KR101018217B1 - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는, n형 질화물 반도체층과, p형 질화물 반도체층 및 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층이 교대로 적층 되어 이루어진 활성층을 포함하며, 상기 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층의 교대 적층 구조는, 제1 양자우물층과, 상기 p형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제1 양자우물층에 인접하여 형성되며 상기 제1 양자우물층보다 높은 양자준위를 갖는 제2 양자우물층과, 상기 제1 및 제2 양자우물층 사이에 형성되며 캐리어가 터널링될 수 있는 두께의 터널링 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제2 양자우물층에 인접하여 형성되며 상기 터널링 양자장벽층보다 두꺼운 양자장벽층인 결정품질 개선층을 갖는 단위 적층 구조 및 상기 제1 및 제2 양자우물층과 인접하여 형성되며 상기 제1 및 제2 양자우물층보다 두꺼운 후막 양자우물층을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
질화물, 발광소자, 양자 준위, 터널링, 양자효율, 비발광성 재결합, Auger

Description

질화물 반도체 소자 {Nitride semiconductor device}
본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최적화된 양자장벽층 및 양자우물층 구조를 갖는 활성층에 의해 특히, 고 전류 작동 시에 발광효율이 향상된 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 광원으로 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 고 전류에서 고효율을 갖는 LED 구조의 개발이 시급한 실정 이다.
도 1은 일반적인 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 질화물 반도체 소자(10)는 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(12), 다중 양자우물 구조를 갖는 활성층(15), p형 질화물 반도체층(17) 및 투명 전극층(18)을 갖는다. 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 일부 영역은 식각 되어 n측 전극(19a) 형성을 위한 영역으로 제공되며, 상기 투명 전극층(18) 상에는 p측 전극(19b)이 형성된다. 여기서, 상기 활성층(15)은 복수의 양자우물층(15a)과 양자장벽층(15b)이 교대로 적층 된 다중 양자우물 구조로 이루어진다.
이러한 질화물 반도체 소자의 발광효율은 보통 활성층 내에서의 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. 이러한 내부양자효율의 개선방안은 주로 활성층 자체의 구조를 개선하여 발광에 참여하는 유효 캐리어(effective carrier)의 숫자를 증가시키는 방향으로 연구되고 있다. 즉, 활성층에서 유효 캐리어의 숫자를 증대시키기 위해서, 활성층의 외부로 오버플로우되는 캐리어의 수를 감소시켜야 할 필요가 있다.
또한, 활성층 내의 특정 국부영역으로 캐리어 주입이 제한되어 전체 활성층에서의 유효발광영역이 감소 될 수 있으며, 이러한 유효발광영역의 감소는 발광효 율의 저하와 직결되므로, 전체 활성층 영역에서 재결합이 보장될 수 있는 방안이 요구된다. 이를 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2a 및 도 2b은 각각 종래 기술에 따른 질화물 반도체 소자의 한 예로서, 양자우물층과 양자장벽층을 각각 30Å, 150Å의 두께로 7개 페어로 형성한 활성층에 대한 캐리어 파동함수와 유효활성영역의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
우선, 도 2a에 도시된 파동함수(점선: 전자, 실선: 정공)에 따르면, 상대적으로 정공은 전자에 비해 이동도가 낮으므로, 페어(pair) 수가 증가함에 따라 정공의 존재 확률은 급격히 감소하게 된다. 전자와 정공은 각각 n형 및 p형 질화물 반도체층으로부터 멀어질수록 그 분포가 감소하지만, 정공이 상대적으로 더 급속하게 감소하므로, 도 2b에 나타난 바와 같이, 유효한 재결합확률은 p형 질화물 반도체층과 가까운 영역(Ⅱ)에 위치한 양자우물층에서 높은 경향을 나타낸다.
