KR100799793B1 - 멀티플 양자 웰 구조를 갖는 광 반도체 장치 - Google Patents

멀티플 양자 웰 구조를 갖는 광 반도체 장치

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Abstract

본 발명은 상이한 종류의 반도체 층으로 이루어진 웰 층 및 배리어 층이 서로 교대로 적층되는 멀티플 양자 웰 구조를 가진 광 반도체 장치에 관한 것이다. 상기 웰 층(6a)은 제 1 전자 에너지를 갖는 질화물 반도체 재료를 기반으로 하는 제 1 조성물을 가지고, 상기 배리어 층(6b)은 제 1 전자 에너지보다 더 높은 전자 에너지를 갖는 질화물 반도체 재료를 기반으로 하는 제 2 조성물을 가진다. 성장 방향으로 볼 때 상기 층들의 후방에 방사 활성 양자 웰 층(6c)이 배치되고, 선방에 배치된 비방사성 웰 층(6a) 및 상기 배리어 층이 상기 활성 양자 웰 층(6c)을 위한 초격자를 형성한다.

Description

멀티플 양자 웰 구조를 갖는 광 반도체 장치{OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE COMPRISING A MULTIPLE QUANTUM WELL STRUCTURE}
본 발명은 상이한 종류의 반도체 층으로 이루어진 웰 층 및 배리어 층이 교대로 적층되는 멀티플 양자 웰 구조를 갖는 광 반도체 장치에 관한 것이다.
상기 방식의 소자는 예컨대 EP 0 666 624 B1 또는 "Journal of Crystal Growth 189/190(1998)"의 786-789 페이지에 공지되어 있다.
인듐-갈륨-질화물(InGaN)을 원료로 하는 LED 및 레이저 다이오드의 높은 양자 효율은 활성 양자 웰 내에서의 인듐이 다량 함유된 아일랜드(island)의 자기 정렬 성장(self-organized growth)에 의해 초래된다. 그로 인해, 주입된 전하 캐리어는 상기 아일랜드 상에서 공간적으로 국부화되고, 격자 결함(lattice defect)의 비방사성 재결합(non-radiating recombination)을 차단한다.
양자점(quantum dot)의 핵형성(nucleation)은 적합한 완충층에 의해 개시되어야 한다. 특히 고유 활성 구역 앞의 인듐 함유 구조가 완충층으로서 적합하다. 인듐 함유 질화 반도체(GaxAlyIn1-(x+y)N-반도체)는 인듐 함유 상을 형성 및 분리(segregation)하려는 경향이 있다. 이와 같은 경향에 의해, 활성 양자 웰 내에 인듐이 다량 함유된 아일랜드가 형성되는 것을 도와주는 가변적인 변형 영역(strain field)이 성장 표면에 야기된다. GaInN-양자점 핵형성을 개선시키기 위해 활성 구역 앞에 약 100 nm 두께의 GaInN-층을 증착시킬 수 있다.
지금까지는 예컨대 2겹 내지 10겹의 양자 웰 구조에 의해 최적의 효율이 달성될 수 있었다. 실험을 통해서도 알 수 있듯이, 방출된 광자(photon)는 가장 위에 놓인(즉, p형 측면 다음의) 2개의 양자 웰 내에서만 형성된다. 성장 파라미터가 적절하게 선택되면 양자 웰 중 최상부에 놓인 웰에서만 방출이 이루어진다. 하부 양자 웰들은 최상부 양자 웰에서의 GaInN-아일랜드의 핵형성을 개선시키는데 사용된다. 하부 양자 웰이 없으면 광 출력은 50% 이상 감소된다. 물론 상기 양자 웰들은 순방향 전압(forward voltage)을 현저하게 증가시킨다. 그러나 상기 순방향 전압은 웰 개수의 감소에 의해 양자 효율을 저하시키면서 개선될 수 있다.
