KR101111749B1

KR101111749B1 - 다층구조 양자장벽을 사용한 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR101111749B1
Application number: KR1020080126087A
Authority: KR
Inventors: 정훈재; 손철수; 최락준; 이수민
Original assignee: 삼성엘이디 주식회사
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2012-03-09
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: KR20100067504A

Abstract

본 발명은 높은 발광 효율을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 양자장벽층은 Al_xIn_1-xN(0≤x≤0.3)로 된 제1층과 Al_yIn_1-yN(0.7≤y≤1)로 된 제2층이 교대로 적층되어 총 3층이상의 다층구조 AlInN 양자장벽층으로 되어 있다.

질화물 반도체, LED

Description

다층구조 양자장벽을 사용한 질화물 반도체 발광소자{Nitride Semiconductor Light Emitting Device Using Multilayer Struture Quantum Barrier}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중양자우물(MQW) 구조를 갖는 활성층 내의 양자우물에서 분극현상을 완화하고 전자와 정공의 파동 함수의 중첩 영역을 증가시켜 높은 발광효율을 나타낼 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

질화물 반도체 발광소자(예컨대, 3족 질화물계 화합물 반도체 LED 등)가 개발된 후, 디스플레이용 백라이트, 카메라용 플래쉬, 조명 등 다양한 분야에서 질화물 반도체 발광소자가 차세대의 주요 광원으로 주목받고 있다. 질화물 반도체 발광소자의 적용 분야가 확대됨에 따라, 휘도와 발광 효율을 증대시키기 위한 노력이 진행되고 있다.

3족 질화물 반도체 LED 등의 질화물 반도체 발광소자는 n형 반도체층과 p형 반도체층과 그 사이에 개재된 3족 질화물계 화합물의 활성층을 포함한다. 이러한 질화물 반도체 발광소자의 기본 동작 원리는, 활성층에 전자와 정공을 주입하여 이 전자와 정공들이 결합하여 빛을 방출하게 하는 것이다. 일반적으로 질화물 반도체 발광소자의 활성층으로는, 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(SQW: single quantum well)구조와, 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(MQW: multi-quantum well)구조가 있다. 이중 다중양자우물 구조의 활성층은 단일양자우물 구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 갖는다.

질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상술한 다중양자우물구조의 활성층은 InGaN 양자우물과 GaN 양자장벽으로 이루어질 수 있다. 양자우물은 전자와 정공의 결합으로 빛이 방출되는 층에 해당하며 양자장벽은 양자우물 내에서 전자와 정공의 결합이 보다 잘 이루어지게끔 전자와 정공을 가두는 역할을 한다. 높은 내부 양자효율을 위해 InGaN 양자우물에서 전자와 정공의 결합이 잘 이루어지려면 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 서로 겹치는 영역이 넓어야 한다. 그러나 실제 발광소자에서는 InGaN 양자우물과 GaN 양자장벽 사이의 격자 불일치에 의해 발생한 압전효과로 인한 분극현상 때문에 활성층 내에 강한 전계가 발생하여 전자와 정공의 파동 함수가 양자우물 내에서 서로 겹치는 영역이 감소하고 전자-정공간 재결합 효율이 감소하여 결과적으로 발광효율이 감소한다.

이를 해결하기 위해, InGaN 양자우물과 유사한 격자상수를 가지면서 GaN 양 자장벽과 유사한 밴드갭을 갖는 InAlGaN 양자장벽의 성장을 제안한 바 있다. 그러나 4성분계의 InAlGaN 양자장벽은 성장조건상의 어려움으로 인해 현실화되지 못하고 있다. 이러한 InAlGaN 양자장벽 대신에 MQW 활성층용 양자장벽 물질로서 AlInN가 고려될 수 있다. InAlN은 In의 조성변화에 따른 밴드갭 변화의 폭이 0.7~6.2eV로서 매우 크다. 청색 파장을 발생하는 InGaN 양자우물과 동일한 격자상수를 갖도록 하는 조성의 AlInN을 활성층 내 양자장벽으로 사용할 경우, 밴드갭이 4.0 eV으로서 GaN의 밴드갭 3.4eV 보다 커서, 전자와 정공을 보다 효과적으로 양자우물에 제한시킬 수 있어 발광효율 증가에 기여할 수 있다. 그러나, AlN과 InN이 효과적으로 성장되는 조건이 서로 달라서, InGaN의 격자상수와 동일하거나 유사한 격자상수를 갖도록 상당한 Al 및 In 함량비를 갖는 조성의 AlInN층을 활성층 내 양자장벽용으로 성장시키기는 어려운 일이다.

도 1은 종래의 MQW 구조 활성층의 에너지 밴드다이어그램을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, AlInN 양자장벽 내 In(인듐) 조성과 Al(알루미늄) 조성이 AlInN 양자장벽 전체 내에서 일정하다. AlInN 양자장벽 내의 In 조성과 Al 조성은 InGaN 양자우물과의 격자불일치를 최소화하는 점에서 결정된다. 일반적으로 AlN의 성장 최적 조건과 InN의 성장 최적 조건은 상이하므로, 상당한 Al 및 In 함량비를 갖는 AlInN의 성장시 In과 Al을 효과적으로 같이 침투시키면서 동시에 최적의 결정성을 확보하는 것은 어려운 일이다.

본 발명의 일 과제는 상술한 문제점을 해결하는 것으로서, 격자불일치 해소를 통한 분극현상 완화 효과를 추구함과 동시에 양자장벽층 성장상의 어려움을 해소하여 결정질을 또한 향상시킬 수 있는 높은 발광효율의 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 양자장벽층은 Al_xIn_1-xN(0≤x≤0.3)로 된 제1층과 Al_yIn_1-yN(0.7≤y≤1)로 된 제2층이 교대로 적층되어 총 3층이상의 다층구조 AlInN 양자장벽층으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1층 및 제2층 각각은 0.5nm 이상 5nm 이하의 두께를 가질 수 있다.

상기 양자장벽층은 상기 제1층과 제2층이 교대로 2회 이상 적층되어 복수의 제1층과 복수의 제2층을 갖는 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층으로 이루어질 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층 내에서, 상기 복수의 제1층과 복수의 제2층은 상기 양자장벽층 내에서 각각 일정한 밴드갭을 가질 수 있다.

다른 실시형태에 따르면, 상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층 내에서, 상기 복수의 제1층 또는 복수의 제2층은 상기 양자장벽층 내에서 밴드갭이 다를 수 있다.

상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층 내에서 상기 제2층의 밴드갭이 상기 양자장벽층 두께 내의 중간 지점에서 가장 클 수 있다. 이와 달리, 상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층 내에서 상기 제2층의 밴드갭이 상기 양자장벽층 두께 내의 중간지점에서 가장 작을 수 있다.

상기 양자우물층은 In_zGa_1-zN(0＜z＜1)로 이루어질 수 있다. 상기 양자장벽층에서 In의 평균 조성은 Al의 평균 조성보다 작거나 같을 수 있다. 특히, 상기 양자장벽층에서 Al과 In의 평균 조성비가 1:1 ~ 4:1일 수 있다.

상기 양자장벽층의 두께는 1 nm 이상 15nm 이하일 수 있다. 상기 양자우물층의 두께는 1nm 이상 15nm 이하일 수 있다.

본 발명에 따르면, 질화물 반도체 발광소자에 있어서 활성층 내의 분극현상이 완화되어 전자-정공 재결합 확율이 높아질 뿐만 아니라, 양자장벽층의 성장이 용이하여 개선된 결정질의 활성층을 용이하게 구현할 수 있다. 이에 따라, 질화물 반도체 발광 소자의 발광효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 고결정질 고효율 질화물 반도체 발광소자 구현이 용이하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도를 나타낸다. 또한 도 3은 도 2의 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 활성층(105)의 밴드갭 구조의 일례를 개략적으로 나타낸 에너지 밴드다이어그램이다. 도 3에서 Ec 및 Ev는 에너지 대역에 있어서 각각 전도대(conduction band) 및 가전자대(valence band)의 에지를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 사파이어 등의 기판(101) 상에 형성된 n형 질화물 반도체층(103), 활성층(105) 및 p형 질화물 반도체층(107)을 포함한다. n측 전극(110)은 메사에칭되어 노출된 n형 질화물 반도체층(103) 상에 형성될 수 있다. 또한, p형 질화물 반도체층(107) 상에는 투명 전극층(108)과 p층 전극(109)이 형성될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 활성층(105)은 복수의 양자우물층(105a)과 적어도 하나의 양자장벽층(105b)을 갖는 다중양자우물(MQW) 구조의 활성층이다. 이 실시형태에서는 편의상 2개의 양자우물층(105a)과 1개의 양자장벽층(105b)을 갖는 활성층을 예시하고 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 활성층은 더 많은 수의 양자 우물층과 2개 이상의 양자장벽층을 가질 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, MQW 구조의 활성층(105)의 양자장벽층(105b)은 다층구조로 되어 있다. 특히 In 성분이 상대적으로 많은 Al_xIn_1-xN(0≤x≤0.3)로 된 제1층(115)과, In 성분이 상대적으로 적은 Al_yIn_1-yN(0.7≤y≤1)로 된 제2층(125)이 교대로 적층되어 총 3층이상의 다층구조 AlInN 양자장벽층으로 되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 In 조성의 차이에 의해, 제2층(125)은 제1층(115)보다 더 큰 에너지 밴드갭을 갖는다. 이러한 다층구조의 AlInN 양자장벽층(105b)에서의 In과 Al의 전체 평균 조성은, InGaN 양자우물과 유사한 격자상수를 갖는 Al_0.66In_0.33N 조성에 근접하게 할 수 있다. In과 Al의 전체 평균 조성의 조절은 제1층(115)과 제2층(125)의 In 함량의 조절 또는 각 층(115, 125)의 두께 조절을 통해 이루어질 수 있다. 활성층(105) 내의 양자우물층(105a)은 In_zGa_1-zN(0＜z＜1)로 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, In 함량이 0.7이상인(즉, Al 함량이 0.3 이하인) 제1층(115)과 In 함량이 0.3이하인(즉, Al 함량이 0.7 이상인) 제2층(125)를 교대로 적층하여 활성층(105) 내 양자장벽층(105b)을 형성함으로써, 제1층 및 제2층의 각 층(115, 125)을 높은 결정질로 용이하게 성장시킬 수 있다. 특히, 제1층(115)을 InN로 형성하고, 제2층(125)을 AlN으로 형성할 수 있다. 이러한 InN와 AlN의 분리 성장을 통해 활성층 내 양자장벽층의 결정성을 최대한 향상시킬 수 있다.

또한, 서로 다른 조성의 제1 및 제2 층을 교대로 적층한 다층구조 AlInN층을 활성층 내 양자장벽으로 이용함으로써, 종래 AlInN 양자장벽층(도 1 참조)의 장점인 격자불일치 해소를 통한 분극완화 효과를 얻을 수 있다.

Al_xIn_1-xN(0≤x≤0.3)의 제1층(115)과 Al_yIn_1-yN(0.7≤y≤1)의 제2층(125)을 교대로 적층한 다층구조 AlInN 양자장벽층(105b)이, 활성층 내에서 충분한 장벽 높이를 제공하도록(즉, 활성층 내 양자우물층(105a)에 전자 및 정공을 가두는 역할을 충분히 할 수 있도록) 하기 위해, 양자장벽층(105b) 내에서의 In의 평균 조성은 Al의 평균 조성과 같거나 작은 것이 더 바람직하다. 특히, 양자장벽층(105b)에서 Al과 In의 평균 조성비는 1:1 ~ 4:1의 범위일 수 있다.

AlN은 일반적인 성장의 경우 전류를 잘 통하지 않은 부도체의 특성을 갖고 있고, 반면에 InN은 전류가 잘 통하는 n형의 특성을 가지므로, InN의 제1층(115)과 AlN의 제2층(125) 각각은 얇은 것이 바람직하다. 제1층(115)과 제2층(125)이 각각 Al_xIn_1-xN(0＜x≤0.3)과 Al_yIn_1-yN(0.7≤y＜1)의 조성을 갖는 경우에도, 제1 및 제2층(115, 125)간 도전율 차이로 인해 제1 및 제2층(115, 125) 각각이 얇은 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 제1층(115) 및 제2층(125) 각각은 0.5nm 이상 5nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 특히, 더 바람직하게는, 상기 제1층(115) 및 제2층(125) 각각은 0.5nm 이상 2nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 다층구조 AlInN 양자장벽층(105b)의 두께는 1nm 이상 15nm 이하의 범위를 가질 수 있다. 특히, 5nm 이하의 양자장벽층(105b)의 경우, 전자의 이동 측면에서 효율적이다. 양자우물층(105a)의 두께도 1nm 이상 15nm 이하의 범위를 가질 수 있다.

