KR101198759B1

KR101198759B1 - 질화물계 발광 소자

Info

Publication number: KR101198759B1
Application number: KR20070055360A
Authority: KR
Inventors: 문용태
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사; 엘지전자 주식회사
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: KR20090003384A

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 제1양자장벽층과; 상기 제1양자장벽층 상에 위치하는 응력완화층과; 상기 응력완화층 상에 위치하는 제2양자장벽층과; 상기 제2양자장벽층 상에 위치하는 양자우물층과; 상기 양자우물층 상에 위치하는 제1양자장벽층으로 이루어지는 적어도 하나 이상의 양자우물구조를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

발광 소자, 양자우물, 응력, 질화물, LED.

Description

질화물계 발광 소자 {Nitride light emitting device}

도 1은 발광 소자의 박막구조의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 2는 발광 소자의 박막구조의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 3은 도 2의 박막구조의 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 4는 본 발명의 제1실시예의 박막구조를 나타내는 단면도이다.

도 5는 도 4의 박막구조의 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 6은 제1실시예에 의한 수평형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제2실시예의 박막구조를 나타내는 단면도이다.

도 8은 도 7의 박막구조의 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 9는 제2실시예에 의한 수직형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 10은 본 발명의 제3실시예의 박막구조를 나타내는 단면도이다.

도 11은 본 발명의 제4실시예의 박막구조를 나타내는 단면도이다.

도 12는 본 발명의 제5실시예의 박막구조를 나타내는 단면도이다.

도 13은 도 12의 박막구조의 에너지 밴드 다이어그램이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 전자주입층 20 : 양자우물구조

21 : 제1양자장벽층 22 : 응력완화층

23 : 제2양자장벽층 24 : 양자우물층

30 : 발광층 40 : 정공주입층

50 : 기판

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

한편, 이러한 GaN 계열 반도체 성장이 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 어려운 이유 중에 하나는 고품질의 기판, 즉, GaN, InN, AlN 등의 물질의 웨이퍼가 존재하지 않기 때문이다.

따라서 사파이어와 같은 이종 기판 위에 LED 구조를 성장하게 되며, 이때 많은 결함이 발생하게 되고, 이러한 결함들은 LED 성능에 큰 영향을 미치게 된다.

특히, LED 구조에서 빛을 발생시키는 상기 활성층은 질화물 반도체 다중 양자우물구조(multi-quantum well; MQW)를 갖는다. 이러한 다중 양자우물구조는 양자우물층과 양자장벽층이 반복적으로 적층되어 있어서, n-형 반도체층과 p-형 반도체층으로부터 각각 주입되는 전자와 정공이 양자우물층에서 서로 결합하여 빛을 발산 한다.

이러한 양자우물구조를 이루는 양자우물층과 양자장벽층은 다른 물질 성분을 가지게 되고, 이러한 물질 성분의 차이에 의하여 양자우물층에 응력이 미칠 수 있다.

이와 같이 양자우물층에 작용하는 응력은 양자우물층 내에서의 에너지 밴드구조를 변형시켜서 발광특성을 크게 저하시키고 또한, 양자장벽층과 양자우물층 사이의 계면특성을 저하시켜서 결국 발광 소자의 발광효율을 저하시킬 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자의 발광층에 작용하는 응력 문제를 효과적으로 해결함으로써 고휘도의 질화물계 발광 소자를 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위해, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 제1양자장벽층과; 상기 제1양자장벽층 상에 위치하는 응력완화층과; 상기 응력완화층 상에 위치하는 제2양자장벽층과; 상기 제2양자장벽층 상에 위치하는 양자우물층과; 상기 양자우물층 상에 위치하는 제1양자장벽층으로 이루어지는 적어도 하나 이상의 양자우물구조를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 응력완화층은, 면방향 격자상수 값이 상기 제1양자장벽층과 상기 양자우물층 사이의 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 응력완화층의 에너지 밴드갭은, 상기 제1양자장벽층과 상기 양자우물층 사이의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.

