KR100691283B1 - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

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원종학
김수한
한재웅
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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 제1 도전형 및 제2 도전형 질화물층과 상기 p형 및 n형 질화물층 사이에 형성되며 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층으로 이루어진 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 도전형 질화물층과 상기 활성층 사이에 배치되며, 상기 활성층의 양자우물층에 함유된 인듐의 조성보다 많은 인듐을 함유한 전류분산층을 포함하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
질화물 반도체 소자(nitride semiconductor device), InGaN, 전류크라우딩(current crowding)

Description

질화물 반도체 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE}
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 측단면도이다.
도2a 및 도2b는 각각 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 측단면도 및 에너지밴드다이어그램이다.
도3은 도2a의 실시형태에 채용된 전류분산층에 의한 효과를 설명하기 위한 개략도이다.
도4는 종래예에 따른 발광소자와 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 발광소자의 발광효율을 비교하기 위한 EL 스펙트럼이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11,21: 기판 12,22: 버퍼층
14,24: n형 GaN층 15: InGaN 전류분산층
25: InGaN/GaN 전류분산층 25a: InGaN층
25b: GaN층 26: 활성층
27a: p형 AlGaN층 27b: p형 GaN층
본 발명은 질화물계 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부양자효율을 향상시키는 동시에 동작전압 및 역전압 특성을 개선한 고효율 질화물계 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 소자의 효율은 활성층 내에서의 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. 이러한 내부양자효율의 개선방안은 주로 활성층의 구조를 개선하거나 캐리어의 유효량(effective mass)을 증가시키는 방향으로 연구되고 있다. 또한, 활성층에 캐리어가 균일하게 주입되지 않는 전류 크라우딩(current crowding) 현상은 질화물 반도체 소자의 효율을 저하시키는 주요 원인이 된다.
특히, 전류크라우딩 현상은 질화물 반도체 소자의 불가피한 전극의 배열에 의해 보다 심각해진다. 즉, 질화물 반도체 소자가 사파이어기판과 같은 절연성 기판을 포함하는 경우에, 2개의 전극은 소자의 상하면이 각각 배치되지 않고, 에피택셜층에 메사에칭공정을 적용하여 2개의 전극을 동일한 상면을 향하도록 배치된다. 이를 플래너(plannar)구조 질화물 발광소자라고도 한다.
이러한 플래너구조 질화물 발광소자는 2개의 전극이 발광구조물 상하면에 각각 배치된 버티컬(vertical)구조 발광소자에 비해 전류흐름이 전체 발광영역에 균일하게 분포하지 못하므로, 발광에 가담하는 유효면적이 크지 못하고, 발광면적당 발광효율도 낮다는 문제가 있다.
이와 같이, 당 기술분야에서는 고효율 질화물 반도체 소자를 제조하기 위해서, 전류흐름이 활성층의 전체면적에 균일하게 분산시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 질화물 반도체 소자가 요구되어 왔다.
상기한 기술적 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 높은 캐리어(특히, 전자)이동도가 보장되는 비교적 높은 인듐함유량을 갖는 층을 활성층과 클래드층 사이에 도입함으로써 횡방향 전류흐름을 강화하고 이로써 균일한 전류분산을 기대할 수 있는 새로운 질화물 반도체 소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은
제1 도전형 및 제2 도전형 질화물층과 상기 제1 및 제2 도전형 질화물층 사이에 형성되며 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층으로 이루어진 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 도전형 질화물층과 상기 활성층 사이에 배치되며, 상기 양자우물층의 인듐 함유량보다 많은 인듐을 함유한 전류분산층을 포함하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
상기 활성층은 Inx1Ga1 -x1N(0≤x1<1)인 양자장벽층과 Inx2Ga1 -x2N(x1<x2<1)인 양자우물층으로 이루어진 형태에서는, 상기 전류분산층이 InyGa1 -yN(x2<y≤1)층을 포함하는 구조일 수 있다.
횡방향 전류흐름을 충분히 향상시키기 위해서 높은 캐리어 이동도가 보장되어야 하므로, 상기 전류분산층의 인듐 함유량은 상대적으로 활성층보다 높은 캐리어 이동도를 얻기 위해서, 상기 양자우물층의 인듐 함유량보다 5mol% 이상 많은 것이 바람직하다.
