KR20130058406A

KR20130058406A - 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR20130058406A
Application number: KR1020110124397A
Authority: KR
Inventors: 한상헌; 현재성; 임진영; 이정욱; 김영선
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-06-04
Also published as: US20130134475A1

Abstract

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는 n형 반도체층과, p형 불순물의 도핑 농도가 서로 다른 제1 및 제2 도핑 영역이 1회 이상 교대로 반복된 구조를 구비하는 p형 반도체층 및 상기 n형 및 p형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하며, 상기 p형 반도체층에서 상기 제1 및 제2 도핑 영역의 계면 중 적어도 하나에는 n형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 의할 경우, 홀의 측 방향 분산 효과를 얻음으로써 전류 집중 문제가 최소화될 수 있는 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.

Description

반도체 발광소자 {Semiconductor light emitting device}

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.

반도체 발광소자의 일 종인 발광 다이오드(LED)는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 3족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.

이러한 발광 다이오드의 경우, 서로 다른 극성의 전극에 전기 신호를 인가하여 동작되는데 전극이 형성된 영역이나 낮은 저항을 갖는 영역에 전류가 집중하여 흐르는 경향이 있다. 이에 따라, 전류 흐름이 협소해지게 되며, 이러한 협소한 전류 흐름으로 인하여 발광소자의 동작 전압(Vf)이 증가되며, 나아가, 정전기 방전(Electrostatic discharge)에 취약해지는 문제가 생길 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 당 기술 분야에서는 발광소자 내부에서 전류 확산 기능을 향상하기 위한 많은 방안이 제안되고 있다.

전류 확산 기능을 향상하기 위한 방안으로는 반도체층 내부에 전류차단층(Current Blocking Layer)을 도입함으로써 전류의 측 방향 흐름을 유도하는 방법이 있으나, 이종의 물질, 예컨대, SiO₂ 등의 유전 물질을 질화물 반도체 내부에 삽입하기 위하여 추가 공정이 요구되며, 결정성 면에서도 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 또한, 전류차단층을 이용하더라도 홀의 측 방향 흐름을 유도하기에는 충분하지 않다.

본 발명의 목적 중 하나는 홀의 측 방향 분산 효과를 얻음으로써 전류 집중에 의한 문제가 최소화될 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는 것에 있다. 다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결 수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 형태는,

n형 반도체층과, p형 불순물의 도핑 농도가 서로 다른 제1 및 제2 도핑 영역이 1회 이상 교대로 반복된 구조를 구비하는 p형 반도체층 및 상기 n형 및 p형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하며, 상기 p형 반도체층에서 상기 제1 및 제2 도핑 영역의 계면 중 적어도 하나에는 n형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 도핑 영역은 상기 제2 도핑 영역보다 p형 불순물의 도핑 농도가 더 높을 수 있다.

이 경우, 상기 제1 도핑 영역은 상기 제2 도핑 영역보다 밴드갭 에너지가 더 클 수 있다.

이 경우, 상기 제1 도핑 영역은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루어진 영역을 포함하며, 상기 제2 도핑 영역은 Al_aIn_bGa₁ _-a- _bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어진 영역을 포함할 수 있다.

또한, 상기 p형 반도체층은 상기 제1 및 제2 도핑 영역이 2회 이상 교대로 반복되어 초격자 구조를 구비할 수 있다.

이 경우, 상기 p형 반도체층은 상기 제1 도핑 영역보다 밴드갭 에너지가 더 작은 클래드층을 구비하며, 상기 초격자 구조는 상기 활성층 및 상기 클래드층 사이에 배치될 수 있다.

이 경우, 상기 제1 도핑 영역은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루어진 영역을 포함하며, 상기 클래드층은 Al_aIn_bGa₁ _-a- _bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어진 영역을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 도핑 영역은 밴드갭 에너지가 서로 동일할 수도 있다.

이 경우, 상기 p형 반도체층은 상기 활성층과 인접한 영역에 배치되며, 상기 제1 및 제2 도핑 영역의 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 전자차단층을 구비할 수 있다.

