KR100961107B1 - Nitride semiconductor device having double hetero-junction structure active layer - Google Patents
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질화물 반도체 소자는 제1 도전형 및 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 단일 양자우물구조로 이루어진 DH구조의 활성층을 포함하며, 상기 단일 양자우물구조의 활성층은 상기 양자우물구조의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지갭을 갖는 질화물 단결정으로 이루어진 적어도 하나의 분극완화층을 갖는다.The nitride semiconductor device includes a first conductive type and a second conductive type nitride semiconductor layer and an active layer having a DH structure disposed between the first and second conductive type nitride semiconductor layers and formed of a single quantum well structure. The active layer of the quantum well structure has at least one polarization alleviation layer made of a nitride single crystal having an energy gap larger than that of the quantum well structure.
압전효과(piezo effect), 발광소자(light emitting diode), 질화물(nitride), 단일양자우물(single quantum well) Piezo effect, light emitting diode, nitride, single quantum well
Description
본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 단일 양자우물구조(SQW)의 DH 구조의 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly to a nitride semiconductor device having an active layer of the DH structure of a single quantum well structure (SQW).
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. In general, nitride semiconductors are widely used in green or blue light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs), which are provided as light sources in full color displays, image scanners, various signal systems, and optical communication devices. Such a nitride semiconductor device can be provided as a light emitting device having an active layer emitting a variety of light, including blue and green using the recombination principle of electrons and holes.
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 실정이다.After such a nitride light emitting device (LED) has been developed, many technical developments have been made, and the range of its use has been expanded, and as a light source for general lighting and electric field, many studies have been conducted. In particular, in the past, nitride light emitting devices have been mainly used as components applied to mobile products of low current / low power, but recently, their application ranges are gradually expanded to high current / high power fields. Accordingly, it is urgent to develop an LED structure having high efficiency at high current.
이러한 LED와 같은 질화물 반도체 소자의 광효율은 원천적으로 활성층 내에서의 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. The light efficiency of nitride semiconductor devices such as LEDs is basically determined by the probability of recombination of electrons and holes in the active layer, that is, internal quantum efficiency.
질화물 반도체 소자의 활성층으로는, 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW)구조(이하, 'DH구조 활성층'이라고도 함)와 약 100Å보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well: MQW)구조가 있다. The active layer of the nitride semiconductor device includes a single quantum well (SQW) structure having a single quantum well layer (hereinafter, also referred to as a 'DH structure active layer') and a plurality of quantum well layers smaller than about 100 Hz. There is a quantum well (MQW) structure.
일반적으로, 다중양자우물구조의 활성층은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 적극적으로 활용되고 있다. In general, the active layer of the multi-quantum well structure is actively used because of its superior light efficiency and high luminous output compared to a single quantum well structure.
도1a의 그래프에 나타난 바와 같이, 파동함수(점선: 전자, 실선: 정공)에 따르면, 전자와 정공의 이동도 차이에 따라, 각각 n형 및 p형 질화물 반도체층으로부터 멀어질수록 그 분포가 감소한다. 결과적으로, 도1b에 나타난 바와 같이 유효한 재결합확률은 p형 질화물 반도체층과 가까운 영역(Ⅱ)에 위치한 양자우물층에 집중하는 문제가 있다.As shown in the graph of FIG. 1A, according to the wave function (dotted line: electron, solid line: hole), the distribution decreases as the distance from the n-type and p-type nitride semiconductor layers increases, depending on the mobility difference between electrons and holes. do. As a result, as shown in FIG. 1B, the effective recombination probability has a problem of concentrating on the quantum well layer located in the region (II) close to the p-type nitride semiconductor layer.
이와 같이, 다중양자우물구조의 활성층은 특정 국부영역에서 캐리어 주입이 저하되어 전체 활성층에서의 유효활성영역이 감소될 수 있으며, 이로 인해 발광효율이 저하되는 문제가 있다.As such, in the active layer of the multi-quantum well structure, carrier injection may be reduced in a specific local region, thereby reducing the effective active region in the entire active layer, thereby lowering the luminous efficiency.