바람직한 실시형태에서, 상기 전류분산층은 서로 다른 조성을 갖는 적어도 한 쌍의 제1 및 제2층을 포함하며, 상기 제1층은 InyGa1 - yN층이며, 상기 제2층은 GaN층일 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 전류분산층은 상기 제1 및 제2층이 교대로 2 내지 12주기로 형성될 수 있다. 적어도 2주기에서 충분한 효과를 기대할 수 있으며, 12주기 초과한 경우에는 전체적인 층 두께의 증가로 인해 저항이 증가하여 오히려 발광효율이 저하될 수 있다.
이에 한정되지는 않으나, 상기 제1층의 두께는 10∼100Å인 것이 바람직하 며, 상기 제2층의 두께는 100∼250Å인 것이 바람직하다.
본 발명에서 제안되는 고인듐함유량 전류분산층은 전류크라우딩현상이 심각한 n형 질화물층과 활성층 사이에 도입됨으로써 발광효율의 보다 큰 향상을 기대할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자(10)의 측단면도이다.
도1을 참조하면, 상기 질화물 반도체소자(10)는 버퍼층(12)이 형성된 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(14), 활성층(16) 및 p형 질화물 반도체층(17)을 포함한다.
상기 기판(11)은 사파이어 및 SiC와 같은 이종기판 또는 GaN과 같은 동종기판일 수 있다. 상기 활성층(16)은 양자우물층(16a)과 양자장벽층(16b)으로 구성된 다중양자우물구조일 수 있다. 또한, p형 질화물 반도체층(17)은 전자오버플로잉을 방지하기 위한 p형 AlGaN층(17a)과 콘택영역을 제공하는 p형 GaN층(17b)으로 구성될 수 있다.
본 실시형태에 따른 질화물 반도체소자(10)는 상기 n형 질화물 반도체층(14)과 활성층(16) 사이에 InGaN 전류분산층(15)을 포함한다. 상기 전류분산층(15)은 양자우물층(16a)에 함유된 인듐함유량보다 많은 양의 인듐을 함유한다. 일반적으로, 인듐 함유량이 많은 질화물층은 다른 조성의 질화물층에 비해 높은 캐리어 이동도를 보장하는 것으로 알려져 있다.
예를 들어, InN층에서의 전자이동도(약 3200 ㎠/Vㆍs)는 AlN층 및 GaN층(각각 약 300 ㎠/Vㆍs, 1000∼1350 ㎠/Vㆍs)에서의 전자이동도에 비해 매우 높다.
따라서, InGaN 전류분산층(15)에서는 주입되는 전자가 매우 높은 이동도가 보장되므로, 횡방향 전류성분이 강화되어 전류의 균일한 분산을 도모할 수 있다. 이러한 횡방향 전류흐름을 충분히 향상시키기 위해서, 상기 전류분산층(15)의 인듐 함유량은 충분한 전류분산효과를 얻기 위해서, 상기 양자우물층의 인듐 함유량보다 5mol% 이상 많은 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 양자장벽층(16b)이 Inx1Ga1 -x1N(0≤x1<1)을 만족하는 질화물층이며, 상기 양자우물층(16a)이 Inx2Ga1 -x2N(x1<x2<1)인 경우에는, 상기 전류분산층(15)은 InyGa1 -yN(x2<y≤1)층일 수 있다.
도2a는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 측단면도이다.
상기 질화물 반도체 소자(20)는, 도1에 도시된 형태와 유사하게 버퍼층(22) 이 형성된 기판(21) 상에 순차적으로 형성된 n형 GaN 층(24), 다중양자우물구조인 활성층(26) 및 p형 AlGaN/GaN층(27a,27b)을 포함한다.
본 실시형태에 따른 질화물 반도체소자(20)는 상기 n형 질화물 반도체층(24)과 활성층(26) 사이에 전류분산층(25)을 포함한다.
본 실시형태에 채용된 전류분산층(25)은 InGaN인 제1층(25a)과 GaN인 제2층(25b)으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 복수회 교대로 반복하여 적층된 구조를 갖는다.