상기 응력완화층의 두께는, 1 내지 15nm일 수 있고, 양자우물구조가 여러 개 구성될 때, 상기 응력완화층 중 적어도 하나 이상은 n-형 도펀트를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 응력완화층은, 평균 조성이 0.1 내지 5%의 In 성분을 포함할 수 있다.

상기 제2양자장벽층의 에너지 밴드갭은, 상기 응력완화층의 에너지 밴드갭보다 클 수 있고, 상기 제2양자장벽층의 두께는, 상기 제1양자장벽층의 두께보다 얇을 수 있다. 또한, 상기 제2양자장벽층의 두께는, 0.2 내지 5nm일 수 있다.

상술한 양자우물구조가 다수개 구성되는 다중 양자우물구조일 때, 제1양자장벽층 및 양자우물층 중 적어도 하나 이상은 n-형 도펀트를 포함하여 형성될 수 있다.

한편, 상기 양자우물층과 상기 제1양자장벽층 사이에는 제2응력완화층을 더 포함할 수 있으며, 이러한 제2응력완화층은 질화갈륨/질화인듐갈륨이 반복되는 초격자 구조일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다. 또한 여기에서 설명되는 각 실시예는 상보적인 도전형의 실시예를 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할것이 다.

이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al₂O₃)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 현재 널리 상용화되고 있는 고휘도 질화물 반도체 발광 소자의 기본 박막구조를 나타낸다. 이러한 GaN 계열 물질의 LED의 기본 구조는 n-형 전자주입층(1)과 p-형 정공주입층(3) 사이에 양자우물구조(quantum well)를 가지는 발광층(2)이 위치한다.

일반적으로 빛을 발생시키는 상기 발광층(2)은 질화물 반도체 다중 양자우물구조(multi-quantum well; MQW)를 갖는다.

이러한 다중 양자우물구조는 양자우물층(quantum well; 4)과 양자장벽층(quantum barrier; 5)이 반복적으로 적층되어 있어서, n-형 전자주입층(1)과 p-형 정공주입층(3)으로부터 각각 주입되는 전자와 정공이 양자우물층(4)에서 서로 결합하여 빛을 발산한다.

이때, 양자우물층(4)은 두 개의 양자장벽층(5) 사이에 놓여서 전자와 정공을 양자역학적으로 구속할 수 있게 된다.

따라서 고휘도 발광 소자 구현을 위해서는 전자와 정공들이 양자우물층(4)까지 잘 수송될 수 있어야 하고, 또한 수송된 전자와 정공들은 양자우물층(4)에서 효율적으로 결합할 수 있어야 한다.

결국, 고휘도 발광소자 구현을 위해서는 양자우물층(4)과 양자장벽층(5)들의 박막 결정성이 매우 우수해야 한다.

현재, 질화물 반도체 발광 소자의 가장 대표적인 다중 양자우물구조는 밴드갭이 상대적으로 큰 질화갈륨(GaN) 양자장벽층(5)과 밴드갭이 상대적으로 작은 질화인듐갈륨(InGaN) 양자우물층(4)으로 이루어진다. 이때, 발광효율을 높이기 위해서 질화갈륨과 질화인듐갈륨은 결정성이 우수한 고품위의 박막으로 준비된다.

그런데, 질화갈륨과 질화인듐갈륨은 본질적으로 매우 큰 결정 격자 불일치를 갖는다. 이것은 인듐의 원자반경이 갈륨의 원자반경보다 크고, 인듐과 질소의 결합력과 결합 길이가 갈륨과 질소의 결합력과 결합 길이보다, 각각, 약하고 길기 때문이다.

따라서 질화인듐갈륨 양자우물층(4)은 심하게 압축 응력을 받게 된다. 이러한 압축 응력은 양자우물층(4) 내에서의 에너지 밴드구조를 변형시켜서 전자와 정공이 양자우물 내에서 공간적으로 분리되는 특성을 가지게 되어 결국 발광 소자의 발광효율이 저하될 수 있다.

