KR100826422B1

KR100826422B1 - 질화물 반도체 소자

Info

Publication number: KR100826422B1
Application number: KR1020060115248A
Authority: KR
Inventors: 이성숙; 오방원; 박길한; 박희석; 김민호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-04-29

Abstract

질화물 반도체 발광소자는 p형 및 n형 질화물 반도체층과, 그 사이에 순차적으로 형성된 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층되며 상기 양자장벽층과 양자우물층이 각각 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진 활성층을 포함한다. 또한, 질화물 반도체 발광소자는 상기 활성층과 상기 n형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 상기 활성층의 인접한 양자장벽층 및 상기 n형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 질화물 반도체로 이루어진 정공거동억제막을 더 포함한다.

백색 발광소자(white light emitting device), 주입길이(injection length), 모놀리식 소자(monolithic device), 재결합(recombination), 초격자(superlattice)

Description

질화물 반도체 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도1은 종래의 질화물 반도체 소자를 나타내는 측단면도이다.

도2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 측단면도이다.

도2b는 도2a에 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층 인접영역에 대한 에너지밴드갭을 나타낸다.

도3는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 활성층 인접영역에 대한 에너지밴드갭을 나타낸다.

도4a 내지 도4c는 본 발명에 채용가능한 다양한 형태의 정공거동억제막에 대한 에너지밴드갭을 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10,20: 질화물 반도체 발광소자 12,22: n형 질화물 반도체층

24,34,44: 정공거동억제막 15,25: 초격자구조 활성층

36,46: 전자거동억제막 17,27: p형 질화물 반도체층

18,28: 투명전극층 19a,29a: n측 전극

19b,29b: p측 전극

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 초격자구조를 활성층으로 채용한 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 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 활성층에서 빛을 생성하여 방출시킨다.

상기 활성층은 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW)구조와 약 100Å보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(muti quantum well: MQW)구조가 있다. 이 중에서, 특히 다중양자우물구조의 활성층은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 적극적으로 활용되고 있다.

도1은 종래의 다중양자우물구조를 갖는 질화물 반도체 소자의 구조를 나타내는 측단면도이다.

도1과 같이, GaN계 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11), n형 질화물 반도체층(12), 다중양자우물구조인 활성층(15) 및, p형 질화물 반도체층(17)을 포함한다. 메사에칭되어 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상면에는 n형 전극(19a)이 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층(17) 상면에는 투명전극층(18)과 p형 전극(19b)이 차례로 형성된다.

여기서, 다중 양자 우물구조로 이루어진 활성층(15)은 일반적으로 언도프된 GaN 장벽층(15a)과 언도프된 InGaN 양자우물층(15b)이 교대로 적층된 구조로 이루어진다.

이러한 질화물 반도체 소자(10)의 광효율은 원천적으로 활성층 내에서의 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. 이러한 내부양자효율의 개선방안은 주로 활성층 자체의 구조를 개선하거나 캐리어의 유효량(effective mass)을 증가시키는 방향으로 연구되고 있다.

하지만, 전자 및 정공의 이동성이 불균형을 이룰 경우에는 일부 캐리어가 활성층 내에서 재결합되지 않고, 클래드층인 p형 또는 n형 질화물 반도체층으로 이동하여 활성층 내부에서의 재결합효율이 저하될 수 있다.

따라서, 활성층에서 캐리어의 유효량을 증대시키기 위해서, 활성층 외부에서 재결합되는 캐리어수를 감소시켜야 하므로, 전자와 정공의 포획율(capture rate)을 최적화할 필요가 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 초격자 활성층 구조를 갖는 활성층에서 정공주입길이의 증가에 따른 활성층 외부의 재결합을 방지하기 위한 새로운 질화물 반도체 소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명은

p형 및 n형 질화물 반도체층과, 상기 p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 순차적으로 형성되며, 양자장벽층과 양자우물층이 초격자구조로 번갈아 적층되어 이루어진 활성층과, 상기 활성층 및 상기 n형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 상기 활성층의 인접한 양자장벽층 및 상기 n형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 질화물 반도체로 이루어진 정공거동억제막을 포함하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.

상기 정공거동억제막은 Al_x1Ga₁ _-x1N(x₁>0)인 질화물층으로 구성될 수 있다. 반도체 소자의 원하지 않는 특성 저하를 방지하기 위해서, 상기 정공거동억제막은 50㎚이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 정공거동억제막은, 적어도 일부가 상기 n형 질화물 반도체층에 가까울수록 에너지밴드갭이 작아도록 형성될 수 있다. 이 경 우에, 상기 정공거동억제막은 Al을 함유한 질화물층으로 이루어지며, 상기 n형 질화물 반도체층에 가까울수록 적어지는 Al의 함량을 갖는다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 정공거동억제막은, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하며 상기 제1 에너지 밴드갭을 갖는 제1 막과 상기 활성층에 접하며 상기 제1 에너지 밴드갭보다 큰 제2 에너지 밴드갭을 갖는 제2 막을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 정공거동억제막은 Al을 함유한 질화물층으로 이루어지며, 상기 제2 막의 Al함량은 상기 제1 막의 Al 함량보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 정공거동억제특성을 보장하기 위해서, 상기 제1 막의 두께는 상기 제2 막의 두께보다 큰 것이 바람직하다.

