KR100631980B1 - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자방출구조를 갖는 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, n형 질화물 반도체층, p형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 n형 질화물반도체층 사이에 형성되며 양자우물층과 양자장벽층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 전자방출층을 형성되며, 상기 전자방출층은, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되며 AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 질화물 반도체 양자점(QD)층과, 상기 질화물 반도체 양자점 상에 형성되며 인접한 상기 양자우물층의 에너지밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 갖는 공진터널층을 포함하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
반도체 양자점(semiconduoctor quantum dot), 내부양자효율(internal quantum efficiency), 압전필드(piezoelectric field)

Description

질화물 반도체 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE}
도1a는 종래의 질화물 반도체 소자의 측단면도이다.
도1b는 도1a의 질화물 반도체 소자의 에너지밴드 다이어그램이다.
도2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 측단면도이다.
도3는 InGaN층과 InN 양자점층을 반복성장시킨 구조의 측단면을 촬영한 TEM사진이다.
도4a 및 도4b는 종래의 질화물 반도체 소자에 채용되는 활성층의 표면을 촬영한 AFM사진이다.
도4c는 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자에 채용되는 활성층의 표면을 촬영환 AFM사진이다.
도5a 및 도5b는 각각 종래와 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자에 채용되는 전자방출층/활성층의 포토루미네센스(PL)를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
21: 사파이어기판 22: 버퍼층
23: n형 질화물 반도체층 25a: 공진터널층
25b: 질화물 반도체 양자점층 26: 활성층
27: p형 질화물 반도체층 28: n측 전극
29: p측 전극
본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 활성층으로 주입되는 전자의 포획율을 최적화하여 내부양자효율을 향상시키는 동시에, 활성층에서 압전필드를 유발하는 스트레스문제를 저감시킬 수 있는 고효율 질화물 반도체 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광통신기기에 광원으로 제공되는 녹색 또는 청색 발광 다이오드(light emitting diode:LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode: LD)에 널리 사용되고 있다. 이러한 질화물 반도체 소자는 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 배치된 단일양자우물(single quantum well: SQW)구조 또는 다중양자우물(multi quantum well: MQW)구조의 활성층을 포함하며, 상기 활성층에서의 전자와 정공의 재결합에 의해 특정 파장광을 생성할 수 있다.
상기 질화물 반도체 소자의 광효율은 원천적으로 활성층 내에서의 전자와 정 공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. 이러한 내부양자효율의 개선방안은 주로 활성층 자체의 구조를 개선하거나 캐리어의 유효량(effective mass)을 증가시키는 방향으로 연구되고 있다.
특히, 활성층에서 캐리어의 유효량을 증대시키기 위해서, 활성층 외부에서 재결합되는 캐리어수를 감소시켜야 하므로, 전자와 정공의 포획율(capture rate)을 최적화할 필요가 있다. 하지만, 전자의 이동성이 정공의 이동성에 비해 상대적으로 크므로, 일부 전자가 활성층 내에서 재결합되지 않고, p형 질화물 반도체층까지 이동하여 활성층 외부에서 재결합되어 발광효율을 저하시키는 문제가 있다.
이러한 종래의 방안으로서, 미국등록특허 제6,614,060호(등록공고일자: 2003.09.02, 양수인: Arima Optoelectronics Corporation)에서는 n형 질화물 반도체층과 활성층 사이에 InGaN/GaN층으로 이루어진 비대칭 공진터널링 구조(asymmetric resonance tunneling structure)를 채용하는 방안이 제안되었다.
상기 특허 문헌에 따른 질화물 반도체 소자의 개략적 구조와 밴드다어그램이 도1a 및 도1b에 도시되어 있다.
도1a에 도시된 질화물 반도체 소자(10)는, 상면에 버퍼층(12)이 형성된 사파이어기판(11)을 포함한다. 상기 버퍼층(12) 상에는 n형 질화물 반도체층(13), 활성층(16) 및 p형 질화물 반도체층(17)이 순차적으로 형성된다. 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(13,16)에 각각 접속된 n측 및 p측 전극(18,19)을 갖는다.
