KR20120047073A - 질화갈륨계 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
발광효율이 높은 고품질의 질화갈륨계 반도체 발광소자가 제안된다. 제안된 질화갈륨계 반도체 발광소자는, p-GaN층, 양자장벽층 및 InGaN 양자우물층을 포함하는 활성층, 양자우물층 상에 활성층의 인듐함량보다 높은 함량으로 인듐을 포함하는 스트레인 버퍼층, n-GaN층, p전극 및 n전극을 포함한다.
Description
본 발명은 질화갈륨계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 발광효율이 높은 고품질의 질화갈륨계 반도체 발광소자에 관한 것이다.
발광소자(Light emitting device, LED)는 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 발광다이오드와 같이 다이오드를 이용하여 반도체를 접합한 형태로 전자/정공 재결합에 따른 에너지를 광으로 변환하여 방출하는 소자이다. 이러한 발광소자는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광소자를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, LED를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화, 신뢰성화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.
GaN계 발광소자에 사용되는 기판은 GaN층의 결정품질을 향상시키기 위하여 격자상수 및 열팽창계수가 유사한 것이 바람직하다. 이를 위하여, GaN을 기판두께로 성장시켜 기판으로서 사용할 수 있다. 그러나, 기판은 발광소자에서 성장을 위한 것이거나 또는 공정상 취급용이성을 위한 지지기판일 수 있으므로 기판의 두께는 n형 및 p형 GaN 층과 활성층 두께 모두를 합한 것의 수배 이상인 것이 일반적이다.
따라서, GaN을 기판두께로 성장시키는 것은 녹는점이 높고 성장시 높은 질소분압이 필요하여 공정면에서나 비용면에서나 바람직하지 않은 경우가 있다. 따라서, 여러가지 단점을 고려하여 GaN기판 이외에 사파이어 기판 또는 SiC 기판과 같은 이종기판을 사용할 수 있다.
예를 들어, 사파이어 기판을 이용하여 기판상에 n-GaN층을 형성하면, 기판과 GaN층과의 격자상수 및 열팽창계수 불일치로 인하여 성장된 GaN에 결함(defect)이 발생할 수 있다. 또한, n-GaN층 상에 활성층으로서 InGaN층을 성장시키는 경우, 기판, n-GaN층 및 활성층인 InGaN층의 격자상수가 불일치하여 응축변형력이 발생하므로 전체적으로 고품질의 반도체층을 성장시키기 어려운 점이 있다.
따라서, 고품질의 InGaN층을 성막하기 위한 기술의 개발이 요청된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 발광효율이 높은 고품질의 질화갈륨계 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자는 p-GaN층; p-GaN층 상의 양자장벽층 및 InGaN 양자우물층을 포함하는 활성층; 양자우물층 상의 활성층의 인듐함량보다 높은 함량으로 인듐을 포함하는 스트레인 버퍼층; 스트레인 버퍼층 상의 n-GaN층; 및 p-GaN층 및 n-GaN층 상에 각각 형성된 p전극 및 n전극;을 포함한다.
스트레인 버퍼층은 InGaN을 포함할 수 있다.
양자우물층의 인듐함량은 10% 내지 15%일 수 있고, 스트레인 버퍼층의 인듐함량은 7% 내지 20% 이하일 수 있다.
스트레인 버퍼층의 두께는 활성층의 두께의 4배 내지 5배일 수 있다.
양자장벽층의 두께는 양자우물층 두께의 2배 내지 3배일 수 있다.
활성층은 양자장벽층 및 InGaN 양자우물층 페어를 2이상 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자는 질화갈륨계 반도체층 성장시 스트레인을 최소화할 수 있어서 광이 발생하는 활성층의 결정품질이 우수하여 발광효율이 높아 고품질의 신뢰성 높은 질화갈륨계 반도체 발광소자를 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자의 에너지 준위도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자의 에너지 준위도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자의 단면도이다. 본 실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자(100)는 p-GaN층(110); p-GaN층(110) 상의 양자장벽층(121) 및 InGaN 양자우물층(122)을 포함하는 활성층(120); InGaN 양자우물층(122) 상의 활성층(120)의 인듐함량보다 높은 함량으로 인듐을 포함하는 스트레인 버퍼층(130); 스트레인 버퍼층(130) 상의 n-GaN층(140); 및 p-GaN층(110) 및 n-GaN층(140) 상에 각각 형성된 p전극(150) 및 n전극(160);을 포함한다.