또한, 이러한 압축 응력은 질화갈륨 양자장벽층(5)과 질화인듐갈륨 양자우물층(4) 사이의 계면특성을 저하시켜서 계면에서 캐리어들의 손실이 발생하고 결국 발광 소자의 발광효율을 저하시킬 수 있다.

상술한 문제점을 근본적으로 극복하기 위하여 질화물 응력완화층(In_vAl_wGa₁ _-v- _wN, 0≤v,w≤1, 0≤v+w≤1)을 포함하는 양자우물구조를 이용할 수 있다.

즉, 이러한 현상을 개선할 수 있는 구조는, 도 2에서 도시되는 바와 같이, n-형 전자주입층(10) 상에 제1양자장벽층(21)/응력완화층(22)/제2양자장벽층(23)/양자우물층(24)/제1양자장벽층(21)이 순서대로 적층되어 이루어지는 양자우물구조(20)로 이루어지는 발광층(30)을 포함하고, 도시하는 바와 같이, 발광층(30)에서 이러한 양자우물구조(20)는 적어도 2회 이상 반복되어 구성될 수 있다.

이와 같은 발광층(30) 상에는 p-형 정공주입층(40)이 구성되어, 발광층(30)에서는 이러한 전자주입층(10)과 정공주입층(40)으로부터 각각 주입되는 전자와 정공이 서로 결합하여 빛을 발산한다.

양자우물구조(20)를 이루는 응력완화층(22)은 발광층(30) 내의 응력을 효과적으로 완화시키기 위해서 그 면방향(in-plane) 격자상수 값이 제1양자장벽층(21)의 면방향 격자상수와 양자우물층(24)의 면방향 격자상수 값의 사이 값을 가질 수 있다.

또한, 도 3에서 도시하는 바와 같이, 응력완화층(22)은 전자와 정공을 효과적으로 양자우물에 주입할 수 있도록 그 에너지 밴드갭이 제1양자장벽층(21)의 밴드갭 값과 양자우물층(24) 밴드갭 값의 사이 값을 가질 수 있다.

경우에 따라서는 이러한 응력완화층(22)은 초격자층을 이룰 수 있다.

한편, 이러한 응력완화층(22)은 양자역학적인 기능을 수행할 수 있다. 즉, 응력완화층(22)과 양자우물층(24) 사이에 제2양자장벽층(23)이 위치하여 n-형 전자주입층(10)에서 주입되는 전자들이 응력완화층(22)에 효과적으로 모여서 구속될 수 있고, 그 결과 응력완화층(22)에 구속된 전자들이 양자우물층(24)에 효과적으로 주입될 수 있다.

이러한 양자역학적 기능을 고려할 때, 응력완화층(22)의 두께는 1 내지 15 나노미터(nm)의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 응력완화층(22)이 제1양자장벽층(21)과 양자우물층(24) 사이의 격자 불일치에 기인한 응력을 효과적으로 완화시키기 위하여 제2양자장벽층(23)은 그 두께가 1차 양자장벽층(21)보다 작은 것이 바람직하다.

그리고 제2양자장벽층(23)의 두께는 0.2 nm 내지 5 nm의 두께를 가질 수 있고, 이러한 제2양자장벽층(23)의 에너지 밴드갭 값은 응력완화층(22)의 에너지 밴드갭 값보다 클 수 있다. 이러한 제2양자장벽층(23)은 양자우물층(24)에 전자와 정공이 양자역학적으로 효과적으로 구속되어 발광 결합 확률을 증대시키는 기능을 할 수 있다.

한편, 다중 양자우물구조(20) 내의 응력완화층(22)들 중에서 한 층 혹은 그 이상의 층들은 양자우물층(24)에서 전자와 정공의 결합 효율을 높일 수 있도록 n-형 도펀트에 의해 도핑될 수 있다.