상기 특허 문헌에서 제안된 전자방출층구조(15)는 n형 질화물 반도체층(13) 과 활성층(16) 사이에 형성된 InGaN 전자축적층(15a)과 GaN인 공진터널층(15b)으로 이루어진다. 상기 전자방출층(15)은 활성층(16)에서 재결합되지 않고 p형 질화물 반도체층(17)으로 진입하는 전자를 감소시키는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 도1b를 참조하면, InGaN 전자축적층(15a)은 GaN인 n형 질화물반도체층(13)보다 작은 밴드갭을 가지며, GaN 공진터널층(15b)은 양자우물층보다 두꺼운 에너지밴드갭을 가지며 터널링가능한 두께로 형성된다.
상기 n형 질화물 반도체층(13)으로부터 제공되는 전자는 낮은 밴드갭을 갖는 InGaN 전자축적층(15a)에 축적되고, 그 축적된 전자는 GaN 공진터널층(15b)을 통해 터널링되어 활성층(16)에 주입된다. 이러한 방식을 통해, 상기 전자방출층(15)은 전자를 포획한 후에 터널링효과를 이용하여 활성층으로 전자를 주입시킴으로써 활성층에서 재결합되는 전자의 유효량을 증가시킬 수 있다.
하지만, 상기 방안에 따르면, InGaN인 전자축적층(15a)은 인접한 n형 질화물 반도체층(13)의 에너지밴드갭보다 충분히 작은 밴드갭을 갖는 동시에, 비교적 큰 두께(약 50㎚)를 가져야 하므로, 격자상수 차이로 인해 큰 스트레스를 유발한다.
이러한 격자상차의 차로 인한 스트레스는 활성층의 결정성이 크게 저하시킬 뿐만 아니라, 활성층에 미치는 압전필드의 영향을 보다 심각하게 한다. 특히, 압전필드로 인해 파동함수간 거리가 증가되어, 재결합확률을 저하되는 측면이 있다. 이는 오히려 소자의 발광효율을 심각하게 저하시키는 문제를 야기한다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 스트레스로 인한 활성층의 결정성 저하 및 압전필드에 의한 영향을 저감시키면서도 활성층 아래에서 효과적으로 전자를 포획하여 재결합확률을 증가시킬 수 있는 새로운 전자방출구조를 갖는 질화물 반도체 소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,
n형 질화물 반도체층, p형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 n형 질화물반도체층 사이에 형성되며 양자우물층과 양자장벽층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 전자방출층을 형성되며, 상기 전자방출층은, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되며 AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 질화물 반도체 양자점(QD)층과, 상기 질화물 반도체 양자점 상에 형성되며 인접한 상기 양자우물층의 에너지밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 갖는 공진터널층을 포함하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
바람직하게, 상기 질화물 반도체 양자점층은 약 1 원자층 두께이상이고 약 50Å이하인 두께를 가지며, 보다 바람직하게, 상기 질화물 반도체 양자점층은 약 10∼30Å이하의 두께를 갖는다.
본 발명에서 채용된 질화물 반도체 양자점층은 상기 인접한 n형 질화물 반도체층과의 격자상수 차이를 가지며, 그 차이로부터 형성될 수 있다.
이러한 양자점 형성을 위한 격자상수차이는 In 함량의 차이로서 구현될 수 있다. 바람직한 형태에서, 상기 질화물 반도체 양자점층이 AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0<y≤1)이고 상기 n형 질화물 반도체층이 Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N(여기서, 0≤x1≤1, 0≤y1<1)인 경우에, y를 적어도 y1보다 0.3정도 크게 설정함으로써 원하는 질화물 반도체 양자점을 형성할 수 있다.
