KR100764433B1 - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

질화물 반도체 소자 Download PDF

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KR100764433B1 KR1020060031578A KR20060031578A KR100764433B1 KR 100764433 B1 KR100764433 B1 KR 100764433B1 KR 1020060031578 A KR1020060031578 A KR 1020060031578A KR 20060031578 A KR20060031578 A KR 20060031578A KR 100764433 B1 KR100764433 B1 KR 100764433B1
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nitride semiconductor
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김동준
이동주
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Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 소자에 관한 것으로서, p형 및 n형 질화물 반도체층과, 상기 p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 형성되며 복수의 양자장벽층과 양자우물층을 갖는 다중양자우물구조 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 복수의 양자장벽층은 n형 불순물로 도프된 내부영역과 상기 양자우물층과의 계면에 형성되어 상기 내부영역보다 낮은 불순물 농도를 갖는 확산방지막을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층 중 적어도 하나의 내부영역은 상기 n형 질화물 반도체층에 가까운 다른 양자장벽층의 내부영역보다 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
질화물 반도체 소자(nitride semiconductor device), 다중양자우물(muti quantum well), 발광다이오드(light emitting diode), n형 불순물(n-type dopant)

Description

질화물 반도체 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE}
도1은 종래의 질화물 반도체 소자를 나타내는 측단면도이다.
도2는 Si 도핑농도에 따른 GaN층의 격자상수 변화를 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 측단면도이다.
도4는 도3에 도시된 질화물 반도체 소자의 적층방향에 따른 개략적인 에너지밴드다이어그램이다.
도5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 적층방향에 따른 개략적인 에너지밴드다이어그램이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
31: 사파이어 기판 33: n형 질화물 반도체층
35: 활성층 35a: 양자장벽층
35a': 내부영역 35a": 확산방지막
35b; 양자우물층 37: p형 질화물 반도체층
38: 투명전극층 39a,39b: n측 및 p측 전극
본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 발광 다이오드, 레이저 다이오드 등에서 내부양자효율의 저하원인이 되는 응력을 감소시킴으로써 출력효율을 향상시킨 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)에 널리 사용되고 있다. 이러한 LED는 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 활성층에서 빛을 생성하여 방출시킨다.
상기 LED의 활성층은 주로 발광효율이 우수한 다중양자우물(muti quantum well: MQW)구조가 있으나, 다중양자우물구조를 갖는 활성층은 상대적으로 큰 두께를 가지므로 두께방향으로의 직렬저항을 커진다. 따라서, 순방향 전압(Vf)특성을 개선하기 위해서, 양자장벽층에 Si와 같은 n형 불순물을 도핑하는 방안이 고려될 수 있다.
하지만, 이러한 Si 도핑방안은 양자장벽층에 Si 불순물의 양을 변화시킴에 따라 후속 성장되는 양자우물층의 표면 모폴로지가 달라지기 때문에 오히려 광특성이 저하될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 출원인은 대한민국등록특 허 제0476567호(등록공고일자: 2005.03.04, 발명명칭: 질화물 반도체 소자)에서 도1에 도시된 바와 같이, 도프된 양자장벽층의 내부영역보다 낮은 도핑농도를 갖거나 언도프된 확산방지막을 양자우물층과의 계면에 채용하는 방안을 제안하였다.
도1에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 소자(10)는 사파이어 기판(11), n형 GaN로 이루어진 제1 질화물 반도체층(13), 활성층(15) 및, p형 AlGaN 또는 p형 GaN로 이루어진 제2 질화물 반도체층(17)을 포함한다. 메사에칭된 제1 질화물 반도체층(13) 상면에는 n형 전극(19a)이 형성되며, 상기 제2 질화물 반도체층(17) 상면에는 투명전극층(18)과 p형 전극(19b)이 차례로 형성된다.
여기서, 활성층(15)은 복수의 GaN 장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조를 가지며, 양자장벽층(15a)은 직렬저항을 낮추기 위해 n형 불순물로 도프된 내부영역(15a')과 상기 양자우물층(15b)과 접하는 계면에는 고의적으로 도프되지 않은 확산방지막(15a")을 갖는다. 상기 확산방지막(15a")은 양자우물층(15b)으로의 원하지 않는 불순물 확산을 방지할 뿐만 아니라, 양자우물층(15b)을 성장할 때에 공정조건 및 표면 모폴로지가 내부영역(15a')의 불순물 농도에 따라 변화하는 것을 방지할 수 있다.