상술한 바와 같은 다중 양자우물구조(20)의 발광층(30) 내에 위치하는 응력완화층(22)과 제1 및 제2양자장벽층(21, 23)은 양자우물층(24)에 본질적으로 존재 하는 압축응력을 획기적으로 감소시키고, 양자우물층(24) 내에 전자와 정공을 효과적으로 구속함으로써 발광 소자의 내부양자효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

즉, 이러한 응력완화층(22)은 양자장벽층(21, 23)과 양자우물층(24) 사이의 격자상수 불일치에 기인하여 발생되는 압축응력을 효과적으로 완화시켜서 양자우물층(24) 내에서의 응력분포와 인듐조성 분포를 더욱 균일하게 하여 광특성을 더욱 개선시킬 수 있다.

더구나 이와 같은 양자장벽층(21, 23)과 양자우물층(24) 사이의 계면특성이 향상되어 계면에서의 캐리어 손실을 크게 줄임으로써 발광 효율을 크게 개선시킬 수 있다.

결국, 발광 소자의 본질적인 광특성인 내부양자효율을 획기적으로 증대시킴으로써 고휘도 고효율의 발광소자를 구현할 수 있는 것이다.

<제1실시예>

도 4와 같이 도시되는 본 발명의 제1실시예에서, 질화물 반도체 박막 성장을 위해서 유기금속 화학 기상 증착 시스템(MOCVD; metal organic chemical vapor deposition)을 사용하였다. 기판(50)으로는 사파이어를 사용하였다.

암모니아를 질소원으로 사용하였고 수소와 질소를 운반가스로 사용하였다. 갈륨과 인듐, 알루미늄은 유기금속 소스를 사용하였다. n-형 도펀트는 실리콘(Si)을 사용하였고 p-형 도펀트는 마그네슘(Mg)을 사용하였다. 사파이어 기판 위에 4 마이크로미터(㎛)의 n-형 질화갈륨(GaN) 반도체 전자주입층(10)을 1050 ℃에서 성장하였고, 압력은 200 토르(Torr)를 적용하였다.

그 위에, 도 5와 같은 밴드 구조를 갖는 발광층(30)을 성장하였다. 즉, 온도 850 ℃에서 10 nm 크기의 질화갈륨(GaN) 제1양자장벽층(21)을 성장하였다. 그 위에, 3 nm 두께의 질화인듐갈륨(InGaN) 응력완화층(22)을 성장하였다. 이때, 질화인듐갈륨 응력완화층(22)의 평균 인듐 조성이 약 3% 정도가 되도록 인듐 소스량과 성장온도를 제어하였다.

그 위에, 1 nm 크기의 질화갈륨 제2양자장벽층(23)을 성장하였다. 이후, 온도 700 ℃에서 2.5nm 두께의 질화인듐갈륨 양자우물층(24)을 성장하였다. 질화인듐갈륨 양자우물(24)의 인듐 조성은 약 22% 정도가 되도록 인듐 소스량을 제어하였다.

동일한 순서를 반복하여 모두 여덟 쌍의 질화갈륨 제1양자장벽층(21)/질화인듐갈륨 응력완화층(22)/질화갈륨 제2양자장벽층(23)/질화인듐갈륨 양자우물층(24)으로 이루어지는 다중 양자우물구조(20)를 가지는 발광층(30)을 성장하였다.

이러한 질화물 반도체 다중 양자우물구조(20)의 발광층(30) 위에 0.1 ㎛의 p-형 질화갈륨 정공주입층(40)을 성장시켰다.

이후, 도 6에서와 같이, 식각장치를 이용하여 p-형 정공주입층(40)과 발광층(30)을 식각하여 n-형 전자주입층(10) 일부 노출시킨 후 n-형 전극(11)을 형성하였다. 또한, 정공 주입을 위하여 p-형 정공주입층(40) 위에 p-형 전극(41)을 형성하여, 측면형 또는 수평형 발광 소자 구조를 형성할 수 있다.

<제2실시예>

제2실시예에서는, 도 7에서 도시하는 바와 같이, 사파이어 기판(150) 위에 4 ㎛ 두께의 n-형 질화물 반도체 전자주입층(110)을 1050 ℃에서 성장하였고, 압력은 200 토르를 적용하였다.

