기 제4 장벽층(35)은 제2 우물층(33b) 상에 형성되어 제2 우물층(33b)에 접할 수 있으며, 제2 우물층(33b)보다 넓은 에너지 밴드갭을 갖는다. 상기 제4 장벽층(35)은 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1) 또는 GaN로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제4 장벽층(35)은 전자가 활성 영역(33) 내에서 이동하는 속도를 감소시킬 수 있도록 제3 장벽층(31c)보다 두꺼운 것이 바람직하다. 더욱이, 제1 우물층(33a)보다 제2 우물층(33b)의 층내에 평균 In 함유 조성비가 높기 때문에 이에 따른 연속되는 층들 사이의 스트레인 완화를 위해서도 제3 장벽층(31c)보다 제4 장벽층(35)이 두꺼운 것이 유리하다. 한편, 상기 제4 장벽층(35)은 제2 우물층(33b)이 형성되는 온도와 같은 온도에서 성장한 다음 다시 온도를 램핑해서 더 높은 온도로 설정한 다음 상기 후속 층들을 성장시킨다.

한편, 완충층(37)은 제4 장벽층(35)보다 격자상수가 크고, p형 화합물 반도체층(43) 또는 p형 클래드층(41)보다 격자상수가 작은 것이 바람직하다. 상기 완충층(37)은 활성 영역(30)과 p형 화합물 반도체층(43) 사이에서 격자 부정합을 완화시키는데, 상기 제1 장벽층(31a)과 제2 장벽층(31b)의 두께 합과 같거나 20% 더 두꺼운 두께로 성장시키고, 그 때의 성장온도는 상기 제1 장벽층(31a)과 제2 장벽층(31b)의 성장 온도와 같은 온도로 할 수 있다.

21: 기판, 23:저온 버퍼층, 25: 고온 버퍼층,
27:n형 GaN계 화합물 반도체층, 30: 활성영역,
31: 장벽층, 31a:제1 장벽층, 31b: 제2 장벽층,
31c: 제3 장벽층, 33: 우물층, 33a: 제1 우물층,
33b: 제2 우물층, 35: 제4 장벽층, 37:완충층,
41: p형 클래드층, 43: p형 GaN계 화합물 반도체층

Claims

질화갈륨 계열의 n형 화합물 반도체층;
질화갈륨 계열의 p형 화합물 반도체층; 및
상기 n형 및 p형 화합물 반도체층들 사이에 개재된 활성 영역을 포함하되,
상기 활성 영역은 상기 n형 화합물 반도체층측으로부터 상기 p형 화합물 반도체층측으로, 제1 장벽층, 제2 장벽층, 제3 장벽층, 우물층 및 제4 장벽층을 이 순서로 포함하고,
상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층에 비해 좁은 에너지 밴드갭을 갖고,
상기 제3 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 넓은 에너지 밴드갭을 갖고,
상기 제4 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 넓은 에너지 밴드갭을 갖는 발광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 활성 영역은 상기 제1 장벽층, 제2 장벽층, 제3 장벽층, 우물층 및 제4 장벽층이 주기적으로 적층된 다중양자우물 구조를 갖는 발광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 제4 장벽층은 상기 제3 장벽층에 비해 상대적으로 두꺼운 발광 소자.
청구항 3에 있어서,
상기 제3 장벽층은 전자 터널링이 발생될 수 있는 두께를 갖는 발광 소자.
청구항 4에 있어서,
상기 제3 장벽층의 두께는 1~1.5nm인 발광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 장벽층은 상기 p형 화합물 반도체층측으로 밴드갭이 감소하는 경사조성(grading)층인 발광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 두꺼운 발광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 제3 장벽층 및 상기 제4 장벽층이 상기 우물층에 접하는 발광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 우물층은 제1 우물층 및 제2 우물층을 포함하고,
상기 제1 우물층이 상기 제3 장벽층에 접하고, 상기 제2 우물층이 상기 제4 장벽층에 접하는 발광 소자.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 우물층이 상기 제2 우물층에 비해 더 넓은 밴드갭을 갖는 발광 소자.
청구항 10에 있어서,
상기 제1 우물층 및 상기 제2 우물층은 경사조성층들인 발광 소자.
청구항 11에 있어서,
상기 경사조성층들은 각각 상기 p형 화합물 반도체층측으로 밴드갭이 감소하는 발광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 우물층은 InGaN으로 형성되고,
상기 제3 장벽층 및 제4 장벽층은 AlInGaN 또는 GaN으로 형성된 발광 소자.