KR100910476B1 - 초격자구조의 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 제1 도전형 및 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층되어 이루어지고, 상기 양자장벽층은 일 양자우물층에서 주입된 캐리어가 인접한 다른 양자우물층으로 터널링가능한 두께를 갖는 초격자 구조의 활성층을 포함하며, 상기 양자장벽층은 상기 양자우물층에 대비하여 0.7∼2.5 배의 두께를 가지며, 상기 활성층은 상기 양자우물층과 상기 양자장벽층의 10∼30 페어로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.

초격자(supper lattice), 발광소자(light emitting diode), 질화물(nitride)

Description

초격자구조의 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING SUPPER LATTICE STURCUTRE ACTIVE LAYER}

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 초격자구조의 활성층을 갖는 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 청색 및 녹색을 포함하는 다양한 광의 방출하는 활성층을 갖는 발광소자로서 제공될 수 있다.

이러한 질화물 발광소자(LED)가 개발된 후에, 많은 기술적 발전을 이루어져 그 활용 범위가 확대되어 일반 조명 및 전장용 광원으로써 많은 연구가 되고 있다. 특히, 종래에는 질화물 발광소자는 주로 저전류/저출력의 모바일 제품에 적용되는 부품으로 사용되었으나, 최근에는 점차 그 활용범위가 고전류/고출력 분야로 확대되고 있다. 이에 따라 고전류에서 고효율을 갖는 LED 구조의 개발이 시급한 실정이 다.

이러한 LED와 같은 질화물 반도체 소자의 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. 즉, 활성층에서 캐리어의 유효량을 증대시키기 위해서, 활성층의 외부로 오버플로우되는 캐리어수를 감소시켜야 할 필요가 있다.

또한, 특정 국부영역에서 캐리어 주입이 저하되어 전체 활성층에서의 유효활성영역이 감소될 수 있으며, 이러한 유효활성영역의 감소는 발광효율의 저하와 직결되므로, 전체 활성층 영역에서 재결합이 보장될 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 국부적인 캐리어 주입효율의 저하로 인한 유효활성영역 감소를 개선함으로써 특히 고전류에서 고효율을 보장할 수 있는 질화물 반도체 소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,

제1 도전형 및 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층되어 이루어지고, 상기 양자장벽층은 일 양자우물층에서 주입된 캐리어가 인접한 다른 양자우물층으로 터널링가능한 두께를 갖는 초격자 구조의 활성층을 포함하며, 상기 양자장벽층은 상기 양자우물층에 대비하여 0.7∼2.5 배의 두께를 가지며, 상기 활성층은 상기 양자우물층과 상기 양자장벽층의 10∼30 페어로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.

상기 양자우물층의 두께는 10∼100 Å범위일 수 있으며, 상기 양자장벽층의 두께는 20∼60 Å일 수 있다. 바람직한 상기 양자장벽층과 상기 양자우물층의 페어수는 10∼20 범위일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 양자우물층의 두께는 각각 25∼35 Å이며, 상기 양자장벽층은 양자우물층의 두께에 대해 0.8∼1.2배일 수 있고, 상기 양자장벽층 및 상기 양자우물층의 페어수는 14 일 수 있다.

상기 양자우물층이 In_xGa_1-xN이며, 인듐의 조성비(x)은 0.2∼0.35인 녹색 파장계열 발광소자의 경우에, 본 발명은 상대적으로 양자장벽층을 얇게 형성하므로, 압전효과(piezo effect)를 감소시켜 고전력에서 사용되는 발광소자에 야기될 수 있는 파장의 청색전이(blue-shift)현상을 억제하여 파장의 안정성을 도모할 수 있다.

본 발명에 따르면, 국부적인 캐리어 주입효율의 저하로 인한 유효활성영역 감소를 개선하여 전체 활성영역에서 균일한 발광을 보장할 수 있으며, 순방향 전압 특성을 종래와 유사한 수준으로 유지하면서도 종래에 비해 높은 전류밀도에서 출력을 크게 향상시킬 수 있으므로, 고출력 질화물 반도체 소자에 매우 유익하게 적용될 수 있다. 또한, 녹색파장의 발광소자에서 청색전이를 억제하여 파장의 안정성을 도모할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도 이다.