하지만, 언도프된 확산방지막의 도입으로 인해, 오히려 응력으로 인한 압전필드효과를 크게 받을 수 있다는 문제가 있다. 보다 구체적으로, 도2에 도시된 그래프와 같이, GaN은 도핑농도에 따라 a축과 c축의 격자상수가 다소 변화되므로, 양자장벽층의 내부영역과 확산방지막의 도핑농도 차이로 인해 압축응력이 증가된다. 이러한 증가는 InGaN 양자우물층과 GaN 양자장벽층의 격자부정합으로 인한 압축 응력문제를 가중시킬 수 있으며, 결과적으로 양자우물층 내의 전자와 정공의 파동함수가 자발적으로 분리되어 재결합효율을 크게 저감시키는 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 양자우물층과 접한 양자장벽층 계면에 도입되는 저도프 또는 언도프된 확산방지막으로 인해 증가되는 압축응력을 완화시킴으로써 양자우물층의 내부양자효율을 향상시킨 질화물 반도체 소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은
p형 및 n형 질화물 반도체층과, 상기 p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 형성되며 복수의 양자장벽층과 양자우물층을 갖는 다중양자우물구조 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 복수의 양자장벽층은 n형 불순물로 도프된 내부영역과 상기 양자우물층과의 계면에 형성되어 상기 내부영역보다 낮은 불순물 농도를 갖는 확산방지막을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층 중 적어도 하나의 내부영역은 상기 n형 질화물 반도체층에 가까운 다른 양자장벽층의 내부영역보다 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
바람직하게, 상기 복수의 양자장벽층의 내부영역은 n형 질화물 반도체층으로 부터 멀어질수록 감소되는 두께를 갖도록 배열된다.
본 발명의 구체적인 실시형태에서, 상기 확산방지막의 n형 불순물농도는 상기 양자우물층과 접하는 계면에 상기 양자장벽층의 다른 내부도핑영역의 n형 불순물농도보다 0.1배 이하인 것이 바람직하며, 상기 양자장벽층의 확산방지막은 n형 불순물이 고의적으로 도프되지 않은 언도프영역인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 적어도 하나의 양자장벽층의 내부영역의 n형 불순물 농도는 약 3×1016 ∼ 약 3×1019 /㎤일 수 있다.
바람직하게는, 상기 확산방지막의 두께는 그 양자장벽층의 두께의 약 0.1배 내지 약 0.4배이다. 실시형태에 따라, 상기 복수의 양자장벽층의 확산방지막은 동일한 두께를 가질 수 있으며, 이와 달리 상기 복수의 양자장벽층은 n형 질화물 반도체층으로부터 멀어질수록 작은 두께의 확산방지막을 갖는 형태로 제공될 수 있다.
구체적으로, 상기 복수의 양자장벽층의 두께는 약 2㎚ ∼ 약 20㎚범위일 수 있으며, 이 경우에 상기 확산방지막의 두께는 약 0.2㎚ ∼ 약 10㎚일 수 있다.
또한, 상기 양자장벽층은 Alx1Iny1Ga1 -x1- y1N(x1+y1=1, 0≤x1≤1, 0≤y1≤1)으로 이루어지며, 상기 양자우물층은 상기 양자장벽층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 Alx2Iny2Ga1-x2-y2N(x2+y2=1, 0≤x2≤1, 0≤y2≤1)으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 채용가능한 n형 불순물으로는 Si, Ge 또는 Sn일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다.
도3는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 측단면도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 소자(30)는 사파이어 기판(31), n형질화물 반도체층(33), 활성층(35) 및, p형 질화물 반도체층(37)을 포함한다. 메사에칭되어 노출된 제1 도전형 질화물 반도체층(33) 상면영역에는 n형 전극(39a)이 형성되며, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(37) 상면에는 투명전극층(38)과 p형 전극(39b)이 차례로 형성된다.
본 실시형태에 채용된 활성층(35)은, 4개의 언도프된 GaN 장벽층(35a)과 5개의 InGaN 양자우물층(35b)이 적층된 다중양자우물구조로 도시되어 있다. 하지만, 본 발명에 채용가능한 양자장벽층(35a) 및 양자우물층(35b)은 예시된 물질이나 그 수에 한정되지 않는다. 예를 들어, 질화물 반도체 소자(30)에서 상기 양자장벽층(35a)은 Alx1Iny1Ga1 -x1- y1N(x1+y1=1, 0≤x1≤1, 0≤y1≤1)에서 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 양자우물층(35a)은 상기 양자장벽층(35b)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 물질로서, Alx2Iny2Ga1-x2-y2N(x2+y2=1, 0≤x2≤1, 0≤y2≤1)에서 적절히 선 택하여 사용할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 채용된 양자장벽층(35a)은 상기한 대한민국등록특허 제0476567호에 개시된 바와 같이, n형 불순물로 도프된 내부영역(35a')과, 상기 양자우물층(35b)과 접하는 계면에는 고의적으로 도프되지 않은 확산방지막(35a")을 포함한다.