본 실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자(100)는 n-GaN층(140), 활성층(120) 및 p-GaN층(110)을 포함하는 발광구조에 해당 전극을 형성한 수직구조의 발광소자로서, 사파이어(Al2O3) 또는 스피넬(MgAl2O4)과 같은 부도전성 기판 또는 SiC, Si, ZnO, GaAs, GaN 기판 상에서 성장시키고 성장이 완료된 후 기판을 제거한 구조를 갖는다.
도 1에 도시된 질화갈륨계 반도체 발광소자(100)는 기판을 포함하고 있지 않으나, 본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자는 이와 달리 n-GaN층(140) 하부에 도전성 기판을 포함하는 구조의 발광소자일 수 있다. 또는 n-GaN층(140) 하부에 부도전성 기판이 위치하는 경우, n전극(160)은 기판 상에 위치할 수 없으므로 수평형 구조의 발광소자로 구현될 수 있다.
p-GaN층(110) 및 스트레인 버퍼층(130) 상의 n-GaN층(140)은 질화갈륨계 반도체층으로서, 도핑되는 불순물에 따라 각각 p-GaN층(110) 및 n-GaN층(140)으로 구현된다. p-GaN층(110) 및 n-GaN층(140)은 공지의 성막방법, 예를 들면, 반도체층의 형성은 공지의 성막방법, 예를 들면, 분자선 에피택시(Molecular beam epitaxy, MBE)방법, 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 또는 하이드라이드 기상증착법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)을 이용하여 수행될 수 있다.
p-GaN층(110)의 불순물로는, Mg, Zn, 및 Be 중 선택하여 사용할 수 있다. 한편, n-GaN층(140)의 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Se, Te, 및 C 중 선택하여 사용할 수 있다.
p-GaN층(110) 및 n-GaN층(140) 사이에는 발광을 활성화시키는 활성층(120)이 위치한다. 활성층(120)은 p-GaN층(110) 및 n-GaN층(140)의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 이용하여 형성할 수 있다. p-GaN층(110) 및 n-GaN층(140)이 GaN계 화합물 반도체이므로 활성층(120)은 GaN계 화합물 반도체의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 InGaN계 화합물 반도체를 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 활성층(120)의 특성상, 불순물은 도핑되지 않는 것이 바람직하며, 장벽의 높이나 우물층의 두께, 조성, 우물의 개수를 조정하여 파장이나 양자효율을 조절할 수 있다.
p-GaN층(110) 및 n-GaN층(140)보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 포함하게 되면 활성층(120)은 정공 및 전자의 에너지 우물이 형성되어 양자우물층을 포함하게 된다. 본 실시예에 따르면, GaN계 화합물 반도체층 내의 양자우물층으로서 InGaN계 양자우물층(122)이 사용된다. InGaN 양자우물층(122) 만으로 활성층(120)에서 발광이 활성화될 수 있으나, 양자우물의 주변에 양자 장벽을 형성하여 전자나 정공이 에너지 우물 내에 발광에 충분할 정도로 유지될 수 있도록 양자장벽층(121)을 포함할 수 있다. 양자장벽층(121)은 전자차단 기능을 고려하여 InGaN 양자우물층(122) 두께의 2배 내지 3배로 형성할 수 있다.
양자장벽층(121)은 GaN층일 수 있고, InGaN층에서 인듐함량을 조절한 층이거나 AlInGaN층에서 Al 또는 In 함량을 조절한 층일 수 있다. 본 실시예에서 양자우물층은 InGaN층이므로 양자장벽층(121)은 GaN층인 것이 바람직하다. 활성층(120)은 이러한 InGaN 양자우물층(122)/양자장벽층(121)을 1개의 페어(pair)로 하여 2이상 포함하여 초격자 구조로 구현될 수 있다.
