KR20100022593A - 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 기판, 기판 상부에 형성된 n형 콘택층, n형 콘택층 상부에 형성된 p형 콘택층, n형 콘택층과 p형 콘택층 사이에 개재되고, InGaN층을 포함하는 다중양자우물 구조의 활성영역 및 기판과 n형 콘택층 사이에 개재된 언도프 GaN층을 포함한다. 한편, n형 콘택층은 언도프 GaN층과 활성영역에 각각 접하고, n형 불순물이 도핑된 n형 InGaN층과 언도프 InGaN층이 교대로 적층된 초격자 구조이다. 이에 더하여, n형 InGaN층과 언도프 InGaN층은 서로 조성비가 다르다. n형 콘택층을 InGaN/InGaN 초격자 구조로 함으로써, 발광 다이오드의 활성영역에 발생되는 스트레인을 완화시킬 수 있으며, 그 구조가 복잡해지는 것을 방지할 수 있다.

발광 다이오드, 초격자, 콘택층, InGaN

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성층에 생성되는 스트레인을 감소시키면서 매우 간단한 구조를 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물계 반도체는 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신 기기의 광원으로 자외선, 청/녹색 발광 다이오드(light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(laser diode)에 널리 이용되고 있다. 이러한 질화물계 발광 소자는 n형 및 p형 질화물반도체층 사이에 위치한 InGaN 계열의 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하며, 상기 활성영역 내의 양자우물층에서 전자와 정공이 재결합하는 원리로 빛을 생성시켜 방출시킨다.

이러한 종래의 질화물계 화합물 반도체는 GaN와 InN 사이에 11%의 격자부정합이 존재하기 때문에 InGaN 계열 다중양자우물구조에서는 양자우물과 양자장벽 계면에 강력한 스트레인이 발생하게 된다. 이러한 스트레인은 양자우물 내의 압전필드를 유발하여 내부양자효율(internal quantum efficiency)의 저하를 초래한다.

또한, 다중양자우물구조 내에 생성되는 스트레인은 활성층에 인접한 n형 질 화물 반도체층에 의해 영향을 받는다. n형 질화물 반도체층, 예컨대 n형 콘택층과 양자우물층의 격사상수 불일치가 클수록, 활성영역 내에 더 큰 스트레인이 유발된다.

활성영역 내에 생성되는 스트레인을 감소시키기 위해, n형 GaN 콘택층과 활성층 사이에 조성이 서로 다른 제1 질화물 반도체층과 제2 질화물 반도체층을 교대로 적층한 초격자 구조를 형성하는 기술이 사용된다. 그러나, n형 콘택층과 활성층 사이에 초격자 구조를 형성하는 경우, n형 콘택층과 초격자 구조의 성장에 더하여 n 전극을 형성하기 위해 이 초격자 구조를 식각해야 하므로 발광 다이오드 제조공정이 복잡해지는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 활성층 내에 유발되는 스트레인을 완화시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 구조가 간단하여 제조공정을 단순화시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상기 과제들을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는 기판, 상기 기판 상부에 형성된 n형 콘택층, 상기 n형 콘택층 상부에 형성된 p형 콘택층, 상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 개재되고, InGaN층을 포함하는 다중양자우물 구조의 활성영역 및 상기 기판과 상기 n형 콘택층 사이에 개재된 언도프 GaN층을 포함한다. 한편, 상기 n형 콘택층은 상기 언도프 GaN층과 상기 활성영역에 각각 접하고, n형 불순물이 도핑된 n형 InGaN층과 언도프 InGaN층이 교대로 적층된 초격자 구조이다. 이에 더하여, 상기 n형 InGaN층과 상기 언도프 InGaN층은 서로 조성비가 다르다. n형 콘택층을 InGaN/InGaN 초격자 구조로 함으로써, 발광 다이오드의 활성영역에 발생되는 스트레인을 완화시킬 수 있으며, 그 구조가 복잡해지는 것을 방지할 수 있다.

상기 기판과 상기 언도프 GaN층 사이에 (Al,Ga)N 핵층이 개재될 수 있으며, 바람직하게는 상기 핵층이 AlN로 형성될 수 있다.

한편, 상기 n형 InGaN층에 도핑되는 n형 불순물은 Si일 수 있다.

상기 n형 InGaN층은 상기 언도프 InGaN층에 비해 In함량이 적을 수 있다. 또한, 상기 n형 InGaN층은 상기 활성영역 내의 InGaN층에 비해 In함량이 적을 수 있다.

