KR101238241B1 - 비도핑 클래드층 및 다중 양자 우물을 가진 제ｉｉｉ족질화물 ｌｅｄ - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기 스펙트럼의 적색광 내지 자외광 영역에서 발광할 수 있는 발광 장치용 반도체 구조체이다. 상기 구조체는, AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 제1 n형 클래딩층; AlxInyGa1-x-y N(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지고, 실질적으로 마그네슘이 없는 것을 특징으로 하는 제2 n형 클래딩층; 대응하는 복수의 AlxInyGa1-x-y N 배리어층(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y≤1임)에 의해 분리된 복수의 InxGa1-xN 우물층(well layer)(여기서, 0＜x＜1임)을 가진 다중 양자 우물 형태로 상기 제1 클래딩층과 제2 클래딩층 사이에 위치한 활성부; 및 제III족 질화물로 이루어지는 p형층을 포함하고, 상기 제2 n형 클래딩층은 상기 p형층과 상기 다중 양자 우물 사이에 위치하고, 상기 제1 n형 클래딩층과 상기 제2 n형 클래딩층은 각각 상기 우물층의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 각각 가진다. 바람직한 실시예에서, 제III족 질화물 초격자가 상기 다중 양자 우물을 지지한다.
반도체 구조체, 발광 다이오드, 제III족 질화물, 단결정 에피택셜층, 다중 양자 우물, 클래딩층, 초격자, 밴드갭 에너지

Description

비도핑 클래드층 및 다중 양자 우물을 가진 제ＩＩＩ족 질화물 ＬＥＤ{GROUP III NITRIDE LED WITH UNDOPED CLADDING LAYER AND MULTIPLE QUANTUM WELL}
본 발명은 발광 장치의 반도체 구조에 관한 것으로, 특히 전자 스펙트럼의 적색 부분 내지 자외선 부분에서 발광할 수 있는, 제III족 질화물로부터 형성된 발광 다이오드 및 레이저 다이오드에 관한 것이다.
광자 반도체 장치는 다음 세 가지 카테고리로 분류된다: 전기 에너지를 광학적 방사선(예; 발광 다이오드 및 레이저 다이오드)으로 전환하는 장치; 광학 신호를 검출하는 장치(예; 광검출기); 및 광학적 방사선을 전기 에너지로 전환하는 장치. 이들 3종류의 장치가 모두 유용한 용도를 갖지만, 다양한 소비 제품 및 용도에 대한 응용으로 인해 발광 다이오드가 가장 보편적으로 인지될 수 있다.
본 명세서에서 LED라 칭하는 발광 다이오드 장치(예; 발광 다이오드 및 레이저 다이오드)는 전기력을 방출되는 광으로 전환하는 p-n 접합 반도체 소자이다. 가장 보편적으로 LED는 다양한 신호, 지시계, 게이지, 및 많은 소비 제품(예; 오디오 시스템, 자동차, 가전제품 및 컴퓨터 시스템)에 사용되는 디스플레이에 대한 전자기 스펙트럼의 가시 영역에서의 광원을 형성한다. LED는 일반적으로 그것의 긴 수명, 낮은 전력 요구조건 및 높은 신뢰성 때문에 광 출력 장치로서 바람직하다.
폭넓은 이용에도 불구하고, LED는 기능상 다소 제한을 받는데, 그것은 소정의 LED가 생성할 수 있는 색상이 그 LED의 제조에 사용된 반도체 물질의 본성에 의해 제한되기 때문이다. 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이, LED에 의해 생성된 광은 "전계발광(electroluminescence)"으로 칭하며, 이것은 인가된 전압 하에 물질을 통과하는 전류에 의한 빛의 발생을 나타낸다. 전계발광을 생성하는 특정 조성물을 어느 것이나 비교적 좁은 파장 범위에 걸쳐 그러한 현상을 쉽게 일으킨다.
소정의 LED 물질에 의해 방출될 수 있는 빛의 파장(즉, 색상)은 그 물질의 물리적 특성, 구체적으로는 그것의 밴드갭 에너지에 의해 제한된다. 밴드갭 에너지는 반도체 내에서 상대적으로 낮은 에너지 가전자대(energy valence band)와 높은 에너지 전도대(energy conduction band)를 분리하는 에너지의 양이다. 밴드는 잘 알려진 양자역학에 따라 캐리어(예; 전자 또는 홀)가 체재할 수 있는 에너지 상태이다. "밴드갭"은 캐리어에 대해 금지되어 있는(즉 캐리어는 이러한 에너지 상태에 존재할 수 없다) 가전자대와 전도대 사이의 에너지 범위이다. 특정 환경 하에서, 전자 및 홀이 밴드갭을 가로질러 재결합할 때, 전자와 홀은 빛의 형태로 에너지를 방출한다. 달리 말하면, 소정의 반도체 물질에 의해 생성될 수 있는 전자적 방사선의 주파수는 그 물질의 밴드갭 에너지의 함수이다.
이에 관하여, 좁은 밴드갭은 낮은 에너지 및 긴 파장의 광자를 생성한다. 역으로, 넓은 밴드갭 물질은 높은 에너지와 짧은 파장 광자를 생성한다. 청색광은 대부분의 가시광 스펙트럼에서의 색보다 짧은 파장을 가지며 따라서 높은 주파수를 가진다. 결과적으로 청색광은 녹, 황, 오렌지 또는 적색광을 생성하는 트랜지션 (transition)보다 큰 에너지를 갖는 트랜지션으로부터 생성되어야 한다. 가시광 스펙트럼의 청색 또는 자외선 영역에서의 파장을 갖는 광자를 생성하는 것은 비교적 큰 밴드갭을 갖는 반도체 물질을 필요로 한다.
