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KR102302320B1 - 발광 소자 - Google Patents

발광 소자 Download PDF

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KR102302320B1
KR102302320B1 KR1020140184801A KR20140184801A KR102302320B1 KR 102302320 B1 KR102302320 B1 KR 102302320B1 KR 1020140184801 A KR1020140184801 A KR 1020140184801A KR 20140184801 A KR20140184801 A KR 20140184801A KR 102302320 B1 KR102302320 B1 KR 102302320B1
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KR
South Korea
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layer
type semiconductor
strain
light emitting
semiconductor layer
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KR1020140184801A
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KR20160075162A (ko
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백지현
백광선
한대섭
황정현
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쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층; 상기 활성층 상의 전자 차단층; 상기 전자 차단층 상의 스트레인(strain) 강화층; 및 상기 스트레인 강화층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시예는 발광 소자에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광 소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
발광 소자(100)는 기판(110) 위에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광구조물(120)이 형성되고, 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 상에 각각 제1 전극(162)과 제2 전극(166)이 배치된다.
발광 소자(100)는 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(124)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층(124)에서 방출되는 빛은 활성층(124)을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 등일 수 있다.
종래의 발광소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
이때, n-GaN에는 실리콘(Si)이 도핑되고 p-GaN에는 Mg(마그네슘)이 도핑될 수 있는데, 마그네슘의 활성화 에너지가 실리콘의 활성화 에너지에 비하여 높기 때문에 전자의 농도가 정공의 농도에 비하여 증가할 수 있다.
또한 전자의 이동성(mobility)은 정공의 이동성에 비하여 커서, 전자가 활성층을 지나고 p-GaN으로 오버플로우(overflow)하여 광효율이 저하될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, AlGaN 등으로 이루어진 전자 차단층을 활성층과 p-GaN의 사이에 배치하기도 한다.
그러나, 이러한 노력에도 불구하고 활성층에 공급되는 전자의 농도가 정공의 농도에 비하여 더 많다.
실시예는, 발광 소자의 활성층 내에서 전자와 정공의 농도의 균형을 맞추고자 한다.
실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층; 상기 활성층 상의 전자 차단층; 상기 전자 차단층 상의 스트레인(strain) 강화층; 및 상기 스트레인 강화층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자를 제공한다.
스트레인 강화층의 격자 상수는 상기 전자 차단층의 격자 상수보다 작을 수 있다.
스트레인 강화층은 언도프드(undoped) AlN으로 이루어질 수 있다.
스트레인 강화층의 두께는 0.5 나노미터 내지 3 나노미터일 수 있다.
스트레인 강화층은 AlxGa1 - xN(0.2≤x≤1.0)으로 이루어질 수 있다.
스트레인 강화층은 언도프드이거나 마그네슘 도핑일 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 활성층(active layer, MQW)과 p-형 반도체층(p-GaN) 사이에 전자 차단층(EBL, p-AlGaN)과 박막 형상의 스트레인 강화층(u-AlN)을 배치하여, 정공 농도를 증가시키되 구동 전압의 상승을 억제한다.
스트레인 강화층이 p형 반도체층에 스트레인을 더 가하여, p형 반도체층의 결정 구조가 변하여 정공 농도가 증가할 수 있으며, 정공이 활성층에 많이 공급되어, 구동 전압이 감소하고 발광 효율이 개선될 수 있다.
도 1은 종래의 발광 소자를 나타낸 도면이고,
도 2a 및 도 2b는 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3e는 발광소자의 제조공정의 일실시예을 나타낸 도면이고,
도 4는 AlN이 스트레인 강화층으로 추가된 실시예와 그렇지 않은 비교예에 따른 발광소자의 구동 전압을 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 발명에서는 활성층(active layer, MQW)과 p-형 반도체층(p-GaN) 사이에 전자 차단층(EBL, p-AlGaN)과 박막 형상의 스트레인 강화층(u-AlN)을 배치하여, 정공 농도를 증가시키되 구동 전압의 상승을 억제하려고 한다.
도 2a 및 도 2b는 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자(200)는 기판(210)과, 버퍼층(215)과, 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)을 포함하는 발광 구조물(220)과, 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226) 사이의 전자 차단층(230)과 스트레인 완화층(240)과, 제2 도전형 반도체층(226) 상의 투광성 도전층 및, 제1 전극(262)과 제2 전극(266)을 포함하여 이루어진다.