따라서, 고전력에서 고효율의 발광소자를 얻기 위해서는 이론적으로 양자장벽층(QB) 없이 두꺼운 단일양자우물(SQW)구조를 사용하여 캐리어의 수가 많아지더라도, 전체적으로 단일 양자우물공간에 퍼져서 전자-정공간의 재결합율이 감소하지 않고 유지되도록 해주는 단일양자우물구조, 즉 DH(Double Hetero)구조의 활성층이 바람직할 것이다(도2a 참조).Therefore, in order to obtain a high-efficiency light emitting device at high power, even if the number of carriers is increased by using a thick single quantum well (SQW) structure without a quantum barrier layer (QB), it is spread throughout the single quantum well space as a whole. A single quantum well structure, ie, an active layer of DH (Double Hetero) structure, which allows the recombination rate to be maintained without decreasing (see FIG. 2A) will be preferred.
그러나, 실제로 InGaN/GaN 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에서 두꺼운 단일양자우물층을 사용할 경우에는, 도2b에 도시된 바와 같이, 매우 강력한 압전효과(piezo effect)가 발생하여 광효율이 크게 감소하고 파장이 짧아지므로, 활성층의 성장온도를 더 높일 수 있는 여지도 사라지게 된다.However, when a thick single quantum well layer is actually used in a nitride semiconductor device having an InGaN / GaN active layer, as shown in FIG. 2B, a very strong piezo effect occurs, resulting in a large reduction in light efficiency and a short wavelength. As a result, there is no room for increasing the growth temperature of the active layer.
이와 같이, 이론적으로는 단일양자우물구조의 활성층은 전체적인 재결합효율을 높여 발광효율을 향상시키는 방안으로 유익하지만, 압전효과 등으로 인한 광효율의 저하와 단파장화라는 고질적인 문제를 안고 있다.Thus, in theory, the active layer of the single quantum well structure is beneficial as a method of improving the luminous efficiency by increasing the overall recombination efficiency, but suffers from the chronic problems of light efficiency and short wavelength due to the piezoelectric effect.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 압전효과의 문제를 완화시킴으로써 고전류에서 고효율을 보장할 수 있는 질화물 반도체 소자를 제공하는데 있다. The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a nitride semiconductor device capable of ensuring high efficiency at high current by mitigating the problem of piezoelectric effect.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,In order to solve the above technical problem, the present invention,
제1 도전형 및 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 단일 양자우물구조로 이루어진 DH구조의 활성층을 포함하며, 상기 단일 양자우물구조의 활성층은 상기 양자우물구조의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지갭을 갖는 질화물 단결정으로 이루어진 적어도 하나의 분극완화층을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.A first conductive type and a second conductive type nitride semiconductor layer and an active layer having a DH structure formed between the first and second conductive type nitride semiconductor layers and formed of a single quantum well structure, The active layer provides a nitride semiconductor device having at least one polarization mitigating layer made of a nitride single crystal having an energy gap larger than that of the quantum well structure.
특정 예에서, 상기 활성층의 두께는 100∼250 Å일 수 있다. In a particular example, the thickness of the active layer may be 100 to 250 mm 3.
상기 분극완화층의 두께는 캐리어의 터널링을 보장함으로써 양자장벽으로 작용하지 않도록 10 Å 이하인 것이 바람직하다. The thickness of the polarization alleviating layer is preferably 10 kPa or less so as not to act as a quantum barrier by ensuring tunneling of the carrier.
바람직하게, 상기 분극완화층은 복수개이며, 상기 복수의 분극완화층은 일정 한 간격으로 배치될 수 있다. 바람직한 분극완화층 간격은 10∼40 Å일 수 있다.Preferably, the polarization alleviating layer is plural, and the plurality of polarization alleviating layers may be arranged at regular intervals. The preferred polarization alleviating layer spacing may be 10-40 mm.