모든 가시광 스펙트럼은 약 390 nm의 자외선으로부터 약 780 nm의 적색광에 걸쳐 있다. 한편, 가시광 스펙트럼의 청색 영역은 약 425 nm 내지 480 nm 영역에 걸쳐 있는 것으로 생각할 수 있다. 약 425 nm(근적외선) 및 480 nm(근녹색광)의 파장은 각각 약 2.9 eV 및 약 2.6 ev의 에너지 전이를 나타낸다. 따라서, 약 2.6 eV 이상의 밴드갭을 가진 물질만이 청색광을 생성할 수 있다.
더 짧은 파장의 장치는 색상 이외의 여러 가지 이점을 제공한다. 특히, CD-ROM 광학 디스크와 같은 광학 저장 및 메모리 장치에 사용될 경우, 상대적으로 짧은 파장은 그러한 장치가 더 많은 정보를 수용할 수 있게 한다. 예를 들면, 청색광을 이용하여 정보를 저장하는 광학 장치는 적색광을 이용하는 것과 동일한 공간에 훨씬 더 많은 정보를 수용할 수 있다.
발광 다이오드를 작동시키는 기본적 메커니즘은 이 분야에서 잘 이해되어 있고, 예를 들면 Sze의 논문, Physics of Semicouductor Devices, 2nd Edition (1981) 681-703쪽에 제시되어 있다.
본 특허 출원의 양수인은 이 분야에서 최초로, 청색 스펙트럼에서 광을 방출하고 상업적인 양으로 대량 활용 가능한, 상업적으로 실용적인 LED를 성공적으로 개발했다. 이 LED는 실리콘 카바이드인 광폭 밴드갭 반도체 물질에서 형성되었다. 그러한 청색 LED의 예는 미국특허 제4,918,497호 및 제5,027,168호로 Edmond에 허 여된 발명의 명칭 "실리콘 카바이드에 형성된 청색 발광 다이오드"에기재되어 있다. 제III족 질화물 LED 구조에 및 레이저 구조체의 다른 예는 공동으로 양도된 미국특허 제5,523,589호, 5,592,501호 및 제5,739,554호에 기재되어 있다.
실리콘 카바이드 이외에, 청색광 방출 다이오드의 후보 말질로는 갈륨 질화물(GaN) 및 알루미늄갈륨 질화물(AlGaN), 인듐갈륨 질화물(InGaN) 및 알루미늄인듐갈륨(AlInGaN)과 같은 그과 관련된 제III족(즉 주기율표의 제III족) 질화물이다. 이들 물질은 실온에서 약 1.9 eV 내지 약 6.2 eV의 밴드갭을 가진 직접적인 에너지 전이를 제공하기 때문에 특히 매력적이다. 실리콘, 갈륨 인화물 또는 갈륨 비소화물과 같은 보다 통상적인 반도체 물질은 청색광 제조용으로 적합하지 않다. 그것은 그러한 물질의 밴드갭이 약 2.26 eV 이하이고, 실리콘의 경우에, 간접적인 반도체이며 비효율적인 발광체이기 때문이다.
LED와 전자 전이에 숙련된 사람에게 공지되어 있는 바와 같이, 반도체에서의 직접 전이는 가전자대 최대치 및 전도대 최소치가 동일한 모멘텀 상태(momentum state)를 가질 때 일어난다. 이것은 결정 모멘텀이 전자와 홀이 재결합되는 동안 결정 모멘텀은 용이하게 유지되어 전이에 의해 생성된 에너지가 대부분 효율적으로 광자 내에(열이 아닌 빛을 발생하도록) 들어갈 수 있음을 의미한다. 전도대 최소치와 가전자대 최대치가 동일한 모멘텀 상태를 가질 때, 음향양자(phonon)(즉 진동 에너지의 양자)는 결정 모멘텀을 유지하도록 요구되며, 그 전이는 "간접적"이라 불린다. 제3 입자, 즉 음향양자의 필요성은 간접 방사성 전이의 가능성을 적게 하며, 결과적으로 장치의 발광 효율을 감소시킨다.
일반적으로 말해서, 직접 밴드갭 물질 내에 형성된 LED는 간접 밴드갭 물질 내에 형성된 것보다 더 효율적인 성능을 가질 것이다. 따라서, 제III족 질화물의 직접 전이 특성은 실리콘 카바이드와 같은 간접 물질로부터 방출된 것보다 더 밝고 더 효율적인 방출―따라서 더 밝고 더 효율적인 LED―을 제공한다. 그러므로, 과거 10년간 갈륨 질화물 및 관련된 제III족 질화물에 발광 다이오드를 제조하는 데에도 많은 관심이 모아졌다.
제III족 질화물이 밴드갭 에너지의 넓은 범위에 걸쳐 직접 전이를 제공하지만, 그 물질은 특별한 세트의 기술적 제조상 문제를 나타낸다. 특히, 음향양자 장치가 형성되는 갈륨 질화물 에피택셜층에 사용되는 적절한 기판으로서 기능할 수 있는 갈륨 질화물(GaN)의 벌크 단결정을 제조하기 위한 상업적으로 실용가능한 기술이 아직 나오지 않았다.
모든 반도체 장치는 몇 종류의 구조용 기판을 필요로 한다. 일반적으로, 활성 영역과 동일한 물질로 형성된 기판은 특히 결정 성장 및 격자 정합(lattice matching)에 상당한 이점을 제공한다. 갈륨 질화물의 벌크 결정은 특히 반도체 장치 제조를 위한 상업적으로 유용한 크기로 형성하는 것이 어렵기 때문에 갈륨 질화물 음향양자 장치는 일반적으로 비-GaN(non-GaN) 기판 상에 에피택셜층으로서 형성된다.
제III족 질화물 분야의 최근의 연구업적으로는, 공동 계류중이고 양도된 미국특허 제6,296,956호, "알루미늄 질화물의 벌크 단결정의 성장"; 제6,066,205호, "용융체로부터 알루미늄 질화물의 벌크 단결정의 성장"; 제6,045,612호, "알루미늄 질화물의 벌크 단결정의 성장"; 제6,048,813호, "알루미늄 질화물:실리콘 카바이드 합금의 벌크 단결정의 성장"; 및 계류중인 출원번호 09/154,363(출원일자: 1998년 9월 16일), "GaN LED에서의 수직 형태"가 포함된다.