관찰된 순방향 전압의 증가를 야기시키는 압전 필드(piezo field)는 양자 웰 영역 내 높은 도핑 레벨(doping level)에 의해 보상될 수 있다. 물론 그로 인해 활성층의 결정의 질(crystal quality)이 악화되거나 주입 특성이 악화됨에 따라 내부 양자 효율이 저하된다.
본 발명의 목적은 상기 문제에 대해 도입부에 언급한 방식의 광 반도체 장치를 개선시키는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1항의 특징들을 갖는 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명에 따라 서로 교대로 적층되는, 상이한 종류의 반도체 층으로 이루어진 웰 층 및 배리어 층을 갖는 멀티플 양자 웰 구조가 제공된다. 상기 구조 내에서 웰 층은 제 1 전자 에너지를 갖는 질화물-반도체 재료를 기반으로 하는 제 1 조성물의 얇은 층이고, 배리어 층은 상기 제 1 전자 에너지보다 높은 전자 에너지를 갖는 질화물-반도체 재료의 제 2 조성물의 두꺼운 층이다. 성장 방향으로 볼 때, 먼저 최종 양자 웰 층들 중 하나 또는 최종 양자 웰 층이 방사 활성(radiation-active) 양자 웰로서 작용한다. 상기 양자 웰 층을 위해 선방에 배치된 비방사성 웰 층(6a) 및 배리어 층이 초격자(superlattice)를 형성한다.
매우 바람직한 개선예에서는 초격자 내에서 웰 층이 얇은 알루미늄-갈륨-인듐 질화물 층이고, 그에 비해 배리어 층은 두꺼운 갈륨 질화물 층이며, 활성 양자 웰은 인듐-갈륨 질화물을 함유한다.
바람직하게는 초격자의 적어도 하나의 웰 층 내부에서 In-함량이 성장 방향으로, 즉 방사 활성 양자 웰 층의 방향으로 증가한다. 이 때 인듐 함량은 바람직하게는 상기 방사 활성 양자 웰 층과 5% 미만의 차이를 나타낸다.
매우 바람직한 개선예에서는 초격자의 적어도 하나의 웰 층이 적어도 한 쌍의 단층(single layer)을 가지며, 상기 단층들 중 성장 방향으로 볼 때 제 1 단층이 제 2 단층보다 더 낮은 인듐 함량을 갖는다. 바람직하게는 상기 웰 층이 다수의 단층을 가지며, 상기 단층들의 인듐 함량은 방사 활성 양자 웰 층으로부터 가장 멀리 떨어져있는 단층으로부터 상기 방사 활성 양자 웰 층에 가장 가까이 놓인 단층 쪽으로 단계적으로 증가한다. 상기 인듐 함량의 증가 정도는 특히 바람직하게는 5% 미만이다. 또한, 매우 바람직하게는 상기 방사 활성 양자 웰 층으로부터 가장 멀리 떨어져있는 단층의 인듐 함량이 5% 미만이다. 바람직하게는 상기 단층의 두께가 소수의 단분자층(monolayer) 범위의 값을 갖거나, 특히 바람직하게는 1개의 단분자층의 두께와 거의 일치한다.
In-함량의 단계적 증가의 특별한 장점은 특히 단층들의 두께가 1 개의 단분자층의 두께를 초과하지 않는 경우, 델타 전위(delta potential)와 유사한 전위 프로파일이 나타난다는 점이다. 결과적으로, 배리어 층 내에서의 에너지 레벨과 웰 층 내에서 하나의 전자에 대해 나타나는 에너지 레벨간의 차는 단계화된 웰 층의 가장 위에 놓인 단층보다 훨씬 더 적은 인듐 함량을 갖는 직사각형 웰 층의 경우보다 크지 않다. 그로 인해 전체 인듐 함량 감소에 따른 이점이 유지될 수 있다. 그러나 동시에 최종 단층의 높은 인듐 함량이 변형력(strain)에 작용하여, InGaN이 다량 함유된 상의 핵형성이 개선되고, 그 결과 양자 효율이 높아진다.