그 위에, 도 8과 같은 양자우물구조(120)의 밴드 구조를 가지는 발광층(130)을 성장하였다. 즉, 먼저, 온도 850 ℃에서 10 nm 크기의 질화갈륨 제1양자장벽층(121)을 성장하였다. 그 위에, 3 nm 두께의 질화인듐갈륨 응력완화층(122)을 성장하였다.

응력완화층(122) 성장시 n-형 도펀트 소스를 주입하였다. 질화인듐갈륨 응력완화층(122)의 평균 인듐 조성이 0.1 내지 5% 정도가 되도록 인듐 소스량과 성장온도를 제어하였다.

그 위에, 0.2 내지 3 nm 크기의 질화갈륨 제2양자장벽층(123)을 성장하였다. 그 위에 온도 700 ℃에서 2.5nm 두께의 질화인듐갈륨 양자우물층(124)을 성장하였다. 질화인듐갈륨 양자우물층(124)의 인듐 조성은 약 22% 정도가 되도록 인듐 소스량을 제어하였다.

동일한 순서를 반복하여 모두 여덟 쌍의 질화갈륨 제1양자장벽층(121)/질화인듐갈륨 응력완화층(122)/질화갈륨 제2양자장벽층(123)/질화인듐갈륨 양자우물층(124)으로 이루어지는 다중 양자우물구조(120)를 가지는 발광층(130)을 성장하였다.

이러한 질화물 반도체 다중 양자우물구조를 가지는 발광층(130) 위에 0.1 ㎛의 p-형 질화갈륨 정공주입층(140)을 성장시켰다.

이후의 측면형 또는 수평형 발광 소자를 제작하는 과정은 제1실시예와 동일 할 수 있다.

경우에 따라서는 수직형 발광 소자의 구조를 제작할 수 있다. 즉, p-형 정공주입층(140) 상에 오믹 전극 또는 반사형 오믹 전극(160)을 형성하고, 그 위에 반도체 또는 금속으로 이루어지는 지지층(170)을 형성한다.

이후, 기판(150)을 제거하고, 이와 같이 기판(150)을 제거하여 드러난 전자주입층(110) 상에 n-형 전극(180)을 형성하면 도 9와 같은 수직형 발광 소자 구조를 이룰 수 있다.

<제3실시예>

도 10에서 도시하는 바와 같이, 사파이어 기판(240) 위에 4 ㎛ n-형 질화물 반도체 전자주입층(210)을 1050 ℃에서 성장하였고, 압력은 200 토르를 적용하였다.

그 위에 다음과 같은 구조를 가지는 발광층(220)을 성장하였다. 즉, 온도 850 ℃에서 10 nm 크기의 질화인듐갈륨 제1양자장벽층을 성장하였다. 제1양자장벽층의 인듐 조성은 약 0.3% 정도가 되도록 인듐 소스량을 제어하여 성장장비 내부에 주입하였다.

그 위에, 1 내지 7 nm 두께의 질화인듐갈륨 응력완화층을 성장하였다. 질화인듐갈륨 응력완화층의 평균 인듐 조성이 1 내지 5% 정도가 되도록 인듐 소스량과 성장온도를 제어하였다.

그 위에, 0.2 내지 3 nm 크기의 질화인듐갈륨 제2양자장벽층을 성장하였다. 질화인듐갈륨 제2양자장벽층의 인듐조성이 약 0.3% 정도가 되도록 인듐 소스량을 제어하였다.

그 위에 온도 700 ℃에서 2 내지 3 nm 두께의 질화인듐갈륨 양자우물층을 성장하였다. 질화인듐갈륨 양자우물층의 인듐 조성은 약 16 내지 25% 정도가 되도록 인듐 소스량을 제어하였다.

