KR101019134B1 - 발광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
발광소자 및 이의 제조방법이 개시된다. 이러한 발광소자는 기판, 활성층, N형 콘택층 및 P형 콘택층을 포함한다. 상기 활성층은 상기 기판 위에 형성되고, 결정이 상기 기판을 기준으로 기울어지게 형성되는 질화물 반도체층을 포함한다. 상기 N형 콘택층은 상기 활성층에 전자를 주입한다. 상기 P형 콘택층은 상기 활성층을 경계로 상기 N형 콘택층과 대향하게 배치되고, 상기 활성층에 정공을 주입한다. 예컨대, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판의 법선이 이루는 각은 40도 내지 90도 범위일 수 있다. 따라서, 편광특성 및 광방출효율이 증가된다.
질화물반도체, 편광, 자발방출, 결정, 피에조전계
Description
본 발명은 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세히 내부양자 효율이 향상되고, 편광된 빛을 발광하는 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 청자색 및 청록색 발광소자를 구성하는 III-V족 질화물 화합물 반도체 구조는 본질적인 특성 중의 하나인 활성층에 인가되는 응력에 의한 피에조 전계와 자발 분극에 의해 발광특성이 다른 III-V족 반도체에 비해 현저하게 떨어진다 [Park et al., Appl. Phys. Lett. 75, 1354 (1999)]는 점은 주지의 사실이다.
특히 III-V족 질화물 반도체의 본질적인 취약점인 피에조 전계 및 자발분극을 최소화시키려는 시도는 여러 가지가 있어왔다. 그중 대표적인 방법으로,
1) 논폴라(non-polar) 또는 세미폴라(semi-polar) 기판을 이용하여 자발 분극 및 피에조 효과를 최소화시키는 방법[Park & Chuang, Phys. Rev. B59, 4725 (1999), Waltereit et al.,Nature 406, 865 (2000)],
2) 클래드 층을 4원막으로 하고 이중 알루미늄(Al)의 조성비를 증가시켜 전 송자의 구속효과를 높여 발광효율을 높이는 방법[Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2668 (2000), Lai et al., IEEE Photonics Technol Lett. 13, 559 (2001)]이 있다.
이 중 1)의 경우는 아직 이종결정성장 방향에 대한 성장기술의 성숙하지 않아 소자제작시 결함(Defects)이 많아 이론적인 예상 만큼 소자 특성이 안나오는 것으로 알려져 있고 제작과정이 매우 까다롭다[K. Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901 (2005)]. 또한 2)의 경우는 자발분극 및 피에조 효과를 근본적으로 제거할 수 없기 때문에 근본적인 해결책이 될 수 없다.
또한, 최근들어 각광을 받기 시작한 II-VI족 산화물 반도체의 경우도 피에조 및 자발 분극이 존재하는 것으로 나타나 있어 이를 제어하여 광특성을 개선시키는 방법이 중요해지고 있다[S.-H. Park and D. Ahn, Appl. Phys. Lett. 87, 253509 (2005); D. Ahn et al., Photonics Technol. Lett. 18, 349 (2006)].
기존의 연구는 주로 발광 특성의 개선을 목적으로 이루어져 왔으며 백라이트유닛(BLU) 등에서 중요한 편광 특성에 관해서는 잘 알려져 있지 않다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 질화물 반도체에서 결정 내부의 피에조 전계 및 자발 분극을 최소화하여 내부 양자효율이 향상되고, 편광된 빛을 발광하여 액정표시장치의 백라이트 등에 활용되어질 수 있는 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 이러한 발광소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 발광소자는 기판, 활성층, N형 콘택층 및 P형 콘택층을 포함한다. 상기 활성층은 상기 기판 위에 형성되고, 결정이 상기 기판을 기준으로 기울어지게 형성되는 질화물 반도체층을 포함한다. 상기 N형 콘택층은 상기 활성층에 전자를 주입한다. 상기 P형 콘택층은 상기 활성층을 경계로 상기 N형 콘택층과 대향하게 배치되고, 상기 활성층에 정공을 주입한다.
예컨대, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판의 법선이 이루는 각은 40도 내지 90도 범위일 수 있다.
또는, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판의 법선이 이루는 각은 50도 내지 70도 범위일 수 있다.