도1에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 소자(10)는, 기판(11), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(15) 및, p형 질화물 반도체층(17)을 포함한다. n형 전극은, 메사에칭되어 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상면에 n형 전극(19a)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 p형 질화물 반도체층(17) 상면에는 투명전극층(18)과 p형 전극(19b)이 차례로 형성될 수 있다.

본 실시형태에서는 양 전극(19a,19b)이 동일 면에 배치된 수평형 질화물 반도체 발광소자 구조를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 수직구조의 질화물 반도체 발광소자에도 적용될 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

도1에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(15)은 복수의 양자우물층(15a)과 복수의 양자장벽층(15b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로 이루어진다. 또한, 상기 활성층(15)은 초격자구조를 갖는다. 즉, 상기 양자장벽층(15b)은 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(12,17)에서 주입되는 전자 및 정공이 인접한 양자우물층으로 터널링될 수 있는 두께(t2)를 갖는 구조이다.

본 발명에 채용되는 양자장벽층(15b)은, 통상적인 양자장벽층의 두께보다 얇은 조건으로 제한된다. 보다 구체적으로 본 발명에 따른 양자장벽층(15b)의 두께(tb)는 양자우물층의 두께에 대해 0.7∼2.5 배로 한정된다. 0.7배 이하인 경우에는 양자장벽층이 지나치게 얇아 다중양자우물구조를 위한 양자우물층의 구획이 어려워지며, 2.5배보다 큰 경우에는 종래와 같이 유효활성영역을 충분히 증가시키기 어렵다는 문제가 있다.

또한, 본 발명에 채용되는 활성층(15)은 5 페어 이상의 양자우물층(15a)과 양자장벽층(15b)을 포함한다. 페어수가 증가하는 경우에는 양질의 에피성장에 어려움이 있으므로, 30 페어 이하일 필요가 있다. 바람직하게는, 상기 활성층(15)은 상대적으로 많은 10∼20 페어의 양자우물층(15a)과 양자장벽층(15b)으로 이루어질 수 있다.

통상적인 상기 양자우물층(15a)의 두께(ta)는 10∼100 Å범위일 수 있으며, 이를 고려하여, 상기 양자장벽층(15b)의 두께(tb)는 20∼60 Å인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 양자우물층(15a)의 두께(ta)는 각각 25∼35 Å이며, 상기 양자장벽층(15b)의 두께(tb)은 양자우물층(15a)의 두께(ta)에 대해 0.8∼1.2배일 수 있고, 상기 양자장벽층 및 상기 양자우물층은 14 페어일 수 있다.

이와 같이, 초격자구조에서도 상대적으로 얇은 양자장벽층을 채용하면서 동시에 적정한 범위로 페어수를 증가시킴으로써 유효활성영역을 증가시키는 동시에 광출력을 향상시킬 수 있다. 이러한 원리를 도해적으로 도2 및 도3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도2a 및 도2b은 각각 종래의 예로서 양자우물층과 양자장벽층을 각각 30Å, 150Å의 두께로 7개 페어로 형성한 활성층에 대한 캐리어 파동함수와 유효활성영역의 분포를 나타나내는 시뮬레이션 결과이다.

우선, 도2a에 도시된 파동함수(점선: 전자, 실선: 정공)에 따르면, 상대적으로 정공은 전자에 비해 이동도가 낮으므로, 정공이 전자에 비해 상대적으로 낮은 분포를 나타낸다. 또한, 전자와 정공은 각각 n형 및 p형 질화물 반도체층으로부터 멀어질수록 그 분포가 감소하므로, 도2b에 나타난 바와 같이, 유효한 재결합확률은 p형 질화물 반도체층과 가까운 영역(Ⅱ)에 위치한 양자우물층에 집중하는 경향을 나타낸다.

도3a 및 도3b은 각각 본 발명의 조건에 따라 양자우물층과 양자장벽층을 각각 30Å의 두께로 14개 페어로 형성한 활성층에 대한 캐리어 파동함수와 유효활성영역의 분포를 나타나내는 시뮬레이션 결과이다.

도3a에 나타난 바와 같이, 캐리어 파동함수(점선: 전자, 실선: 정공)에 따르면, 낮은 이동도를 갖는 정공이 전자에 비해 상대적으로 낮은 분포를 나타내더라도, 본 발명의 얇은 두께를 갖는 양자장벽층을 채용하는 경우에는, 전자와 정공은 각각 n형 및 p형 질화물 반도체층으로부터 멀어질수록 감소되는 경향이 완화될 수 있다. 결과적으로, 도3b에 나타난 바와 같이, 양자우물층과 양자장벽층의 페어수를 도2의 경우보다 많은 14 개를 갖더라도, 유효한 재결합확률은 전체 양자우물층 영역(Ⅰ)에서 거의 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 양자장벽층 두께 조건과 적정한 범위의 페어수 증가를 통해서 활성층의 유효활성영역을 증가시킬 수 있다는 것을 예측할 수 있다.