또 다른 장점은 아래와 같다: 인듐이 함유된 III-V-반도체(예: InGaAs, InGaN)의 에피택셜 성장은 인듐의 비교적 큰 원자 반경에 의해 어려워진다. 따라서 III-성분기의 흐름(flux)이 일정한 경우 인듐의 형성이 지연된다. 인듐의 농도는 성장 동안 상승되고, 평형값에 기하급수적으로 가까워진다. 농축 상태동안 성장 표면에 특정한 인듐 커버가 형성된다. 상기 커버가 형성되면 일정한 양의 인듐이 변함없이 결정으로 형성된다. 물론 너무 많은 인듐이 제공되면, 표면상에 존재하는 인듐이 작은 금속 방울들(metallic droplet)을 형성하고, 상기 방울들은 증착된 층의 품질을 저하시킨다. 그러나 무엇보다도 상기 인듐 방울들은 pn-접합부에 분로(shunt)를 형성하고, 상기 분로들은 양자 효율뿐만 아니라 정전기적 방전(ESD)에 대한 안정성도 저하시킨다. 먼저 인듐 함량이 적은 - 바람직하게는 - 5% 이하인 인듐 함유층을 증착시키고, 그 위에 놓이는 층에서 인듐 함량이 증가되는 방식으로 위와 같은 작용이 방지된다. 활성층 자체의 경우, 웰 층에 의해 높은 인듐 함량을 갖는 InGaN-조성물이 증착될 수 있도록 서브 구조물(substructure)이 미리 준비된다.
인듐이 다량 함유된 상의 핵형성은 웰 층 내 인듐 함량이 증가됨으로써 바람직하게 개선된다. 유해한 인듐 방울의 형성이 적어도 현저히 감소된다.
본 발명의 실시예 및 바람직한 추가 개선예들은 종속항에 제시된다.
본 발명은 도면을 참고로 한 실시예에 따라 하기에 더 자세히 설명된다.
도 1a에 따라 제 1 콘택 전극(2)이 연결되어있는, 탄화규소로 된 기판(1) 위에 먼저 알루미늄-갈륨-질화물(AlGaN)로 된 완충층(3)이 형성된다. 상기 완충층(3) 위에 알루미늄-갈륨-질화물로 된 추가의 층(4)이 연결된다. 상기 층(4) 위에 실리콘으로 도핑된 질화갈륨으로 된 추가의 완충층(5)이 배치되고, 상기 완충층(5) 위에 양자 웰 구조(6a, 6b, 하기에 더 자세히 설명됨)가 배치되며, 상기 양자 웰 구조(6a, 6b)에 개별 활성 층(6c)이 연결된다. 상기 활성 층(6) 위에는 전극 배리어로서 사용되는, 알루미늄-갈륨-질화물로 된 추가 층(7)이 배치된다. 바람직하게는 상기 층(7)은 마그네슘으로 도핑된다. 상기 층 6과 7 사이에는 도시되지 않은 추가의 GaN-층이 배치될 수 있다. 상기 층(7) 위에는 질화갈륨-층(8)이 배치되고, 상기 질화갈륨-층(8) 위에 장치의 제 2 콘택 전극(9)이 제공된다.
도시된 층 구조의 우측에 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이의 단층들의 띠 간격(band gap)이 개략적으로 도시된다.
탄화규소 기판(1) 위에서 LED 구조체가 성장할 수 있도록 하기 위해 필요한 성장층으로서 완충층(3)이 사용된다. 층 3과 5 사이에 있는 추가 알루미늄-갈륨 질화물 층(4)의 알루미늄 함량은 갈륨-질화물 층(5)의 방향 쪽으로 변동된다. 상기 갈륨-질화물 층(5)은 바람직하게는 실리콘으로 도핑된다. 활성층(6) 위에 배치되고, 마그네슘으로 도핑된 층(7)이 전극 배리어로서 사용된다.