이와 같은 활성층의 유효활성영역이 저하되는 문제는, 특히 고 전류를 요구하는 조명 장치 등에 사용될 경우에 더욱 심각해지므로(efficiency droop), 당 기술 분야에서는 고 전류 작동 시 발광 효율을 향상시킬 수 있는 다중 양자우물 구조가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 최적화된 다중 양자우물 구조를 갖는 활성층에 의해 고 전류 구동 시에 발광 효율이 크게 향상된 질화물 반도체 소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,
n형 질화물 반도체층과, p형 질화물 반도체층 및 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층이 교대로 적층 되어 이루어진 활성층을 포함하며, 상기 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층의 교대 적층 구조는, 제1 양자우물층과, 상기 p형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제1 양자우물층에 인접하여 형성되며 상기 제1 양자우물층보다 높은 양자준위를 갖는 제2 양자우물층과, 상기 제1 및 제2 양자우물층 사이에 형성되며 캐리어가 터널링될 수 있는 두께의 터널링 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제2 양자우물층에 인접하여 형성되며 상기 터널링 양자장벽층보다 두꺼운 양자장벽층인 결정품질 개선층을 갖는 단위 적층 구조 및 상기 제1 및 제2 양자우물층과 인접하여 형성되며 상기 제1 및 제2 양자우물층보다 두꺼운 후막 양자우물층을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 활성층 내에서, 상기 단위 적층 구조는 2회 이상 반복하여 적층 될 수 있다 이 경우, 상기 단위 적층 구조의 반복 횟수는 2 ~ 30회일 수 있다. 또한, 상기 후막 양자우물층은 상기 단위 적층 구조들 사이에 배치되며 상기 단위 적층 구조에 포함된 결정품질 개선층과 계면을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층의 교대 적층 구조 중 일부는 초격자 구조를 이룰 수 있다. 이 경우, 상기 초격자 구조는 상기 활성층 내에서 상기 단위 적층 구조에 비하여 상기 n형 질화물 반도체층에 보다 인접하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 초격자 구조에 포함된 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층의 두께는 20 ~ 60Å일 수 있다.
또한, 상기 초격자 구조는 양자우물층 및 양자장벽층을 각각 5 ~ 15개씩 구비할 수 있다.
또한, 상기 활성층은 상기 단위 적층 구조를 1 ~ 5개 구비할 수 있다.
또한, 상기 후막 양자우물층은 상기 초격자 구조와 상기 단위 적층 구조 사이에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 후막 양자우물층은 상기 활성층 내에서 상기 n형 질화물 반도체층보다 상기 p형 질화물 반도체층에 가깝게 형성될 수 있다.
또한, 상기 후막 양자우물층 및 이와 인접한 상기 단위 적층 구조에 포함된 제1 양자우물층 사이에 형성된 양자장벽층의 두께는 20 ~ 60Å일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 양자우물층은 상기 제1 양자우물층보다 두께가 얇을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 양자우물층의 두께는 20 ~ 60Å일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 양자우물층의 두께는 10 ~ 50Å일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 터널링 양자장벽층의 두께는 10 ~ 80Å일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 결정품질 개선층의 두께는 30 ~ 200Å일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 후막 양자우물층의 두께는 50 ~ 100Å일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 양자우물층의 상기 양자 준위는 도핑에 의한 양자 준위일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 단위 적층 구조는 상기 n형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제1 양자우물층에 인접하여 형성되며 상기 제1 양자우물층보다 높은 양자준위를 갖는 제3 양자우물층 및 상기 제1 및 제3 양자우물층 사이에 형성되며 캐리어가 터널링 될 수 있는 두께를 갖는 제2 터널링 양자장벽층을 더 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제3 양자우물층의 두께는 10 ~ 50Å일 수 있다. 또한, 상 기 제2 터널링 양자장벽층의 두께는 10 ~ 80Å일 수 있다.