그러나 다른 기판을 사용하는 것은, 주로 결정 격자 정합 영역에서, 또 다른 일련의 문제를 야기한다. 거의 모든 경우에, 상이한 물질은 상이한 결정 격자 파라미터를 가진다. 그 결과, 상이한 기판 상에 갈륨 질화물 에피택셜층이 성장될 때, 일부 결정 격자의 부정합 및 열팽창 계수 부정합이 일어난다. 얻어지는 에피택셜층은 이 부정합에 의해 "변형된다(strained)"고 지칭된다. 결정 격자 부정합 및 그로 인해 생성된 변형은 결정 결함에 대한 잠재력을 유도한다. 이것은 이어서 결정 및 접합의 전자적 특성에 영향을 줌으로써 음향양자 장치의 성능을 저하시키기 쉽다. 이러한 종류의 결함은 고출력 구조에 있어서 훨씬 더 문제가 된다.
초기의 제III족 질화물 LED에서, 가장 보편적인 갈륨 질화물 장치용 기판은 사파이어(즉, 알루미늄 산화물, Al2O3)이다. 현재 사용되고 있는 몇몇 제III족 질화물 장치는 이것을 계속 사용하고 있다.
사파이어는 가시광 및 자외선 범위에서 광학적으로 투명하지만, 약 16%의 갈륨 질화물과의 결정 격자 부정합을 가진다. 또한, 사파이어는 전도성이 아니고 절연성이므로 전도성 도핑에는 부적합하다. 그로 인해, 광 방출을 일으키도록 LED를 통과해야 하는 전류는 사파이어 기판을 통해 전송될 수 없다. 따라서, LED로의 접속은 다른 형태로 이루어져야 한다.
일반적으로, 수직 형태를 가진 LED는 장치의 양측 단부에 오믹 콘택(ohmic contact)이 배치될 수 있도록 전도성 기판을 이용한다. 그러한 수직 LED는 제조가 용이하고 비수직형 장치에 비해 최종 용도의 장치에 간단히 결합할 수 있는 등의 여러 가지 이유에서 바람직하다. 그러나 전도성 기판이 없는 상태에서는 수직형 장치를 형성할 수 없다.
사파이어와는 대조적으로, 갈륨 질화물은 알루미늄 질화물(AlN)과 약 2.4%에 불과한 격자 부정합을 가지며, 실리콘 카바이드와는 약 3.5%의 부정합을 가진다. 실리콘 카바이드는 알루미늄 질화물와 약간 적은 약 1%에 불과한 부정합을 가진다.
제III족 3급 및 4급 질화물(예; 인듐갈륨 질화물 및 알루미늄인듐갈륨 질화물)도 비교적 넓은 밴드갭을 가진 것으로 나타났다. 따라서, 그러한 제III급 질화물 고체 용액도 청색 및 자외선 반도체 레이저 및 LED용으로 잠재성을 제공한다. 그러나 이들 화합물은 갈륨 질화물과 동일한 문제점을 나타낸다. 즉, 동일한 단결정 기판의 결여가 그것이다. 따라서, 그 각각은 상이한 기판에 성장시킨 에피택셜층의 형태로 사용되는 것이 일반적이다. 이것은 결정 결함 및 그와 관련된 전자적 문제에 대한 동일한 잠재성을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 양수인은 기판으로서 사파이어가 갖는 전도성 문제를 해결하는 수단으로서 갈륨 질화물 및 그 밖의 제III족 장치용 실리콘 카바이드 기판을 이용하는 방법을 개발했다. 실리콘 카바이드는 전도성 방식으로 도핑될 수 있기 때문에 수직형 LED가 형성될 수 있다. 언급한 바와 같이, 수직형 구조는 LED의 제조와 그것을 회로 및 최종 용도의 장치에 결합하는 것 모두를 용이하게 한다.
제III족 질화물에 숙련된 사람에게 공지되어 있는 바와 같이, 상기 물질의 성질은 현재의 제III족 원소(예; 갈륨, 알루미늄, 인듐)의 동일성 및 몰 분율에 따라 상이하다. 예를 들면, 알루미늄의 몰 분율을 증가시키면 밴드갭이 증가되기 쉽고, 알루미늄의 양을 감소시키면 굴절률이 증가되기 쉽다. 마찬가지로, 인듐의 비율이 크면 그 물질의 밴드갭이 감소되므로, 원하는 주파수의 광자를 생성하도록 밴드갭을 조절, 즉 "튜닝(tuning)"한다. 용액 중의 몰 비율을 변화시켜도 결정 격자 간격이 변경된다. 따라서, 이 분야에서의 많은 노력에도 불구하고, 수직 형태를 결합하는 장치, 및 인듐, 알루미늄 및 갈륨의 비율이 제III족 질화물 광자 장치의 활성층, 클래딩층 및 버퍼층에서 바람직하게 조절될 때 얻어지는 특징을 이용하는 장치가 여전히 요구된다.
또한, 비방사성(nonradiative) 재결합이 감소되고 효율이 향상된 발광 장치를 제공하는 것도 본 발명의 또 다른 목적이다.