또는, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판의 법선이 이루는 각은 56도일 수 있다.
예컨대, 상기 활성층은 AlxGayInzN을 포함한다(여기서, x+y+z=1, 0≤x,y,z≤1).
본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광소자 제조방법은 기판상부에 N형 콘택층을 형성하는 단계와, 상기 N형 콘택층 상부에 결정이 상기 기판을 기준으로 기울어지게 형성되는 질화물 반도체층을 포함하는 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 상부에 P형 콘택층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 발광소자에 의하면, 편광된 빛을 발광하여, 액정표시장치의 백라이트에 적용시, 광 이용효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 자발방출을 증가시켜, 내부 양자효율을 향상시킬 수 있으며, 결정 내부 전계를 감소시켜 광특성을 향상시킬 수 있다.
아래의 도면에서 각 층을 구분하기 위해서, 각 층의 두께를 과장하여 표현하였으며, 각 층의 두께는 도면에 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 "A층이 B층위에 형성된다"의 표현은 A층이 B층 바로 위에 형성되는 것 뿐만 아니라, A층과 B층 사이에 C층이 형성될 수도 있음을 의미한다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 개략도이다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광소자(100)는 기판(101), N형 콘택층(102), 활성층(103) 및 P형 콘택층(104)을 포함한다.
상기 기판(101)으로서, 예컨대 사파이어(Al2O3) 기판 또는 탄화 실리콘 기판(SiC)이 사용될 수 있다.
선택적으로, 상기 기판(101)과 상기 N형 콘택층(102) 사이에 버퍼층(도시안됨)이 더 형성될 수 있다. 버퍼층은 고품위의 질화물 결정성장을 위해서 형성된 다.
상기 N형 콘택층(102)은 예컨대, 하나 이상의 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 N형 콘택층(102)는 상기 활성층(103)에 도우너를 주입한다.
P형 콘택층(104)는 상기 활성층(103)에 억셉터를 주입한다.
상기 활성층(103)은 상기 N형 콘택층(102)과 P형 콘택층(104) 사이에 형성된다. 예컨대, 상기 활성층은 AlxGayInzN을 포함할 수 있다(여기서, x+y+z=1, 0≤x,y,z≤1). N형 전극(105)와 P형 전극(106)을 통해서 전압이 인가되면, N형 콘택층(102)의 도우너가 P형 콘택층(104)의 억셉터와 활성층(103)에서 만나, 빛을 발광한다.
본 발명의 특징적 사항으로, 활성층(103)의 결정들은 상기 기판(101)을 기준으로 기울게 형성된다.
도 2에서 보이는 바와 같이, 활성층의 결정들은 육각기둥 형상을 갖는다. 종래의 활성층의 결정들은 c-평면이 기판(101)과 평행하지만, 본 발명에 의한 활성층(103)의 결정들은 도 3에서 보이는 바와 같이, 기판(101)을 기준으로 기울게 형성된다.
예컨대, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판(101)의 법선이 이루는 각은 40도 내지 90도 범위일 수 있다. 또는, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판(101)의 법선이 이루는 각은 50도 내지 70도 범위일 수 있다. 또는, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판(101)의 법선이 이루는 각은 56도일 수 있다.
이렇게, 활성층의 질화물 반도체층의 결정이 상기 기판(101)을 중심으로 기울게 형성되면, 활성층으로부터 생성되는 광의 편광성분이 향상된다. 따라서, 액정표시장치의 백라이트에 사용되는 경우, 광의 이용효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 백라이트는 일반적으로 모든 방향으로의 편광된 빛을 포함하고, 그 중, 편광판으로, 한쪽 방향으로만 편광된 빛을 사용하고, 나머지 빛들은 편광판에 의해서 걸러지지만, 이와 같이, 처음부터 편광된 빛을 발광하는 경우 광의 이용효율이 향상될 수 있다.
또한, 자발방출(Spontaneous Emission)이 향상되어, 발광소자의 내부 양자효율이 증가되며, 내부전계가 감소되어 발광특성이 향상된다.