종래에는 n형 질화물층과 활성층에 InGaN/GaN 초격자구조를 채용하는 경우가 있으나, 이는 결정성을 향상시키기 위한 것으로서 격자정합을 고려하여 InGaN층의 인듐 함유량은 양자우물층의 인듐 함유량보다 낮은 조건이 요구되는 반면에, 본 발명에서 채용되는 제1층(25a)은 오히려 양자우물층(26a)에 함유된 인듐함유량보다 많은 인듐 함유량을 갖는 것이 요구된다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, 인듐함유량의 증가를 통해 전자 이동도를 높혀 전류의 보다 균일한 분포를 도모하기 위함이다. 바람직하게는, 상기 제1층(25a)의 인듐 함유량은 적어도 15mol%이다.
상기 제1층(25a)은 도1에 도시된 InGaN 전류분산층(15)에 대응하는 요소로서, 그 층(25a) 내에서 높은 전자의 이동도가 보장함으로써, 횡방향 전류성분을 강화할 수 있으며, 그 결과 전류의 균일한 분산을 도모할 수 있다. 상기 양자장벽층(26b)이 Inx1Ga1 -x1N(0≤x1<1)을 만족하는 질화물층이며, 상기 양자우물층(26a)이 Inx2Ga1-x2N(x1<x2<1)인 경우에는, 상기 전류분산층(25)의 제1층(25a)은 InyGa1-yN(x2<y ≤1)층일 수 있다. 이러한 전류분산층(25)의 구성은 도2b에 도시된 바와 같이 에너지 밴드다이어그램으로 도시될 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 전류분산층(25)이 단일층구조로 제공되는 실시형태(도1 참조)에 비해 GaN인 제2층(25b)을 사이에 두고 반복적으로 InGaN인 제1층(25a)이 제공되므로, 전류분산효과를 보다 향상시킬 수 있다. 이러한 효과는 도3에 도시된 전류분산층(25)에서의 개략적인 전류흐름도를 통해 보다 용이하게 이해될 수 있다.
전류분산층(25)으로 주입되는 전류가 화살표와 같이 일부영역(예, 중앙영역)에 집중되더라도, GaN인 제2층(25b)에 비해 높은 전자이동도를 갖는 제1층(25a)에서는 횡방향으로 전류분산효과가 나타나며, 다른 제2층(25b)을 통해 다른 제1층(25a)에 주입되는 과정에서 점차적으로 그 전류분산효과를 증가된다. 이와 같이, InGaN인 제1층(25a)과 GaN인 제2층(25b)을 교대로 적층함으로써, 횡방향으로 전류를 보다 균일하게 분산시킬 수 있으며, 그 결과로서 발광효율을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 전류분산층(25)을 구성하는 제1 및 제2층(25a,25b)의 적층주기는 2 내지 12주기범위로 하는 것이 바람직하다. 적어도 2주기에서 충분한 효과를 기대할 수 있으며, 12주기 초과한 경우에는 전체적인 층(25) 두께의 증가로 인해 저항이 증가되어 오히려 발광효율이 저하될 수 있다.
이에 한정되지는 않으나, 상기 제1층(25a)의 두께는 10∼100Å인 것이 바람직하다. 10Å미만인 경우에는 전류분산효과를 기대하기 어려우며, 100Å을 초과하는 경우에는 격자부정합에 의해 결정성이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 제2층(25b)의 두께는 100∼250Å인 것이 바람직하다. 100Å미만인 경우에는 터널링 현상에 의해 원하는 효과를 기대하기 어려울 수 있으며, 250Å을 초과하는 경우에는 전체 층 두께가 지나치게 커지므로, 그로 인한 직렬저항이 증가되는 문제가 있을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 작용과 효과를 보다 상세히 설명하기로 한다.
( 실시예 )
본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 발광효율 개선효과를 확인하기 위해서, 본 발명에 따라 질화물 발광소자(LED)를 암모니아(NH3)분위기의 반응기 내에서 MOCVD법을 이용하여 제조하였다.
우선, 사파이어 기판에 GaN 저온핵성장층을 형성한 후에, Si를 이용하여 2×1018/㎤의 불순물농도를 갖는 n형 GaN층을 3㎛의 두께로 형성하였다.
이어, 본 발명에서 제시한 바와 같이, In0 .28Ga0 .72N인 제1층과 GaN인 제2층을 4회 교대로 반복하여 형성함으로써 전류분산층을 마련하였다. 이 때에, 제1층의 두 께는 30∼40Å으로 형성하였으며, 제2층은 130∼140Å의 두께로 형성하였다.