본 발명에 따르면, 최적화된 다중 양자우물 구조를 갖는 활성층에 의해 고 전류 작동 시에 발광 효율이 크게 향상된 질화물 반도체 소자를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다.
다만, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이며, 도 4는 도 3에서 A로 표시한 영역을 확대하여 나타낸 것이다.
우선, 도 3을 참조하면, 질화물 반도체 소자(30)는, 기판(31), n형 질화물 반도체층(32), 활성층(300) 및 p형 질화물 반도체층(37)을 포함한다. 상기 n형 질화물 반도체층(32)의 노출면 상에는 n형 전극(39a)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 p형 질화물 반도체층(37) 상면에는 투명전극층(38)과 p형 전극(39b)이 차례로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 투명전극층(38)은 실시 형태에 따라 제외될 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 n형 및 p형 전극(39a, 39b)이 동일한 방향을 향하도록 배치된 수평형 질화물 반도체 소자 구조를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 수직구조의 질화물 반도체 소자에도 적용될 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
상기 기판(31)은 질화물 단결정 성장용 기판으로 제공되며, 일반적으로 사파이어 기판이 사용될 수 있다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a축 방향의 격자상수가 각각 13.001Å 및 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 물론, 형태에 따라서는 SiC, GaN, ZnO, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 및 LiGaO2 등으로 이루어진 기판도 사용이 가능하며, 나아가, 상기 기판(31) 상에 성장되는 질화물 반도체 단결정의 결정 품질 향상을 위한 버퍼층, 예컨대, 언도프 GaN층을 성장시킬 수도 있다.
상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(32, 37)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑 된 반도 체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(32, 37) 사이에 형성되는 활성층(300)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층 된 다중 양자우물 구조로 이루어진다. 특히, 본 실시 형태의 경우, 상기 복수의 양자우물층 및 양자장벽층은 각각 2개씩으로 총 4개의 층이 하나의 단위 적층 구조(35)가 1회 이상 반복된 구조를 가지며, 상기 단위 적층 구조(35)는 활성층 내에서 캐리어의 이동을 원활히 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 상기 단위 적층 구조(35)와 인접하여서는 전자와 정공의 비발광성 재결합(Auger Recombination)을 줄이기 위해 제공되는 후막 양자우물층(36)이 형성된다. 상기 단위 적층 구조(35) 및 후박 양자우물층(36)을 더욱 상세히 설명하기 위해 도 3에서 A로 표시한 영역을 도 4에 확대하여 도시하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태에서 채용된 다중 양자우물 구조는 2개의 양자우물층(35a, 35c)와 2개의 양자장벽층(35b, 35d)로 구성된 4층의 단위 적층 구조(35)가 반복된 구조와 이들 사이에 형성된 후막 양자우물층(36)을 구비한다. 이하, 상기 단위 적층 구조(35)에 포함된 양자우물층 및 양자장벽층(35a, 35b, 35c, 35d)의 기능을 고려하여, 각각을 제1 양자우물층(35a), 터널링 양자장벽층(35b), 제2 양자우물층(35c) 및 결정 품질 개선층(35d)으로 칭하기로 한다. 상기 제1 양자우물층(35a)은 n형 질화물 반도체층(32)에 인접하는 층으로서 상기 n형 질화물 반도체층(32)으로부터 전자가 가장 우선적으로 주입되며, 단위 적층 구조(35)에서 주된 발광층으로 기능 한다. 상기 터널링 양자장벽층(35b)은 상기 제1 양자우물층(35a) 또는 제2 양자우물층(35c)으로부터의 캐리어가 터널링 될 수 있는 두께(d2)를 가지며, 이에 따라, 캐리어들이 인접한 양자우물층으로 원활히 이동될 수 있도록 한다.