이 경우, 상기 전자차단층은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루어진 영역을 포함하며, 상기 제1 및 제2 도핑 영역은 Al_aIn_bGa₁ _-a- _bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어진 영역을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 도핑 영역은 p형 불순물을 포함하되, 고의로 도핑되지 아니할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 n형 불순물이 도핑된 상기 제1 및 제2 도핑 영역의 계면에는 p형 불순물이 함께 도핑될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 n형 불순물은 Si 및 C 중 적어도 하나이며, 상기 p형 불순물은 Mg 및 Zn 중 적어도 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 의할 경우, 홀의 측 방향 분산 효과를 얻음으로써 전류 집중에 의한 문제가 최소화될 수 있는 반도체 발광소자를 얻을 수 있다. 다만, 본 발명으로부터 얻을 수 있는 효과는 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결 수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 반도체 발광소자에서 채용 가능한 전자차단층을 확대하여 나타낸 것이다.
도 3은 도 2의 전자차단층 주변의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4의 반도체 발광소자에서 채용 가능한 클래드층을 확대하여 나타낸 것이다.
도 6은 도 5의 클래드층 주변의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자에서 구동 전압(Vf)과 발광 파워(Po)를 비교 예와 함께 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서 개별적인 실시 형태는 서로 합쳐진 형태로 제공될 수 있음은 평균적인 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2는 도 1의 반도체 발광소자에서 채용 가능한 전자차단층을 확대하여 나타낸 것이며, 도 3은 이러한 전자차단층 주변의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(101), n형 반도체층(102), 활성층(103), p형 반도체층(104) 및 오믹전극층(105)을 포함하며, n형 반도체층(102) 및 오믹전극층(105)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극(106a, 106b)이 형성될 수 있다. 이 경우, p형 반도체층(104)은 전자차단층(Electron Blocking Layer, 104a) 및 클래드층(104b)을 포함하는 구조일 수 있다. 다만, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다. 또한, 하기에서 설명하는 조성식에 사용되는 x, y, z, a, b 등의 밑 첨자의 경우, 서로 다른 물질에 사용된 것이라면 관련이 있다고 언급되지 아니하는 한 동일한 밑 첨자로 표기되었다고 해도 서로 관련이 없는 것이다.

기판(101)은 반도체 성장용 기판으로 제공되며, 사파이어, Si, SiC, MgAl₂O₄, MgO, LiAlO₂, LiGaO₂, GaN 등과 같이 절연성, 도전성, 반도체 물질을 이용할 수 있다. 이 경우, 가장 바람직하게 사용될 수 있는 것은 전기 절연성을 갖는 사파이어로서, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 다만, 상기 C면에 질화물 박막을 성장할 경우, 질화물 박막에는 압전 효과로 인하여 내부에 강한 전계가 형성될 수 있다. 한편, 기판(101)으로 사용하기에 적합한 물질로는 Si 기판을 들 수 있으며, 대구경화에 보다 적합하고 상대적으로 가격이 낮은 Si 기판을 사용하여 양산성이 향상될 수 있다. Si 기판을 이용하는 경우, 기판(101) 상에 Al_xGa₁ _- _xN (0 ≤ x ≤ 1)과 같은 물질로 이루어진 핵생성층을 형성한 후 그 위에 원하는 구조의 질화물 반도체를 성장할 수 있을 것이다.

n형 및 p형 반도체층(102, 104)은 질화물 반도체, 예컨대, Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 각각의 층은 단일층으로 이루어질 수도 있지만, 도핑 농도, 조성 등의 특성이 서로 다른 복수의 층을 구비할 수도 있다. 다만, n형 및 p형 반도체층(102, 104)은 질화물 반도체 외에도 AlInGaP나 AlInGaAs 계열의 반도체를 이용할 수도 있을 것이다. n형 및 p형 반도체층(102, 104) 사이에 배치된 활성층(103)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 도 3에서 볼 수 있듯이, 양자우물층(103a)과 양자장벽층(103b)이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, 질화물 반도체일 경우, 양자우물층(103a)은 InGaN (In, Ga 함량은 변화될 수 있음)으로 이루어지고 양자장벽층(103b)은 GaN, InGaN (In, Ga 함량은 변화될 수 있으며, 양자우물층보다 In 함량이 낮을 수 있음), AlInGaN (Al, In, Ga 함량은 변화될 수 있음) 등으로 이루어진 영역을 구비할 수 있다.