도 1a의 상기 기본 구조는 갈륨-알루미늄-인듐 질화물(LED)을 위한 표준으로 사용된다.
도 1b는 본 발명에 따른 활성층(6)의 확대도이다. 양자 웰 구조를 갖는 상기 층(6)은 개별 갈륨-질화물 (GaN-)층(6b) 사이에 갈륨-인듐 질화물(GaInN)로 된 층(6a)이 배치되는 방식으로 형성된다. 실제 활성층, 즉 발광층으로 된 갈륨-인듐 질화물(GaInN) 층(6c)이 최상부의 갈륨-질화물 층(6b)에 연결된다.
도시된 바와 같이 상이한 두께의 층 6a와 6b가 교대로 제공된다. 얇은 인듐-갈륨 질화물 층(6a) 및 두꺼운 갈륨 질화물 층(6)이 초격자를 형성하며, 상기 초격자에서 웰 6a는 3nm보다 얇고, 층 6b의 두께는 3nm 이상이다. 상기 층들의 제조는 기상 에피택시(vapor-phase epitaxy) 또는 분자선 에피택시(molecular-beam epitaxy)에 의해 이루어진다. 이때 700℃ 정도의 낮은 온도에서 1-10 nm/min, 바람직하게는 1-2nm/min의 저속 성장이 실시된다.
인듐 함량은 24% 미만, 바람직하게는 20% 미만이며, 따라서 바람직하게는 통상의 인듐 함량보다 낮다. - 도면에는 한 번만 도시되어 있는 - 층(6a 및 6b)이 여러 번 적층될 수 있으며, 바람직하게는 구조(x)가 3회 반복된다. 최상부의 갈륨 질화물 층(6b)에는 실제 활성층, 즉 인듐-갈륨 질화물로 된 발광층(6c)이 연결된다.
바람직하게는 양자 웰 구조(6a, 6b)가 1017 내지 1018 cm-3의 농도를 갖는 실리콘으로 도핑될 수 있다. 그럼으로써 도핑되지 않은 구조에 비해 더욱 확실한 개선이 이루어진다.
도 2는 가전자대(VB)와 전도대(CB)의 에너지 상태를 보여준다. 세로축 방향에는 전자 에너지가, 가로축 방향에는 층 두께에 상응하는 폭을 갖는 양자 웰이 도시된다. 최상부의 갈륨 질화물 층(6b)에는 실제 활성층(6c)이 연결된다.
도 2와 달리, 도 3에는 본 발명에서보다 더 두꺼운 양자 웰을 갖는, 갈륨-인듐 질화물의 가전자대가 도시된다. 경사진 부분이 나타내는 것은, 변형력에 의해 생성되는 압전 필드 효과이다.
본 발명에 따르면, 도 1에 따른 층 구조 및 도 2에 따른 양자 웰 상태에서 얇은 웰(약 2 nm이하의 양자 웰 폭)을 갖는 GaInN/GaN-초격자를 사용함으로써 순방향 전압이 현저히 감소될 수 있고, 인듐-갈륨 질화물을 기반으로 하는 광 반도체 장치의 높은 내부 양자 효율이 획득될 수 있다. 그렇지 않은 경우 형성되는 압전 필드가 완전히 방지되거나 사실상 더 이상 작용하지 않는다. 활성 웰 이전에 갈륨-인듐 질화물 초격자가 증착되지 않는 종래의 싱글 양자 웰 구조에 비해 본 발명에 따른 장치 구조는 2배의 변환 효율(conversion efficiency)을 나타낸다.
초격자는 일반적으로 소수의 원자층으로 된 두께의 층이 특히 주기적인 시퀀스를 형성하는 구조를 말한다. 상기 초격자는 GaN 배리어 또는 AlGaN 배리어에 의해 활성 웰로부터 분리된다(>3nm). 도핑되지 않은 구조에 비해 양자 웰 구조의 실리콘 도핑이 명백히 개선된다.