다층구조의 AlInN 양자장벽층(105b)은 제1층(115)과 제2층(125)이 교대로 2회 이상 적층되어 복수의 1층(115)과 복수의 제2층(125)을 갖는 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층으로 이루어질 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층(105b) 내에서, 복수의 제1층(115)의 밴드갭은 상기 양자장벽층(105b) 내에서 일정하고, 복수의 제2층(125)의 밴드갭도 양자장벽층(105b) 내에서 일정할 수 있다. 이 경우, 복수의 제1층(115)은 양자장벽층(105b)의 두께에 걸쳐서 일정한 In 조성(일정한 Al 조성)을 가지며, 복수의 제2층(125)도 양자장벽층(105b)의 두께에 걸쳐서 일정한 In 조성(일정한 Al 조성)을 갖는다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 제1층(115) 또는 복수의 제2층(125)의 In 조성을 변화시킴으로써, 복수의 제1층(115) 또는 복수의 제2층(125)의 밴드갭을 다르게 할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 활성층의 밴드갭 구조를 개략적으로 나타낸 에너지 밴드다이어그램이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층(105b) 내에서 제2층(125)의 밴드갭이 양자장벽층 두께 내의 중간 지점에서 가장 크다. 이러한 밴드갭 변조를 통해, 활성층 내 양자장벽이 두께방향의 가운데 지점에서 양자장벽의 밴드갭이 가장 높아지는 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 전자와 정공을 양자우물 내에 가두는 효과가 더 커지게 되여 누설 전류를 감소시켜, 특히 고전류에서의 효율 상승을 가능하게 한다. 이러한 밴드갭 조절은 제2 층(125) 내 In 조성의 점진적 변화를 통해 이룰 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 활성층의 밴드갭 구조를 개략적으로 나타낸 에너지 밴드다이어그램이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층(105b) 내에서 제2층(125)의 밴드갭이 양자장벽층 두께 내의 중간지점에서 가장 작다. 이러한 밴드갭 변조를 통해, 활성층 내 양자장벽이 두께방향의 가운데 지점에서 양자장벽의 밴드갭이 가장 낮아지는 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 격자상수의 큰 변화 없이 전자와 정공이 양자장벽을 건너는 비율을 증가시키는 효과가 있다.

통상적으로는, 기존의 질화물 반도체 발광 소자에서 정공의 이동도가 전자의 이동도보다 낮다. 정공의 이동도가 향상되는 방향으로 상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층(105b)의 밴드갭을 In 조성의 변화를 통해 조정함으로써, 특히 저전류에서의 발광 효율을 증가시킬 수도 있다.

상술한 실시형태들에서는, 양 전극(109, 110)이 동일면에 배치된 수평형 질화물 반도체 발광소자 구조를 예시하였으나(도 2 참조), 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 수직구조의 질화물 반도체 발광소자에도 적용될 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자에서 활성층의 밴드갭 구조를 개략적으로 나타낸 에너지 밴드다이어그램이다.

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 활성층의 밴드갭 구조를 개략적으로 나타낸 에너지 밴드다이어그램이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 활성층의 밴드갭 구조를 개략적으로 나타낸 에너지 밴드다이어그램이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 활성층의 밴드갭 구조를 개략적으로 나타낸 에너지 밴드다이어그램이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 질화물 반도체 발광소자 101: 기판

103: n형 질화물 반도체층 105: 활성층

105a: 양자우물층 105b: 양자장벽층

107: p형 질화물 반도체층 108: 투명 전극층

109: p측 전극 110: n측 전극

115: 제1층 125: 제2층

Claims

n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층; 및

상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고,

상기 양자장벽층은 Al_xIn_1-xN(0≤x≤0.3)로 된 제1층과 Al_yIn_1-yN(0.7≤y≤1)로 된 제2층이 교대로 적층되어 총 3층이상의 다층구조 AlInN 양자장벽층으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1층 및 제2층 각각은 0.5nm 이상 5nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 양자장벽층은 상기 제1층과 제2층이 교대로 2회 이상 적층되어 복수의 제1층과 복수의 제2층을 갖는 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제3항에 있어서,

상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층 내에서, 상기 복수의 제1층과 복수의 제2층은 상기 양자장벽층 내에서 각각 일정한 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제3항에 있어서,

상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층 내에서, 상기 복수의 제1층 또는 복수의 제2층은 상기 양자장벽층 내에서 밴드갭이 다른 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제3항에 있어서,

상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층 내에서, 상기 제2층의 밴드갭이 상기 양자장벽층 두께 내의 중간 지점에서 가장 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제3항에 있어서,

상기 초격자 구조의 AlInN 양자장벽층 내에서, 상기 제2층의 밴드갭이 상기 양자장벽층 두께 내의 중간지점에서 가장 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 양자우물층은 In_zGa_1-zN(0＜z＜1)로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 양자장벽층에서 In의 평균 조성은 Al의 평균 조성보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제9항에 있어서,

상기 양자장벽층에서 Al과 In의 평균 조성비가 1:1 ~ 4:1인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 양자장벽층의 두께는 1 nm 이상 15nm 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 양자우물층의 두께는 1nm 이상 15nm 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.