KR100780212B1 - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, p형 및 n형 질화물층과 그 사이에 형성되며 교대로 적층된 복수의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자를 제공한다. 본 발명에 채용된 상기 활성층은 상기 양자장벽층과 상기 양자우물층 사이에 위치하며, 상기 양자우물층의 에너지밴드갭보다 크고 상기 양자장벽층의 에너지 밴드갭보다 작은 분극완화층을 포함한다.

녹색 LED(green LED), 압전효과(piezoelectric effect), 다중양자우물구조(multi-quantum well: MQW)

Description

질화물 반도체 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE}

도1은 종래의 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.

도2는 도1에 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램이다.

도3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.

도4는 도3에 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램이다.

도5a 및 도5b는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 에너지밴드 다이어그램이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11,31: 기판 12,32: n형 질화물 반도체층

15,35: 활성층 15a,35a: 양자장벽층

15b,35b: 양자우물층 36c: 분극완화층

17,37: p형 질화물 반도체층 18.38: 투명전극층

19a,39a: n측 전극 19b,39b: p측 전극

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자발적인 분극을 유발하는 압전효과에 의한 재결합효율의 저하를 방지하기 위해서 양자우물구조를 개선한 질화물 반도체 소자에 관한 것이다.

일반적으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 중 질화인듐갈륨(In_{1 - x}Ga_xN, 0<x<1)은 인듐(In)의 함량에 따라 가시광선에서 UV 파장영역까지의 광을 생성할 수 있으며, 발광다이오드(light emitting diode: LED) 및 레이저 다이오드(laser diode: LD)의 양자우물(quantum well)로서 널리 사용된다.

도1은 종래의 다중양자우물구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11), n형 질화물층(12), 다중양자우물구조인 활성층(15) 및, p형 질화물층(17)을 포함한다. 메사에칭된 p 질화물 반도체층(17) 상면에는 투명전극층(18)과 p측 전극(19b)이 순차적으로 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체층(12) 상면에는 n측 전극(19a)이 차례로 형성된다.

일반적으로, 활성층(15)은 도시된 바와 같이 GaN 양자장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로 이루어진다.

여기서, GaN 양자장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)은 도2에 도시된 바와 같이 격자부정합에 의해 응력이 발생되고, 결과적으로 자발적인 분극을 유발하게 된다. 이를 "압전효과(piezoelectric effect)"라 한다. 이러한 압전효과로 인해, 양자우물층 내부에서 전자와 정공의 파동함수분포가 서로 반대방향으로 분리되면서, 재결합효율이 크게 저하되는 문제가 발생된다.

특히, 이러한 문제는 녹색 LED와 같이, 양자우물층의 인듐함량이 30%이상인 경우에, 인접한 GaN 양자장벽층과의 격자부정합에 의한 응력이 크게 발생되므로, 압전효과로 인한 발광효율의 저하문제는 보다 심각해질 수 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 압전효과로 인해 자발적인 분극현상을 완화시킴으로써 재결합효율이 향상된 질화물 반도체 소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은

p형 및 n형 질화물층과 그 사이에 형성되며 교대로 적층된 복수의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 활성층은, 상기 양자장벽층과 상기 양자우물층 사이에 위치하며, 상기 양자우물층의 에너지밴드갭보다 크고 상기 양자장벽층의 에너지 밴드갭보다 작은 분극완화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.

바람직하게, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층 두께의 0.1 내지 0.3배에 해당하는 두께를 갖는다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양자우물층 및 상기 분극완화층은 인듐(In)을 함유한 질화물층이며, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층의 인듐함량보다 작은 인듐함량을 갖는다. 이 경우에, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층의 인듐함량보다 5 내지 10%가 작은 인듐함량을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 상기 양자우물층은 In_xGa_{1 - x}N이며, 여기서 인듐함량비(x)가 0.3 내지 1인 질화물 반도체 소자에 보다 유익하게 채용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 분극완화층은 인접한 양자장벽층에 가까울수록 큰 에너지밴드갭을 갖도록 배치된 복수의 층으로 이루어진 계단구조일 수 있다. 이 경우에도, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층 두께의 0.1 내지 0.3배에 해당하는 두께를 갖는 것이 바람직하다.