상기 제2 양자우물층(35c)은 상기 제1 양자우물층(35a)에 비해 높은 양자 준위를 갖는다. 이를 위해, 본 실시 형태에서는, 상기 제1 양자우물층(35a)보다 상기 제2 양자우물층(35c)이 얇은 두께(d3)를 갖도록 하였다. 후술할 바와 같이, 상기 제2 양자우물층(35c)은 높은 양자 준위에 의해 캐리어가 인접한 양자우물층으로 용이하게 이동되도록 계단 역할을 주로 수행하며, 발광 기능은 제1 양자우물층(35a)에 비하여 미미한 것을 특징으로 한다.
상기 결정 품질 개선층(35d)은 그 이전에 적층 되는 상기 제1 양자우물층, 터널링 양자장벽층 및 제2 양자우물층(35a, 35b, 35c)의 두께가 수십 Å 단위로 그 결정 품질이 저하될 수 있는 문제를 해결하기 위해 제공되는 양자장벽층이다. 즉, 본 실시 형태에 따른 다중 양자우물 구조에서는 상기 제1 양자우물층, 터널링 양자 장벽층 및 제2 양자우물층(35a, 35b, 35c)의 구조적 특성에 의해 활성층 내에서 캐리어의 이동이 증진될 수 있으며, 이에 따라, 인접한 양자장벽층인 상기 결정 품질 개선층(35d)을 상대적으로 두껍게 성장시킬 수 있는 것이다. 따라서, 상기 결정 품질 개선층(35d)은 상기 터널링 양자장벽층(35b)보다 그 두께(d4)가 두껍게 채용된다. 다만, 상기 결정 품질 개선층(35d)의 적절한 두께에 관한 한정 사항은 본 발명에서 필수적인 것은 아니며, 활성층(300)의 두께 및 후술할 청색 전이(blue shift) 현상 등을 고려하여, 적절히 그 두께를 조절할 수 있다.
상기 후막 양자우물층(36)은 상기 단위 적층 구조(35)와 인접하여 형성되며, 상기 단위 적층 구조(35)에 포함된 제1 및 제2 양자우물층(35a, 35c)보다 두께(d5)가 두껍다. 상술한 바와 같이 상기 제1 및 제2 양자우물층(35a, 35c)은 두께가 상대적으로 얇아 그 안에서 캐리어의 밀도는 상대적으로 높아지며, 이에 따라, 비발광성 재결합이 증가할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 이러한 비발광성 재결합에 의한 발광효율 저하를 막기 위해 상기 후막 양자우물층(36)의 두께(d5)를 상대적으로 두껍게 하여 캐리어의 밀도를 낮춤으로써 비발광성 재결합을 억제할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 상기 단위 적층 구조(35) 및 후막 양자우물층(36)의 기능을 더욱 상세히 설명한다. 도 5는 도 4에 도시된 다중 양자우물 구조의 전도 대역 에너지 레벨을 도시한 것이다. 설명의 편의를 위해, 캐리어로서 전자의 이동 모습만을 도시하였다. 우선, 제1 양자우물층(35a)에 주입된 전자(e-) 중 일부는 정 공과의 발광성 재결합에 의해 소정 파장의 광을 방출한다. 많은 양의 전자가 주입된다면, 상기 제1 양자우물층(35a)의 에너지 준위(E0, E1)는 모두 전자로 채워지고, 잉여 전자는 인접한 터널링 양자장벽층(35b)을 터널링하여 제2 양자우물층(35c)에 주입된다. 이 경우, 후술할 바와 같이, 상기 제2 양자우물층(35c)은 제1 양자우물층(35a)에 비하여 높은 양자 준위를 가지며, 이에 따라, 제1 양자우물층(35a)의 고차 양자 준위로부터 제2 양자우물층(35c)의 0차 양자 준위(E'0)로 보다 용이하게 전자가 터널링될 수 있다. 이러한 터널링 기능을 수행하기 위해 상기 터널링 양자장벽층(35b)의 두께(d2)는 약 10 ~ 80Å의 값을 갖는다. 또한, 상기 제1 양자우물층(35a)은 양자 효과에 의해 높은 내부 양자효율을 갖기 위해 두께(d1)가 약 20 ~ 60Å의 값을 갖는다.