도 1에서 InGaN 양자우물층(122)은 n-GaN층(140) 상에 형성되어 있다. 일반적으로 질화갈륨계 반도체 발광소자(100)의 제조방법을 예로 들면, 먼저 사파이어 기판이나 SiC 기판과 같은 이종성장기판상에서 n-GaN층(140)을 성장시킨다. 이 때, 이종성장기판의 격자상수 및 n-GaN층(140)의 격자상수는 불일치하므로 n-GaN층(140)의 성장으로 인하여 발광소자는 전체적으로 응축변형력(compression strain)을 받는다. 응축변형력이 발생한 발광소자의 n-GaN층(140) 상부에 활성층(120)을 형성한다면, InGaN 양자우물층(122)은 GaN과 다른 InGaN층이기 때문에 다시 격자상수가 불일치하여 더욱 응축변형력을 받게 된다.
따라서, 이미 기판과 n-GaN층(140)과의 격자상수 불일치에 n-GaN층(140) 및 InGaN 양자우물층(122)의 격자상수 불일치가 추가되면 발광소자는 전체적으로 격자상수의 불일치로 인한 응축변형력을 받게 되고 이로 인하여 GaN 층 및 InGaN층은 결함이 생기게 되어 품질이 열악해질 수 있다.
스트레인 버퍼층(130)은 InGaN 양자우물층(122) 상에 활성층(120)의 인듐함량보다 높은 함량으로 인듐을 포함하는 층이다. 즉, 스트레인 버퍼층(130)은 n-GaN층(140) 및 InGaN 양자우물층(122) 사이에 위치하는 층으로서 n-GaN층(140) 및 InGaN 양자우물층(122)간의 격자상수 불일치를 감소시킨다. 스트레인 버퍼층(130)은 InGaN층일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자의 에너지 준위도이다. 스트레인 버퍼층(130)은 활성층(120)의 전체 인듐함량보다 높은 함량으로 인듐을 포함하고 있기 때문에, 활성층(120) 보다는 에너지 준위가 높고, n-GaN층(140), p-GaN층(110) 및 양자장벽층(121) 보다는 에너지 준위가 낮은 상태이다.
활성층(120)의 인듐함량은 양자장벽층(121) 및 InGaN 양자우물층(122)의 인듐함량의 평균함량을 의미한다. 예를 들어, 양자장벽층(121)이 GaN층이고, InGaN 양자우물층(122)의 인듐함량이 10 % 내지 15%라면, 활성층(120)의 평균 인듐함량은 4% 내지 6%일 수 있다. 따라서, 스트레인 버퍼층(130)은 7% 이상의 인듐함량을 갖는 것이 바람직하다. 스트레인 버퍼층(130)은 활성층(120)의 인듐함량보다는 높은 인듐함량을 갖는 것이 바람직하나 20%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 스트레인 버퍼층(130)의 인듐함량이 20%를 초과하면, 인듐함량이 너무 높아 스트레인 버퍼층(130) 내에서 인듐이 뭉칠 가능성이 있다. 스트레인 버퍼층(130) 내에서 인듐이 뭉치게 되면, 광을 흡수하는 결함으로서 작용할 수 있다.
일반적으로 GaN층 상에 InGaN층을 성장할 경우 InGaN층은 하부 GaN층의 결정격자를 따르는 경향이 있다. 따라서, n-GaN층(140) 상에 InGaN 양자우물층(122)을 성장시키면 InGaN 양자우물층(122)은 n-GaN층(140)의 결정격자를 따르기 때문에 응축변형력을 받게 된다. 또한, n-GaN층(140) 및 InGaN 양자우물층(122) 사이에 InGaN 스트레인 버퍼층(130)이 존재한다면, 스트레인 버퍼층(130) 또한 n-GaN층(140)의 결정격자를 따르게 되어 응축변형력을 받게 된다.
그러나, 스트레인 버퍼층(130)의 인듐함량이 활성층(120) 전체의 인듐함량보다 높을 정도로 고농도의 인듐을 포함한다면, 스트레인 버퍼층(130)과 n-GaN층(140)과의 격자상수 차이는 커지게 되지만, 스트레인 버퍼층(130)과 InGaN 양자우물층(122)의 격자상수 차이는 n-GaN층(140)과 InGaN 양자우물층(122)의 격자 상수 차이 대비 작게 된다.
