KR100818269B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 활성층이 형성된 발광소자로서, 상기 활성층은, In_x1Ga_(1-x1)N ( 0<x1≤1 )로 이루어진 우물층; 상기 우물층에 인접하여 형성되어 In_x2Ga_(1-x2)N ( 0≤x2<1 )로 이루어진 장벽층; 및 상기 우물층과 장벽층 사이에 인듐(In) 확산을 방지하기 위해 형성된 확산 방지층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 활성층 내의 우물층과 장벽층 사이에 확산 방지층을 도입하여 빛의 방출 효과를 높일 수 있다.

질화물 반도체 발광소자, 활성층, 다중양자우물구조, 확산 방지층,레이저 다이오드

Description

질화물 반도체 발광소자 {Nitride Based Compound Semiconductor Light Emitting Device}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 개략적 단면도이다.

도 2는 도 1에 나타난 레이저 다이오드의 활성층의 구조를 상세하게 나타내 보이는 부분 확대 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레이저 다이오드의 활성층의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광소자와 비교 예에 의한 발광소자의 PL(photoluminescence) 발광출력을 비교해 보인 그래프이다.

　< 도면의 주요부분에 대한 설명 >

12 : 장벽층 14 : 확산 방지층 16 : 우물층

20 : 기판 22 : 버퍼층 24 : n형 GaN층

26 : n형 콘택트층 28 : n형 클래드층 32 : n형 광가이드층

34 : 캐리어 장벽층 36 : p형 광가이드층 38 : p형 클래드층

42 : p형 콘택트층 44 : p형 전극 55,55': 활성층

46 : n형 전극 100 : 레이저 다이오드

본 발명은 활성층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우물 층과 장벽 층을 포함하는 다중양자우물구조의 활성층에 관한 것이다.

질화물 반도체로 구성되는 소자는 그 융점이 높고 비교적 열에 강하다는 특징이 있으며 온도 의존성이 작기 때문에, 청색/녹색 발광다이오드(Light Emitting Diode) 및 레이저 다이오드(Laser Diode)의 발광소자 및 고속 스위칭, 고출력 소자인 전자소자에 응용되고 있다.

일반적으로 반도체 발광소자는 전류(current)를 빛으로 바꾸는 활성층을 포함한다. 청색 이상의 파장을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 활성층를 구성하는 주요 물질은 InGaN이며, 활성층을 구성원소인 인듐의 조성비의 조절에 의해 밴드갭 에너지를 제어하고 이로써 발광 파장 대역을 조절할 수 있는 것으로 알려져 있다.

반도체 발광소자의 활성층은, 우물 층과 장벽 층의 한 쌍으로 구성되어 단일양자우물구조(Single Quantum Well) 또는 다중양자우물구조(Multi-Quantum Well)를 갖는다.

상기의 다중양자우물구조는 복수의 미니밴드로 이루어지는 것으로서 적은 전류에서도 효율적으로 발광을 일으키며 단일양자우물구조에 비해 높은 발광출력 특 성을 갖는다.

InGaN을 기반으로 하는 활성층은, 우물층과 장벽층을 각각 InGaN/GaN 또는 InGaN/InGaN 또는 InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN의 적층 구조를 가질 수 있다. 이러한 InGaN 활성층은 인듐 조성비가 증가할 수 록 발광출력이 저하하는 결점이 나타나며, 따라서 활성층의 내부양자효율을 향상시키기 위한 새로운 성장 기술이 요구된다.

본 발명의 목적은 청색 이상의 파장 대역에서 높은 발광효율을 갖도록 그 구조가 개선된 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는:

활성층; 활성층 양측의 n형 반도체층과 p형 반도체층을 포함하는 적층 구조물을 가지며,

상기 활성층:은

In_x1Ga_(1-x1)N(0<x1≤1)로 형성된 우물층;

상기 우물층의 양측에 In_x2Ga_(1-x2)N(0≤x2<1)로 형성되는 장벽층; 그리고,

상기 우물층과 장벽층 사이에 마련되어 인듐 확산을 방지하는 확산 방지층;을 포함한다.

여기서, 상기 우물층과 상기 장벽층의 인듐 조성은 x1>x2인 조건을 만족해야 한다

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 확산 방지층은 In_x3Ga_(1-x3)N(0≤x3<0.01)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에에 따르면, 상기 우물층은 제1면과 그 반대의 제2면을 가지며, 상기 확산 방지층은 상기 우물층의 제1면과 제2면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성되며, 바람직하게는 우물층의 양면에 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 발광소자들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 적층 구조를 보이는 개략적 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 질화물 반도체 레이저 다이오드(100)에서,

기판(20) 위에 버퍼층(22)이 형성되고 그 위에 n형 GaN층(24), n형 전극(46)과 n형 콘택트층(26)이 형성된다. n 형 콘택트층(26)은 n 형 전극(46)이 형성되는 부분과 n형 클래드층(28)이 형성되는 부분을 가진다. n 형 콘택트층(26)에서, n 형 전극(46)이 형성되는 부분은 오버 에치되어 n형 클래드층(28)이 형성되는 부분에 비해 낮다.