본 발명에 따르면, 국부적인 캐리어 주입효율의 저하를 방지할 수 있는 단일 양자우물구조의 활성층을 채용하면서도, 두꺼운 양자우물층에 적어도 하나의 분극완화층을 도입하여 압전효과에 따른 분극문제를 해결할 수 있다. 따라서, 높은 전류밀도에서 출력을 크게 향상시킬 수 있으므로, 고출력 질화물 반도체 소자에 매우 유익하게 적용될 수 있다. 뿐만 아니라, 두꺼운 단일 양자우물구조의 고질적인 문제인 녹색파장의 발광소자에서 청색전이현상을 억제하여 파장의 안정성을 도모할 수 있다.According to the present invention, the polarization problem due to the piezoelectric effect can be solved by introducing at least one polarization mitigating layer into the thick quantum well layer while employing an active layer having a single quantum well structure that can prevent the local carrier injection efficiency from dropping. have. Therefore, the output can be greatly improved at high current density, and thus it can be very advantageously applied to the high output nitride semiconductor element. In addition, the stability of the wavelength can be achieved by suppressing the blue transition in the green wavelength light emitting device, which is a problem of the thick single quantum well structure.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 단일양자우물구조를 갖는 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor device having a single quantum well structure according to an embodiment of the present invention.
도3에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 소자(10)는, 기판(11), n형 질화물 반도체층(13), 활성층(15) 및, p형 질화물 반도체층(17)을 포함한다. n형 전극은, 메사에칭되어 노출된 n형 질화물 반도체층(13) 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. As shown in FIG. 3, the
본 실시형태에서는, 양 전극(19a,19b)이 동일면에 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. In the present embodiment, the structure of the horizontal nitride semiconductor light emitting device in which both
도3에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(15)은 단일 양자우물구조를 갖는 DH(double hetero)구조의 활성층이다. 또한, 상기 활성층(15)은 큰 단일양자우물구조의 두께로 인한 압전효과를 완화하기 위한 분극완화층(15b)이 채용된다. As shown in FIG. 3, the
상기 분극완화층(15b)은 양자우물구조(15a)보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 질화물 반도체층으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양자우물구조가 Inx1Ga1-x1N일 경우에 상대적으로 적은 In 성분을 갖는 Inx2Ga1-x2N(X1>X2) 또는 GaN으로 이루어질 수 있다.The
또한, 상기 분극완화층(15b)은 통상적인 양자우물층(예, 약 30Å)과 달리 매 우 얇은 박막형태로 제공된다. 보다 구체적으로 본 발명에서 채용된 분극완화층(15b)은 상기 활성층(15)으로 주입된 전자와 정공이 양자장벽으로 느끼지 않고 터널링될 수 있는 매우 얇은 두께를 갖는다. In addition, the
이러한 작용을 위해서, 상기 분극완화층(15b)의 두께(ta)는 10Å이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 분극완화층(15b)의 두께(ta)는 충분한 분극완화작용을 얻기 위해서 3Å 이상인 것이 바람직하다.For this action, the thickness ta of the
본 실시형태에서는 2개의 분극완화층(15b)을 갖는 형태로 예시되어 있다. 구조적으로 볼 때에, 2개의 분극완화층(15b)에 의해 양자우물구조(15a)는 3개의 영역으로 구분되지만, 앞서 설명한 바와 같이 양자역학적으로 볼 때에 상기 분극완화층(15b)은 매우 얇은 두께를 가지므로 양자장벽으로서의 기능을 하지 않으므로, 단일 양자우물구조와 동일한 구조로 이해할 수 있으며, 상기한 분극완화층(15b)의 두께범위에서, 활성층(15)에 주입된 캐리어는 단일양자우물구조에서와 같은 거동을 할 수 있다.In this embodiment, it is illustrated by the form which has two
본 실시형태에서는 복수개의 분극완화층을 갖는 형태로 예시되어 있으나, 단일양자우물구조의 두께에 따라 하나의 분극완화층을 채용하더라도 유사한 효과를 기대할 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.Although illustrated in the form of having a plurality of polarization alleviating layers in this embodiment, it will be apparent to those skilled in the art that similar effects can be expected even if one polarization alleviating layer is employed depending on the thickness of a single quantum well structure.