상기 질화물 반도체 양자점층이 InyGa(1-y)N이고, 상기 n형 질화물 반도체층이 GaN인 경우에, 상기 반도체 양자점층의 In함량(y)를 0.3∼1인 범위로 설정하는 방안이 보다 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 공진터널층은 질화물 반도체 양자점층에 포획된 전자가 터널링될 수 있도록 약 0.5∼10㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 공진터널층이 Iny2Ga(1-y2)N인 경우에, 원하는 에너지밴드갭을 갖기 위해서, In함량(y)는 0.2이하인 것이 바람직하다. 상기 공진터널층은 상기 양자장벽층과 동일한 조성을 갖는 것이 보다 바람 직하다.
필요에 따라, 상기 공진터널층은 언도프된 층이거나, n형 불순물로 도프된 층일 수 있다. n형 불순물로 도프된 경우에, n형 불순물 농도는 약 1020/㎤이하인 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 측단면도이다.
도2에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 소자(20)는, 상면에 버퍼층(22)이 형성된 사파이어기판(21)을 포함한다. 상기 버퍼층(22)은 저온에서 성정된 질화물층일 수 있다. 상기 버퍼층 상에는 n형 질화물 반도체층(23), 활성층(26) 및 p형 질화물 반도체층(27)이 순차적으로 형성된다. 또한, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(23,26)에 각각 접속된 n측 및 p측 전극(28,29)을 갖는다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 소자(20)는 n형 질화물 반도체층(23)과 활성층(26) 사이에 새로운 전자방출층구조(25)을 갖는다. 상기 전자방출층(25)은 질화물 반도체 양자점층(quantum dot layer: 25a)과 공진터널층(25b)을 포함한다.
본 발명에서 채용된 전자방출층(25)은 종래의 낮은 밴드갭를 갖는 층구조를 이용하는 전자축적방식과 달리, 캐리어의 자유도가 0차원인 양자구조인 양자점을 이용한다. 본 발명에서 전하축적구조로서 채용되는 질화물 반도체 양자점층(25a)은 밴드갭원리와는 달리 전자를 3차원적으로 구속하여 축적시키는 방식을 사용한다. 또한, 질화물 반도체 양자점층(25a)은 통상적인 두꺼운 결정층 구조와 달리 후속 성장되는 질화물층(예, 활성층)의 결정성에 악영향을 주지 않는다.
상기 질화물 반도체 양자점층(25a)은 상기 n형 질화물 반도체층(23) 상에 형성되며, AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진다. 상기 질화물 반도체 양자점층(25a)은 공지된 다양한 양자점 형성방법이 도입될 수 있으나, 바람직하게는 n형 질화물 반도체층(23)과 적절한 격자상수 차이를 이용한 자발적 형성방법(self-assembling)이 사용된다. 즉, 격자상수 차이를 갖는 층의 성장은 강한 결합력에 기반하여 2차원적인 성장을 진행하면서도, 성장두께의 증가에 따라 기반물질과의 격자상수 차이로 인한 성장층의 내부스트레스도 증가하다가, 임계두께에 도달하면, 자발적으로 3차원적인 아일랜드(island)의 양자점을 형성하여 응력을 이완시킨다. 이러한 자발적 양자점 형성방법을 위한 격자상수 차이는 n형 질화물 반도체층과의 조성함량 차이로 조절될 수 있으며, 바람직하게는 In함량을 통해 조절될 수 있다.
예를 들어, 상기 n형 질화물 반도체층(23)이 Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N(여기서, 0≤x1≤1, 0≤y1<1)일 때에, 상기 질화물 반도체 양자점층(25a)은 y가 적어도 y1보다 0.3 큰 AlxInyGa(1-x-y)N인 질화물로 형성될 수 있다. 다른 구체적인 예에서, 상기 n형 질화물 반도체층(23)이 GaN인 경우에, 상기 질화물 반도체 양자점층(25a)은 0.3≤y≤1인 InyGa(1-y)N 인 질화물로 형성될 수 있다.
또한, 상기 질화물 반도체 양자점층(25a)은 원하는 양자점이 형성가능하며(즉, 자발적 형성을 위한 임계두께), 결정층 구조로 성장되지 않도록 적절한 두께로 성장하는 것이 요구된다. 바람직하게는 1 원자층(monolayer: ML) 두께이상이고 약 50Å이하인 두께, 보다 바람직하게는 약 10∼30Å의 두께를 갖는다.