상기 양자장벽층(35a)의 내부영역(35a')은 직렬저항을 낮추기 위한 적절한 농도로 도프될 수 있으며, 바람직하게는 약 3×1016 ∼ 약 3×1019 /㎤의 n형 불순물 농도를 갖는다. 본 발명에 채용가능한 n형 불순물으로는 Si, Ge 또는 Sn일 수 있다.
또한, 상기 양자장벽층(35a)은 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(33,35)에 각각 접한 양자장벽층(35a)은 표면 모폴로지를 개선하고 불순물의 확산을 방지하기 위해서, 양자우물층(35b)과의 계면에 고의적으로 도프되지 않은 확산방지막(35a")을 포함한다. 예를 들어, 상기 양자우물층(35b)에 접하는 일 계면에만 확산방지막(35a")을 구비하며, 양측에 모두 양자우물층(35b)이 배치된 양자장벽층(35a)은 상기 양자우물층(35b)과 접하는 양 계면 모두에 확산방지막(35a")을 구비할 수 있다.
본 실시형태에서 채용된 확산방지막(35a")은 "고의적으로 도프되지 않은 영역"으로 구성될 수 있다. "고의적으로 도프되지 않은 영역"이라 함은 이상적으로 불순물농도가 0인 경우도 포함하나, 공정환경 등에 따라 1017 /㎤이하 수준의 불순 물 농도를 포함할 수 있으므로, 이러한 불가피한 미량의 불순물 농도를 포함하는 의미로 사용된다. 실제로, 양자장벽층(35a)의 다른 내부영역(35a')의 농도보다 낮은 불순물 농도, 예를 들어 약 0.1배 이하의 n형 불순물농도를 갖도록 도핑되더라도, 양자우물층(35b)으로의 불순물 확산을 억제시킬 수 있다.
또한, 상기 확산방지막(35a")의 두께(tb)는 일 양자장벽층의 전체 두께(t)의 0.1배 내지 0.4배의 크기로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 양자장벽층(35a)의 두께(t)가 약 2㎚ ∼ 약 20㎚일 때에, 확산방지막(35a")의 두께(tb)는 약 0.2㎚ ∼ 약 10㎚인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 채용된 확산방지막(35a")은 양자장벽층(35a)의 내부영역(35a')과의 불순물 농도의 큰 차이를 가지므로, 앞서 언급한 바와 같이 이종물질로 구성되는 양자장벽층(35a)과 양자우물층(35b) 사이의 응력이 가중되어 압전필드효과로 인한 재결합효율이 심각하게 저하될 우려가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 실시형태에서는 응력을 완화하기 위해서, 적층방향(화살표로 표시됨)에 따라 양자장벽층(35a)의 내부영역(35a')이 점차 감소되는 두께를 갖도록 형성한다. 일반적으로 격자부정합에 의한 응력의 절대량은 두께에 비례하므로, 불순물이 상대적으로 높게 도프된 내부영역(35a')의 두께를 점차 감소시킴(ta1>ta2>ta3>ta4>ta5)으로써 언도프된(또는 저도프된) 확산방지막(35a")의 압축응력을 저감시킬 수 있다. 결과적으로, 압전필드효과에 의한 자발 적인 분극현상을 완화하여 확산방지막(35a")의 도입에 따른 재결합효율의 저하문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
적층수가 증가함에 따라 가중되는 압축응력발생을 보다 효과적으로 억제하기 위해서, 본 실시형태와 같이 전체 양자장벽층(35a)의 내부영역(35a')을 적층방향에 따라 순차적으로 감소되도록 배열하는 것(ta1>ta2>ta3>ta4>ta5)이 바람직하다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상은 확산방지막(35a")과의 응력발생을 완화하기 위해서 내부영역(35a')의 두께를 감소시키는데 있으므로, 본 실시형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 복수의 양자장벽층(35a) 중 적어도 하나의 내부영역(35a')은 상기 n형 질화물 반도체층(33)에 가까운 다른 양자장벽층의 내부영역보다 작은 두께를 갖는 경우(예, 도3에서 ta1>ta2=ta3=ta4>ta5)에도, 그 정도의 차이는 있으나 본 발명에서 의도한 자발적 분극 억제효과를 기대할 수 있다. 따라서, 이러한 형태도 본 발명의 범위에 포함된다고 할 수 있다.
도4는 본 발명의 실시형태에 따라 개선된 활성층의 구조를 나타내는 개략적인 에너지밴드 다이어그램이다. 도4에 도시된 다이어그램은 도3에 도시된 질화물 반도체 소자(30)의 일부이다. 여기서, 세로축은 에너지 밴드갭의 절대크기(eV)를 말하며, 가로축은 n형 GaN층부터 p형 AlGaN층으로의 적층방향을 의미한다.