따라서, 본 발명의 목적은 제III족 질화물로부터 그 물질의 바람직한 성질을 이용하는 방식으로 제III족 질화물로부터 발광 다이오드 및 레이저 다이오드를 제조하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum)의 적색광 내지 자외광 영역에서 발광할 수 있는 발광 장치용 반도체 구조체로써 달성한다. 상기 구조체는, AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으 로 이루어지는 제1 n형 클래딩층(cladding layer); AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지고, 실질적으로 마그네슘이 없는 것을 특징으로 하는 제2 n형 클래딩층; 대응하는 복수의 AlxInyGa1-x-yN 배리어층(barrier layer)(여기서, 0＜x＜1이고 0＜y＜1임)에 의해 분리된 복수의 InxGa1-xN 우물층(well layer)(여기서, 0＜x＜1임)을 가진 다중 양자 우물(quantum well) 형태로 상기 제1 클래딩층과 제2 클래딩층 사이에 위치한 활성부; 및 제III족 질화물로 이루어지는 p형층을 포함하고, 상기 제2 n형 클래딩층은 상기 p형층과 상기 다중 양자 우물 사이에 위치하고, 상기 제1 n형 클래딩층과 상기 제2 n형 클래딩층은 각각 상기 우물층의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 각각 가진다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 3C, 4H, 6H 및 15R로 이루어지는 군으로부터 선택되는 폴리타이프(polytype)의 n형 단결정 실리콘 카바이드 기판; 갈륨 질화물, 인듐 질화물 및 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 제III족 질화물로 형성되는 p형층; 대응하는 복수의 AlxInyGa1-x-y N 배리어층(여기서, 0＜x＜1이고 0＜y＜1임)에 의해 분리된 복수의 InxGa1-xN 우물층(여기서, 0＜x＜1임)을 가진 다중 양자 우물 형태로, 상기 기판과 상기 p형층 사이에 위치한 활성부; AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0＜x＜1이고 0＜y＜1이며 (x+y)＜1임)으로 이루어지며 상기 실리콘 카바이드 기판과 상기 다중 양자 우물 사이에 위치한 제1 n형 클래딩층; 및 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0＜x＜1이고 0＜y＜1이며 (x+y)＜1임)으로 이루 어지며 상기 다중 양자 우물과 상기 p형층 사이에 위치한 제2 n형 클래딩층을 포함하고, 상기 제1 n형 클래딩층 및 상기 제2 n형 클래딩층은 각각 상기 다중 양자 우물 내 우물의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 각각 가진 반도체 구조체이다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 대응하는 복수의 AlxInyGa1-x-yN 배리어층(여기서, 0＜x＜1이고 0＜y＜1임)에 의해 분리된 복수의 InxGa1-xN 우물층(여기서, 0＜x＜1임)을 가진 다중 양자 우물 형태인 활성부; 상기 다중 양자 우물을 지지하는 제III족 질화물 초격자(superlattice); 상기 다중 양자 우물에 인접하고, 상기 다중 양자 우물에 관해 상기 초격자로부터 반대측에 있으며, 실질적으로 마그네슘이 없는 것을 특징으로 하는, AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 층; 상기 AlInGaN층에 인접하고, 상기 AlInGaN층에 관하여 상기 다중 양자 우물의 반대측에 있는, 제III족 질화물로 이루어진 제1 p형층; 및 상기 초격자를 지지하고, 상기 초격자에 관하여 상기 다중 양자 우물로부터 반대측에 있는 n형 제III족 질화물층을 포함하는 반도체 구조체이다.
본 발명의 전술한 목적, 그 밖의 목적과 이점, 그리고 상기 목적을 달성하는 방식은 이하의 구체적인 설명과 첨부되는 도면 내에서 더욱 구체화된다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 장치용 반도체 구조체의 태양에 대한 개략적인 단면도이고,
도 2는 알루미늄, 인듐 및 갈륨의 제III족 질화물 합금에 대한 격자 파라미 터 대 밴드갭 에너지의 그래프이고(선형 내삽을 가정함),
도 3은 반도체 구조체의 일 실시예에 대한 개략적 단면도이고,
도 4는 반도체 구조체의 일 실시예에 대한 개략적 단면도이고,
도 5는 반도체 구조체의 일 실시예에 대한 개략적 단면도이고,
도 6은 반도체 구조체의 일 실시예에 대한 개략적 단면도이고,
도 7은 반도체 구조체의 일 실시예에 대한 개략적 단면도이고,
도 8 및 도 9는 특정한 종래 기술의 장치에 대응한 밴드갭 다이어그램이고,
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 장치에 대한 밴드갭 다이어그램이고,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 단면도이고,
도 14는 본 발명의 초격자 부분의 단면도이다.
본 발명은 전자기 스펙트럼의 적색광 내지 자외광 영역에서 발광할 수 있는 발광 장치용 반도체 구조체이다.
제1 실시예에서, 상기 구조체는 제1 n형 제III족 질화물 클래딩층과 제2 n형 제III족 질화물 클래딩층 사이에 위치한 제III족 질화물 활성부을 포함한다. 활성부은 활성층 및 양자 우물, 또는 본 명세서에서 뒤에 더 설명되는 다중 양자 우물을 포함하는 것이 바람직하다. 제2 n형 클래딩층은 마그네슘이 실질적으로 없는 것을 특징으로 한다(즉, 마그네슘이 존재할 수도 있으나, 그 양은 반도체 장치에 기능상 영향이 전혀 없는 매우 적다). 반도체 구조체 자체는 또한, 제2 n형 클래딩층이 p형층과 활성층 사이에 있도록 반도체 구조체 내에 위치한 p형 제III족 질 화물층을 특징으로 한다. 또한, 활성층은 제1 및 제2 n형 클래딩층 각각의 반드갭보다 작은 밴드갭을 가진다. 여기에서 사용하는 "층"이라는 용어는 일반적으로 단결정 에피택셜층을 의미한다.
특별한 전도도 형태(즉, n형 또는 p형)는 의도적이 아닐 수 있지만, 보다 통상적으로는 적절한 공여체나 수용체 원자를 이용하여 제III족 질화물을 특정 방식으로 도핑한 결과이다. 장치 내에 p-n 접합을 형성하기 위해서는 전도도 형태가 반대인 층을 포함하는 것이 바람직하다. 정방향 전압 바이어스(forward voltage bias) 하에서, p-n 접합을 가로질러 주입된 소수 캐리어(minority carrier)는 재결합되어 원하는 루미네슨스(luminescence) 방출을 일으킨다. 제III족 질화물의 적절한 도핑은 이 분야에서 잘 이해되어 있으므로 여기서는 본 발명의 설명에 필요한 것 이외에는 더이상 언급하지 않는다.