한편, 발광구조물을 구성하는 n형 및 p형 반도체층(102, 104)과 활성층(103)은 유기 금속 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy, 'HVPE'), 분자선 에피탁시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 등과 같이 당 기술 분야에서 공지된 공정을 이용하여 성장될 수 있다. 또한, 따로 도시하지는 않았지만, n형 반도체층(102)에 작용하는 응력을 완화하여 결정성을 향상시킬 수 있는 n형 반도체층(102) 형성 전에 버퍼층을 기판(101) 상에 미리 형성하여 둘 수도 있을 것이다.

본 실시 형태의 경우, p형 반도체층(104)은 전자차단층(104a) 및 클래드층(104b)을 포함하며, 도 2에 도시된 바와 같이 전자차단층(104a)은 활성층(103) 내에서의 재결합 효율이 증가되도록 활성층(103)으로부터 주입되는 전자를 차단하는 기능을 하며, 이를 위하여, 클래드층(104b)을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 큰 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 전자차단층(104a)은 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)을 구비하되, 제1 도핑 영역(D1)은 Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루어진 영역을 포함하며, 제2 도핑 영역(D2)은 Al_aIn_bGa₁ _-a- _bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어져 제1 도핑 영역(D1)의 에너지 밴드갭이 제2 도핑 영역(D2)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 도핑 영역(D1)은 AlGaN으로 이루어지고, 제2 도핑 영역(D2)은 GaN으로 이루어질 수 있다.

이와 같이, 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)은 1회 이상 교대로 반복된 구조를 가질 수 있으며, 특히, 2회 이상 반복되어 초격자 구조를 형성할 수 있다. 이러한 초격자 구조에 의하여 전자차단층(104a)의 전자 차단 기능을 효율적으로 확보함과 더불어 결정성의 저하를 저감할 수 있다. 특히, 본 실시 형태의 경우, 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)은 p형 불순물의 도핑 농도가 서로 다르도록 제공될 수 있으며, 밴드갭 에너지가 작은 제2 도핑 영역(D2)에서의 p형 불순물의 도핑 농도가 상대적으로 낮다. 즉, 제1 도핑 영역(D1)에서의 p형 불순물의 도핑 농도가 제2 도핑 영역(D2)에서의 p형 불순물의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 이 경우, 상대적으로 도핑 농도가 낮은 제2 도핑 영역(D2)은 성장 시에 p형 불순물의 소스 가스 농도를 낮추어 낮은 농도로 도핑하거나 고의적으로 도핑하지 아니한 언도프 영역으로 형성할 수 있다.

본 실시 형태와 같이, 전자차단층(104a) 내에 도핑 농도가 서로 다른 영역(D1, D2)을 반복하여 형성함으로써, 특히, 정공이 효과적으로 분산될 수 있으며, 이는, 도핑 농도가 낮은 제2 도핑 영역(D2)에서 두드러질 수 있다. 또한, 밴드갭 에너지가 상대적으로 낮아 캐리어가 구속되기에 적합한 제2 도핑 영역(D2)에서는 정공의 분산 효과가 더욱 증대될 수 있으므로, 이러한 구조에 의하여 소자의 동작 시 전류의 집중이 최소화될 수 있다. 다만, 반드시 밴드갭 에너지가 낮은 영역의 도핑 농도를 낮게 해야하는 것은 아니며, 밴드갭 에너지가 상대적으로 낮은 제2 도핑 영역(D2)의 p형 불순물의 도핑 농도를 제1 도핑 영역(D1)보다 높게 할 수도 있을 것이다. 또한, 본 실시 형태에서는 도핑 농도가 서로 다른 영역(D1, D2)을 2개 형성하였지만, 실시 형태에 따라 전자차단층(104a)에는 3개 이상의 도핑 농도가 서로 다른 영역, 예컨대, AlGaN/GaN/InGaN 구조 등이 구비될 수도 있을 것이다.

한편, 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)을 형성하여 정공의 분산에 도움이 될 수 있으나, 성장 과정에서 p형 불순물, 예컨대, Mg, Zn 등이 확산되어 원하는 수준의 도핑 프로파일을 얻는 데에는 어려움이 있다. 즉, 전자차단층(104a)의 성장이나 그 후속 과정에서 높은 도핑 농도의 제1 도핑 영역(D1)으로부터 낮은 도핑 농도의 제2 도핑 영역(D2)으로 p형 불순물이 확산되어 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)의 도핑 농도 차이가 의도한 것보다 낮아지게 되는 것이다. 본 실시 형태에서는 이러한 p형 불순물의 확산을 방지하기 위하여 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)의 계면 중 적어도 하나, 바람직하게는 상기 계면 전체에는 n형 불순물, 예컨대, Si, C 등이 도핑된 영역(C), 즉, 확산 방지 영역이 형성되도록 하였다. 이 경우, 확산 방지 영역(C)에는 n형 불순물 외에 p형 불순물이 함께 도핑될 수도 있다.

이러한 확산 방지 영역(C)을 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)의 계면에 형성함으로써 계면을 가로지르는 p형 불순물의 확산을 줄일 수 있으며, 이는 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)에 도핑 프로파일을 의도한 것에 가깝게 형성할 수 있도록 한다. 따라서, 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)의 p형 불순물의 도핑 농도 차이를 크게 할 수 있으므로, 정공의 분산 효과의 향상을 가져올 수 있다. 이 경우, n형 불순물의 도핑에 의한 확산 방지 영역(C)의 두께는 확산 방지 효과나 기타 다른 전기적 특성(예컨대, 구동 전압)을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 약 1 ~ 100Å의 범위를 가질 수 있다. 또한, 이와 유사한 관점에서, 확산 방지 영역(C)에서의 n형 불순물의 농도는 1.0×10¹⁶ ~ 1.0×10²¹/㎤의 범위를 가질 수 있다.

전자차단층(104a) 상부에 형성되는 클래드층(104b)은 특정한 물질로 제한되는 것은 아니지만, 상술한 바와 같이, 전자차단층(104a)을 이루는 물질, 특히, 밴드갭 에너지가 높은 제1 도핑 영역(D1)을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 도핑 영역(D1)이 상술한 바와 같이, Al_xIn_yGa₁ _-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루진 영역을 포함할 경우, 클래드층(104b)은 Al_aIn_bGa_1-a-bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어진 영역, 예컨대, p-GaN으로 이루어진 영역을 포함할 수 있다. 클래드층(104b)은 오믹전극층(105)과 접촉하는 영역을 상대적으로 고 농도로 도핑하여 컨택 영역을 형성할 수 있다. 또한, 클래드층(104b)은 전자차단층(104a)과 유사한 구조로서 도핑 농도가 서로 다른 영역이 교대로 배치된 구조를 가질 수도 있으며, 이와 관련된 설명은 도 4의 실시 형태에서 후술한다.

한편, 다시 도 1을 참조하여 나머지 구성 요소를 설명하면, 오믹전극층(105)은 p형 반도체층(104)과 전기적으로 오믹 특성을 보이는 물질로 이루어질 수 있으며, 투명 전극용 물질 중 광 투과율이 높으면서도 오믹컨택 성능이 상대적으로 우수한 ITO, CIO, ZnO 등과 같은 투명 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 이와 달리 오믹전극층(105)은 광 반사성 물질, 예를 들어, 고반사성 금속으로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 소자(100)는 제1 및 제2 전극(106a, 106b) 패키지의 리드 프레임 등을 향하여 실장되는 소위, 플립칩 구조로 이용될 수 있다. 다만, 오믹전극층(105)은 본 실시 형태에서 반드시 필요한 요소는 아니며, 경우에 따라서는 제외될 수도 있을 것이다.