동일한 순서를 반복하여 모두 여덟 쌍의 질화인듐갈륨 제1양자장벽층/질화인듐갈륨 응력완화층/질화인듐갈륨 제2양자장벽층/질화인듐갈륨 양자우물층으로 이루어지는 다중 양자우물구조를 가지는 발광층(220)을 성장하였다.

이중, 여덟 개의 응력완화층 중에서 초기 2개 내지 6개의 응력완화층에는 n-형 도펀트 소스를 주입하였다.

발광층(220) 내의 제1양자장벽층 중에서 초기 2개 내지 4개의 제1양자장벽층에는 n-형 도펀트 소스를 주입하였다. 이러한 질화물 반도체 다중 양자우물구조를 갖는 발광층(220) 위에 0.1 ㎛의 p-형 질화갈륨 정공주입층(230)을 성장시켰다.

이후에는, 제1실시예에서와 같이, 수평형 발광 소자 구조를 제작하거나 제2실시예에서와 같이 수직형 발광 소자 구조를 제작할 수 있다.

<제4실시예>

도 11에서 도시하는 바와 같이, 사파이어 기판(340) 위에 4 ㎛ n-형 질화물 반도체 전자주입층(310)을 1050 ℃에서 성장하였고, 압력은 200 토르를 적용하였다.

그 위에 다음과 같은 구조를 가지는 발광층(320)을 형성하였다. 즉, 온도 850 ℃에서 10 nm 크기의 질화인듐갈륨 제1양자장벽층을 성장하였다. 그 위에, 3 nm 두께의 질화인듐갈륨 응력완화층을 성장하였다. 응력완화층의 평균 인듐 조성이 3% 정도가 되도록 인듐 소스량과 성장온도를 제어하였다.

그 위에, 1 nm 크기의 질화인듐갈륨 제2양자장벽층을 성장하였다. 그 위에 온도 760 ℃에서 3 nm 두께의 질화인듐갈륨 양자우물층을 성장하였다. 이러한 양자우물층의 인듐 조성은 약 16% 정도가 되도록 인듐 소스량을 제어하였다.

동일한 순서를 반복하여 모두 여덟 쌍의 질화인듐갈륨 제1양자장벽층/질화인듐갈륨 응력완화층/질화인듐갈륨 제2양자장벽층/질화인듐갈륨 양자우물층으로 이루어지는 발광층(320)을 형성하였다. 여덟 개의 응력완화층 중에서 초기 2개의 응력완화층에는 n-형 도펀트 소스를 주입하였다.

발광층(320) 내의 제1양자장벽층 중에서 초기 4개의 제1양자장벽층에는 n-형 도펀트 소스를 주입하였다. 또한, 발광층(320) 내의 양자우물층들 중에서 초기 1개 내지 4개의 양자우물층들에는 n-형 도펀트 소스를 주입하여 성장하였다.

이러한 질화물 반도체 다중 양자우물구조의 발광층(320) 위에 0.1 ㎛의 두께를 가지는 p-형 질화갈륨 정공주입층(330)을 성장시켰다.

<제5실시예>

도 12에서 도시하는 바와 같이, 사파이어 기판(440) 위에 4 ㎛의 두께를 가지는 n-형 질화물 반도체 전자주입층(410)을 1050 ℃에서 성장하였고, 압력은 200 토르를 적용하였다.

그 위에는 도 13과 같은 구조를 가지는 발광층(420)을 형성하였다. 즉, 온도 900 ℃ 에서 약 7 nm 두께의 질화갈륨 제1양자장벽층(421)을 성장하였다. 그 위에, 3 nm 두께의 질화인듐갈륨 제1응력완화층(422)을 성장하였다.

이러한 제1응력완화층(422)의 평균 인듐 조성이 2% 정도가 되도록 인듐 소스량과 성장온도를 제어하였다. 그 위에, 1 nm 두께의 질화갈륨 제2양자장벽층(423)을 성장하였다.

이와 같은 제2양자장벽층(423) 위에 온도 710 ℃에서 3 nm 두께의 질화인듐갈륨 양자우물층(424)을 성장하였다.