일반적으로, 활성부 및 클래딩층은 제III족 화합물을 포함한다. 그러한 화합물에 있는 제III족 원소는 알루미늄, 인듐, 갈륨 또는 이들 원소의 2종 이상의 조합일 수 있다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 활성층, 제1 n형 클래딩층 및 제2 n형 클래딩층에 있는 알루미늄, 인듐 및 갈륨의 몰 분율은 일반적으로 식 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 표현될 수 있다. 이에 관하여, 알루미늄, 인듐 및 갈륨의 상대적 농도는 층마다 변동될 수 있다. 그러나, 당업자는 InN이 모든 가능한 조합 중 가장 낮은 밴드갭을 가지기 때문에 클래딩층은 인듐 질화물(즉, y=1)이 될 수 없으며, AlN이 모든 가능한 조합 중 가장 높은 밴드갭을 가지기 때문에 활성층은 알루미늄 질화물이 될 수 없음을 이해할 것이다. 이러한 실시예에서, 클래딩층은 활성층보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 것을 이해할 것이다.
본 발명에 대한 이해는 본 발명에 따른 LED용 반도체 구조체의 개략적 단면도인 도 1을 참조함으로써 얻어질 것이다. 일반적으로 도면상 10으로 표시된 반도체 구조체는 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 제1 n형 클래딩층을 포함한다.
반도체 구조체(10)는 또한 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 제2 n형 클래딩층, 또는 보다 특정한 실시예에서, 일반식 AlxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)을 갖는 인듐이 없는 알루미늄갈륨 질화물 n형 클래딩층을 포함한다. 이에 관하여, 변수 x의 범위는 0과 1을 모두 제외하며, 이것을 당업자는 알루미늄과 갈륨이 모두 존재해야 하는 것(즉, 알루미늄과 갈륨의 합금)임을 이해할 수 있을 것이다. 언급한 바와 같이, 제2 n형 클래딩층(12)은 구체적으로 마그네슘을 배제하며, 도핑될 수도 있고 도핑되지 않을 수도 있다. 상기 클래딩층들은 의도적이 아닌 것으로 n형, 즉 도핑되지 않은 것일 수 있다.
일반식 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x＜1이고 0≤y≤1이며 (x+y)≤1임)을 갖는 n형 활성층(13)은 상기 제1 n형 클래딩층과 제2 n형 클래딩층(12) 사이에 위치한다. 보다 특정한 실시예에서, 활성층(13)은 알루미늄이 없고, 본질적으로 일반식 InyGa1-yN(여기서, 0＜y＜1임)을 갖는 인듐갈륨 질화물로 구성된다. 이에 관하여 변수 y의 범위는 0과 1을 모두 제외하며, 이것을 당업자는 인듐과 갈륨이 모두 존재해야 하는 것(즉, 인듐과 갈륨의 합금)임을 이해할 수 있을 것이다.
상기 반도체 구조체는 또한, 이미 언급한 바와 같이, 제2 n형 클래딩층(12)이 p형층(18)과 활성층(13) 사이에 있도록 반도체 구조체 내에 위치하는 p형 제III족 질화물층(18)을 특징으로 한다. 바람직한 실시예에서, p형층은 갈륨 질화물(바람직하게는 마그네슘 도핑된 갈륨 질화물); 인듐 질화물; 또는 일반식 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)의 인듐갈륨 질화물로 이루어진다.
p형층(18)이 마그네슘 도핑된 갈륨 질화물로 이루어지는 실시예에서, 제2 n형 클래딩층(12)은 마그네슘이 p형층(18)으로부터 활성층(13)으로 이동하는 것을 막을 수 있도록 충분히 두껍고, 활성층(13)에서의 전자와 홀(hole)의 재결합을 용이하게 할 만큼 얇아야 함을 알아야 한다. 이것이 활성층(13)으로부터의 방출을 최대로 하는 데 도움을 준다. 또한, p-n 접합이 InGaN층과 AlGaN층 사이의 계면에서는 형성되지 않기 때문에(즉, InGaN/AlGaN p-n 접합을 회피함), 상기 계면은 계면 상태의 감소된 밀도를 가진다. 계면 상태에서의 그러한 감소는 활성층 내 캐리어의 보다 효율적인 재결합을 가져오고, 그에 대응하여 장치 전반의 효율을 증가시킨다.
또 다른 실시예에서, p형층은 갈륨 질화물, 인듐 질화물 및 일반식 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)의 인듐갈륨 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 선택 적으로 도핑된 p형 제III족 질화물층으로 형성된 p형 초격자를 포함한다. 특히, 초격자는 이들 제III족 질화물층 중 임의의 2층의 교대층(alternating layers)으로 형성되는 것이 최선이다. 그러한 초격자에서, 갈륨 질화물과 인듐갈륨 질화물의 교대층이 가장 바람직하다.
활성층(13)은 도핑될 수도 있고 도핑되지 않을 수도 있다. 제III족 질화물의 성질을 숙지하는 사람에게 공지되어 있는 바와 같이, 도핑되지 않은 물질은 일반적으로 의도되지 않게 n-형이며, 제2 n형 클래딩층(12)의 경우가 그것이다. 특히, 제1 n형 클래딩층(11) 및 제2 n형 클래딩층(12)은 각각 활성층(13)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 가진다.
제III족 몰 분율은 이러한 특징을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 도 2는 밴드갭 에너지 대 격자 파라미터를 이론적으로 설명한다. 도 2의 삼각형 영역은 알루미늄, 인듐 및 갈륨의 제III족 질화물에 대해 이용할 수 있는 밴드갭 에너지의 범위를 나타낸다. 도 2는 임의의 특정한 격자 파라미터에 있어서, 갈륨을 배제하면 밴드갭 에너지가 최대로 되는 것을 나타낸다(즉, 알루미늄인듐 질화물에 대한 밴드갭은 AlN-InN 세그먼트로 정의된다).