한편, 상기 언도프 GaN는 4~4.5㎛ 범위 내의 두께로 형성되고, 상기 n형 콘택층은 1~1.5㎛ 범위 내의 두께로 형성될 수 있다. 종래, 기판과 GaN 사이의 격자불일치에 기인하여 발생되는 전위밀도를 감소시키고 n형 콘택층의 측면방향 저항을 낮추기 위해, 언도프 GaN은 대략 2㎛의 두께로 n형 GaN 콘택층은 약 4㎛의 두께로 형성하였다. 그러나, 본 발명에서는 InGaN/InGaN 초격자 구조의 콘택층을 채택함으로써 측면방향의 저항을 낮출 수 있어 그 두께를 감소시킬 수 있다. 또한, n형 콘택층의 두께를 감소시킴에 따라 언도프 GaN과 n형 콘택층의 총 두께를 종래의 언도프 GaN과 콘택층의 총 두께보다 더 얇게 하면서도 상대적으로 언도프 GaN층을 더 두껍게 형성할 수 있다.

언도프 GaN층은 Si이 도핑된 GaN층에 비해 결정성이 더 좋다. 따라서, 언도프 GaN층의 두께를 증가시킴에 따라, 그 위에 형성되는 질화갈륨계 반도체층들의 결정성이 향상된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, n형 콘택층을 InGaN/InGaN 초격자 구조로 함으로써, 발광 다이오드의 활성영역에 발생되는 스트레인을 완화시킬 수 있으며, 그 구조가 복잡해지는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 언도프 GaN층을 종래에 비해 상대적으로 더 두껍게 형성할 수 있어 그 위에 형성되는 질화갈륨계 반도체층들의 결 정성을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면에 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 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 기판(21), 언도프 GaN층(u-GaN, 25), n형 콘택층(27), 다중양자우물 구조의 활성영역(29), p형 콘택층(33)을 포함한다. 또한, 상기 기판(21)과 u-GaN층(25) 사이에 핵층(23)이 개재될 수 있으며, 활성영역(29)과 p형 콘택층(33) 사이에 p형 클래드층(31)이 개재될 수 있다. 이에 더하여, 상기 p형 콘택층(33) 상에 투명전극(35) 및 p-전극(37)이 위치하고, n형 콘택층(27) 상에 n-전극(39)이 위치할 수 있다.

상기 기판(21)은 질화갈륨계 반도체층을 성장시키기 위한 기판으로, 사파이어, SiC, 스피넬 등 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는, 도시한 바와 같이, 패터닝된 사파이어 기판(PSS)일 수 있다.

상기 핵층(23)은 기판(21) 상에 u-GaN(25)을 성장시키기 위해 400~600℃의 저온에서 (Al, Ga)N로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 AlN로 형성된다. 상기 핵층은 약 25nm의 두께로 형성될 수 있다.

u-GaN층(25)은 기판과 n형 콘택층(27) 사이에서 전위와 같은 결함발생을 완화하기 위한 층으로, 상대적으로 고온에서 성장된다. 종래의 u-GaN층은 통상 약 2㎛의 두께로 성장되었으나, 본 실시예에 있어서는 4~4.5㎛ 범위 내의 두께로 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. u-GaN층은 불순물 도핑없이 성장되므로 불순물이 도핑된 GaN층에 비해 상대적으로 우수한 결정성을 갖는다. 따라서 u-GaN층을 상대적으로 두껍게 형성하는 것이 발광 다이오드의 품질을 향상시킬 수 있다.

상기 n형 콘택층(27)은 상기 u-GaN층(25)과 상기 활성영역(29) 사이에 위치하여 이들에 각각 접한다. 상기 n형 콘택층(27)은 n형 불순물이 도핑된 n형 InGaN층(27a)과 언도프 InGaN층(27b)이 교대로 적층된 초격자 구조를 갖는다. 상기 n형 InGaN층(27a)에 도핑되는 불순물은 Si, Ge 등 다양할 수 있으나, 통상적으로 사용되는 Si이 바람직하다.

한편, 상기 n형 InGaN층과 상기 언도프 InGaN층은 서로 조성비가 다르다. 즉, 이들 InGaN층들 내의 In 조성비 및 그에 따라 Ga의 조성비가 다르다. 예컨대, n형 InGaN층의 In 함량이 언도프 InGaN층에 비해 더 많거나 적을 수 있다. In 함량이 많을수록 에너지 밴드갭이 감소하므로, 전자는 In 함량이 많은 층 내에 많이 모일 수 있다. 따라서, n형 InGaN층의 에너지 밴드갭이 불순물이 도핑되지 않은 언도프 InGaN층의 에너지 밴드갭에 비해 더 넓은 것이 바람직하며, 따라서 그것 내의 In 함량이 언도프 InGaN층에 비해 더 적은 것이 바람직하다.