구체적인 실시형태에서, 상기 정공거동억제막은 Al_x1Ga₁ _-x1N(x₁>0)으로 이루어지며, 상기 전자거동억제막은 Al_x2Ga₁ _-x2N(x₂>x₁)으로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 상기 정공거동억제막은 상기 n형 질화물 반도체층에 가까울수록 단계적으로 적어지는 Al의 함량을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 채용된 초격자 구조 활성층은 각각 양자장벽층과 양자우물층이 각각 약 20 ∼ 약 40 Å의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2a에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체 발광소자(20)는 기판(21) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(22), 활성층(25) 및 p형 질화물 반도체층(27)을 포함한다. 상기 p형 질화물 반도체층(27) 상에는 오믹콘택을 위한 투명전극층(28)이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체층(22)과 상기 투명전극층(28) 상에는 각각 제1 및 제2 전극(29a,29b)이 제공될 수 있다.

상기 활성층(25)은 복수의 양자장벽층(25a)과 양자우물층(25b)을 포함하는 다중양자우물구조이다. 상기 양자장벽층(25a)은 상기 p형 질화물 반도체층(27)으로부터 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진다. 본 발명에 채용된 초격자구조의 양자장벽층(25a) 두께는 약 20 ∼ 약 40 Å 범위인 것이 바람직하며, 양자우물층(25b)의 두께도 이와 유사한 범위인 약 20 ∼ 약 40 Å인 것이 바람직하다.

본 실시형태에서, 상기 활성층(25)과 상기 n형 질화물 반도체층(22) 사이에 위치한 정공거동억제막(24)을 추가적으로 포함한다.

상기 정공거동억제막(24)은 도2b에 도시된 바와 같이 상기 활성층(25)의 인접한 양자장벽층(25a)과 상기 n형 질화물 반도체층(22)보다 높은 에너지 밴드갭(Eg₁)을 갖는 질화물 반도체로 이루어진다.

상술된 초격자 구조의 활성층(25)에서는, 양자장벽층(24a)이 얇게 형성되므로 통상적인 활성층에서보다 정공주입길이가 길어지는 효과를 발생된다. 이로 인해 정공은 초격자 구조인 활성층(25)에서 재결합되지 않고 통과하여 n형 질화물 반도체층(22)으로 오버플로우될 수 있다. 이와 같이, n형 질화물 반도체층(22)으로 오버플로우된 정공은 활성층(25)으로 주입되기 전의 전자와 n형 질화물 반도체층(22)에서 재결합되어 유효 재결합효율이 저하될 수 있다.

이러한 재결합효율의 저하를 방지하기 위해서, 본 실시형태에서 채용된 정공거동억제막(24)은, n형 질화물 반도체층(22)으로 오버플로우되는 정공이 활성층(25)에서 구속될 수 있도록 활성층(25)과 n형 질화물 반도체층(22) 사이에서 정공의 거동을 억제시킨다.

상기 정공거동억제막(24)은 Al_x1Ga₁ _-x1N(x₁>0)으로 이루어질 수 있다. 반도체 소자의 원하지 않는 특성 저하를 고려하여, 상기 정공거동억제막(24)은 50㎚이하인 것이 바람직하지만, 적절한 정공거동억제효과를 얻기 위해서, 적어도 10㎚의 두께를 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 정공거동억제막(24)의 적어도 일부는 상기 n형 질화물 반도체층(22)에 가까울수록 에너지밴드갭이 작아도록 형성될 수 있다. 이는 활성층(25)으로부터 오버플로우되는 정공에 대해서는 높은 장벽을 제공하여 효과적으로 정공의 거동을 방지하는 반면에, 상대적으로 n형 질화물 반도체층(22)으로부터 활성층(25)으로 주입되는 전자에 대해서는 장벽에 의한 효과를 감소시켜 전자주입효율의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다. 이러한 정공거동억제막(24)구조는, 상기 정공거동억제막(24)은 Al을 함유한 질화물층으로 이루어진 경우에, 상기 n형 질화물 반도체층에 가까울수록 적어지는 Al의 함량을 갖는다.