이하, 본 발명에 관계된 이론적 배경을 설명한다.
kㆍp 방법에 의해 유도되는 가전자대(valence-band) 구조의 해밀토니안(Hamiltonian)은 아래의 수학식 1로 표현된다(참조S.L.Chung and C.S. Chang, "The kㆍp method for strained wurtzite semiconductors". Phys. Rev. B, vol. 54, pp. 2491-2504, 1996).
c-평면에서의 해석
이식에서,
이다. 또한, 윗식에서 Ai는 ZB 결정에서의 루틴저(Lutinger) 파라미터와 유사한 가전자대 유효질량 파라미터이고, Di는 울짜이트(Wurtzite) 결정의 변형포텐셜이고, ki는 웨이브벡터이고, εij는 스트레인 텐서이고, Δ1은 결정장의 스플릿 에너지이고, Δ2와 Δ3은 스핀-오빗 인터랙션의 보정이다.
또한, 윗식에서 
의 식으로 표현되는데, 이것은 양자우물(Quantum well)의 격자상수(lattice constant)의 미스매치(mismatch)에 기인한다. 상기 수학식 1의 베이스벡터들(고유벡터)은 아래의 수학식 2로 나타난다.
한편, c-평면의 광학 모멘텀 매트릭스는 아래의 수학식 3과 같이 주어진다.
윗식에서, Ψc 와 Ψv는 각각 전도대(conduction band)의 파동함수 및 가전자대(valence band)의 파동함수를 나타내고, 윗첨자 η는 스핀업 및 스핀다운 상태를 나타낸다.
편광에 의존하는 밴드간 모멘텀 매트릭스는, TE 편광의 스핀업의 경우, 다음의 수학식 4로 표현된다.
또한, TE 편광의 스핀다운의 경우, 다음의 수학식 5로 표현된다.
상기 수학식 4 및 수학식 5에서, 
이다.
또한, 편광에 의존하는 밴드간 모멘텀 매트릭스는, TM 편광의 스핀업의 경우, 다음의 수학식 6로 표현된다.
또한, TM 편광의 스핀다운의 경우, 다음의 수학식 7로 표현된다.
상기 수학식 6 및 수학식 7에서, 
이다.
또한, 상기의 수학식 4 내지 수학식 7에서, 
은 x, y, z좌표계에서 m-번째 서브밴드의 파동함수이며, Px, P1 2, P2 2는 아래의 수학식 8과 같이 표현된다.
m-평면에서의 해석
그러면, 도 2에서 도시된 질화물 반도체 소자의 m-평면에서, 각 물리량을 해석해 보기로 한다.
먼저, 수학식 1에서 기술된 해밀토니안을 임의의 결정방향으로 회전시키기 위해서 아래의 수학식 9로 기술되는 오일러 행렬을 사용한다.
오일러 행렬에서 극각 θ와 방위각φ는 x,y,z좌표계로부터 x',y',z'좌표계로 각 물리량들을 회전시킨다(도3 참조). z-축은 도 2에서 도시된 c-축에 대응하고, z'-축은 결정의 성장방향에 대응하는 축이다.
수학식 9를 이용하여 수학식 1에서 도시된 해밀토니안을 회전시키면, 다음의 수학식 10과 같이 표현된다.
이식에서, m-평면의 경우, 방위각φ=π/6, 극각θ=π/2를 대입하면, 수학식 10의 각 행렬성분은 아래의 수학식 11과 같이 표현된다.
이다.
상기 수학식 10에서는 수학식 2에서 사용된 베이스백터가 사용됨을 주목한다.
한편, m-평면의 광학 모멘텀 매트릭스는 아래의 수학식 12와 같이 주어진다.
윗식에서, Ψ'c 와 Ψ'v는 각각 전도대(conduction band)의 파동함수 및 가전자대(valence band)의 파동함수를 나타내고, 윗첨자 η는 스핀업 및 스핀다운 상태를 나타낸다.
편광에 의존하는 밴드간 모멘텀 매트릭스는, TE 편광의 스핀업의 경우, 다음의 수학식 13으로 표현된다.
또한, TE 편광의 스핀다운의 경우, 다음의 수학식 14로 표현된다.
기 수학식 13 및 수학식 14에서, 
이다.
또한, 편광에 의존하는 밴드간 모멘텀 매트릭스는, TM 편광의 스핀업의 경우, 다음의 수학식 15로 표현된다.
또한, TM 편광의 스핀다운의 경우, 다음의 수학식 16으로 표현된다.