활성영역(29)은 GaN 양자장벽층과 InGaN 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가진다. 상기 InGaN 양자우물층 내의 In 조성비는 원하는 광 파장에 의해 결정된다.

한편, 상기 n형 콘택층(27) 내의 n형 InGaN층(27a) 및/또는 언도프 InGaN층(27b) 내의 In 함량이 상기 양자우물층 내의 In 함량에 비해 더 적은 것이 바람직하다. 이에 따라, 활성영역(29) 내에 전하를 더 잘 가둘 수 있어 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 p형 클래드층(31)은 통상적인 AlGaN으로 형성될 수 있으며, p형 콘택층(33)은 GaN로 형성될 수 있다.

또한, 상기 p형 콘택층(33) 상에 Ni/Au 또는 인디움 틴 산화막(ITO)과 같은 투명 전극(35)이 형성되고, 그 위에 p-전극(37)이 예컨대 리프트오프 공정으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 n형 콘택층(27) 상에 Ti/Al 등의 n-전극(39)이 리프르오프 공정으로 형성될 수 있다.

(실시예)

도 1과 같은 구조를 갖는 발광 다이오드를 제작하였다. 즉, 패터닝된 사파이어 기판(21) 상에 AlN 핵층(23)을 25nm 성장시킨 후, 그 위에 u-GaN층(25)을 4.5㎛, 상기 u-GaN층(25) 상에 총 1.5㎛ 두께의 n-InGaN/u-InGaN 초격자 구조의 n형 콘택층(27), 11 주기의 총 두께 약 110nm의 다중양자우물 구조를 성장시켰다. 그 후, p형 AlGaN 클래드층(31) 및 p형 GaN 콘택층(33)을 성장시켜 본 실시예에 따른 발광 다이오드를 제작하였다.

(비교예)

본 실시예에 따른 발광 다이오드와 유사한 구조를 갖는 발광 다이오드를 제적하였다. 다만, u-GaN층이 2㎛의 두께로 성장되고, n형 콘택트 층이 단일의 GaN로 4㎛ 성장된 것이 본 실시예에 따른 발광 다이오드와 차이가 있다.

상기 실시 예와 비교 예에 따른 발광 다이오드의 특성을 표 1에 요약하였다.

	파장(@20mA) (nm)	Vf(@1uA) (V)	Vf(@20mA) (V)	Po(@20mA) (mW)	Po(@80mA) (mW)	비고
비교예	457.24	2.11	3.06	14.57	44.41	GaN 콘택층
	453.73	2.20	3.09	14.42	44.73
실시예	449.15	2.23	2.92	17.18	54.75	(InGaN/InGaN) 초격자 콘택층
	448.41	2.22	2.91	17.19	54.89

표 1에서 알 수 있듯이, n-InGaN/u-InGaN 초격자 구조의 n형 콘택층(27)을 채택함에 따라 방출되는 광의 피크 파장이 짧아지며, 광출력이 향상되었다. 또한, 1uA에서의 전압, 즉 턴온 전압이 증가하며 순방향 전압은 감소하였다. 이는 n-InGaN/u-InGaN 초격자 구조의 n형 콘택층(27)을 채택함으로써 활성영역의 스트레인이 완화되고, 활성영역의 결정성이 향상되었기 때문이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

Claims (4)

1. 기판;

   상기 기판 상부에 형성된 n형 콘택층;

   상기 n형 콘택층 상부에 형성된 p형 콘택층;

   상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 개재되고, InGaN층을 포함하는 다중양자우물 구조의 활성영역; 및

   상기 기판과 상기 n형 콘택층 사이에 개재된 언도프 GaN층을 포함하되,

   상기 n형 콘택층은 상기 언도프 GaN층과 상기 활성영역에 각각 접하고, n형 불순물이 도핑된 n형 InGaN층과 언도프 InGaN층이 교대로 적층된 초격자 구조이고,

   상기 n형 InGaN층과 상기 언도프 InGaN층은 서로 조성비가 다른 발광 다이오드.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 기판과 상기 언도프 GaN층 사이에 개재된 AlN 핵층을 더 포함하는 발광 다이오드.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 n형 InGaN층은 Si이 도핑된 발광 다이오드.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 n형 InGaN층은 상기 활성영역 내의 InGaN층 및 상기 언도프 InGaN층에 비해 In함량이 적은 발광 다이오드.

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