상기 양자우물층과 상기 분극완화층이 인듐을 함유한 질화물층인 경우에, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층의 인듐 함량보다 작은 인듐 함량을 가지며, 상기 분극완화층의 각 층은 상기 인접한 양자장벽층에 가까울수록 작은 인듐함량을 갖는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층의 인듐함량보다 5 내지 10%가 작은 인듐함량을 가지며, 상기 분극완화층은 인접한 층과 약 5 내지 10%의 인듐함량 차이를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 양자우물층은 In_xGa_1-xN이며, 여기서 인듐함량비(x)가 0.3 내지 1인 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층과 상기 p형 질화물층에 인접한 상기 양자장벽층 사이에 형성될 수 있다. 상기 분극완화층이 복수의 층으로 구현되는 경우에, 상기 분극완화층의 각 층은 상기 양자장벽층에 가까울수록 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하며, 상기 분극완화층의 각 층은 상기 양자우물층에 가까운 인접한 층의 두께의 0.3배 내지 0.7배인 것이 보다 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.

도3에 도시된 질화물 반도체 발광소자(30)는 사파이어 기판(31), n형 질화물 층(32), 다중양자우물구조인 활성층(35) 및, p형 질화물층(37)을 포함한다. 메사에칭된 p형 질화물 반도체층(37) 상면에는 투명전극층(38)과 p측 전극(39b)이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상면에는 n측 전극(39a)이 차례로 형성된다.

본 실시형태에 채용된 활성층(35)은 양자장벽층(35a)과 양자우물층(35b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로 이루어진다. 상기 양자장벽층(35a)과 상기 양자우물층(35b) 사이에는 자발적인 분극을 억제하기 위해서 상기 양자장벽층(35a)의 밴드갭보다 작고 양자우물층(35b)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 분극완화층(35c)이 형성된다. 상기 분극완화층(35c)은 양자장벽층(35a)과 양자우물층(35b)의 중간밴드갭을 가지므로, 도4에 도시된 바와 같이 밴드갭 경사를 완화하는 역할을 한다.

보다 구체적으로, 분극완화층(35c)은 중간밴드갭을 가지므로, 압전효과로 인해 발생되는 에너지 밴드의 경사를 상쇄시킬 수 있다. 이와 같이 분극완화층(35c)은 자발적인 분극현상을 완화시킴으로써 전자 및 정공이 분리되는 경향을 감소시켜 재결합효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명에서 요구되는 분극완화층(35c)의 밴드갭 조건은, 분극완화층(35c)의 조성, 특히 인듐 함량을 적절히 조절함으로써 실현될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 양자장벽층(35a)은 GaN층일 수 있으며, 상기 양자우물층(35b)은 In_xGa_1-xN(a<x≤1)일 수 있다. 여기서, a는 원하는 발광파장에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 녹색 질화물 발광소자의 경우에는 a는 0.3 내지 0.5 범위에서 설정될 수 있다. 이 경우에, 상기 분극완화층(35c)은 상기 양자우물층(35b)의 인듐함량보다 작은 인듐함량을 갖도록 형성함으로써 본 발명의 에너지 밴드갭 조건을 만족시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 분극완화층(35c)은 상기 양자우물층(35b)의 인듐함량보다 5 내지 10%가 작은 인듐함량을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 양자우물층(35b)은 In_{0 .3}Ga_{0 .7}N일 때에, 상기 분극완화층(35c)은 In_x1Ga_{1 -x1}N(0.2≤x1≤0.25)인 것이 바람직하다. 인듐함량의 차이가 5%보다 작을 경우에는 밴드갭 경사를 완화하는 충분한 효과를 기대하기 어려우며, 10%를 초과하는 경우에는 분극완화층(35c) 자체로 인한 응력이 문제될 수 있다.