제1 및 제2 전극(106a, 106b)은 당 기술 분야에서 공지된 전기전도성 물질, 예컨대, Ag, Al, Ni, Cr 등의 물질 중 하나 이상을 증착하거나 스퍼터링하는 등의 공정으로 형성될 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 구조의 경우, n형 반도체층(102) 및 오믹전극층(105)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극(106a, 106b)이 형성되어 있으나 이러한 전극(106a, 106b) 형성 방식은 일 예일 뿐이며, 도 8의 실시 형태와 같이, n형 반도체층(102), 활성층(103) 및 p형 반도체층(104)을 구비하는 발광구조물의 다양한 위치에 전극이 형성될 수 있을 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 5는 도 4의 반도체 발광소자에서 채용 가능한 클래드층을 확대하여 나타낸 것이며, 도 6은 이러한 클래드층 주변의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(200)는 기판(201), n형 반도체층(202), 활성층(203), p형 반도체층(204) 및 오믹전극층(205)을 포함하며, n형 반도체층(202) 및 오믹전극층(205)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극(206a, 206b)이 형성될 수 있다. 이 경우, p형 반도체층(204)은 전자차단층(204a) 및 클래드층(204b)을 포함하는 구조일 수 있다.

앞선 실시 형태와의 차이로서, 클래드층(204b)은 서로 도핑 농도가 상이한 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)을 포함하며, 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)의 계면 중 적어도 하나에는 n형 불순물의 도핑(또는 n형 및 p형 불순물의 도핑)에 의한 확산 방지 영역(C)이 형성될 수 있다. 이 경우, 클래드층(204b)은 앞선 실시 형태에서의 전자차단층(104a)과 유사하게 에너지 밴드갭에 서로 다른 영역을 포함할 수 있지만, 도 6에 도시된 것과 같이, 일정한 밴드갭을 갖도록 제공될 수 있다. 즉, 제1 및 제 도핑 영역(D1, D2)은 예컨대, p-GaN으로 이루어져 서로 에너지 밴드갭이 동일할 수 있다. 본 실시 형태의 경우, 전자차단층(204a)은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루어진 영역을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)은 Al_aIn_bGa₁ _-a- _bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어진 영역을 포함하며, 전자차단층(204a)보다 에너지 밴드갭이 낮은 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 전자차단층(204a)의 형태를 특별히 제한되지 아니하며, 도 1의 실시 형태와 동일한 구조를 갖거나 당 기술 분야에서 알려진 다른 구조, 예컨대, 벌크 구조, 초격자 구조 등을 가질 수 있다.

본 실시 형태와 같이, 클래드층(204b)은 도핑 농도가 서로 다른 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)을 구비할 수 있으며, 이러한 변조 도핑에 의하여 정공의 분산 효과를 거둘 수 있다. 특히, 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)의 계면에 확산 방지 영역(C)을 형성함으로써 클래드층(204b)에 의도한 도핑 프로파일을 얻기가 용이해질 수 있으므로, 제1 및 제2 도핑 영역(D1, D2)에 도핑 농도 차이를 크게 하여 정공의 분산을 더욱 크게 할 수 있을 것이다. 이 경우, 앞선 실시 형태와 마찬가지로, n형 불순물의 도핑에 의한 확산 방지 영역(C)의 두께는 확산 방지 효과나 기타 다른 전기적 특성(예컨대, 구동 전압)을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 약 1 ~ 100Å의 범위를 가질 수 있다. 또한, 이와 유사한 관점에서, 확산 방지 영역(C)에서의 n형 불순물의 농도는 1.0×10¹⁶ ~ 1.0×10²¹/㎤의 범위를 가질 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자에서 구동 전압(Vf)과 발광 파워(Po)를 비교 예와 함께 나타낸 그래프이다. 본 발명의 실시 예의 경우, 도 1의 실시 형태로서 확산 방지 영역(C)에 Si과 Mg를 도핑한 것이며, 비교 예는 도 1의 구조에서 확산 방지 영역(C)이 제외되는 한편, 전자차단층 전체에서 도핑 농도를 일정하게 유지한 구조이다. 도 7의 그래프에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 실시 예와 같이 전자차단층에 변조 도핑 구조 및 확산 방지 영역을 채용할 경우, 상대적으로 구동 전압은 낮아지고, 발광 파워는 증가될 수 있으며, 이러한 효과는 정공의 분산 효과가 향상된 결과로 해석할 수 있을 것이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(300)는 도전성 기판(306) 상에 발광구조물이 형성되며, 상기 발광구조물은 n형 반도체층(302), 활성층(303) 및 p형 반도체층(304)을 구비하는 구조이다. 이 경우, p형 반도체층(304)은 전자차단층(304a) 및 클래드층(304b)을 포함할 수 있으며, 앞선 실시 형태들에서 설명한 구조를 가짐으로써 전류의 집중을 저감시킬 수 있는 구조이다.