다음으로, 상기 전류분산층 상에 단일양자우물구조의 활성층을 형성하였다. 상기 활성층으로는 약 450㎚의 파장광을 얻기 위해서, In0 .18Ga0 .82N 양자우물층과 GaN 양자장벽층로 형성하였다.
상기 활성층 상에 약 2∼5 ×1017/㎤의 불순물농도을 갖는 30㎚의 AlGaN층과 약 120㎚의 두께를 갖는 p형 GaN층을 형성하였으며, 적절하게 메사에칭한 후에 p측 및 n측 전극을 형성하였다.
( 비교예 )
상기한 실시예와 동일한 조건으로 질화물 발광소자를 제조하되, 본 발명에 따른 전자차단층을 형성하는 대신에, 종래에 결정성 향상을 위해서 채용되는 초격자구조를 형성하였다. 즉, 양자우물층과 동일한 인듐함유량을 갖는 In0.18Ga0.82N인 제1층과 GaN인 제2층을 4회 교대로 반복하여 형성하였으며, 이 때에 제1층 및 제2층의 두께는 앞선 실시예와 동일하게 각각 30∼40Å, 130∼140Å의 두께로 형성하였다.
이와 같이, 얻어진 2개의 질화물 발광소자에 대해서 전계발광(electro-luminescence: EL)스펙트럼을 측정하였다. 그 결과를 도4에 도시하였다.
도4에 도시된 바와 같이, 종래의 단순한 초격자구조를 채용한 발광소자의 경우()에, 원하는 파장대역(450㎚)에서 1200정도로 나타났으나, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광소자의 경우(a)에 1400정도로 나타났다. 이러한 결과를 통해서, 본 발명에 따른 전류분산층을 채용한 발광소자가 단순히 결정성이 향상된 종래의 발광소자에 비해 약 17% 정도 향상된 발광효율을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서 제안된 전류분산층은 단일층 또는 GaN층과 함께 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 또한, 인듐함유량을 양자우물층의 인듐보다 높게 포함한 본 발명의 전류분산층에서는 전자이동도뿐만 아니라 정공이동도도 향상되므로, p형 질화물층과 활성층 사이에 배치하는 경우에도 유사한 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 명세서에 첨부된 도면에는 다중양자우물구조를 갖는 발광소자구조를 예시하였으나, 본 실시예와 같이 단일양자우물구조에서도 유사하게 적용될 수 있으며, 나아가 발광다이오드(LED) 외에도 레이저 다이오드(LD)와 같은 다른 종류의 질화물 반도체 소자에 유익하게 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 높은 캐리어(특히, 전자)이동도가 보장되는 비교적 높은 인듐함유량을 갖는 층을 활성층과 클래드층 사이에 도입함으로써 횡방향 전류흐름을 강화하여 전체 면적에 걸쳐서 전류를 보다 균일하게 분산시킬 수 있으며, 그 결과, 고효율 질화물 반도체 소자를 제조할 수 있다.

Claims (8)

  1. 제1 도전형 및 제2 도전형 질화물층과 상기 제1 도전형 및 제2 도전형 질화물층 사이에 형성되며 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층으로 이루어진 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 있어서,
    상기 제1 도전형 질화물층과 상기 활성층 사이에 배치되며, 상기 양자우물층의 인듐 함유량보다 많은 인듐을 함유한 전류분산층을 포함하는 질화물 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 Inx1Ga1 -x1N(0≤x1<1)인 양자장벽층과 Inx2Ga1 -x2N(x1<x2<1)인 양자우물층으로 이루어지며, 상기 전류분산층은 InyGa1 -yN(x2<y≤1)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전류분산층의 인듐 함유량은 상기 양자우물층의 인듐 함유량보다 5mol% 이상 많은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전류분산층은 교대로 적층된 서로 다른 조성을 갖는 적어도 한 쌍의 제1 및 제2층을 포함하며, 상기 제1층은 InyGa1 - yN층이며, 상기 제2층은 GaN층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류분산층은 상기 제1 및 제2층이 교대로 2 내지 12주기로 반복되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1층의 두께는 10∼100Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제2층의 두께는 100∼250Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 질화물층은 n형 질화물층이며, 상기 제2 도전형 질화물층은 p형 질화물층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
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