이러한 인듐함량의 차이는 인듐소스의 공급량을 조절하는 방법 외에도 성장온도를 조절하는 방법으로도 실현될 수 있다. 예를 들어, 양자우물층(35b)을 형성한 후 그리고 양자장벽층(35b)을 형성하기 전에, 양자우물층(35b)의 성장온도보다 높은 성장온도를 설정함으로써 양자우물층(35b)보다 낮은 인듐함량을 갖는 분극완화층(35c)을 형성할 수 있다.

상기 분극완화층(35c)은 그 자체의 밴드갭이 발광파장에 거의 기여하지 않도록 매우 얇은 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 상기 분극완화층(35c)의 두께(t2)는 상기 양자우물층(35b) 두께(t1)의 0.1 내지 0.3배 정도를 설 계된다. 예를 들어, 양자우물층(35b)의 두께가 수십 Å이므로, 이러한 분극완화층(35c)은 거의 1 내지 2 원자층 수준이며, 발광파장에 기여하지 않는 결정층으로 작용하지 않고 격자부정합을 완화하기 위한 층으로만 작용하는 것으로 이해될 수 있다.

본 실시형태와 같이, 상기 분극완화층(35c)은 상기 양자우물층(35b)과 상기 p형 질화물층(37)에 인접한 상기 양자장벽층(35a) 사이에 형성될 수 있다. 물론, 본 발명에 따른 분극완화층(35c)은 본 실시형태와 달리 양자우물층(35b)의 다른 측에 형성되거나, 양측 모두에 채용될 수 있으나, 본 발명자의 실험에 따르면, 본 실시형태와 같이, 상기 분극완화층(35c)은 상기 양자우물층(35b)과 상기 p형 질화물층(37)에 인접한 상기 양자장벽층(35a) 사이에 형성될 때에 보다 우수한 발광효율의 개선효과를 나타낸 것으로 확인되었다.

도3에 도시된 분극완화층은 단일층으로서 예시되어 있으나, 다른 조성을 갖는 복수의 층으로 구현될 수 있다. 이 경우에, 분극완화층의 각 층은 인접한 양자장벽층에 가까울수록 큰 에너지밴드갭을 갖도록 배치되어 분극완화층이 계단구조를 갖도록 형성된다. 이러한 실시형태는 도5a 및 도5b에 에너지밴드 다이어그램으로서 예시되어 있다. 도5a 및 도5b는 설명의 편의를 위해서 압전필드에 의한 영향이 고려하지 않은 상태로 도시되어 있다.

우선, 도5a에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 채용된 활성층(45)은 p형 GaN층과 n형 GaN층 사이에 형성되며, 6개의 양자장벽층(45a) 사이에 형성된 5개의 양자우물층(45b)을 포함한 다중양자우물구조를 갖는다. 또한, 상기 양자우물층(45b)과 p형 GaN층측에 인접한 양자장벽층(45a) 사이에는 분극완화층(45c)이 형성된다. 상기 분극완화층(45c)의 전체 두께(tc)는 도3에서 설명한 바와 같이 상기 양자우물층(45b) 두께(tb)의 0.1 내지 0.3배 범위인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 채용된 분극완화층(45c)은 각각 서로 다른 밴드갭을 갖는 제1 및 제2층(c1,c2)을 포함한다. 상기 양자우물층(45b)이 인듐을 함유한 질화물층인 경우에, 상기 분극완화층(45c)의 제1층(c1)은 상기 양자우물층(45b)의 인듐 함량보다 작은 인듐 함량을 갖는다. 나아가, 상기 제2층(c2)은 밴드갭 경사를 점층적으로 완화시키기 위해서, 상기 제1층(c1)보다 작은 인듐함량을 갖는다. 본 발명에서 의도하는 밴드갭 경사의 상쇄효과를 향상시키기 위해서, 상기 제1 및 제2층(c1,c2)도 앞서 설명한 바와 같이 약 5 내지 10%의 인듐함량 차이를 갖는 것이 바람직하다.