따라서, InGaN 양자우물층(122)에 응축변형력 발생이 완화되어 InGaN 양자우물층(122)의 결정품질은 우수해질 수 있다. 즉, n-GaN층(140)과의 격자상수 불일치로 인한 응축변형력이 스트레인 버퍼층(130)으로 분산되어 InGaN 양자우물층(122)에 발생하는 응축변형력이 감소하고 이로 인하여 결정품질이 우수해지는 것이다. InGaN 양자우물층(122)의 결정품질이 우수해지므로 질화갈륨계 반도체 발광소자(100) 전체의 발광효율은 증가하게 된다.
스트레인 버퍼층(130)의 두께는 활성층(120)의 두께의 4배 내지 5배일 수 있다. 이때, 활성층(120)의 두께는 양자우물층 1개와 장벽층 1개의 두께를 합한 값을 의미한다. 스트레인 버퍼층(130)은 활성층(120)과 n-GaN층(140) 사이에서 결정격자상수 차이를 분산시키는 역할을 하므로 활성층(120)의 두께보다는 두꺼운 것이 바람직하다. 반대로, 스트레인 버퍼층(130)은 5배를 초과하지 않는 것이 바람직한데 n-GaN층(140)과 결정격자상수면에서 차이가 있는 층이 너무 두꺼우면 n-GaN층(140) 상에 성장하는 스트레인 버퍼층(130) 자체의 결정품질이 저하되고, 질화갈륨계 반도체 발광소자(100) 전체의 품질이 열화될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자(100)는 스트레인 버퍼층(130)을 포함하고 있으므로 활성층(120)에 InGaN 양자우물층(122)/양자장벽층(121)을 2 페어 이상 포함하여 초격자 구조로 구현하는 경우에도 결정품질이 우수한 InGaN 양자우물층을 2이상 성막할 수 있어서 고품질의 질화갈륨계 반도체 발광소자 제조가 가능하다.
p-GaN층(110) 상에는 p전극(150)이, n-GaN층(140) 상에는 n전극(160)이 형성된다. p전극(150) 및 n전극(160)은 각각 외부 전원과 연결되어 질화갈륨계 반도체 발광소자(100)에 전류를 인가할 수 있다. n형 전극 및 p형 전극은 도전성 물질, 예를 들어 금속으로 구성될 수 있다. 예를 들면, n형 전극으로는 Ti를, p형 전극으로는 Pd 또는 Au를 사용할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100 질화갈륨계 반도체 발광소자
110 p-GaN층
120 활성층
121 양자장벽층
122 InGaN 양자우물층
130 스트레인 버퍼층
140 n-GaN층
150 p전극
160 n전극
110 p-GaN층
120 활성층
121 양자장벽층
122 InGaN 양자우물층
130 스트레인 버퍼층
140 n-GaN층
150 p전극
160 n전극
Claims (7)
- p-GaN층;
상기 p-GaN층 상의, 양자장벽층 및 InGaN 양자우물층을 포함하는 활성층;
상기 InGaN 양자우물층 상의, 상기 활성층의 인듐함량보다 높은 함량으로 인듐을 포함하는 스트레인 버퍼층;
상기 스트레인 버퍼층 상의 n-GaN층; 및
상기 p-GaN층 및 상기 n-GaN층 상에 각각 형성된 p전극 및 n전극;을 포함하는 질화갈륨계 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 스트레인 버퍼층은 InGaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 InGaN 양자우물층의 인듐함량은 10% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자. - 청구항 3에 있어서,
상기 스트레인 버퍼층의 인듐함량은 7% 내지 20% 이하인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 스트레인 버퍼층의 두께는 상기 활성층의 두께의 4배 내지 5배인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 양자장벽층의 두께는 상기 InGaN 양자우물층 두께의 2배 내지 3배인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 활성층은 상기 양자장벽층 및 상기 InGaN 양자우물층 페어를 2이상 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100108747A KR20120047073A (ko) | 2010-11-03 | 2010-11-03 | 질화갈륨계 반도체 발광소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100108747A KR20120047073A (ko) | 2010-11-03 | 2010-11-03 | 질화갈륨계 반도체 발광소자 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120047073A true KR20120047073A (ko) | 2012-05-11 |
Family
ID=46265957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100108747A Ceased KR20120047073A (ko) | 2010-11-03 | 2010-11-03 | 질화갈륨계 반도체 발광소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120047073A (ko) |
-
2010
- 2010-11-03 KR KR1020100108747A patent/KR20120047073A/ko not_active Ceased
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20101103 |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
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Patent event date: 20120926 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20120207 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |