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KR20120071572A - 다중양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자 - Google Patents

다중양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자 Download PDF

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KR20120071572A
KR20120071572A KR1020100133171A KR20100133171A KR20120071572A KR 20120071572 A KR20120071572 A KR 20120071572A KR 1020100133171 A KR1020100133171 A KR 1020100133171A KR 20100133171 A KR20100133171 A KR 20100133171A KR 20120071572 A KR20120071572 A KR 20120071572A
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layer
barrier layer
barrier
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compound semiconductor
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유홍재
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서울옵토디바이스주식회사
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Abstract

다중양자우물 구조의 활성영역을 갖는 발광 소자가 개시된다. 이 발광 소자의 활성 영역은 n형 화합물 반도체층측으로부터 p형 화합물 반도체층측으로, 제1 장벽층, 제2 장벽층, 제3 장벽층, 우물층 및 제4 장벽층이 이 순서로 주기적으로 적층된 다중양자우물 구조를 갖고, p형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 마지막 제4 장벽층은 언도프층 및 부분적으로 도핑된 p형 도핑층을 포함하고 상기 언도프층이 우물층에 접한다. 이에 따라, 외부양자효율 드룹을 완화할 수 있다.

Description

다중양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE HAVING ACTIVE REGION OF MULTI-QUANTUM WELL STRUCTURE}
본 발명은 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 다중양자우물 구조의 활성 영역을 갖는 발광 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 활성영역 내 p형 불순물의 도핑 위치를 조절하여 외부양자효율 드룹(droop) 특성을 개선한 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, 높은 출력을 얻기 위해 양자우물층 내에서 전자와 정공의 발광 재결합율을 향상시킬 필요가 있다.
한편, 발광 소자에 인가되는 전류 밀도가 증가함에 따라 외부양자효율이 감소하는 드룹(droop) 현상이 잘 알려져 있다. 이러한 외부양자효율 드룹 현상을 방지하는 것은 상대적으로 높은 전류 예컨대 350mA에서 구동되는 조명용 발광 소자에 특히 중요하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전류밀도 증가에 따른 외부양자 효율 감소를 완화할 수 있는 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 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. 또한, 상기 활성 영역은, 상기 n형 화합물 반도체층측으로부터 상기 p형 화합물 반도체층측으로, 제1 장벽층, 제2 장벽층, 제3 장벽층, 우물층 및 제4 장벽층이 이 순서로 주기적으로 적층된 다중양자우물 구조를 갖는다. 여기서, 상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층, 제3 장벽층 및 제4 장벽층에 비해 좁은 에너지 밴드갭을 갖고, 상기 제3 장벽층은 언도프층이고, 상기 제4 장벽층들은 각각 우물층에 접하는 언도프트층을 포함한다. 나아가, 상기 p형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 마지막 제4 장벽층은 부분적으로 도핑된 p형 도핑층을 포함한다.
마지막 제4 장벽층에 부분적으로 p형 도핑층을 형성함으로써 활성 영역 내에서 전자와 정공의 재결합율을 높일 수 있으며, 따라서 전류 밀도 증가에 따른 드룹 현상을 완화할 수 있다.
상기 p형 도핑층은 Mg 또는 Zn이 도핑된 층일 수 있다. 상기 Mg의 도핑 농도는 상기 p형 화합물 반도체층 내의 Mg 도핑 농도보다 낮은 것이 바람직하다.
상기 마지막 제4 장벽층의 p형 도핑층의 두께는 제4 장벽층 두께의 2/3를 넘지 않는 것이 바람직하다. Mg과 같은 p형 불순물은 확산하여 우물층 내로 이동할 수 있으며, 이에 따라 우물층의 결정질을 떨어뜨리고, 우물층 내에서의 전자와 정공의 재결합을 방해할 수 있다. 더 바람직하게, 상기 마지막 제4 장벽층의 p형 도핑층의 두께는 제4 장벽층 두께의 1/3을 넘지 않을 수 있다.
복수개의 상기 제4 장벽층들이 각각 p형 도핑층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 p형 도핑층을 포함하는 제4 장벽층들은 상기 n형 화합물 반도체층측보다 p형 화합물 반도체층측에 더 가깝게 위치할 수 있다. 이와 달리, 상기 마지막 제4 장벽층 이외의 제4 장벽층들은 언도프층일 수 있다.
한편, 상기 n형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 실리콘 도핑층을 포함하고, 그 외의 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 언도프트층일 수 있다.
상기 n형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 제1 장벽층 및 제2 장벽층이 실리콘 도핑층을 포함하므로, n형 화합물 반도체층측에서 활성 영역으로 전자 캐리어의 유입을 원활하게 할 수 있다. 또한, 그 외의 제1 장벽층 및 제2 장벽층을 언도프층으로 함으로써 활성 영역 내의 제1 및 제2 장벽층의 결정질을 개선할 수 있다.
상기 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 InGaN으로 형성되고, 상기 제3 장벽층 및 제4 장벽층은 GaN으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 장벽층의 In 조성비가 제2 장벽층의 In 조성비에 비해 상대적으로 더 작을 수 있다. In 조성비가 제1 장벽층 및 제2 장벽층 순으로 증가함에 따라, 우물층에 인가되는 스트레인을 더욱 완화할 수 있다.
한편, 상기 제1 장벽층은 상기 p형 화합물 반도체층측을 향해 밴드갭이 감소하는 경사조성(grading)층일 수 있다. 나아가, 상기 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 In을 포함하는 질화갈륨계 반도체층일 수 있으며, 상기 제3 장벽층 및 제4 장벽층은 AlInGaN 또는 GaN일 수 있다. 4성분계의 질화물계 화합물 반도체층을 이용함으로써 우물층과 장벽층 사이의 격자 부정합을 완화할 수 있다.
또한, 상기 제1 장벽층은 상기 제2 장벽층에 비해 더 두꺼울 수 있으며, 따라서, 제2 장벽층에 유발되는 스트레인을 완화할 수 있다. 나아가, 상기 제1 장벽층은 우물층에 비해 상대적으로 더 두꺼울 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 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. 또한, 상기 활성 영역은 복수의 제1 장벽층과 복수의 우물층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 갖는다. 나아가, 상기 활성 영역은 상기 각 우물층에 접하여 상기 각 우물층을 협지하는 제3 장벽층 및 제4 장벽층을 포함한다. 상기 제3 장벽층은 상기 각 우물층에 대해 상기 n형 화합물 반도체층 측에 위치하고, 상기 제4 장벽층은 상기 각 우물층에 대해 상기 p형 화합물 반도체층 측에 위치한다. 또한, 상기 제4 장벽층들 중에서 적어도 상기 p형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 마지막 제4 장벽층은 언도프층 및 p형 도핑층을 포함하며, 상기 언도프층이 상기 우물층에 접한다.
또한, 상기 발광 소자는 상기 제1 장벽층과 상기 제3 장벽층 사이에 개재된 제2 장벽층을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 장벽층은 상기 제1, 제3 및 제4 장벽층에 비해 좁은 밴드갭을 갖는다. 한편, 상기 제3 장벽층은 언도프층인 것이 바람직하다.
몇몇 실시예들에 있어서, 복수개의 상기 제4 장벽층들이 각각 p형 도핑층을 포함하되, 상기 p형 도핑층을 포함하는 제4 장벽층들은 상기 n형 화합물 반도체층측보다 p형 화합물 반도체층측에 더 가깝게 위치할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 마지막 제4 장벽층 이외의 제4 장벽층들은 언도프층일 수 있다.
한편, 상기 n형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 실리콘 도핑층을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 n형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 제1 장벽층 및 제2 장벽층 이외의 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 언도프트층일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 활성 영역 중 p형 화합물 반도체층에 가장 가까운 마지막 제4 장벽층에 p형 불순물을 도핑함으로써, 활성 영역 내에서 전자와 정공의 재결합율을 높일 수 있으며, 따라서 전류 밀도 증가에 따른 외부양자효율 드룹을 완화할 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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 실험예들을 설명하기 위한 개략적인 밴드 다이어그램이다.
도 5는 비교예들을 설명하기 위한 개략적인 밴드 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험예들과 비교예들의 외부양자효율 드룹을 나타내는 그래프이다.
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 AlxGa1 - 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 다중양자우물 구조를 갖는다. 상기 장벽층(31)은 제1 장벽층(31a), 제2 장벽층(31b) 및 제3 장벽층(31c)을 포함할 수 있다. 한편, 상기 우물층(33)은 단일의 밴드갭을 갖는 단일층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 밴드갭이 불연속적인 층들을 포함할 수도 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), 우물층(33) 및 제4 장벽층(35)이 이 순서로 주기적으로 적층된 다중 양자우물 구조를 가질 수 있다. 상기 우물층(33)은 제3 장벽층(31c)과 제4 장벽층(35)에 의해 협지될 수 있으며, 제3 장벽층(31c) 및 제4 장벽층(35)은 각각 우물층(33)에 접할 수 있다.
상기 제1 장벽층(31a)은 AlxInyGa1 -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)과 동일하거나 그보다 좁은 밴드갭을 가질 수 있으며, 우물층(33)보다 넓은 밴드갭을 갖는다. 제1 장벽층(31a)이 4성분계 또는 InGaN로 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), 우물층(33) 및 상기 제4 장벽층(35)의 성장 온도보다는 높다. 또한, 상기 제1 장벽층(31a) 내에서의 p형 화합물 반도체층(43)측으로 밴드갭이 감소하는 경사조성은 동일성장 온도에서 In의 유량을 예컨대, 22cc에서 70cc까지 점차적으로 증가(grading)시킴으로써 조절될 수 있다.
상기 제1 장벽층들(31a) 중 n형 화합물 반도체층(27)측에 가장 가까운 제1 장벽층(31a)은 실리콘 도핑층을 포함하고, 그 외의 제1 장벽층들(31a)은 언도프층인 것이 바람직하다. n형 화합물 반도체층(27) 측에 가장 가까운 제1 장벽층(31a)에 실리콘을 도핑함으로써 전자가 활성 영역(30) 내로 유입되는 것을 원활하게 할 수 있으며, 그외의 제1 장벽층(31a)을 언도프층으로 함으로써 전자와 정공의 비발광 재결합을 방지할 수 있다.
상기 제1 장벽층(31a)의 두께(t1)는 다른 장벽층들(31b, 31c, 35)에 비해 상대적으로 두꺼우며, 나아가 우물층(33)에 비해 상대적으로 두껍다.
한편, 상기 제2 장벽층(31b)은 제1 장벽층(31a) 상에 AlxInyGa1 -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)의 두께(t2)는 상기 제1 장벽층(31a)보다 얇은 것이 바람직하며, 제3 장벽층(31c)과 대체로 유사한 두께, 예컨대 1~1.5nm 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 상기 제2 장벽층(31b)은 경사조성층일 수 있으나 층 전체에 걸쳐서 대체로 균일한 조성을 갖는 것이 바람직하다. 제2 장벽층(31b)의 성장온도는 상기 제1 장벽층(31a)과 같은 성장온도일 수 있으며, 그 조성은 In 유량으로 조절할 수 있다.
상기 제2 장벽층들(31b) 중 n형 화합물 반도체층(27)측에 가장 가까운 제2 장벽층(31b)은 실리콘 도핑층을 포함하고, 그 외의 제2 장벽층들(31b)은 언도프층인 것이 바람직하다. n형 화합물 반도체층(27)측에 가장 가까운 제2 장벽층(31b)에 실리콘을 도핑함으로써 전자가 활성 영역(30) 내로 유입되는 것을 원활하게 할 수 있으며, 그외의 제2 장벽층(31b)을 언도프층으로 함으로써 전자와 정공의 비발광 재결합을 방지할 수 있다.
제3 장벽층(31c)은 제2 장벽층(31b) 상에 AlxInyGa1 -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 두께(t3)를 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℃~60℃ 정도로 낮게 램핑(ramping)한 후 상대적으로 낮은 온도에서 성장한다.
제3 장벽층(31c)은 언도프층인 것이 바람직하다. 제3 장벽층(31c)을 언도프층으로 함으로써 우물층(33)의 결정질을 향상시킬 수 있어 우물층 내에서의 발광 재결합율을 증가시킬 수 있다.
우물층(33)은 단일층 또는 다중층일 수 있으며, 제3 장벽층(31c)과 제4 장벽층(35) 사이에 위치하여 이들 층에 접할 수 있다. 우물층(33)은 InxGa1 -xN(0<x<1)으로 형성될 수 있으며, 언도프층인 것이 바람직하다. 상기 우물층(33)의 두께(t4)는 대략 2~2.5nm 범위 내일 수 있다.
상기 우물층(33)이 다중층, 예컨대 제1 우물층과 제2 우물층을 포함할 경우, 이들 제1 및 제2 우물층은 서로 다른 밴드갭을 갖고, 서로 단속적인 구조를 가질 수 있다. 자세히 설명하면, 종래의 일반적인 양자우물층은 단속적이지 않고, 단일층의 단일조성(15~16% In함량 포함)으로 이루어지는데 반해, 제1 우물층과 제2 우물층의 In 함유량을 ~12%, ~19%의 평균 In 함량을 갖도록 조절할 수 있다. 나아가, 제1 우물층과 제2 우물층은 각각 경사조성층일 수 있다.
한편, 상기 제4 장벽층(35)은 우물층(33)에 접하며, 우물층(33)보다 넓은 에너지 밴드갭을 갖는다. 상기 제4 장벽층(35)은 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1) 또는 GaN로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제4 장벽층(35)의 두께(t5)는 우물층의 두께(t4)에 비해 상대적으로 얇은 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 제4 장벽층(35)의 두께(t5)는 0.5~2nm 범위 내일 수 있다. 한편, 상기 제4 장벽층(35)은 우물층(33)이 형성되는 온도와 같은 온도에서 성장할 수 있다. 상기 제4 장벽층(35) 상에 다시 제1 장벽층 내지 제3 장벽층(31a~31c), 우물층(33), 및 제4 장벽층(35)이 반복하여 성장된다.
상기 제4 장벽층(35)은 각각 우물층(33)에 접하는 언도프층을 포함한다. 우물층(33)에 접하는 부분을 언도프층으로 함으로써 우물층(33) 내에서 발광 재결합율을 증가시켜 광 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제4 장벽층들 중 적어도 상기 p형 화합물 반도체층(43)에 가장 가까운 마지막 제4 장벽층은 부분적으로 도핑된 p형 도핑층을 포함한다. 즉, 상기 마지막 제4 장벽층은 우물층(33)에 접하는 언도프층 및 부분적으로 도핑된 p형 도핑층을 포함한다. 상기 p형 도핑층은 예컨대 Mg 또는 Zn 등의 p형 불순물이 도핑될 수 있다. 나아가, 복수개의 제4 장벽층(35)이 부분적으로 도핑된 p형 도핑층을 포함할 수 있다. 바람직하게, p형 도핑층을 포함하는 제4 장벽층들(35)은 n형 화합물 반도체층(27)에 비해 p형 화합물 반도체층(43) 측에 가깝게 배치될 수 있다. 즉, 상기 p형 도핑층을 포함하는 제4 장벽층들은 활성 영역(30) 내의 중간지점으로버터 p형 화합물 반도체층(43) 측에 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제4 장벽층(35) 내에 도핑되는 p형 불순물, 예컨대 Mg의 도핑 농도는 p형 화합물 반도체층(43)에 도핑되는 도핑농도보다, 예컨대 1차수(order) 낮을 수 있으며, 예를 들어 1017~1019/㎤ 범위 내일 수 있다.
상기 제4 장벽층(35) 내의 p형 도핑층의 두께는 제4 장벽층(35) 두께의 2/3를 넘지 않는 것이 바람직하며, 1/3을 넘지 않는 것이 더 바람직하다. 제4 장벽층(35) 내의 p형 도핑층의 두께가 2/3를 초과할 경우, p형 불순물이 우물층 내로 확산하여 우물층의 결정질을 떨어뜨리고 전자와 정공의 비발광 재결합율을 증가시킬 수 있다.
한편, 완충층(37)은 활성 영역(30)과 p형 화합물 반도체층(43) 사이에서 격자 부정합을 완화시킨다. 상기 완충층(37)은 제1 장벽층(31a)과 동일한 조성의 질화갈륨계 화합물 반도체층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 완충층(37)은 제4 장벽층(35)보다 격자상수가 클 수 있다. 상기 완충층(37)은 상기 제1 장벽층(31a)과 제2 장벽층(31b)의 두께 합과 같거나 20% 더 두꺼울 수 있으며, 그 성장온도는 상기 제1 장벽층(31a)과 제2 장벽층(31b)의 성장 온도와 같은 온도로 할 수 있다.
(실험예)
도 4 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 실험예들(실시예 1 내지 3)을 설명하기 위한 개략적인 밴드다이어그램이고, 도 5 (a) 및 (b)는 비교예들(비교예 1 및 2)을 설명하기 위한 개략적인 밴드다이어그램이다. 도 4 및 도 5에서 실리콘이 도핑된 부분들 및 Mg이 도핑된 부분은 사선으로 표시하였다. Mg이 도핑된 부분들을 제외하면 동일한 조건에서 우물층 및 장벽층이 성장되었으며, 우물층들(33)은 다섯개로 하였다.
도 4(a)~(c)의 실시예 1 내지 3과 도 5 (a) 및 (b)의 비교예 1 및 2는 공통적으로 n형 화합물 반도체층(27)측에 가장 가까운 제1 및 제2 장벽층(31a, 31b)에 실리콘을 도핑하고 그 외의 제1 및 제2 장벽층은 언도프층으로 하였다. 또한, 제3 장벽층(31c)은 언도프층으로 하였다.
한편, 실시예 1은 제4 장벽층들(35) 중 n형 화합물 반도체층(27) 측에 가까운 두개의 제4 장벽층들(35)은 언도프층으로 하고, p형 화합물 반도체층(43) 측에 가까운 3개의 제4 장벽층들(35)은 전체 두께의 약 1/3(약 5Å)에 부분적으로 Mg을 도핑하고 전체 두께의 약 2/3(약 10Å)는 언도프층으로 하였으며, 언도프층들이 우물층(33)에 접하도록 하였다(도 4(a)). 실시예 2는 p형 화합물 반도체층(43)측에 가장 가까운 마지막 제4 장벽층(35) 전체 두께의 약 1/3(약 5Å)에 부분적으로 실시예1의 Mg 도핑농도와 동일한 농도로 Mg을 도핑하였으며, 나머지 제4 장벽층들(35)은 언도프층으로 하였다(도 4(b)). 실시예2에서 상기 마지막 제4 장벽층(35) 중 언도프층이 우물층(33)에 접한다. 한편, 실시예 3은 실시예 2와 동일하게 마지막 제4 장벽층(35)에 그 전체 두께의 약 1/3(약 5Å)에 부분적으로 Mg을 도핑하였으며, 다만, Mg 도핑 가스 유량을 실시예2의 2배로 하였다(도 4(c)).
한편, 비교예 1은 n형 화합물 반도체층(27)측에 가장 가까운 제1 및 제2 장벽층(31a, 31b)에 실리콘을 도핑한 것을 제외하고는 나머지 장벽층을 언도프층으로 하였다(도 5(a)). 비교예 2는 마지막 제4 장벽층(35)에 그 전체 두께의 약 1/3 두께에 Mg를 도핑하여 도핑층을 형성하였으며, Mg 도핑층이 우물층에 접하도록 하였다(도 5(b))
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에 따라 제작된 발광 다이오드 칩들은 600㎛×600㎛의 칩 크기를 가지며, 이들 샘플의 외부양자효율 드룹(droop)을 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실시예 1(E1), 실시예 2(E2) 및 실시예 3(E3)의 외부양자효율 드룹이 비교예 1(C1) 및 비교예 2(C2)의 외부양자효율 드룹보다 상대적으로 완화된 것을 확인할 수 있다. 특히, 우물층(33)에 접하여 Mg을 도핑한 비교에 2(C2)는 p형 도핑층을 전혀 형성하지 않은 비교예 1(C1)과 유사하거나 더 좋지 않은 외부양자효율 드룹 현상을 나타내었다. 이것은 우물층(33)에 접하여 Mg을 도핑한 경우, Mg이 우물층(33)으로 확산하여 우물층(33)의 결정품질을 떨어뜨리고 전자와 정공의 비발광 재결합을 증가시키기 때문에 발생하는 것으로 판단된다.
한편, 실시예 1 내지 3은 외부 양자효율 드룹에서 큰 차이를 보이지 않는 것으로 판단되나, 마지막 제4 장벽층에만 Mg을 도핑한 실시예 2(E2) 및 실시예 3(E3)이 내부의 제4 장벽층(35)에도 추가로 Mg을 도핑한 실시예 1(E1)에 비해 약간 우수한 특성을 보였다.
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, 35: 제4 장벽층,
37:완충층, 41: p형 클래드층,
43: p형 GaN계 화합물 반도체층
t1,t2,t3: 제1 내지 제3 장벽층의 두께
t4: 우물층의 두께
t5: 제4 장벽층의 두께

Claims (18)

  1. 질화갈륨 계열의 n형 화합물 반도체층;
    질화갈륨 계열의 p형 화합물 반도체층; 및
    상기 n형 및 p형 화합물 반도체층들 사이에 개재된 활성 영역을 포함하고,
    상기 활성 영역은, 상기 n형 화합물 반도체층측으로부터 상기 p형 화합물 반도체층측으로, 제1 장벽층, 제2 장벽층, 제3 장벽층, 우물층 및 제4 장벽층이 이 순서로 주기적으로 적층된 다중양자우물 구조를 갖고,
    상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층, 제3 장벽층 및 제4 장벽층에 비해 좁은 에너지 밴드갭을 갖고,
    상기 제3 장벽층은 언도프층이고,
    상기 제4 장벽층들은 각각 우물층에 접하는 언도프트층을 포함하되,
    상기 p형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 마지막 제4 장벽층은 부분적으로 도핑된 p형 도핑층을 포함하는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 p형 도핑층은 Mg이 도핑된 층인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 마지막 제4 장벽층의 p형 도핑층의 두께는 제4 장벽층 두께의 2/3를 넘지 않는 발광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 마지막 제4 장벽층의 p형 도핑층의 두께는 제4 장벽층 두께의 1/3을 넘지 않는 발광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    복수개의 상기 제4 장벽층들이 각각 p형 도핑층을 포함하되, 상기 p형 도핑층을 포함하는 제4 장벽층들은 상기 n형 화합물 반도체층측보다 p형 화합물 반도체층측에 더 가깝게 위치하는 발광 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 마지막 제4 장벽층 이외의 제4 장벽층들은 언도프층인 발광 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 실리콘 도핑층을 포함하고, 그 외의 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 언도프트층인 발광 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 In을 포함하는 질화갈륨계 반도체층이고, 상기 제3 장벽층 및 제4 장벽층은 AlInGaN 또는 GaN인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 마지막 제4 장벽층 내의 p형 불순물의 도핑 농도는 상기 p형 화합물 반도체층 내의 p형 불순물 도핑 농도보다 낮은 발광 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 내지 제4 장벽층은 상기 우물층에 비해 상대적으로 얇고, 상기 제1 장벽층은 상기 우물층에 비해 상대적으로 두꺼운 발광 소자.
  11. 질화갈륨 계열의 n형 화합물 반도체층;
    질화갈륨 계열의 p형 화합물 반도체층; 및
    상기 n형 및 p형 화합물 반도체층들 사이에 개재된 활성 영역을 포함하고,
    상기 활성 영역은 복수의 제1 장벽층과 복수의 우물층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 갖고,
    상기 활성 영역은 상기 각 우물층에 접하여 상기 각 우물층을 협지하는 제3 장벽층 및 제4 장벽층을 포함하되, 상기 제3 장벽층은 상기 각 우물층에 대해 상기 n형 화합물 반도체층 측에 위치하고, 상기 제4 장벽층은 상기 각 우물층에 대해 상기 p형 화합물 반도체층 측에 위치하고,
    상기 제4 장벽층들 중에서 적어도 상기 p형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 마지막 제4 장벽층은 언도프층 및 p형 도핑층을 포함하되, 상기 언도프층이 상기 우물층에 접하는 발광 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 p형 도핑층은 Mg이 도핑된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 장벽층과 상기 제3 장벽층 사이에 개재된 제2 장벽층을 더 포함하되,
    상기 제2 장벽층은 상기 제1, 제3 및 제4 장벽층에 비해 좁은 밴드갭을 갖는 발광 소자.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3 장벽층은 언도프층인 발광 소자.
  15. 청구항 11에 있어서,
    복수개의 상기 제4 장벽층들이 각각 p형 도핑층을 포함하되, 상기 p형 도핑층을 포함하는 제4 장벽층들은 상기 n형 화합물 반도체층측보다 p형 화합물 반도체층측에 더 가깝게 위치하는 발광 소자.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 마지막 제4 장벽층 이외의 제4 장벽층들은 언도프층인 발광 소자.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 n형 화합물 반도체층측에 가장 가까운 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 실리콘 도핑층을 포함하고, 그 외의 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 언도프트층인 발광 소자.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 장벽층 In을 포함하는 질화갈륨계 반도체층이고, 상기 제3 장벽층 및 제4 장벽층은 AlInGaN 또는 GaN인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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