n형 반도체층(302)의 상부에는 n형 전극(307)이 형성되며, p형 반도체층(304)의 하부에는 반사금속층(305) 및 도전성 기판(306)이 형성될 수 있다. 반사금속층(305)은 p형 반도체층(304)과 전기적으로 오믹 특성을 보이는 물질로서, 나아가, 활성층(303)에서 방출된 빛을 반사할 수 있도록 높은 반사율을 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 기능을 고려하여 반사금속층(305)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함하여 형성할 수 있다.

도전성 기판(306)은 외부 전원과 연결되어 p형 반도체층(304)에 전기 신호를 인가하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 도전성 기판(306)은 반도체 성장에 이용된 기판을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 상기 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할을 수행하며, Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, Si 기판에 Al이 도핑된 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 도전성 기판(306)은 도금, 스퍼터링, 증착 등의 공정으로 반사금속층(305)에 형성할 수 있으며, 이와 달리, 미리 제조된 도전성 기판(306)을 반사금속층(305)에 도전성 접합층 등을 매개로 하여 접합시킬 수도 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

101: 기판 102: n형 반도체층
103: 활성층 103a: 양자우물층
103b: 양자장벽층 104: p형 반도체층
104a: 전자차단층 104b: 클래드층
105: 오믹전극층 106a, 106b: 제1 및 제2 전극

Claims

n형 반도체층;
p형 불순물의 도핑 농도가 서로 다른 제1 및 제2 도핑 영역이 1회 이상 교대로 반복된 구조를 구비하는 p형 반도체층; 및
상기 n형 및 p형 반도체층 사이에 배치된 활성층;을 포함하며,
상기 p형 반도체층에서 상기 제1 및 제2 도핑 영역의 계면 중 적어도 하나에는 n형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역은 상기 제2 도핑 영역보다 p형 불순물의 도핑 농도가 더 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역은 상기 제2 도핑 영역보다 밴드갭 에너지가 더 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루어진 영역을 포함하며, 상기 제2 도핑 영역은 Al_aIn_bGa₁ _-a- _bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어진 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,
상기 p형 반도체층은 상기 제1 및 제2 도핑 영역이 2회 이상 교대로 반복되어 초격자 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,
상기 p형 반도체층은 상기 제1 도핑 영역보다 밴드갭 에너지가 더 작은 클래드층을 구비하며, 상기 초격자 구조는 상기 활성층 및 상기 클래드층 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제6항에 있어서,
상기 제1 도핑 영역은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루어진 영역을 포함하며, 상기 클래드층은 Al_aIn_bGa₁ _-a- _bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어진 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 도핑 영역은 밴드갭 에너지가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제8항에 있어서,
상기 p형 반도체층은 상기 활성층과 인접한 영역에 배치되며, 상기 제1 및 제2 도핑 영역의 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 전자차단층을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제9항에 있어서,
상기 전자차단층은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0 < x ≤ 1, 0 ≤ y < 1)으로 이루어진 영역을 포함하며, 상기 제1 및 제2 도핑 영역은 Al_aIn_bGa₁ _-a- _bN (0 ≤ a < x, 0 ≤ b ≤ 1)으로 이루어진 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,
상기 제2 도핑 영역은 p형 불순물을 포함하되, 고의로 도핑되지 아니한 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 n형 불순물이 도핑된 상기 제1 및 제2 도핑 영역의 계면에는 p형 불순물이 함께 도핑된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 n형 불순물은 Si 및 C 중 적어도 하나이며, 상기 p형 불순물은 Mg 및 Zn 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.