한편, n형 클리드층(28) 위에는 n형 광가이드층(32), 활성층(55), 캐리어 장벽층(34), p형 광가이드층(36), p형 클래드층(38), p형 콘택트층(42)이 순차적으로 형성되며, 그리고 p 형 콘택트층(42) 위에는 p형 전극(44)이 형성된다.

전술한 구조의 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드(100)에서, 상기 캐리어 장벽층(34)은 상기 활성층(55)과 p형 광가이드층(36) 사이에 마련되어 활성층을 보호함과 아울러 p형 광가이드층(36)으로부터 p형 불순물이 활성층(55)까지 확산되는 것을 방지한다.

이러한 구조의 본 발명에 따른 상기 질화물 반도체 레이저 다이오드(100)의 개략적 제조 과정은 다음과 같다. 먼저 기판(20) 위에 버퍼층(22)을 저온성장법에 의해 성장한 후, 고온에서 상기 버퍼층(22) 위에 n형 GaN층(24)을 성장한다. n형 GaN층(24) 위에는 순차적으로 n형 전극(46)과 오믹 접촉(ohmic contact)을 실현시키기 위한 n형 콘택트층(26)과 캐리어를 활성층에 가두기 위한 n형 클래드층(28) 및 n형 광가이드층(32)을 성장한다.

n형 광가이드층(32) 위에는, 전류 주입에 의해 발광하는 다중 양자 우물 구조의 활성층(55), 활성층을 보호하고 p형 불순물이 활성층(55)까지 확산되는 것을 방지하기 위한 캐리어 장벽층(34)을 형성하고 이 위에 p형 광가이드층(36), p형 클래드층(38), p형 콘택트층(42)을 순차적으로 형성한다.

전술한 구조에서, 기판(20), 버퍼층(22), n형 GaN층(24)은 그 위의 각 층이 형성된 후, 발광 출력의 향상이나 빛의 내부 흡수의 저감 등을 목적으로 식각 등을 이용하여 선택적으로 제거될 수 있다.

도 2는 전술한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저 다이오드(100)의 활성층(55)의 적층 구조를 상세하게 보인 확대 단면도이다.

도 2를 참조하면, 활성층(55)은 우물층(16), 상기 우물층(16) 상하에 형성 되는 장벽층(12), 그리고 이들 우물층(16)과 장벽층(12) 사이에 마련되어 장벽층(12)으로 부터의 인듐 확산을 방지하기 위해 형성된 확산 방지층(14)을 포함한다.

즉, 상기 우물층(16)은 제1면과 그 반대의 제2면을 가지며, 상기 확산 방지층(14)은 바람직하게 상기 우물층(16)의 제1면과 제2면에 형성된다.

상기 활성층(55)은 우물층(16), 확산 방지층(14), 장벽층(12) 및 확산 방지층(14)이 소정 주기 반복 형성된 다중양자우물구조를 가진다.

발광소자 중 발광 다이오드는 활성층에서 자연 방출(spontaneous emission)에 의한 빛은 바로 활용하지만, 레이저 다이오드에는 자연 방출광으로 자극 방출(stimulated emission)을 유도하여 원하는 파장 대역의 빛을 방출한다. 따라서 자극발광을 이용하는 레이저 다이오드에서는 활성층의 발광효율이 소자 특성 향상에 미치는 영향이 크다.

상기 활성층의 발광효율을 높이기 위해 InGaN의 인듐 조성과 밴드갭 엔지니어링 개념이 적용된 다중양자우물구조로 활성층을 구성한다.

상기 활성층에 밴드갭 엔지니어링 개념을 적용하여, 우물층과 장벽층을 각각 InGaN과 GaN으로 적층 할 경우, GaN이 InGaN과 비교하여 상대적으로 큰 에너지 밴드갭을 갖기 때문에, 우물층에 떨어진 캐리어(carrier)를 효과적으로 구속할 수 있다. 그러나, 인듐 조성이 높은 InGaN층은 800℃ 부근 혹은 그 이하의 온도 영역에서 성장하기 때문에 GaN 장벽층 자체의 결정성 확보가 어렵다는 단점이 있다.