터널링에 의해 제2 양자우물층(35c)에 주입된 전자는 상기 제1 양자우물층(35a)에 비하여 높은 양자 준위를 갖는다. 이는 상술한 바와 같이, 인접한 다른 양자우물층, 구체적으로는 상기 후막 양자우물층(36)이나 다른 제1 양자우물층으로 전자가 용이하게 이동할 수 있도록 계단과 같은 역할을 하는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 높은 양자 준위를 얻기 위해 상기 제2 양자우물층(35c)은 제1 양자우물층(35a)보다 두께가 얇은 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 제2 양자우물층(35c)의 두께(d3)는 약 10 ~ 50Å 정도의 값을 갖는다. 이와 같이, 상기 제2 양자우물층(35c)의 높은 양자 준위에 의해 인접한 양자우물층으로의 주입 효율은 향상될 수 있으며, 이에 따라, 활성층 전체적으로 유효 발광 영역이 확대된다. 한편, 제2 양자우물층(35c)의 높은 양자 준위는 두께를 상대적으로 얇게 하는 것에 의해서만 달성될 수 있는 것은 아니며, 적절한 물질의 도핑이나 인듐 또는 알루미늄의 함량을 조절하는 방법 등을 통해서도 얻어질 수 있다.
상기 결정 품질 개선층(35d)은 그 두께가 얇은 것, 예컨대, 상기 제1 양자우물층, 터널링 양자장벽층 및 제2 양자우물층(35a, 35b, 35c)의 두께와 비슷한 수준을 갖는 것이 인접한 양자우물층으로의 전자 주입에 유리할 수 있으나, 본 실시 형태의 경우는 결정 품질 개선에 보다 초점을 맞추도록 하였다. 즉, 그 기능수행을 위해 상대적으로 두께가 얇게 형성된 상기 제1 양자우물층, 터널링 양자장벽층 및 제2 양자우물층(35a, 35b, 35c)의 결정 품질은 우수하지 못하며, 이러한 얇은 층이 계속 반복 적층 되는 경우에는 캐리어 주입 효율이 향상됨에도 불구하고 결정 품질 저하에 의해 전체적인 발광 효율 향상 효과는 크지 않게 될 수 있다. 따라서, 상기 결정 품질 개선층(35d)은 이전에 적층 된 상기 층들(35a, 35b, 35c)에 비해 두꺼운 것이 바람직하다. 다만, 너무 두꺼워지는 경우, 주입되는 전류가 증가함에 따라 방출되는 광 파장의 청색 전이(blue shift) 현상이 심화 될 수 있으므로, 이를 감안하였을 때, 상기 결정 품질 개선층(35d)의 두께(d4)는 약 30 ~ 200Å 정도의 값을 갖는 것이 바람직하다.
이와 더불어, 본 실시 형태에서 채용된 다중 양자우물 구조는 상기 제1 양자 우물층, 터널링 양자장벽층, 제2 양자우물층 및 결정 품질 개선층(35a, 35b, 35c, 35d)을 하나의 단위 적층 구조(35)로 하여 이러한 단위 적층 구조(35)가 복수 회 반복된 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 양자 우물층 간의 캐리어 이동성과 반도체 결정의 품질이 모두 개선될 수 있으며, 특히, 고 전류 작동 시에 우수한 발광 효율 향상 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 상기 단위 적층 구조(35)는 상기 활성층(300) 내에 1개만 포함될 수도 있으며, 복수 회 반복될 수도 있다. 단위 적층 구조(35)의 최적 반복 횟수는 소자가 구동되는 전류밀도에 따라 다르며 일반적으로는 전류밀도가 높을수록 최적의 반복횟수는 증가한다. 복수 회 반복되는 경우는, 반복 횟수가 30회 이하, 즉, 각각 양자우물층과 양자장벽층이 60개 이하인 것이 바람직하다. 다만, 도 7에 도시된 실시 형태에서 설명할 바와 같이, 활성층 내에서 단위 적층 구조와 초격자 구조가 서로 공존하는 경우에는 단위 적층 구조의 반복 회수는 이보다 줄어들어도 무방하다.