본 발명에 채용되는 DH구조의 활성층(15)의 두께(t)는 100∼250 Å일 수 있다. 100Å미만인 경우에, 단일양자우물구조로서 전체 영역에서 높은 재결합효율을 유지하는 장점을 충분히 얻기 어려우며, 250Å 이상인 경우에는 분극완화 문제가 지나치게 커지기 때문이다. The thickness t of the
본 실시형태와 같이, 분극완화층(15b)을 복수개 채용하는 경우에는, 상기 복수의 분극완화층(15b)은 일정한 간격(d)으로 배치하는 것이 바람직하다. 분극완화효과를 극대화하기 위해서, 상기 분극완화층(15b)의 간격(d)을 10∼40 Å으로 설계하는 것이 바람직하다.As in the present embodiment, when a plurality of
도4는 도3에서 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층 영역을 나타내는 밴드다이어그램이다. 즉, 도4에 도시된 영역은 도3의 활성층(15)과 그 주위 부분으로 이해할 수 있다. 여기서, 세로축은 에너지밴드갭의 절대크기(eV)를 말하며, 가로축은 n형 질화물 반도체층부터 p형 질화물 반도체층으로 수직방향의 거리를 의미한다.FIG. 4 is a band diagram showing an active layer region of the nitride semiconductor device shown in FIG. That is, the region shown in FIG. 4 can be understood as the
본 다이어그램에서는, 보다 구체적으로 n형 및 p형 질화물 반도체층(13,17)은 각각 n형 및 p형 GaN으로 예시되어 있으며, n형 질화물 반도체층(13)과 p형 질화물 반도체층(17) 사이에 위치한 활성층(15)은 InGaN의 단일양자우물구조로 예시되어 있다.In this diagram, more specifically, the n-type and p-type
도4에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(15)의 양자우물구조는 일정한 간격으 로 배치된 분극완화층(15b)에 의해 3개의 영역(15a)으로 구분된다. 상기 분극완화층(15b)은 양자우물구조의 에너지 밴드갭보다 높은 에너지 밴드갭을 가지며, 여기서는 GaN으로 예시된 것으로 이해할 수 있다.As shown in FIG. 4, the quantum well structure of the
앞서 설명한 바와 같이, 상기 분극완화층(15b)은 캐리어가 터널링가능하도록 얇은 두께를 갖는다. 즉, 상기 분극완화층(15b)은 설령 통상적인 양자장벽층과 동일한 조성을 갖는 반도체 물질로 이루어지더라도 매우 얇은 두께(ta)로 인해 양자장벽으로서 작용하지 않으며, 분극완화수단으로서 작용할 것이다.As described above, the
따라서, 단일 양자우물구조 활성층(15)의 두께(t)가 상당히 크더라도, 분극작용을 유발하는 실제 길이는 분극완화층의 사이간격으로 제한되므로, 전체적인 압전효과에 따른 영향을 크게 감소시킬 수 있다.Therefore, even if the thickness t of the single quantum well structure
이와 같이, 분극완화층을 단일 양자우물구조에 적절히 채용함으로써 압전효과를 감소시킬 수 있다는 효과가 있으며, 결과적으로 고전력에서 사용되는 발광소자에 야기될 수 있는 녹색 파장이 청색전이(blue-shift)현상을 억제함으로써 파장의 안정성을 도모할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.As such, the piezoelectric effect can be reduced by appropriately employing the polarization alleviating layer in a single quantum well structure. As a result, the green wavelength that can be caused by the light emitting device used at high power has a blue-shift phenomenon. By suppressing this, the effect of achieving stability of the wavelength can be expected.
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.The above-described embodiments and the accompanying drawings are merely illustrative of preferred embodiments, and the present invention is intended to be limited by the appended claims. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be substituted, modified, and changed in various forms without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims.
도1a 및 도1b는 각각 종래의 다중양자우물구조의 활성층에서 캐리어 파동함수와 유효활성영역을 나타내는 그래프이다.1A and 1B are graphs showing a carrier wave function and an effective active region in an active layer of a conventional multi-quantum well structure, respectively.
도2a 및 도2b는 각각 종래의 단일양자우물구조의 활성층의 이론적인 밴드다이어그램과 압전분극에 따른 실제 밴드다이어그램을 개략적으로 나타내는 모식도이다.2A and 2B are schematic diagrams schematically showing a theoretical band diagram and an actual band diagram according to piezoelectric polarization of an active layer of a conventional single quantum well structure, respectively.
도3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 단일양자우물구조를 갖는 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor device having a single quantum well structure according to an embodiment of the present invention.
도4는 도3에서 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층 영역을 나타내는 밴드다이어그램이다.FIG. 4 is a band diagram showing an active layer region of the nitride semiconductor device shown in FIG.
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