상기 수학식 15 및 수학식 16에서, 
이다.
또한, 상기의 수학식 13 내지 수학식 16에서, 은 x', y', z'좌표계에서 m-번째 서브밴드의 파동함수이다.
a-평면에서의 해석
그러면, 도 2에서 도시된 질화물 반도체 소자의 a-평면에서, 각 물리량을 해석해 보기로 한다. a-평면의 경우, 방위각φ=0, 극각θ=π/2를 대입하면, 수학식 10의 각 행렬성분은 아래의 수학식 17과 같이 표현된다.
편광에 의존하는 밴드간 모멘텀 매트릭스는, TE 편광의 스핀업의 경우, 다음의 수학식 13으로 표현된다.
또한, TE 편광의 스핀다운의 경우, 다음의 수학식 19로 표현된다.
상기 수학식 18 및 수학식 19에서, 
이다.
또한, 편광에 의존하는 밴드간 모멘텀 매트릭스는, TM 편광의 스핀업의 경 우, 다음의 수학식 20으로 표현된다.
또한, TM 편광의 스핀다운의 경우, 다음의 수학식 21로 표현된다.
상기 수학식 20 및 수학식 21에서, 
이다.
또한, 상기의 수학식 13 내지 수학식 16에서, 
은 x', y', z'좌표계에서 m-번째 서브밴드의 파동함수이다.
윗식에서 P는 분극(Polarization)이고, 윗첨자 w와 b는 각각 우물(well)과 배리어(barrier)이고, L은 층의 두께이고, ε은 유전율이다.
다체효과를 갖는 논-마코비안(Non-Markovian) 광학이득
다체효과를 갖는 논-마코비안 이득모델을 이용하여 광학이득 스펙트럼이 계산된다(참고, S. H. Park, S. L. Chung, and D Ahn, "Interband relaxation time effects on non-Markovian gain with many-body effects and comparison with experiment", Semicond. Sci. Technol., vol. 15 pp. 2003-2008). 가전자대 분산의 이방성의 효과를 포함하는 다체효과를 갖는 광학이득은 아래의 수학식 23으로 표현된다.
윗식에서, ω는 각속도, μ0는 진공에서의 투자율(permeability), ε은 유전율(dielectric constant), σ=U(또는 L)은 유효질량 해밀토니안의 상부(또는 하부)블럭, e는 전자의 전하량, m0는 자유전자의 질량, k||는 양자우물평면에서 표면웨이브벡터의 크기, Lw는 우물의 폭, |Mlm|2은 스트레인드 양자우물(strained Quantum Well)의 매트릭스 성분이다. 또한 fl c와 fm v는 각각 전도대와 가전자대에서 전자에 의한 점유확률을 위한 페르미 함수이며, 아래첨자의 l과 m은 각각 전도대에서의 전 자상태와 정공상태를 나타낸다.
계산에 필요한 GaN 및 InN 물질의 파라미터들은 다음의 표 1과 같다.
| Parameters | GaN | InN | |
| Lattice constant | a () | 3.1892 | 3.53 |
| Energy Parameter |
Eg(ev) | 3.44 | 1.89 |
| Δcr=Δ1(meV) | 22.0 | 41.0 | |
| Δso=3Δ2(meV) | 15.0 | 1.0 | |
| Δ3 = Δ2 | |||
| Conduction band effective masses |
mez w/m0(=met w/m0) | 0.20 | 0.11 |
| Valence band effective mass parameters | A1 | -6.4 | -9.09 |
| A2 | -0.5 | -0.63 | |
| A5 | -2.56 | -4.36 | |
| A3=A2-A1, | |||
| A4=A3/2, | |||
| A6=(A3+4A5)/√2 | |||
| Deformation potentials(eV) |
ac=-6.4+av | -4.60 | -1.40 |
| D1 | -1.70 | -1.76 | |
| D2 | 6.30 | 3.43 | |
| D5 | -4.00 | -2.33 | |
| D3=D2-D1 | |||
| D4=D3/2 | |||
| Dielectric constant | ε | 10.0 | 15.3 |
| Elastic stiffness constant (1011dyn/cm2) |
C11 | 39.0 | 27.1 |
| C12 | 14.5 | 12.4 | |
| C13 | 10.6 | 9.4 | |
| C33 | 39.8 | 20.0 | |
| C44 | 10.5 | 4.6 | |
| C66 | 12.3 | 7.4 | |
| Piezoelectric constant | d31(x 10-12m/V) | -1.7 | -1.1 |
| Spontaneous polarization constant | P(C/m2) | -0.029 | -0.032 |
도 4는 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)의 변화에 대한 x-편광과 y-편광을 도시한 그래프이고, 도 5는 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)의 변화에 대한 편광 이방성을 도시한 그래프이다. 도 4는 수학식 13 및 수학식 14를 이용하여 수치계산(numerical calculation)한 결과이다.