반도체 구조체, 구체적으로 레이저 구조체를 숙지하는 사람에게 공지되어 있는 바와 같이, 활성층은 인접한 n형 클래딩층보다 낮은 밴드갭, 및 인접한 클래딩층보다 높은 굴절률을 가져야 한다. 그러한 구조체는 레이저 능력에 있어서 중요한 두 가지 이점을 제공한다. 첫째로, 활성층이 최저 밴드갭을 가질 경우, 활성층은 캐리어가 그 속으로 떨어지기 쉬운 양자 우물을 형성할 수 있다. 이것은 장치 의 효율을 높이는 데 도움이 된다. 둘째로, 구조체 내에 가장 높은 굴절률을 가진 물질에서 도파현상(waveguiding)이 일어난다. 따라서, 활성층의 밴드갭이 인접한 층의 밴드갭보다 작고 굴절률이 인접한 층의 굴절률보다 크면, 장치의 레이저 능력이 강화된다.
또한, 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이, 3급 및 4급 제III족 질화물의 조성물은 굴절률과 밴드갭 모두에 영향을 줄 수 있다. 일반적으로, 알루미늄 비율이 클수록 밴드갭이 증가되고 굴절률은 감소된다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 클래딩층(11, 12)이 활성층(13)보다 큰 밴드갭을 갖도록 하고 활성층(13)보다 작은 굴절률을 갖도록 하기 위해서는, 클래딩층(11, 12)은 활성층(13)에 비해 알루미늄 또는 갈륨의 분율이 높은 것이 바람직하다. 클래딩층(11, 12)의 밴드갭이 크면 캐리어가 활성층(13)에 유폐되도록 촉진하며, 그 결과 장치의 효율을 증가시킨다. 마찬가지로, 이질구조층(heterostructure layers)(11, 12)의 굴절률이 낮으면 광을 활성층(13)을 따라 더욱 바람직하게 유도되도록(활성층에 유폐되도록) 촉진한다.
앞에서 언급한 바와 같이, 상기 변수들(예; x와 y)은 그것이 나타내는 구조상의 층을 의미한다. 즉, 어느 한 층에 관한 변수의 값은 다른 층에 관한 변수의 값에 대해서는 무관하다. 예를 들면, 반도체 구조체를 기술함에 있어서, 변수 x는 제1 n형 클래딩층(11)에 관해 하나의 값을 가지고, 제2 n형 클래딩층(12)에 관해 다른 하나의 값을 가질 수 있으며, 활성층(13)에 관해서는 또 다른 값을 가질 수 있다. 당업자가 또한 이해하는 바와 같이, 일반식 AlxInyGa1-x-yN에서의 부등식 0≤ (x+y)≤1은 단순히 제III족 원소와 질화물이 1:1의 몰비로 존재할 것을 요구하는 것이다.
바람직한 특정 실시예에서, 활성층(13)은 인듐의 몰 분율이 약 0.05∼0.55인 InGaN층을 포함한다. 도 1 및 도 3을 참고하면, 클래딩층(12)은 바람직하게 알루미늄의 몰 분율이 약 0.14∼0.24인 AlxGa1-xN층인 반면, 클래딩층(11)은 알루미늄의 몰 분율이 약 0∼0.15인 AlxGa1-xN층이다. 도 3을 참고하면, p형층(19)은 바람직하게 알루미늄의 몰 분율이 약 0∼0.15인 AlxGa1-xN층이다
당업자는 본 명세서에서 사용되는, 하나의 층이 2개의 다른 층 "사이에" 있다는 개념은 반드시 그 3개의 층이 접해 있는(즉, 긴밀하게 접촉한) 것을 의미하는 것이 아님을 이해할 것이다. 오히려, 본 명세서에서 사용되는, 하나의 층이 2개의 다른 층 사이에 있다는 개념은 반도체 구조체 내에 있는 층들의 상대적 위치를 기술하려는 것이다. 마찬가지로, 본 명세서에서 사용되는, 제1층이 제3층의 "반대측에" 제2층과 접촉되어 있다는 개념은 단지 반도체 구조체 내에 있는 제1층 및 제2층의 상대적인 위치를 기술하는 것이다.
반도체 구조체의 바람직한 실시예에서, 활성층(13)은 제1 n형 클래딩층(11)에 접하는 제1 표면(14) 및 제2 n형 클래딩층(12)에 접하는 제2 표면(15)을 가진다. 다시 말하면, 그러한 실시예에서, 활성층(13)은 제1 n형 클래딩층(11)과 제2 n형 클래딩층(12) 사이에 삽입되어 있고, 이들 3개층 아이소타입(isotype) 이질구조(즉, 모든 물질이 동일한 전도도 타입을 가지고 있는 이질구조)를 흐트리는 다른 층이 없으며, 이것은 괄호(16)로 표시되어 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, p형층(18)은 상기 활성층(13)의 반대측에 상기 제2 n형 클래딩층(12)과 접촉되어 있다.
"이질구조"라는 구조상 표기는 이 분야에서 잘 이해되는 방식으로 사용된다. 이들 구조의 관점은, 예를 들면, Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Edition(1981) page 708-710에 논의되어 있다. 인용한 Sze의 설명이 레이저를 의미하고 있지만, 그것은 동질구조체(homostructure), 단일 이질구조체, 및 이중 이질구조체 장치의 본성 및 그들 사이의 차이를 예시하고 있다. 아이소타입 이질구조체는 Hartman 등의 미국특허 제4,313,125호에 논의되어 있다.
반도체 장치는 또한 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 부가적 n형층을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 제3 n형층(19)이 제2 n형 클래딩층(12)과 p형층(18) 사이에 위치한다. 바람직하게, 상기 제3 n형층(19)은 p형층(18)과 접촉되어 있는 제1 표면 및 제2 n형 클래딩층(12)과 접촉되어 있는 제2 표면을 가진다.