또한, InGaN/GaN 적층 구조가 다수 주기 형성된 다중양자우물구조에 있어서, 주기 수가 증가할수록 그 주기 수에 비례하여 발광효율이 증가하지 않고 오히려 다중양자우물구조의 GaN 장벽층의 발생하는 피트(pit) 같은 결정 결함의 수가 비례하여 증가한다. 결국, 발광에 기여하는 발광층은 결정 결함의 수에 의해 제한된다. 그리고 이러한 결정결함인 피트(pit)에 의해서 p형 GaN 성장 시, 마그네슘(Mg) 도펀트가 발광층의 피트 내부로 확산되어 최종 GaN 장벽층과 p형 GaN 질화물 반도체의 p-n 접합(junction)의 경계가 불분명해 지고, 피트 등으로 확산된 마그내슘 도펀트가 우물층 내로 확산될 경우 활광효율이 저하되는 결과를 초래하고, 광 효율 및 신뢰성이 낮아지게 된다.

또 다른 문제점은, InGaN 우물층과 GaN 장벽층을 레이저 다이오드의 활성층으로 이용될 경우 장벽층과 우물층 간 결정 구조가 달라 우물층 내 strain을 유발한다. Strain은 활성층 내 광전이 효율 및 레이저 gain을 변화시킨다. 또한, 결정 내 극성이 형성되는 c-plane GaN 상에 적층된 활성층의 경우 strain에 의해 piezo-electric field가 형성된다. Piezo-field는 자연 방출된 빛의 파장과 자극 방출되는 빛의 파장이 다르게 만들기 때문에 효과적인 레이저 발진을 어렵게 만들게 된다.

이러한 문제점으로 인하여 활성층의 우물층과 장벽층은 인듐 조성비를 달리 조절한 InGaN 물질로 형성된다. 400 내지 600nm 범위의 파장 대역의 빛을 발광하는 레이저 소자의 활성층에서 장벽층의 인듐 조성은 1 내지 10% 범위에서 조절될 수 있다. 예를 들어, 450 내지 530nm 범위의 파장 대역을 가지는 빛을 발광하기 위해서는 우물층의 인듐 조성이 16 내지 20 % 범위가 되는 것이 바람직하다. 상기와 같 이 우물층의 인듐 조성이 16 내지 20% 범위가 되는 경우 장벽층의 인듐 조성은 우물층의 인듐 조성에 비례하여 1 내지 5% 범위가 되는 것이 바람직하다.

한편 상기와 같이 우물층과 장벽층 사이에 결정학적 조성이 상이한 경우 계면에서 스트레인(strain)이 발생하며, 상기 스트레인은 레이저 다이오드 동작 특성에 큰 영향을 미친다. 또한, 우물층의 인듐 조성이 높아지면, InGaN층이 결정학적, 화학적으로 불안정해져 차후 공정온도가 높은 p형 반도체층 형성과정에서 우물층과 장벽층 간 인듐의 상호 확산으로 두 박막 계면 상에 의도하지 않은 새로운 물질층이 형성될 수 있다. 이러한 새로운 물질층은 빛이 자극 방출시 흡수층으로 작용할 수도 있고, 우물층과 장벽층의 구조적 불안정을 야기하여, 빛의 방출 효율을 감소시킬 수 있다.

본 발명에서는 확산 방지층(14)이 상기 우물층(16)과 상기 장벽층(12) 사이에 도입되어, 인듐이 상호 확산하여 우물층과 장벽층 사이의 계면 특성을 악화시키는 것을 방지할 수 있다.

바람직한 확산 방지층(14)은 빛의 방출 효과를 높이기 위해 In_x3Ga_(1-x3)N (0≤x3<0.01)으로 형성되는데, 바람직하게는 GaN으로 형성된다.

상기 확산 방지층(14)의 두께는 0.2 ~ 6nm 범위가 바람직하다. 또한 확산 방지층(14)의 에너지 밴드갭은 상기 우물층(16)의 에너지 밴드갭 보다 크고, 상기 장벽층(12)의 에너지 밴드갭 보다 크거나 같은 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레이저 다이오드의 활성층(55')의 구 조를 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서 레이저 다이오드의 대부분의 구조는 상기 도 1의 레이저 다이오드와 동일하며, 활성층의 구조에만 차이가 있다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에서는 우물층(16)의 양측에 형성된 두 층의 장벽층(12) 중에서 한쪽에만 확산 방지층(14)을 형성한다. 즉, 상기 우물층(16)은 제1면과 그 반대의 제2면을 가지며, 상기 확산 방지층(14)은 바람직하게 상기 우물층(16)의 제 2 면에만 형성된다.