한편, 상술한 바와 같이, 비발광성 재결합을 억제하여 발광효율 향상에 기여하는 상기 후막 양자우물층(36)은 캐리어 밀도를 낮추기 위해 그 두께가 충분히 보장될 필요가 있으며, 구체적으로, 그 두께(d5)는 약 50 ~ 100Å 정도의 값을 갖는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자에서 채용된 다중 양자우물 구조의 전도 대역 에너지 레벨을 도시한 것이다. 본 실시 형태의 경 우, 다중 양자우물 구조를 구성하는 단위 적층 구조는 이전 실시 형태에 비하여 2개의 층이 추가된 것에 해당한다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태의 다중 양자우물 구조를 이루는 단위 적층 구조(45)는 도 5에 도시된 단위 구조와 같은 것으로 볼 수 있는 제1 양자우물층(45c), 제1 터널링 양자장벽층(45d), 제2 양자우물층(45e) 및 결정 품질 개선층(45f)를 포함하며, 나아가, 제3 양자우물층(45a)과 제2 터널링 양자장벽층(45b)을 더 포함한다. 또한, 상기 단위 적층 구조(45)와 인접하여서는 후막 양자우물층(46)이 형성된다.
본 실시 형태는 전자의 이동 문제 외에 정공의 이동까지 고려한 것으로서 정공의 이동 경로 상에 양자 준위가 높은 제3 양자우물층(45a)을 추가 배치하여, 정공이 인접한 양자우물층으로 용이하게 주입되도록 하였으며, 제2 터널링 양자장벽층(45b)은 제1 터널링 양자장벽층(45d)과 동일한 목적으로 채용된 것이다. 즉, 주입 효율 향상의 대상이 되는 캐리어가 서로 상이할 뿐, 상기 제3 양자우물층(45a)과 제2 터널링 양자장벽층(45b)은 각각 제2 양자우물층(45e)과 제1 터널링 양자장벽층(45d)에 각각 대응하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 도 6의 경우도 전체적인 캐리어의 흐름은 도 5의 경우와 유사하며, 다만, 제3 양자우물층(45a)에 주입된 전자(e-)는 터널링에 의해 제1 양자우물층(45c)으로 주입된다. 따라서, 도 5의 경우와 마찬가지로 본 실시 형태에서도 주된 발광층은 제1 양자우물층(45c)이 된다. 제1 양자우물층(45c) 이후의 캐리어의 이동 및 각 층의 기능과 관련된 설명은 이전 실시 형태에 대한 설명으로 대체 가능하므로 생략한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자에서 채용된 다중 양자우물 구조의 전도 대역 에너지 레벨을 도시한 것이다. 본 실시 형태의 경우, 활성층은 단위 적층 구조와 더불어 초격자 구조(Super-Lattice)를 구비한다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, n형 질화물 반도체층(n-GaN으로 표기)에 인접하여 복수의 양자우물층(57a) 및 양자장벽층(57b)이 서로 교대로 적층된 추격자 구조(SL)가 형성된다. 상기 초격자 구조(SL)는 양자우물층(57a) 및 양자장벽층(57b)의 교대 적층 구조가 5 ~ 15회 정도 반복되며, 상기 양자우물층(57a) 및 양자장벽층(57b) 각각의 두께는 약 20 ~ 60Å 정도이다. 이에 따라, 활성층의 전체 구조에서, 후막 양자우물층(56a)은 n형 질화물 반도체층(n-GaN)에 비하여 p형 반도체층(p-GaN으로 표기) 측에 더욱 인접하게 배치될 수 있다.