기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
기판(210)의 표면에 도시된 바와 같이 패턴이 형성되어, 활성층(124)으로부터 방출된 광을 반사 내지 산란시켜서 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
사파이어 등으로 기판(210)을 형성하고, 기판(210) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광구조물(220)이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, AlN 등으로 버퍼층(215)을 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑되어 제1 도전형의 반도체층일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어 AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)의 상부면에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(224)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 우물층과 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 활성층(224)의 표면에 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있는데, 제2 도전형 반도체층(226)이 p형 반도체층일 경우 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제2 도전형 반도체층(226) 상에는 전자 차단층(230)이 배치될 수 있는데, 전자 차단층(Electron Blocking Layer, 230)은 예를 들면 AlGaN일 수 있으며 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
전자 차단층(230) 상에는 스트레인 강화층(240)이 배치될 수 있다. 스트레인 강화층(240)은 0.5 나노미터 내지 3 나노미터의 두께를 가질 수 있다. 스트레인 강화층(240)이 하나의 층(mono layer)로 이루어질 경우 두께가 0.5 나노미터 정도일 수 있고, 두께가 3 나노미터보다 크면 구동 전압이 상승할 수 있다.
스트레인 강화층(240)은 언도프드(undoped) AlN이거나 AlxGa1 - xN(0.2≤x≤1.0)으로 이루어지거나 또는 언도프드 AlGaN으로 이루어질 수 있는데, 스트레인 강화층(240)이 AlxGa1 - xN일 때 언도프드이거나 마그네슘이 도핑될 수 있다. 마그네슘이 도핑되면 스트레인 강화층(240)의 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 스트레인 강화층은 연속적으로 배치된 언도프드 AlN과 언도프드 AlGaN을 포함할 수 있다.
스트레인 강화층(240)은 격자 상수가 전자 차단층(230)의 격자 상수보다 작을 수 있고, 따라서 p-GaN인 제2 도전형 반도체층(226)과 스트레인 강화층(240)과의 격자 상수 차이가 커질 수 있다. 그리고, 스트레인 강화층(240)이 배치될 경우 정공의 활성화 에너지가 감소하고 유효질량이 감소하여, 정공의 이동성이 증가할 수 있다. 특히, u-AlN의 격자 상수가 u-AlGaN의 격자상수보다 작아서, u-AlN을 스트레인 강화층(240)으로 사용할 경우 u-AlGaN을 스트레인 강화층(240)으로 사용하는 경우보다 p-GaN의 스트레인 강화 효과가 더 클 수 있다.
스트레인 강화층(240) 상에는 ITO(IntiumIndium tin Oxide) 등으로 투광성 도전층(250)이 형성되어, 제2 전극(266)으로부터 제2 도전형 반도체층(226)으로 전류 스프레딩(current spreading) 효과를 향상시킬 수 있다.
투광성 도전층(250)과 스트레인 강화층(240)과 전자 차단층(230)과 제2 도전형 반도체층(226)과 활성층(224) 및 제1 도전형 반도체층(222)의 일부까지 메사 식각하여, 제1 도전형 반도체층(222)을 노출시켜서 제1 전극(262)이 형성될 영역을 확보할 수 있다.
제1 전극(262)과 제2 전극(266)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
아래의 표 1은 실시예와 같이 언도프드 AlN 상에 p-GaN이 배치될 때의 홀 농도 등을 비교예 등과 나타낸다.
실시예 1은 u-GaN 위에 30 나노미터 두께의 u-Al0 .17GaN과 300 나노미터 두께의 p-GaN을 배치한 경우이고, 실시예 2는 언도프드 GaN 위에 30 나노미터 두께의 u-Al0.17GaN과 0.8 나노미터 두께의 u-AlN과 300 나노미터 두께의 p-GaN을 차례로 배치한 경우이고, 비교예 1은 u-GaN 위에 300 나노미터 두께의 p-GaN을 배치한 경우이고, 비교예 2는 u-GaN 위에 u-Al0 .17GaN/GaN 11쌍을 30 나노미터 두께로 배치하고 그 위에 300 나노미터 두께의 p-GaN을 배치한 경우이다.
비교예 1 실시예 1 비교예 2 실시예 2
마그네슘 농도 5.0×1019 5.0×1019 5.0×1019 5.0×1019
홀 농도 1.2×1017 4.5×1017 2.4×1017 6.6×1017
표 1에 기재된 바와 같이 동일한 농도로 마그네슘을 p-GaN에 도핑하더라도, 실시예와 같이 언도프드 AlN 위에 p-GaN이 배치되거나, 언도프드 GaN 위에 u-AlGaN과 u-AlN 및 p-GaN이 차례로 배치된 경우에 홀 농도가 가장 큰 것을 알 수 있으며, 활성층 내에 홀(정공)의 주입이 증가되어 발광 효율이 향상될 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 발광소자의 제조공정의 일실시예을 나타낸 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이 기판(210) 위에 버퍼층(215)을 성장시키고, 도 3b에 도시된 바와 같이 버퍼층(215)의 성장 후에 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224)과 전자 차단층(230)과 스트레인 강화층(240)을 성장시킨다.
제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224)은 상술한 조성을 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
전자 차단층(230)은 상술한 조성을 제1 도전형 반도체층(222) 등과 동일한 방법으로 성장시킬 수 있다.
스트레인 강화층(240)은 언도프드 AlN 또는 AlGaN 또는 언도프드 AlN/AlGaN을 제1 도전형 반도체층(222)과 동일한 방법으로 성장시키되, 0.5 나노미터 내지 3 나노미터의 두께(t)로 성장시킬 수 있다.