따라서, 본 실시예 2에 따른 레이저 다이오드의 활성층(55')은 장벽층(12), 우물층(16), 확산 방지층(14), 장벽층(12), 우물층(16), 확산 방지층(14), 장벽층(12) 등의 순서로 적층되는 구조를 가진다.

본 실시예에 따라서 우물층(16)의 제2면에만 확산 방지층(14)을 형성하여도 본 발명이 목적으로 하는 효과를 달성 가능하다.

본 실시예에 따라서 우물층(16)의 제1면에만 확산 방지층(14)을 형성하여도 본 발명이 지향하는 효과를 달성할 수 있다.

도 4는 발광소자의 중간소자 상태에 있어서의, 본 발명의 제 1 실시예와 비교예에 의한 PL 발광출력을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 제 1 실시예에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 우물층, 확산 방지층, 장벽층, 확산 방지층을 순차적으로 반복 형성한 다중양자우물구조의 활성층으로 이루어진다. 우물층은 인듐 조성이 16%인 In_x1Ga_(1-x1)N(x1=0.16)을 20~25Å두께로 형성되고, 상기 우물층 상에 장벽층을 인듐 조성이 2%인 In_x2Ga_(1-x2)N(x2=0.02)을 150Å 두께로 형성된다. 또한, 상기 우물층과 장벽층 사이에 확산 방지층으로 GaN을 15Å 두께로 형성된다.

비교예에서는, 우물층과 장벽층만을 반복 형성한 다중양자우물구조의 활성층으로 이루어진다. 우물층과 장벽층은 상기 제 1구현예에서와 같은 조성과 두께로 형성한다.

도 4를 참조하면, 우물층과 장벽층 사이에 확산 방지층을 도입하여 이루어진 활성층 구조가 종래의 우물층과 장벽층만으로 이루어진 활성층 구조의 발광출력과 비교하여 발광출력이 약 50% 향상된 것을 알 수 있다.

상기 실시예들에서의 설명에서는 레이저 다이오드를 중심으로 본 발명이 설명되었으나, 본 발명의 발광소자는 레이저 다이오드로 한정되는 것은 아니며, 발광다이오드와 수퍼 루미네슨트 다이오드(SLD)로도 구현될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 발광소자의 활성층 내에 우물층과 이에 인접하는 장벽층과의 사이에 확산 방지층을 도입하여 광 전이 효율을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구현 예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (18)

1. 활성층; 활성층 양측의 n형 반도체층과 p형 반도체층을 포함하는 적층 구조물을 가지며,

   상기 활성층:은

   In_x1Ga_(1-x1)N(0<x1≤1)로 형성된 우물층;

   상기 우물층 양측에 In_x2Ga_(1-x2)N(0≤x2<1)로 형성되는 장벽층; 그리고,

   상기 우물층과 장벽층 사이에 마련되어 우물층으로부터 장벽층으로의 인듐 확산을 방지하는 확산 방지층;을 포함하며,

   상기 활성층은 400~600nm 파장 대역의 빛을 발광하며, 상기 x1 은 x2 보다 큰 것(x1>x2)을 특징으로 하는 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 확산 방지층은 In_x3Ga_(1-x3)N(0≤x3<0.01)로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 확산 방지층의 두께는 0.2 ~ 6nm 범위인 것을 특징으로 하는 발광소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 활성층은 상기 우물층, 상기 확산 방지층 및 상기 장벽층이 복수층 반 복하여 형성된 다중양자우물구조를 가지는 것을 특징으로 하는 발광소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 발광소자는 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 발광소자.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 확산 방지층은 우물층의 양 측면 중 일측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 확산 방지층은 우물층의 양측 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
8. 활성층; 활성층 양측의 n형 반도체층과 p형 반도체층을 포함하는 적층 구조물을 가지며,

   상기 활성층:은

   In_x1Ga_(1-x1)N(0.16≤x1≤0.20)로 형성된 우물층;

   상기 우물층 양측에 In_x2Ga_(1-x2)N(0.01≤x2≤0.04)로 형성된 장벽층; 및

   상기 우물층과 장벽층 사이에 형성되는 것으로 In_x3Ga_(1-x3)N(0≤x3<0.01)으로 형성되어 상기 우물층으로부터 장벽층으로의 인듐 확산을 방지하는 확산 방지층;을 포함하며,

   상기 활성층은 400~600nm 파장 대역의 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 확산 방지층은 GaN로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 확산 방지층의 두께는 0.2 ~ 6nm 인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 활성층은 상기 우물층, 상기 확산 방지층 및 상기 장벽층이 복수층 반복하여 형성된 다중양자우물구조인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 확산 방지층은 우물층의 양 측면 중 어느 한 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
13. 제 8항에 있어서,

    상기 확산 방지층은 우물층의 양측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제

Images