제3 n형층(19)은 p형층(18)과 정합되는 격자이다. 바람직하게, 제3 n형층(19)은 p형층(18)과 p-n 동질접합(homojunction)을 형성한다. p-n 동질접합을 가짐으로써 접합에서의 계면 상태의 수가 감소된다. 그러한 상태는 비방사성 재결합을 초래할 수 있기 때문에, 그러한 상태의 수의 감소는 재결합 효율을 향상시키고 그에 따라 전반적 장치의 효율을 향상시킨다.
반도체 장치(10)는 제1 n형 클래딩층(11)과 동일한 전도도 타입을 가진 실리콘 카바이드 기판(17)(즉, n형 실리콘 카바이드 기판)을 추가로 포함한다. 실리콘 카바이드 기판(17)은 3C, 4H, 6H 또는 15R의 폴리타이프를 갖는 것이 바람직하다. 제1 n형 클래딩층(11)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 활성층(13) 사이에 위치한다. 본 발명의 일 실시예에서, 실리콘 카바이드 기판(17)은 활성층(13)의 반대측에서 제1 n형 클래딩층(11)과 접촉되어 있다(즉, 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 n형 클래딩층(11) 사이에 개재하는 층이 없다).
실리콘 카바이드 기판(17)은 단결정인 것이 가장 바람직하다. 당업자가 잘 이해하는 바와 같이, 고품질의 단결정 기판은 유의적 성능상 이점과 수명의 이점을 제공하는 많은 구조적 이점을 제공한다. 실리콘 카바이드 기판(17)은 미국특허 제4,866,005호(현재는 미국특허 RE34,861)에 기재된 방법으로 형성할 수 있다. 실리콘 카바이드 기판(17) 및 제1 클래딩층(11)은 n형인 것이 바람직하다.
도 4에 도시된 바람직한 실시예에서, 제1 클래딩층(11)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 접촉되어 있는 제1 표면(21) 및 활성층(13)과 접촉되어 있는 제2 표면(22)을 가진다. 특히, 제1 클래딩층(11)의 조성은 상기 제1 표면(21)의 결정 격자가 실리콘 카바이드(17)의 결정 격자와 보다 근접하게 정합하고, 상기 제2 표면(22)의 결정 격자가 활성층(13)의 결정 격자와 보다 근접하게 정합하도록 점진적으로 변화된다. 제1 클래딩층(11)에는 실리콘 카바이드 기판(17)에 인접한 그의 제1 표면(21)에서 확실히 전도성을 유지하도록 인듐의 충분한 몰 분율이 존재해야 한다.
당업자에게 이해되는 바와 같이, 점진적인 변화는 단계적 변화와 선형 변화 모두를 포함한다. 따라서, 여기서 사용되는 바와 같이, 보다 근접하게 정합하는 각각의 결정 격자의 개념은 완전한 정합을 의미하는 것이 아니고, 층의 계면에서의 격자가 인접한 층의 결정 격자와 보다 친화성이 있도록 조성이 점진적으로, 조성면에서 변화된 층을 의미한다. 장치의 제조 시, 여러 가지 고려가 균형을 이루어야 하는데, 그 중 하나가 격자 정합이다. 다른 인자가 더 중요한 경우에는, 완전한 또는 근접한 격자 정합이 덜 중요할 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다.
이에 관하여, n형 클래딩층, 구체적으로 알루미늄인듐 질화물 n형 클래딩층은 변형 및 결함을 줄이기 위해, 갈륨 함유 활성층, 구체적으로 갈륨 질화물 및 인듐갈륨 질화물 활성층에 선택적으로 격자 정합될 수 있다. 특히, 알루미늄인듐 질화물은 더 낮은 밴드갭을 가진 다른 제III족 질화물에 격자 정합될 수 있기 때문에 유용하며, 따라서 클래딩층 물질로서 유용하다. 도 2를 참고한다. 격자 정합의 이점은 또한 활성부용 다중 양자 우물 및 하나 이상의 초격자 구조를 포함하는 본 발명의 구조체에 적용될 수 있다.
당업자에게 이해되는 바와 같이, 클래딩층과 활성층의 격자 정합은 1면형 격자 정합(즉, 격자 정합이 활성층의 1면에서 일어나는 경우) 또는 2면형 격자 정합(즉, 격자 정합이 활성층의 양면에서 일어나는 경우)일 수 있다.
도 5에 도시된 또 다른 실시예에서, 반도체 구조체는 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 n형 클래딩층(11) 사이에 위치한 전도성 버퍼층(23)을 추가로 포함한다. 이 실시예의 변형에서, 전도성 버퍼층(23)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 n형 클래딩층(11) 사이에, 개재하는 층이 없이, 삽입되어 있다. 전도성 버퍼층(23)은 본질적으로 일반식 AlxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)을 갖는 알루미늄갈륨 질화물로 구성되는 것이 바람직하다. 이와는 달리, 제1 n형 클래딩층(11)이 일반식 AlxIn1-xN(여기서, 0＜x＜1임)을 갖는 알루미늄인듐 질화물로 구성되어 있는 경우, 전도성 버퍼층(23)은 일반식 AlxIn1-xN(여기서, 0＜x＜1임)을 갖는 알루미늄인듐 질화물로 구성되는 것이 바람직하다. 수용될 수 있는 다른 버퍼 및 버퍼 구조체로는 공동으로 양수된 미국특허 제5,523,589호; 제5,393,993호; 및 제5,592,501호에 기재된 것이 포함된다.
제1 n형 클래딩층(11)과 전도성 버퍼층(23) 사이의 전이(transition)를 용이하게 하기 위해, 반도체 구조체는, 전도성 버퍼층(23)과 제1 n형 클래딩층(11) 사이에 위치하고, 바람직하게는 갈륨 질화물로 형성된 제III족 질화물 트랜지션층(24)을 추가로 포함할 수 있다. 도 6을 참고한다. 트랜지션층(24)은 제1 n형 클래딩층(11)과 동일한 전도도 타입을 가진다(즉, n형 트랜지션층).