상기 공진터널층(25b)은 상기 질화물 반도체 양자점층(25a) 상에 형성되며 인접한 상기 활성층(26)의 양자우물층(미도시)의 에너지밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 갖는다. 상기 공진터널층(25b)은 상기 양자점층(25a)에서 축적된 전자가 활성층(26)으로 터널링가능하도록 적절한 두께를 갖는다. 상기 공진터널층(25b)의 바람직한 두께는 약 0.5∼10㎚일 수 있다. 상기 공진터널층(25b)은 Iny2Ga(1-y2)N이며, 여기서, 바람직한 In함량(y2)은 0.2이하이지만, 이에 한정되지 않으며, y2는 인접한 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 갖는 조건으로 형성된다.
필요에 따라, 상기 공진터널층(25b)은 상기 활성층(26)의 양자장벽층(미도시)과 동일한 에너지밴드갭을 갖도록 동일한 조성을 가질 수 있다. 또한, 상기 공 진터널층(25b)은 언도프된 층일 수 있거나, n형 불순물로 도프된 층일 수 있다. n형 공진터널층인 경우에, 그 n형 불순물 농도는 1020/㎤이하인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자는 전자축적구조로서 소정의 두께를 갖는 결정층이 아니라, 양자점을 이용함으로써 전자의 포획효과가 우수할 뿐만 아니라, 격자상수 차이로 인한 스트레스를 유발하지 않으므로, 활성층의 양호한 결정성을 기대할 수 있다. 따라서, 종래의 전자방출층구조에서 필연적으로 야기되었던 압전필드에 의한 재결합확률의 저하문제를 방지할 수 있다.
도3은 본 발명에서 채용되는 질화물 반도체 양자점층의 형성을 증명하는 일 실험결과로서, GaN층과 InN 양자점층을 반복성장시킨 구조를 촬영한 TEM사진이다.
본 발명자는 도3과 같이 통상적인 n형 질화물 반도체층으로 사용되는 약 10㎚의 GaN층과 약 30Å의 InN층을 3회 반복성장시킨 결과, GaN층 상에 얇은 InN층은 양자점(quantum dot: QD)구조로 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 InN 양자점(QD)층은 GaN과의 격자상수 차이로 인한 스트레스에 의해 형성된 것으로 이해될 수 있다. 또한, 반복성장과정에서 InN 양자점층 상에 형성된 GaN층 역시 양호한 결정성을 갖는 것도 확인할 수 있었다.
이하, 본 발명에 따른 일실시예와 종래 방식에 따른 비교예들을 통해, 본 발 명에서 기대되는 결정성 향상 및 전자포획효과를 보다 상세히 설명한다.
(실시예)
본 실시예에서는 사파이어기판 상에 n형 GaN층을 형성한 후에, 전자축적층으로서 약 15Å두께의 InN 양자점층을 형성하였다. 이어, InN 양자점층 상에 공진터널층으로서 약 10Å두께의 GaN층을 형성하였다. 다음으로, 10Å두께의 In0.3Ga0.7N 양자우물층과 15Å두께의 GaN 양자장벽층을 갖는 활성층을 형성하였다.
(비교예1)
본 비교예에서는, 상기 실시예와 동일한 조건으로 각층을 성장시키되 전자방출구조인 전자축적층 및 공진터널층을 형성하지 않고, n형 GaN층 상에 직접 활성층을 형성하였다.
(비교예2)
본 비교예에서는, 상기 실시예 및 비교예1과 동일한 조건으로 각 층을 성장시키되, 전자방출구조인 전자축적층 및 공진터널층을 달리하였다. 즉, n형 GaN층에 성장되는 전자축적층로서 약 50㎚두께의 In0.3Ga0.7N층을 형성하였다.
상기한 비교예1 및 2와 실시예로부터 얻어진 활성층의 최종 표면(5 ×5㎛)을 AFM으로 촬영하였다. 도4a 내지 도4c는 각 활성층의 최종표면에 대한 AFM사진이다.