상기 단위 적층 구조(55)는 p형 질화물 반도체층(p-GaN)에 인접하여 형성되며, 제1 양자우물층(55a), 터널링 양자장벽층(55b), 제2 양자우물층(55c) 및 결정품질 개선층(55d)를 구비한다. 여기서 상기 단위 적층 구조(55)는 이전 실시 형태들에서 설명한 것과 동일한 구조에 해당하며, 도 7에서는 1개만 도시하였으나, 1 ~ 5회 정도 반복될 수 있다. 상기 초격자 구조(SL)와 상기 단위 적층 구조(55) 사이에는 후막 양자우물층(56a)이 형성된다. 이 경우, 상기 후막 양자우물층(56a)과 상기 단위 적층 구조(55)에 포함된 제1 양자우물층(55a)의 사이에 형성된 양자장벽층(56b)은 상기 제1 양자우물층(55a)과 유사한 두께, 즉, 20 ~ 60Å의 두께를 갖는다. 본 실시 형태와 같이, 단위 적층 구조(55)와 더불어 초격자 구조(SL)를 채용하 며, 그 사이에 후막 양자우물층(56a)을 배치(특히, p형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치)함으로써 캐리어의 이동을 더욱 원활하게 하고 비발광성 재결합을 낮출 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따라 제조된 질화물 반도체 소자에서 에너지 변환 효율을 주입 전류에 따라 나타낸 것이다. 에너지 변환 효율은 에너지의 입력(Pin)과 출력(Po)의 비율로 정의되며, 발광효율을 나타내는 척도로 사용될 수 있다. 도 8에서 실시 예(세모로 표기)의 경우, 활성층의 다중 양자우물 구조가 도 7에 도시된 구조를 가지며, 초격자 구조는 양자우물층과 양자장벽층을 각각 30Å로 하여 9회 적층 하였다. 즉, {30Å/30Å}×9 구조에 해당한다. 또한, 단위 적층 구조는 {30Å/30Å/20Å/50Å}×2 구조이며, 상기 초격자 구조 및 단위 전극 구조에 형성된 후막 양자우물층과 양자장벽층은 50Å/30Å 구조로 하였다. 도 8에서 비교 예(원으로 표기)의 경우, 실시 예의 단위 적층 구조에 해당하는 {30Å/30Å/20Å/50Å} 구조를 7회 적층 하였다.
도 8을 참조하면, 고 전류로 갈수록 비교 예에 비하여 실시 예의 경우가 에너지 변환 효율이 높으며, 이는 고 전류 주입에 따른 발광효율의 저하가 완화됨을 나타낸다. 이 경우, 비교 예에서 제시한 구조 역시 종래의 30Å/180Å 구조 또는 단순 초격자 구조에 비해 고 전류에서 발광효율 저하(efficiency droop)가 완화될 수 있으나, 상기 실시 예에서는 이보다 더욱 발광효율 저하 완화 효과를 보이고 있 다. 이와 같이, 본 발명에서 제시한 실시 예에 따른 활성층은 4층의 단위 적층 구조와 더불어 비발광성 재결합을 억제하는 후막 양자우물층을 사용함으로써 고 전류 하에서 상대적으로 높은 발광효율을 제공할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 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.