이러한 양자우물층(424) 상에는 제2응력완화층(425)를 성장할 수 있고, 이러한 제2응력완화층(425) 상에는 7 nm 두께의 제1양자장벽층(421)이 위치한다.

상술한 제2응력완화층은 다음과 같은 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 온도 900 ℃에서 약 0.5nm 두께의 질화갈륨층을 성장하고, 그 위에 연속하여 약 0.5nm 두께의 질화인듐갈륨(인듐조성 약 0.2%)을 성장한다.

이러한 질화갈륨과 인듐조성이 약 0.2%인 질화인듐갈륨으로 이루어지는 쌍이 2 내지 10쌍 구비되는 초격자 구조를 가질 수 있다.

한편, 양자우물층(424)의 인듐 조성은 약 23% 정도가 되도록 인듐 소스량을 제어하였다. 동일한 순서를 반복하여 모두 여덟 쌍의 질화물 반도체 다중 양자우물구조 발광층(420)을 성장하였다.

여덟 개의 제1응력완화층(422) 중에서 초기 2개의 제1응력완화층(422)에는 n-형 도펀트 소스를 주입하였다. 발광층(420) 내의 제1양자장벽층(421) 중에서 초 기 4개의 제1양자장벽층(421)에는 n-형 도펀트 소스를 주입하였다.

발광층(420) 내의 양자우물층(424)들 중에서 초기 2개의 양자우물층(424)들에는 n-형 도펀트 소스를 주입하여 성장하였다.

이러한 구조를 가지는 질화물 반도체 다중 양자우물구조의 발광층(420) 위에 0.1 ㎛의 두께를 가지는 p-형 질화갈륨 정공주입층(430)을 성장시켰다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 발광층 내에 본질적으로 존재하는 압축응력을 획기적으로 감소시키고, 양자우물층 내에 전자와 정공을 효과적으로 구속함으로써 발광 소자의 내부양자효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

둘째, 이와 같이, 발광층의 압축응력을 효과적으로 완화시켜서 양자우물층 내에서의 응력분포와 인듐조성 분포를 더욱 균일하게 하여 광특성을 더욱 개선시킬 수 있다.

셋째, 양자장벽층과 양자우물층 사이의 계면특성이 향상되어 계면에서의 캐 리어 손실을 크게 줄임으로써 발광 효율을 크게 개선시킬 수 있다.

넷째, 발광 소자의 본질적인 광특성인 내부양자효율을 획기적으로 증대시킴으로써 고휘도 고효율의 발광소자를 구현할 수 있다.

Claims

질화물계 발광 소자에 있어서,

제1양자장벽층과;

상기 제1양자장벽층 상에 위치하는 응력완화층과;

상기 응력완화층 상에 위치하는 제2양자장벽층과;

상기 제2양자장벽층 상에 위치하는 양자우물층과;

상기 양자우물층 상에 위치하는 제1양자장벽층으로 이루어지는 적어도 하나 이상의 양자우물구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 응력완화층은, 면방향 격자상수 값이 상기 제1양자장벽층과 상기 양자우물층 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 응력완화층의 에너지 밴드갭은, 상기 제1양자장벽층과 상기 양자우물층 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 응력완화층의 두께는, 1 내지 15nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 응력완화층 중 적어도 하나 이상은, n-형 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 응력완화층은, 평균 조성이 0.1 내지 5%의 In 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제2양자장벽층의 에너지 밴드갭은, 상기 응력완화층의 에너지 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제2양자장벽층의 두께는, 상기 제1양자장벽층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제2양자장벽층의 두께는, 0.2 내지 5nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 양자우물구조는 8개로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 제1양자장벽층 중 적어도 하나 이상은, n-형 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 양자우물층 중 적어도 하나 이상은, n-형 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 양자우물층과 상기 제1양자장벽층 사이에는 제2응력완화층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 13항에 있어서, 상기 제2응력완화층은, 초격자 구조인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 13항에 있어서, 상기 제2응력완화층은, 질화갈륨 및 질화인듐갈륨이 반복되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.