스트레인 강화층(240)의 성장 온도는 전자 차단층(230)의 성장 온도와 동일할 수 있으며, 예를 들면 1200℃ 정도일 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이 스트레인 강화층(240) 상에 제2 도전형 반도체층(226)과 투광성 도전층(250)을 성장시킬 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 제1 도전형 반도체층(222) 등과 동일한 방법으로 성장시킬 수 있고, 투광성 도전층(250)은 증착이나 스퍼터링 등의 방법으로 성장시킬 수 있다.
언도프드 AlN 등의 스트레인 강화층(240)의 성장 후에 제2 도전형 반도체층(226)을 성장시키면, 스트레인 강화층(240)이 제2 도전형 반도체층(226)에 스트레인(strain)을 더 가할 수 있는데, 여기서 스트레인을 가한다 함은 격자의 크기가 맞지 않아서 나중에 형성되는 층의 구조에 변형이 발생함을 의미한다.
따라서 p형 도펀트가 첨가된 GaN인 제2 도전형 반도체층(226)의 결정 구조가 변하여 정공 농도가 증가할 수 있으며, 정공이 활성층에 많이 공급될 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이 투광성 도전층(250)과 스트레인 강화층(240)과 전자 차단층(230)과 제2 도전형 반도체층(226)과 활성층(224) 및 제1 도전형 반도체층(222)의 일부까지 메사 식각하여, 제1 도전형 반도체층(222)을 노출시킨다.
그리고, 도 3e에 도시된 바와 같이 노출된 제1 도전형 반도체층(222)과 제2 도전형 반도체층(226) 상에 각각 제1 전극(262)과 제2 전극(266)을 형성할 수 있다.
도 4는 AlN이 스트레인 강화층으로 추가된 실시예와 그렇지 않은 비교예에 따른 발광소자의 구동 전압을 나타낸 도면이다.
도 4에서 적색으로 표시된 것이 실시예에 따른 발광소자의 구동 전압이고 흑색으로 표시된 것이 비교예에 따른 발광소자의 구동 전압이다. 실시예에 따른 발광소자의 구동 전압이 비교예에 비하여 낮은 것을 알 수 있다. 그리고, 동일한 전원에 연결되었을 때 실시예에 따른 발광소자는 29.7 밀리와트(mW)의 전류가 흘러서 비교예의 29.3 밀리와트보다 개선된 것을 알 수 있으며, 따라서 실시예에 따른 발광소자의 광도가 비교예보다 개선될 수 있다.
상술한 발광소자는 하나 또는 복수 개가 패키지 내에 배치될 수 있다.
발광 소자 패키지는 패키지 몸체에 발광소자가 배치되고, 발광소자가 제1 리드 프레임과 제2 리드 프레임에 각각 와이어 등으로 전기적으로 연결될 수 있다. 발광소자를 둘러싸고 형광체를 포함하는 몰딩부가 채워져서, 발광소자와 와이어를 보호하고, 발광소자에서 방출된 제1 파장 영역의 광을 보다 장파장인 제2 파장 영역의 광으로 변환할 수 있다.
발광소자 패키지는 회로 기판에 연결되어 발광소자 모듈을 이루고, 발광소자의 구동에 필요한 전류를 공급받을 수 있다. 또한, 발광소자가 회로 기판에 직접 배치된 COB(chip on Board) 방식의 발광소자 패키지도 사용될 수 있다.
발광소자 내지 발광소자 패키지는 조명 시스템의 광원으로 사용될 수 있는데, 일예로 영상표시장치의 백라이트 유닛과 조명 장치에 사용될 수 있다.
영상 표시 장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때, 직하 방식 또는 에지 방식으로 발광소자 패키지 내지 발광소자 모듈이 배치될 수 있다.
조명 장치의 광원으로 사용될 때, 등기구나 전구 등의 광원으로 사용될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 발광소자 110, 210: 기판
120, 220: 발광 구조물 122, 222: 제1 도전형 반도체층
124, 224: 활성층 126, 226: 제2 도전형 반도체층
162, 262: 제1 전극 166, 266: 제2 전극
215: 버퍼층 230: 전자 차단층
240: 스트레인 강화층 250: 투광성 도전층

Claims (7)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층;
    상기 활성층 상의 전자 차단층;
    상기 전자 차단층 상의 스트레인(strain) 강화층; 및
    상기 스트레인 강화층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 스트레인 강화층의 격자 상수는 상기 전자 차단층의 격자 상수보다 작고, 상기 스트레인 강화층은 연속적으로 배치된 언도프드(undoped) AlN과 언도프드 AlGaN을 포함하고, 상기 스트레인 강화층의 두께는 0.5 나노미터 내지 3 나노미터인 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 강화층 내의 언도프드 AlGaN은 AlxGa1-xN이고, 여기서 0.2≤x<1.0인 발광소자.
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