공지된 초격자 구조에 비해 본 발명에 따른 장치 구조는 0.5V 이상 감소된 순방향 전압을 갖는다.
활성 양자 웰 이전에 GaInN 초격자가 증착되지 않는 SQW(Single Quantum Well)에 비해 변환 효율이 2배 증가할 수 있다.
얇고 인듐이 적게 함유된 광학적 비활성 양자 웰들("pre-wells)과 1개의 활성 양자 웰(6c)의 결합을 통해 지금까지 공지된 멀티플 양자 웰 구조의 방출 특성을 얻을 수 있으며, 순방향 전압이 낮아질 수 있다. 얇은 GaInN-양자 웰은 활성 양자 웰의 질을 개선시키며, "pre-well"의 얇은 층 두께 및 낮은 인듐 함량에 의해 간섭 압전 필드의 형성이 감소된다. 따라서 이러한 핵형성 층에 의해 SQW-구조에 비해 순방향 전압이 더 높아지지는 않는다.
도 4는 2개의 GaN 배리어 층 사이의 InGaN 웰 층(6a) 내에서의 전도대의 프로파일을 도시하며, 여기서 GaN 웰 층(6a)은 총 4개의 단층(60a 내지 63a)으로 구성된다. 인듐 함량은 방사 활성 양자 웰 층(6c)으로부터 가장 멀리 떨어져있는 단층(60a)으로부터 상기 방사 활성 양자 웰 층(6c)에 가장 가깝게 놓인 단층(63a) 쪽으로 단계적으로 증가한다. 인듐 함량의 증가 정도는 5% 미만이고, 방사 활성 양자 웰 층(6c)으로부터 가장 멀리 떨어져있는 단층(60a)의 인듐 함량은 5%보다 적다. 각각의 단층들(60a 내지 63a)의 층 두께는 소수의 단분자층의 범위의 값을 갖거나, 조성물의 1개의 단분자층과 거의 동일하다.
그로 인해 델타 전위와 유사한 전위 파형이 나타난다. 결과적으로, 배리어 층 내에서의 에너지 레벨과 단계화된 웰 층 내에서 하나의 전자에 대해 나타나는 에너지 레벨간의 차는 단계화된 웰 층의 최상부의 단층보다 훨씬 더 낮은 인듐 함량을 갖는 직사각형 웰 층의 경우보다 크지 않다.
그로 인해 전체 인듐 함량이 감소되는 이점이 유지될 수 있지만, 이와 동시에 최종 단층의 높은 인듐 함량으로 인해 변형력이 영향을 받아서, InGaN이 다량 함유된 상의 핵형성이 개선되고, 그 결과 양자 효율이 높아진다.
물론 상기 실시예에 따른 본 발명의 설명이 여기에만 제한된 것은 아니다. 본 발명은 유사한 문제를 해결하기 위한, 재료 체계가 다른 장치들과도 관련된다.
얇고 인듐이 적게 함유된 광학적 비활성 양자 웰들("pre-wells)과 1개의 활성 양자 웰의 결합을 통해 지금까지 공지된 멀티플 양자 웰 구조의 방출 특성을 얻을 수 있으며, 순방향 전압이 낮아질 수 있다. 얇은 GaInN-양자 웰은 활성 양자 웰의 질을 개선시키며, "pre-well"의 얇은 층 두께 및 낮은 인듐 함량에 의해 간섭 압전 필드의 형성이 감소된다. 따라서 이러한 핵형성 층에 의해 SQW-구조에 비해 순방향 전압이 더 높아지지는 않는다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 소자의 층 구조의 개략도.
도 2는 도 1에 따른 소자의 양자 웰 구조의 개략도.