이와 유사한 효과를 고려하여, 상기 정공거동억제막(24)은 다른 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 정공거동억제막(24)은, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하며 상기 제1 에너지 밴드갭을 갖는 제1 막과 상기 활성층에 접하며 상기 제1 에너지 밴드갭보다 큰 제2 에너지 밴드갭을 갖는 제2 막을 포함할 수 있다. 상기 정공거동억제막(24)은 Al을 함유한 질화물층으로 이루어진 경우에, 상기 제2 막의 Al함량은 상기 제1 막의 Al 함량보다 큰 것이 바람직하다. 이 경우에, 정공거동억제특성을 보장하기 위해서, 상기 제1 막의 두께는 상기 제2 막의 두께보다 큰 것이 보다 바람직하다. 본 발명에서 제안하는 다양한 정공거동억제막(24)구조는 도4에 상세하게 예시되어 있다.

본 발명에서 채용되는 정공거동억제막은 전자거동억제막과 결합하여 내부양 자효율을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다. 도3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 개략적인 에너지밴드 다이어그램을 나타낸다.

도3에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체 발광소자는 p형 및 n형 GaN층(37,32)과 그 사이에 활성층(35)을 포함한다. 상기 활성층(35)은 복수의 양자장벽층(35a)과 양자우물층(35b)이 초격자로서 교대로 적층된 다중양자우물구조이다. 바람직하게, 상기 양자장벽층(35a) 두께(ta)는 약 20 ∼ 약 40 Å 범위일 수 있으며, 양자우물층(35b)의 두께(tb)도 이와 유사하게 약 20 ∼ 약 40 Å 범위일 수 있다.

일반적으로, 정공이 전자에 비해 짧은 주입길이를 갖고 이동도가 낮더라도, 초격자 구조의 활성층(35)에서는 정공이 n형 질화물 반도체층(32)으로 오버플로우되는 문제가 발생될 수 있다. 이러한 불이익한 정공의 오버플로잉를 방지하고 정공이 보다 효과적으로 활성층(35)에서 구속될 수 있도록, 활성층(35)과 n형 질화물 반도체층(32) 사이에 활성층 중 인접한 양자장벽층(35a) 및 n형 질화물 반도체층(32)보다 높은 에너지밴드갭(Eg₁)을 갖는 정공거동억제막(34)이 제공된다.

또한, 본 실시형태에서는, 추가적으로 전자의 오버플로잉을 방지하기 위한 위한 전자거동억제막(36)을 상기 활성층(35)과 상기 p형 질화물 반도체층(37) 사이 에 형성한다. 이러한 전자거동억제막(36)은 상기 활성층(35)의 인접한 양자장벽층(35a) 및 상기 p형 질화물 반도체층(37)보다 높은 에너지 밴드갭(Eg₂)을 갖는 질화물 반도체로 이루어진다. 앞서 설명한 바와 같이, 전자는 통상적으로 이동도 및 주입길이가 정공보다 크므로, 상기 전자거동억제막(36)은 상기 정공거동억제막(34)의 에너지밴드갭(Eg₁)보다 높은 에너지밴드갭(Eg₂)을 갖는 것이 바람직하다.

구체적인 예에서, 상기 정공거동억제막(34)은 Al_x1Ga₁ _-x1N(x₁>0)으로 이루어지고, 상기 전자거동억제막(37)은 Al_x2Ga₁ _-x2N으로 이루어질 수 있으며, 정공거동억제막(34)의 Al 함(x₁)이 전자거동억제막(37)의 Al 함량(x₂)보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다.

이 경우에, 도2a에 설명된 바와 같이, 정공거동억제막(34)은 상기 n형 질화물 반도체층(32)에 가까울수록 적어지는 Al의 함량을 갖는 것이 바람직하다. 이와 유사하게, 상기 전자거동억제막(36)은 적어도 일부가 상기 p형 질화물 반도체층(37)에 가까울수록 에너지밴드갭이 작아도록 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 높은 장벽으로 제공되는 전자거동억제막(36)에 의해 활성층(35)으로의 전자 주입효율을 크게 저하되는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이, 전자거동억제막 및 정공거동억제막의 적어도 일부는 캐리어주입효율의 저하를 고려하여 활성층과 멀어질수록 에너지 밴드갭이 작아지도록 형성될 수 있다. 이러한 측면을 고려하여 전자거동억제막 및 정공거동억제막의 최소 에너지밴드갭이 되는 부분이 p형 질화물 반도체층 및 n형 질화물 반도체층에 접하여 그 밴드갭과 일치하도록 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 전자거동억제막과 정공거동억제막의 에너지밴드갭은 일부 조성의 변화를 실현할 수 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, Al의 함량을 조절함으로써 이러한 밴드갭구조를 실현할 수 있다.