도 5에서의 이방성(ρ)은 다음과 같이, ρ=(|M'x|-|M'y|)/(|M'x|+|M'y|)로 정의된다.
도 4 및 5를 참조하면, 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)이 증가하면, X-편광은 점차로 감소하고, Y-편광은 점차로 증가하기 시작하여 극각(θ)이 약 56도에 이르면, 포화에 도달한다. 즉, 극각(θ)이 0일 때에는 X-편광의 빛과 Y-편광의 빛이 동일한 량으로 발광되지만, 극각(θ)이 점차로 증가할수록 Y-편광의 빛이 증가하고, X-편광의 빛이 감소하여 편광된 빛을 얻을 수 있다.
도 6은 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)의 변화에 대한 내부 전기장을 도시한 그래프이고, 도 7은 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)의 변화에 대한 파동함수의 합성을 도시한 그래프이다. 도 6의 내부전기장은 수학식 22를 이용하여 수치계산된 결과이고, 도 7은 수학식 10을 이용하여 수치계산한 결과이다.
도 6 및 7을 참조하면, 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)이 증가하면, 내부전계의 절대값이 감소하기 시작하여, 약 56도에 이르면 0에 도달하고, 다시 증가하기 시작하다가 약 70도에 이르면 다시 감소하게 된다. 내부전계의 크기가 감소할 경우 광특성이 향상된다. 따라서, 허용치의 내부전계 범위를 결정하고 이에 대응하는 극각(θ)의 범위를 결정할 수 있다.
도 8 및 9는 파장변화에 따른 자발방출을 도시한 그래프이다. 도 8 및 9는 수학식 23을 이용하여 수치계산 되었다.
도 8 및 9를 참조하면, 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)이 증가하면, 자발방출이 점차로 증가한다. 특히, Y-편광의 경우, 계속적으로 증가하는 것을 볼 수 있으나, X-편광의 경우, 약 24도를 넘어서면, 감소하기 시작한다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 개략도이다.
도 2는 도 1에서 도시된 활성층의 질화물 반도체 결정을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에서 도시된 결정축의 회전을 도시한 사시도이다.
도 4는 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)의 변화에 대한 x-편광과 y-편광을 도시한 그래프이다.
도 5는 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)의 변화에 대한 편광 이방성을 도시한 그래프이다.
도 6은 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)의 변화에 대한 내부 전기장을 도시한 그래프이다.
도 7은 질화물 반도체의 결정축과 기판의 법선이 이루는 극각(θ)의 변화에 대한 파동함수의 합성을 도시한 그래프이다.
도 8 및 9는 파장변화에 따른 자발방출을 도시한 그래프이다.
Claims (10)
- 기판;상기 기판 위에 형성된 질화물 반도체층을 포함하는 활성층;으로서, 질화물 반도체층의 결정의 c-축이 상기 기판의 법선을 기준으로 기울어지게 형성된 질화물 반도체층을 포함하는 활성층;상기 활성층에 전자를 주입하는 N형 콘택층; 및상기 활성층을 경계로 상기 N형 콘택층과 대향하게 배치되고, 상기 활성층에 정공을 주입하는 P형 콘택층;을 포함하며,상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판의 법선이 이루는 각은 40도 내지 90도 범위인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 삭제
- 제1 항에 있어서, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판의 법선이 이루는 각은 50도 내지 70도 범위인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 3항에 있어서, 상기 질화물 반도체층의 결정의 c-축과 상기 기판의 법선이 이루는 각은 56도인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 활성층은 AlxGayInzN을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자(여기서, x+y+z=1, 0≤x,y,z≤1).
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
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