도4를 참조하면, n형 GaN층과 p형 AlGaN층 사이에 4개의 양자우물층(35b)과 그 양자우물층(35b)보다 큰 밴드갭을 갖는 5개의 양자장벽층(35a)으로 구성된 활성층(35)이 에너지밴드갭으로 도시되어 있다.
상기 양자장벽층(35a)은 앞서 설명된 바와 같이, 순방향 전압특성을 개선하기 위한 n형 불순물로 도핑된 내부영역(35a')과 양자우물층(35b)과 접하는 계면에 형성된 확산방지막(35a")으로 이루어진다.
상기 양자장벽층(35a)은 적층방향에 따라, 즉 n형 GaN층으로부터 멀어질수록 순차적으로 얇은 두께(ta1>ta2>ta3>ta4>ta5)의 내부영역(35a')을 갖는다. 이를 통해서 확산방지막(35a")과 내부영역(35a')의 불순물농도 차이로 인한 응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서 양자장벽층(35a)은 그 내부영역(35a)의 두께가 감소되므로, 양자장벽층(35a)의 전체 두께도 적층방향에 따라 감소될 수 있다. 그 결과로, 이종물질인 양자우물층(35b)과의 격자부정합으로 유발하는 압축응력을 추가적으로 감소시킬 수 있으므로, 전체적으로 압전필드로 인한 자발적인 분극을 효과적으로 개선시킬 수 있다.
상술된 실시형태에서는, 양자장벽층(35a)의 내부영역(35a')의 두께를 조절하고 확산방지막(35a")은 일정한 두께를 갖는 예로 한정하여 설명하였으나, 추가적으로 내부영역(35a')과 함께 확산방지막(35a")의 두께도 유사한 방식으로 감소시킴으로써 압전필드에 대한 불이익한 영향을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 다만, 확산방지막(35a")의 두께만을 조절하는 경우에는 그 두께가 내부영역(35a')에 비해 상대적으로 작으므로, 충분한 효과를 기대하기 어렵다.
상술된 실시형태와 첨부된 도면에 도시되어 설명된 본 발명은, 반도체 발광 다이오드는 물론, 양자우물구조, 특히 다중양자우물구조의 활성층을 채용하는 반도체 레이저소자와 같은 다양한 형태의 질화물 반도체소자에서 순방향전압특성을 향상시키는 동시에 불순물농도의 차이로 인한 응력발생을 억제하는 방안으로서 유익하게 채용될 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, 다중양자우물구조를 갖는 질화물 반도체 소자의 양자장벽층에서 도프된 내부영역과 확산방지막 사이에서 발생되는 응력으로 인한 영향을 양자장벽층의 내부영역의 두께를 적층방향에 따라 감소시킴으로써, 질화물 반도체 소자의 순방향 전압특성을 개선함과 동시에 재결합효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. p형 및 n형 질화물 반도체층과, 상기 p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 형성되며 복수의 양자장벽층과 양자우물층을 갖는 다중양자우물구조 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자에 있어서,
    상기 복수의 양자장벽층은 n형 불순물로 도프된 내부영역과 상기 양자우물층과 접하는 계면에 형성된 상기 내부영역보다 낮은 불순물 농도를 갖는 확산방지막을 포함하며,
    상기 복수의 양자장벽층 중 적어도 하나의 내부영역은 상기 n형 질화물 반도체층에 가까운 다른 양자장벽층의 내부영역보다 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 양자장벽층의 내부영역은 n형 질화물 반도체층으로부터 멀어질수록 감소되는 두께를 갖도록 배열된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 확산방지막의 n형 불순물농도는 상기 양자우물층과 접하는 계면에 상기 양자장벽층의 다른 내부도핑영역의 n형 불순물농도보다 0.1배이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자장벽층의 내부영역의 n형 불순물 농도는 3×1016 ∼ 3×1019 /㎤인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양자장벽층의 확산방지막은 n형 불순물이 고의적으로 도프되지 않은 언도프영역인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 확산방지막의 두께는 그 양자장벽층의 두께의 0.1배 내지 0.4배인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 양자장벽층의 확산방지막은 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 양자장벽층은 n형 질화물 반도체층으로부터 멀어질수록 작은 두 께의 확산방지막을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 양자장벽층의 두께는 2㎚ ∼ 20㎚범위이며,
    상기 확산방지막의 두께는 0.2㎚ ∼ 10㎚인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 양자장벽층은 Alx1Iny1Ga1 -x1- y1N(x1+y1=1, 0≤x1≤1, 0≤y1≤1)으로 이루어지며, 상기 양자우물층은 상기 양자장벽층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 Alx2Iny2Ga1-x2-y2N(x2+y2=1, 0≤x2≤1, 0≤y2≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 n형 불순물은 Si, Ge 및 Sn로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
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