또한, 본 발명은 녹색 파장광을 위한 활성층에서 새로운 효과를 기대할 수 있다. 보다 구체적으로, 양자우물층이 In_xGa_1-xN이며, 인듐의 조성비(x)은 0.2∼0.35인 녹색 파장계열 발광소자의 경우에, 양자장벽층을 비교적 얇은 두께를 갖도록 형성하므로, 압전효과(piezo effect)를 감소시킬 수 있다는 장점을 제공한다.

따라서, 고전력에서 사용되는 발광소자에 야기될 수 있는 녹색 파장이 청색전이(blue-shift)현상을 억제함으로써 파장의 안정성을 도모할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해서 본 발명의 바람직한 조건과 효과에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

(실시예)

본 실시예에서는, 동일한 조건으로 질화물 반도체 발광소자를 제조하되, 활성층의 구조를 변경하기 위해서 활성층에 한하여 표1과 같이 다양한 조건(A,B,C,D)으로 성장시켰다. 다만, 양자장벽층과 페어수 변경에 따른 효과를 명확히 확인하기 위해서, 각각의 양자우물층은 동일한 두께로 약 30Å으로 형성하였다.

보다 구체적으로, 종래예에 해당되는 제4 샘플(D)만을 제외하고, 3개의 샘플(A,B,C)의 경우에는 본 발명의 조건에 해당되도록 각각의 양자장벽층을 동일한 약 30Å의 두께로 성장시켰다. 하지만, 본 발명에 해당되는 제1 내지 제3 샘플(A,B,C)의 활성층은 각각 양자우물층과 양자장벽층의 페어수가 각각 5개, 14개 및 30개되도록 제조하였다.

구분	페어수	페어두께(㎚)	예상 QW 두께 (㎚)	캡포함 QB두께 (㎚)	예상 QB 두께 (㎚)	In조성(%)
A	5	210.59	30	180.6	약 150	22.1
B	5	85.72	30	55.7	약 30	22.6
C	14	83.11	30	53.1	약 30	23.2
D	30	85.69	30	55.7	약 30	22.6

도4는 종래예(A)와 본 발명의 실시예(B,C,D)에 따른 질화물 발광소자의 광출력을 비교하는 그래프이다.

도4의 그래프에 나타난 바와 같이, 전체 샘플 모두가 전류가 높아질수록 점차적으로 광출력이 증가하지만, 1000㎃의 고전류 조건에서 발명예 중 제2 샘플(B)은 종래예(A)에 비교하여 5 a.u.정도 높은 출력을 나타내었다. 즉, 동일한 페어수(5개)에서도 양자장벽층을 얇게 구성함으로써 광출력 효율이 향상되고, 이러한 향상효과는 고출력에서 보다 뚜렷하게 나타나므로, 고출력 LED에 유용하다는 것을 알 수 있다.

또한, 각각 양자우물층과 양자장벽층을 각각 14 페어 및 30 페어로 구성한 제3 샘플 및 제4 샘플(C,D)의 경우에는 출력개선이 보다 크게 나타는 것을 확인할 수 있다. 즉 종래예(A)와 비교하여 약 15 a.u.정도 높은 출력을 나타내었다. 이러한 출력향상정도는 제2 샘플(B)보다도 개선된 결과이다. 다만, 제3 샘플과 제4 샘플(C,D)의 광출력개선효과는 거의 유사한 수준이며, 30 페어인 경우에 결정성 보장에 어려우므로, 이를 고려할 때에 14 페어로 구성하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.

추가적으로, 고전류에서 개선된 효과를 확인하기 위해서, 종래예(A)와 본 발명의 가장 바람직한 조건에 해당되는 발명예(C)에 대해, 전류밀도를 점차 증가시키면서 순방향 전압과 출력을 측정한 결과를 아래의 표2 및 표3으로 나타내었다.