다른 조성을 갖는 층에 의한 격자부정합효과를 완화하기 위해서, 분극완화층(45c)의 조성과 함께 두께를 적절히 제한하는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시형태와 같이, 상기 분극완화층(45c)의 제2층(c2)은 제1층(c1)보다 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 분극완화층(45c)의 제2층(c2) 두께(t_c2)는 상기 양자우물층(45b)에 가까운 인접한 제1층(t_c1)의 두께의 0.3배 내지 0.7배인 것이 보다 바람직하다.

도5b에 도시된 활성층(55)은 전체적으로는 도5a와 유사하지만, 상기 양자우물층(55b)과 양자장벽층(55a) 사이에 형성된 분극완화층(55c) 각각 서로 다른 밴드갭을 갖는 제1 내지 제3층(c1,c2,c3)을 포함한다.

밴드갭 경사를 보다 점층적으로 완화시키기 위해서, 상기 제1층 내지 제3층(c1,c2,c3)은 인접한 양자장벽층에 가까울수록 낮은 인듐함량을 가지며, 바람직하게는, 각 층(c1,c2,c3)은 인접한 다른 층과 약 5 내지 10%의 인듐함량 차이를 갖도록 형성된다.

또한, 상기 분극완화층(55c)의 제1 내지 제3층(c1,c2,c3)은 인접한 양자장벽층에 가까울수록 얇은 두께로 형성하는 것(t_c1>t_c2>t_c3)이 추가적인 응력발생을 최소화하는 측면에서 바람직하다.

본 발명에서 제안된 분극완화층에 의한 작용과 효과를 확인하기 위해서, 아래의 표1과 같은 조건에 따라, 녹색 발광다이오드를 제조하였다. 각 발광다이오드의 활성층은 각각 5개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물구조(양자장벽층: GaN, 120Å)로 형성하였으며, 분극완화층을 제조하는 방법으로는 성장온도를 증가하는 방법을 채용하였다.

비교예에 따른 양자우물층은, 766℃에서 30Å의 In_{0 .3}Ga_{0 .7}N을 갖도록 성장되었다. 이에 반해, 실시예1에서는, 766℃에서 22Å의 In_{0 .3}Ga_{0 .7}N을 갖도록 성장하다 가, 성장온도를 776℃로 변경한 후에, 22Å의 In_{0 .25}Ga_{0 .75}N을 갖는 단일층 구조인 분극완화층을 성장시켰다. 실시예2 및 3에서도 보다 낮은 인듐함량을 갖도록 추가적인 분극완화층(제2 및 제3층)을 각각 10℃씩 추가적으로 상승시켜 형성하였다(제2층: 786℃, 제3층: 796℃).

구분	양자우물층	분극완화층 (제1층)	분극완화층 (제2층)	분극완화층 (제3층)
실시예1	In0 .3Ga0 .7N : 22Å	In0 .25Ga0 .75N: 8Å	-	-
실시예2	In0 .3Ga0 .7N : 22Å	In0 .25Ga0 .75N: 5Å	In0 .2Ga0 .8N : 3Å	-
실시예3	In0 .3Ga0 .7N : 22Å	In0 .25Ga0 .75N: 5Å	In0 .2Ga0 .8N : 2Å	In0 .15Ga0 .85N: 1Å
비교예	In0 .3Ga0 .7N : 30Å	-	-	-

이와 같이, 제조된 각 녹색 발광다이오드의 파장광에 대한 다양한 특성을 측정하였으며, 그 결과를 아래의 표2에 나타내었다.

구분	PL파장(㎚)	파장편차	강도(a.u.)	FWHM
실시예1	528.8	8.57	0.377	29.3
실시예2	529.2	9.05	0.507	27.1
실시예3	529.1	8.57	0.540	26.2
비교예	530.8	8.53	0.331	30.2

표2와 같이, 각 실시예 및 비교예에 따른 발광다이오드는 거의 유사한 파장 및 그 편차를 갖는 것으로 나타났다. 즉, 분극완화층의 도입에 따라 원하는 발광파장 자체의 변화를 거의 없다는 것을 확인할 수 있었다.