도 3은 일반적인 방식의 양자 웰 구조의 개략도.
도 4는 본 발명의 매우 바람직한 실시예에 따른 전도대의 프로파일에 대한 개략도.

Claims (15)

  1. 멀티플-양자 웰-구조를 갖는 광 반도체 장치로서,
    상기 멀티플-양자 웰-구조가
    - 실제로 방사하지 않는 웰 층(6a) 및 배리어 층(6b)으로 이루어진 적어도 하나의 조합을 포함하며, 웰 층(6a) 및 배리어 층(6b)이 교대로 위아래로 적층되어 있고, 질화물-반도체 재료를 기재로 하는 다양한 유형의 반도체 층들로 이루어지며,
    - 성장 방향으로 볼 때 상기 실제로 방사하지 않는 웰 층(6a) 및 배리어 층(6b) 다음에 배치된 방사 활성 양자 웰 층(6c)을 포함하는, 광 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실제로 방사하지 않는 웰 층(6a)이 얇은 알루미늄-인듐-갈륨-질화물-층이고, 상기 배리어 층(6b)은 상기 웰 층에 비해 두꺼운 갈륨-질화물-층 또는 알루미늄-갈륨-질화물-층이며, 상기 방사 활성 양자 웰 층(6c)이 인듐-갈륨-질화물-층인, 광 반도체 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방사 활성 양자 웰 층(6c)이 최상부 배리어 층(6b)에 연결되는, 광 반도체 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방사 활성 양자 웰 층(6c)의 층 두께가 상기 실제로 방사하지 않는 웰 층(6a)의 층 두께보다 더 두꺼운, 광 반도체 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실제로 방사하지 않는 웰 층(6a)은 2nm보다 얇고, 상기 배리어 층(6b)의 두께가 3nm이거나 그보다 더 두꺼운, 광 반도체 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 실제로 방사하지 않는 웰 층 및 배리어 층(6a, 6b)이 실리콘으로 도핑된, 광 반도체 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    도펀트 농도가 1017 내지 1018cm-3인, 광 반도체 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    실제로 방사하지 않는 적어도 하나의 웰 층(6a) 내부에서는 In(인듐)-함량이 상기 방사 활성 양자 웰 층(6c)의 방향으로 가면서 증가하는, 광 반도체 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 실제로 방사하지 않는 웰 층(6a) 내의 인듐-함량이 상기 방사 활성 양자 웰 층으로부터 멀어지는 방향으로 가면서 5% 미만이 되는, 광 반도체 소자.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실제로 방사하지 않는 적어도 하나의 웰 층(6a)이 적어도 한 쌍의 개별 층(60a, 61a)을 가지며, 상기 개별 층들 중에서 성장 방향으로 볼 때 제 1의 개별 층(60a)은 제 2의 개별 층(61a)보다 적은 인듐-함량을 갖는, 광 반도체 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2의 개별 층(61a)이 상기 제 1의 개별 층(60a)보다 5% 미만만큼 더 높은 인듐-함량을 갖는, 광 반도체 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 실제로 방사하지 않는 웰 층이 다수의 개별 층(60a, 61a, 62a, 63a)을 가지며, 상기 개별 층들의 인듐-함량은 상기 방사 활성 양자 웰 층(6c)으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 상기 개별 층(60a)으로부터 출발하여 상기 방사 활성 양자 웰 층(6c)에 가장 가까이 놓인 상기 개별 층(63a)으로 가면서 단계적으로 증가하는, 광 반도체 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 인듐 함량의 증가 정도가 5% 미만인, 광 반도체 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 방사 활성 양자 웰 층(6c)으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 상기 개별 층(60a)의 인듐-함량이 5% 미만인, 광 반도체 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 개별 층(60a, 61a, 62a, 63a)들의 각각의 두께는 소수의 단분자층의 범위의 값을 갖거나, 하나의 단분자층의 두께와 동일한, 광 반도체 장치.
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