전류밀도(A/㎠)	순방향전압(V)		증가율(C/A)
	종래예(A)	발명예(C)
10	2.96	2.99	1.01
20	3.08	3.10	1.01
30	3.24	3.27	1.01
50	3.45	3.48	1.01
100	3.86	3.89	1.01
150	4.19	4.22	1.01
350	5.25	5.22	0.99
700	5.91	5.80	0.98
1000	6.70	6.48	0.97

표2에 나타난 바와 같이, 전류밀도의 증가에 따라 종래예(A) 및 발명예(C)는 모두 점차 순방향 전압이 증가하지만, 발명예(C)는 종래예(A)와 거의 유사한 수준으로 나타났다. 즉, 발명예(C)와 같이 페어수가 증가하더라도 순방향 전압이 증가하지 않음을 알 수 있다. 이는 발명예(C)에서 많은 페어수를 채용하더라도 얇은 양자장벽층을 채용한 결과로 이해할 수 있다.

전류밀도(A/㎠)	출력(mW)		증가율(C/A)
	종래예(A)	발명예(C)
10	1.82	1.80	0.99
20	3.06	3.30	1.08
30	4.19	4.63	1.10
50	6.03	7.03	1.17
100	9.68	12.19	1.26
150	12.59	16.58	1.32
350	21.14	30.89	1.46
700	30.75	49.26	1.60
1000	34.48	55.23	1.60

한편, 표3에 나타난 바와 같이, 전류밀도가 증가하는 경우에, 종래예(A) 및 발명예(C)는 모두 출력이 점차 향상되지만, 고전류밀도인 경우에 출력의 상승폭이 발명예에서 보다 커지는 것으로 나타났다. 예를 들어, 150 A/㎠ 이상인 경우(약 10W)에, 발명예는 종래예보다 약 30%이상 출력이 향상되고, 700 A/㎠ 이상의 전류밀도에서는, 약 60%정도 출력이 증가됨을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명예에 따르면, 양자장벽층을 보다 얇은 초격자구조를 채용하고, 양자우물층과 양자장벽층의 페어수를 적정한 범위로 증가시킴으로써 고전력조건에서 순방향전압의 증가없이 보다 높은 출력을 제공하여 광출력효율을 크게 개선할 수 있다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 발명예(C)는 본 실시예에서 가장 바람직한 조건으로 이해할 수 있다. 즉, 양자우물층과 양자장벽층을 각각 30Å으로 제공하고, 14페어수를 제공한 형태에서 페어수를 불이익하게 증가시키지 않고도 고출력을 보장할 수 있었다. 하지만, 양자우물층 및 양자장벽층의 두께는 성장조건 및 측정방법에 따라 다소 차이가 있을 수 있으므로, 그 오차범위를 고려할 때에 바람직한 실시예는, 양자우물층의 두께가 각각 25∼35 Å이며, 상기 양자장벽층은 양자우물층의 두께에 대해 0.8∼1.2배인 정도로 이해할 수 있을 것이다.

상술한 실시형태 및 첨부된 도면은 바람직한 실시형태의 예시에 불과하며, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 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.

도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.

도2a 및 2b는 종래예에 따른 활성층에서 캐리어 파동함수와 유효활성영역을 나타내는 그래프이다.

도3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성층에서 캐리어 파동함수와 유효활성영역을 나타내는 그래프이다.

도4는 종래예와 본 발명의 실시예에 따른 질화물 발광소자의 광출력을 비교하는 그래프이다.

Claims (6)

1. 제1 도전형 및 제2 도전형 질화물 반도체층; 및

   상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층되어 이루어지고, 상기 양자장벽층은 일 양자우물층에서 주입된 캐리어가 인접한 다른 양자우물층으로 터널링가능한 두께를 갖는 초격자 구조의 활성층을 포함하며,

   상기 양자장벽층은 상기 양자우물층에 대비하여 0.7∼2.5 배의 두께를 가지며, 상기 활성층은 상기 양자우물층과 상기 양자장벽층의 10∼30 페어로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 양자우물층의 두께는 10∼100 Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 양자장벽층의 두께는 20∼60 Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 양자우물층과 상기 양자장벽층은 10∼20 페어인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 양자우물층의 두께는 각각 25∼35 Å이며, 상기 양자장벽층은 양자우물층의 두께에 대해 0.8∼1.2배이며,

   상기 양자장벽층 및 상기 양자우물층의 페어는 14 페어인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 양자우물층은 In_xGa_1-xN이며, 인듐의 조성비(x)은 0.2∼0.35인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.

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