하지만, 발광강도측면에서는, 비교예보다 모든 실시예에서 향상된 결과를 나타냈다. 실시예1의 경우에는 비교예에 비해 약 10%정도 개선되었으며, 계단구조를 채용하여 보다 효과적으로 경사를 완화시킨 실시예2 및 실시예3의 경우에는 각각 약 53%, 63%정도 향상된 결과를 보여주었다. 또한, 발광파장의 품질을 나타내는 반치폭(FWHM)도 다소 향상된 결과를 나타내었다.

이는, 중간밴드갭을 갖는 분극완화층을 도입함으로써 압전효과로 인한 영향을 저감시켜 재결합효율을 향상시킨 결과로 이해할 수 있다.

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 발명에 따른 질화물 반도체 소자는, 양자장벽층과 양자우물층 사이에 중간밴드갭을 갖는 분극완화층을 채용함으로써 밴드경사를 상쇄시키고, 결과적으로 크게 향상된 내부양자효율(재결합효율)을 얻을 수 있다. 이러한 개선효과는 분극완화층을 서로 다른 조성을 갖는 계단구조로 구현할 때에 보다 증대될 수 있다.

Claims (13)

1. p형 및 n형 질화물층과 그 사이에 형성되며 교대로 적층된 복수의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 소자에 있어서,

   상기 활성층은, 상기 양자장벽층과 상기 양자우물층 사이에 위치하며, 상기 양자우물층의 에너지밴드갭보다 크고 상기 양자장벽층의 에너지 밴드갭보다 작은 분극완화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 분극완화층은 상기 양자우물층 두께의 0.1 내지 0.3배에 해당하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 양자우물층 및 상기 분극완화층은 인듐(In)을 함유한 질화물층이며, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층의 인듐함량보다 작은 인듐함량을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
4. 제3항에 있어서,

   상기 분극완화층은 상기 양자우물층의 인듐함량보다 5 내지 10%가 작은 인듐 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
5. 제4항에 있어서,

   상기 양자우물층은 In_xGa_{1 - x}N이며, 여기서 인듐함량비(x)가 0.3 내지 1인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 분극완화층은 인접한 양자장벽층에 가까울수록 큰 에너지밴드갭을 갖도록 배치된 복수의 층으로 이루어진 계단구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
7. 제6항에 있어서,

   상기 분극완화층은 상기 양자우물층 두께의 0.1 내지 0.3배에 해당하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
8. 제6항에 있어서,

   상기 양자우물층 및 상기 분극완화층은 인듐을 함유한 질화물층이며, 상기 분극완화층은 상기 양자우물층의 인듐 함량보다 작은 인듐 함량을 가지며,

   상기 분극완화층의 각 층은 상기 인접한 양자장벽층에 가까울수록 작은 인듐함량을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
9. 제8항에 있어서,

   상기 분극완화층은 상기 양자우물층의 인듐함량보다 5 내지 10%가 작은 인듐함량을 가지며, 상기 분극완화층은 인접한 층과 5 내지 10%의 인듐함량 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
10. 제9항에 있어서,

    상기 양자우물층은 In_xGa_{1 - x}N이며, 여기서 인듐함량비(x)가 0.3 내지 1인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
11. 제1항 또는 제6항에 있어서,

    상기 분극완화층은 상기 양자우물층과 상기 p형 질화물층에 인접한 상기 양자장벽층 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
12. 제11항에 있어서,

    상기 분극완화층의 각 층은 상기 양자장벽층에 가까울수록 얇은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
13. 제12항에 있어서,

    상기 분극완화층의 각 층은 상기 양자우물층에 가까운 인접한 층의 두께의 0.3배 내지 0.7배인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.

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