우선, 비교예1(도4a 참조)에서는 비교적 적은 수의 피트(pit)가 확인되었다. 이는 결정조건에 따라 불가피하게 발생되는 수준으로 볼 수 있다. 이에 반해, 비교예2(도4b 참조)에서는 도4a에 비해 상대적으로 많은 수의 피트를 확인할 수 있다. 이러한 많은 수의 피트는 비교예1, 즉 전자방출구조를 채용하지 않은 활성층에 비해 결정성이 상당히 손상되었음을 나타낸다. 이는 비교적 두꺼운 전자축적층에 의해 유발되는 스트레스에 인한 것임을 알 수 있다.
반면에, 본 발명에 따른 실시예(도4c)에서는, 전자방출층을 채용하지 않은 비교예1과 유사한 정도로 적은 수의 피트만이 관찰되었다. 본 실시예에서는 재결합효율 향상을 위해서 전자방출구조를 채용하였으나, 전자축적층으로서 비교예2와 같이 에너지밴드갭 차이를 이용한 두꺼운 결정층을 사용하지 않고, 양자점을 이용한 결과임을 알 수 있다.
본 실험결과에 의해, 본 발명에 따라 양자점을 이용한 전자방출구조는 활성층의 결정성을 저하시키지 않을 수 있으며, 따라서 종래의 전자방출구조와 같이 활성층에 미치는 압전필드영향을 증가시키는 부작용을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서 채용되는 질화물 반도체 양자점층의 전자포획효과를 확인하기 위해서, 상기 실시예와 비교예2이 결과물에 대한 포토루미네센스(PL)을 측정하였다. 도5a 및 도5b는 각각 비교예2와 본 발명에 따른 실시예의 포토루미네센스(PL)를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도5a의 PL 그래프(비교예2)에서는, InGaN 전자축적층에 의해 400㎚근처에서 피크가 발생하였으며, 도5b의 PL 그래프(실시예)에서는, InN 반도체 양자점층에 의해 440㎚근처에서 피크가 발생하였다. 특히, 본 실시예에 따른 InN 반도체 양자점층은 도5a에 비해 보다 큰 피크를 갖는다. 이는 본 발명에 따른 반도체 양자점이 종래의 에너지밴드갭에 의한 전자축적층에 비해 전자포획효과가 더 향상되었음을 확인해주는 결과이다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 질화물 반도체 소자에 따르면, 전자방출구조에서 반도체 양자점을 전하축적층으로서 채용함으로써 전자를 보다 효과적으로 포획하여 재결합확률을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 스트레스로 인한 활성층의 결정성 저하를 방지하는 동시에 압전필드에 의한 영향을 저감시켜 내부양자효율을 탁월하게 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. n형 질화물 반도체층, p형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 n형 질화물반도체층 사이에 형성되며 양자우물층과 양자장벽층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 전자방출층을 형성되며,
    상기 전자방출층은, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되며 AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진 질화물 반도체 양자점(QD)층과, 상기 질화물 반도체 양자점 상에 형성되며 인접한 상기 양자우물층의 에너지밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 갖는 공진터널층을 포함하는 질화물 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 양자점층은 1 원자층 두께이상이고 50Å이하인 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 양자점층은 10∼30Å이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 양자점층을 구성하는 물질의 격자상수와 상기 n형 질화물 반도체층의 격자상수는 상이한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 양자점층은 AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0<y≤1)이고, 상기 n형 질화물 반도체층은 Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N(여기서, 0≤x1≤1, 0≤y1<1)이며, y는 적어도 y1보다 0.3이 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 양자점층은 InyGa(1-y)N이고, 상기 n형 질화물 반도체층은 GaN이며, 여기서 y는 0.3∼1인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공진터널층은 0.5∼10㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공진터널층은 Iny2Ga(1-y2)N이며, 여기서 y2가 0.2이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 공진터널층은 상기 양자장벽층과 동일한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 공진터널층은 언도프된 층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 공진터널층은 n형 불순물로 도프된 층이며, n형 불순물 농도는 1020/㎤이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
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