도 1은 일반적인 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b은 각각 종래 기술에 따른 질화물 반도체 소자의 한 예로서, 양자우물층과 양자장벽층을 각각 30Å, 150Å의 두께로 7개 페어로 형성한 활성층에 대한 캐리어 파동함수와 유효활성영역의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이며, 도 4는 도 3에서 A로 표시한 영역을 확대하여 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 다중 양자우물 구조의 전도 대역 에너지 레벨을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자에서 채용된 다중 양자우물 구조의 전도 대역 에너지 레벨을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자에서 채용된 다중 양자우물 구조의 전도 대역 에너지 레벨을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따라 제조된 질화물 반도체 소자에서 에너지 변환 효율을 주입 전류에 따라 나타낸 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
31: 기판 32: n형 질화물 반도체층
300: 활성층 35: 단위 적층 구조
36: 후막 양자우물층 37: p형 질화물 반도체층
38: 투명 전극층 39a, 39b: n형 및 p형 전극
35a: 제1 양자우물층 35b: 터널링 양자장벽층
35c: 제2 양자우물층 35d: 결정 품질 개선층
45a: 제3 양자우물층 45b: 제2 터널링 양자장벽층
SL: 초격자 구조

Claims (22)

  1. n형 질화물 반도체층;
    p형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층이 교대로 적층 되어 이루어진 활성층;을 포함하며,
    상기 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층의 교대 적층 구조는,
    제1 양자우물층과, 상기 p형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제1 양자우물층에 인접하여 형성되며 상기 제1 양자우물층보다 높은 양자준위를 갖는 제2 양자우물층과, 상기 제1 및 제2 양자우물층 사이에 형성되며 캐리어가 터널링될 수 있는 두께의 터널링 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제2 양자우물층에 인접하여 형성되며 상기 터널링 양자장벽층보다 두꺼운 양자장벽층인 결정품질 개선층을 갖는 단위 적층 구조 및
    상기 p형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제2 양자우물층과 인접하여 형성되며 상기 제1 및 제2 양자우물층보다 두꺼운 후막 양자우물층을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성층 내에서, 상기 단위 적층 구조는 2회 이상 반복하여 적층되며, 상기 후막 양자우물층은 상기 2회 이상 반복 적층된 단위 적층 구조 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단위 적층 구조의 반복 횟수는 2 ~ 30회인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 후막 양자우물층은 상기 단위 적층 구조들 사이에 배치되며 상기 단위 적층 구조에 포함된 터널링 양자장벽층과 계면을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층의 교대 적층 구조는 상기 단위 적층 구조 외에 초격자 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초격자 구조는 상기 활성층 내에서 상기 단위 적층 구조에 비하여 상기 n형 질화물 반도체층에 보다 인접하여 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 초격자 구조에 포함된 복수의 양자우물층 및 복수의 양자장벽층의 두께는 20 ~ 60Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 초격자 구조는 양자우물층 및 양자장벽층을 각각 5 ~ 15개씩 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 단위 적층 구조를 1 ~ 5개 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 후막 양자우물층은 상기 초격자 구조와 상기 단위 적층 구조 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 후막 양자우물층은 상기 활성층 내에서 상기 n형 질화물 반도체층보다 상기 p형 질화물 반도체층에 가깝게 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 후막 양자우물층 및 이와 인접한 상기 단위 적층 구조에 포함된 제1 양자우물층 사이에 형성된 양자장벽층의 두께는 20 ~ 60Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 양자우물층은 상기 제1 양자우물층보다 두께가 얇은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자우물층의 두께는 20 ~ 60Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 양자우물층의 두께는 10 ~ 50Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 터널링 양자장벽층의 두께는 10 ~ 80Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 결정품질 개선층의 두께는 30 ~ 200Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 후막 양자우물층의 두께는 50 ~ 100Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제2 양자우물층의 상기 양자 준위는 도핑에 의한 양자 준위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 단위 적층 구조는 상기 n형 질화물 반도체층 방향으로 상기 제1 양자우물층에 인접하여 형성되며 상기 제1 양자우물층보다 높은 양자준위를 갖는 제3 양자우물층 및 상기 제1 및 제3 양자우물층 사이에 형성되며 캐리어가 터널링 될 수 있는 두께를 갖는 제2 터널링 양자장벽층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제3 양자우물층의 두께는 10 ~ 50Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제2 터널링 양자장벽층의 두께는 10 ~ 80Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
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