원하는 경사진 밴드갭 구조를 갖는 전자 및 정공거동억제막을 실현하기 위해서, Al 함량의 변화는 다양한 방식으로 구현할 수 있다. 도4a 내지 도4c에는 경사진 밴드갭 구조를 갖는 전자 및 정공억제막(46,44)이 예시되어 있다.

도4a 내지 도4c는 공통적으로 p형 및 n형 질화물 반도체층(47,42) 사이에 복수의 양자장벽층(45a)과 양자우물층(45b)을 갖는 다중양자우물구조의 활성층(45)이 배치된 형태를 나타낸다. 상기 활성층(45)은 앞서 설명된 바와 같이 터널링 가능한 양자장벽층(45a)의 두께를 가지며, 서로 다른 조성을 갖는 양자장벽층(45a)과 양자우물층(45b)이 교대로 적층된 초격자구조로 이해할 수 있다.

각 예시된 밴드다이어그램을 참조하면, 활성층(45)과 p형 질화물 반도체층(47) 및 활성층(45) 및 n형 질화물 반도체층(42) 사이에 그 주위의 에너지밴드갭보다 큰 전자거동억제막(44) 및 정공거동억제막(46)이 추가되어 있다.

도4a의 전자거동억제막(44)과 정공거동억제막(46)은 2단계에 걸쳐 단계적으로 경사진 구조를 갖는다. 이러한 구조는, 해당 막을 성장할 때에, Al 소스가스의 공급량을 단계적으로 변화시킴으로써 얻어질 수 있다.

도4b 및 도4c를 참조하면, 전자거동억제막(44)과 정공거동억제막(46)은 도4a와 유사한 방향으로 경사진 구조를 가지만, 도4b의 경우에는 선형적으로 경사진 구조를 가지며, 도4c의 경우에는 지수함수적으로 경사진 구조를 갖는다.

이와 같이, 전자거동억제막 및 정공거동억제막을 경사진 에너지밴드갭을 갖도록 구성하는 것은 다양한 방식과 형태로 구현될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 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 따르면, 초격자 활성층 구조를 갖는 활성층에서 활성층 및 n형 질화물 반도체층 사이에 정공주입길이의 증가에 따른 정공의 오버플로잉 현상을 방지하여 재결합효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 정공거동억제막은 n형 질화물 반도체층에 가까울수록 낮은 밴드갭을 갖도록 형성함으로써 정공거동억제막에 의한 전자주입효율에 대한 악영향을 감소시킬 수 있다.

Claims

p형 및 n형 질화물 반도체층;

상기 p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 순차적으로 형성되며, 양자장벽층과 양자우물층이 초격자구조로 번갈아 적층되어 이루어진 활성층; 및

상기 활성층과 상기 n형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 상기 활성층의 인접한 양자장벽층 및 상기 n형 질화물 반도체층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 질화물 반도체로 이루어진 정공거동억제막을 포함하는 질화물 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 정공거동억제막은 Al_x1Ga₁ _-x1N(x₁>0)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 정공거동억제막은 50㎚이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 정공거동억제막은, 적어도 일부가 상기 n형 질화물 반도체층에 가까울수록 에너지밴드갭이 작아도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제4항에 있어서,

상기 정공거동억제막은 Al을 함유한 질화물층으로 이루어지며, 상기 n형 질화물 반도체층에 가까울수록 적어지는 Al의 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 정공거동억제막은, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하며 상기 n형 질화물 반도체층의 에너지 밴드갭보다 큰 제1 에너지 밴드갭을 갖는 제1 막과 상기 활성층에 접하며 상기 제1 에너지 밴드갭보다 큰 제2 에너지 밴드갭을 갖는 제2 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제6항에 있어서,

상기 정공거동억제막은 Al을 함유한 질화물층으로 이루어지며, 상기 제2 막의 Al함량은 상기 제1 막의 Al 함량보다 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제6항에 있어서,

상기 제1 막의 두께는 상기 제2 막의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제1항에 있어서

상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 상기 활성층의 인접한 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 질화물 반도체로 이루어진 전자거동억제막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제9항에 있어서

상기 전자거동억제막은 적어도 일부가 상기 p형 질화물 반도체층에 가까울수록 에너지밴드갭이 작아도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제9항에 있어서,

상기 전자거동억제막은 상기 정공거동억제막보다 높은 에너지밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제11항에 있어서,

상기 정공거동억제막은 Al_x1Ga₁ _-x1N(x₁>0)으로 이루어지며, 상기 전자거동억제막은 Al_x2Ga₁ _-x2N(x₂>x₁)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제12항에 있어서,

상기 정공거동억제막은 상기 n형 질화물 반도체층에 가까울수록 적어지는 Al의 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
제1항에 있어서,

상기 초격자 구조로 이루어진 활성층의 양자장벽층과 양자우물층은 각각 20 ∼ 40 Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.