이와는 다르게, 도 7에 도시된 바와 같이, 전도성 버퍼층(23)과 트랜지션층(24)은 불연속 결정 부분(discrete crystal portion)으로 대체될 수 있으며, 이에 관하여 보다 구체적으로는 공동으로 양수된 미국특허 제6,201,262호(발명의 명칭: "Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure")에 기재되어 있다. 상기 불연속 결정 부분(28)은 제1 n형 클래딩층(11)과 실리콘 카바이드 기판(17) 사이의 배리어를 감소시키기에 충분한 양으로 존재하는 것이 바람직하다.
또 다른 실시예에서, 반도체 구조체(10)는 제1 오믹 콘택(25) 및 제2 오믹 콘택(26)을 추가로 포함한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 오믹 콘택(25)은 실리콘 카바이드 기판(17)이 제1 오믹 콘택(25)과 제1 n형 클래딩층(11) 사이에 있도록 반도체 구조체 내에 위치한다. 제2 오믹 콘택(26)은 p형층(18)이 제2 오믹 콘택(26)과 제2 n형 클래딩층(12) 사이에 있도록 반도체 구조체 내에 위치한다.
바람직하게는, 제1 오믹 콘택(25)은 제1 n형 클래딩층(11)의 반대측(또는 특별한 구조적 실시예에 따라, 전도성 버퍼층(23) 또는 불연속 결정 부분(28)의 반대측)에 실리콘 카바이드 기판(17) 바로 위에 배치되고, 제2 오믹 콘택(26)은 제2 n형 클래딩층(12)의 반대측에 p형층(18) 바로 위에 배치된다. 이 실시예의 변형에서, p형층(18)이 제2 오믹 콘택(26)과 제2 p형층(도시되지 않음) 사이에 삽입된다.
당업자가 인지하는 바와 같이, 전도성 버퍼층(23)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 n형 클래딩층(11) 사이에 물리적, 전자적 전이를 제공한다. 많은 경우에, 전도성 버퍼층(23)의 존재는 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 n형 클래딩층(11) 사이의 격자 차이로부터 초래될 수 있는 물리적 변형을 완화하는 데 도움을 준다. 또한, 장치의 수직적 기능을 유지하기 위해, 전도성 버퍼층(23)은 반도체 장치(10)를 동작시키기 위해 소망되거나 요구되는 전류를 운반하기에 충분한 전도성을 가져야 한다. 마찬가지로, 트랜지션층(24)은 동일한 물리적, 전자적 전이에 기여한다.
본 발명의 유리한 수직형 구조를 완결하는 오믹 콘택(25, 26)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 금(Au), 백금(Pt), 바나듐(V), 합금, 또는 이들의 혼합물로 형성되거나, 또는 이들 금속의 2종 이상의 연속된 층으로 형성되는 것이 바 람직하지만, 다른 오믹 콘택 물질이 저항 특성을 나타내고 발광 장치(10)의 구조나 기능에 달리 방해가 되지 않는다면, 당업자에게 공지되어 있는 다른 오믹 콘택 물질로 형성될 수도 있다.
제1 오믹 콘택(25)이 실리콘 카바이드 기판(17)에 형성되는 범위까지 본 발명은 사파이어를 이용하는 장치와 구별된다. 사파이어는 전도성이 될 수 없으므로 오믹 콘택에 접속될 수 없다. 결과적으로 사파이어계 장치는 LED용으로 가장 바람직한 종류의 수직형 구조체 내에 형성될 수 없다.
따라서, 바람직한 일 실시예에서 본 발명은 발광 장치용 반도체 구조체로서, 3C, 4H, 6H 또는 15R 폴리타이프의 n형 단결정 실리콘 카바이드 기판(17); 갈륨 질화물(바람직하게는 마그네슘 도핑된 갈륨 질화물), 인듐 질화물 및 일반식 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)을 갖는 인듐갈륨 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 제III족 질화물로 형성되는 p형층(18); AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x＜1이고 0≤y≤1이며 (x+y)≤1임)의 비도핑 활성층; AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 제1 n형 클래딩층(11); 및 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 제2 n형 클래딩층을 포함하는 반도체 구조체이다. 가장 바람직하게, 상기 p형층(18)은 전술한 제III족 질화물 중 임의의 2개의 교대층으로 형성되는 초격자이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 제1 n형 클래딩층(11)과 제2 n형 클래딩층(12)은 각각 활성층(13)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 각각 가진다. 또한, 제1 n형 클래딩층(11)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 활성층(13) 사이에 위치하고, 제2 n형 클래딩층(12)은 활성층(13)과 p형층(18) 사이에 위치하며, 활성층(13)은 제1 n형 클래딩층(11)과 제2 n형 클래딩층(12) 사이에 위치한다.
제1 클래딩층(11)의 조성은 그의 제1 표면(21)의 결정 격자가 실리콘 카바이드(17)의 결정 격자와 보다 근접하게 정합하고, 그의 제2 표면(22)의 결정 격자가 활성층(13)의 결정 격자와 보다 근접하게 정합하도록 점진적으로 변화될 수 있다. 마찬가지로, 제2 클래딩층(12)의 조성은 그의 제2 표면의 결정 격자가 p형층(18)의 결정 격자와 보다 근접하게 정합하도록 점진적으로 변화될 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 에피택셜층을 가로지르는 점진적인 변화는 단계적 변화와 연속적인 변화(즉 단계 없는 변화)를 모두 포함한다. n형 클래딩(12)을 p형층(18)에 실질적으로 격자 정합되도록 함으로써 층들 사이에 형성된 p-n 접합에서의 계면 상태의 수가 감소된다. 그러한 상태는 비방사성 재결합을 초래할 수 있기 때문에, 그러한 상태의 수의 감소는 재결합 효율을 향상시키고, 그에 따라 활성층(13) 내의 전반적 장치의 효율을 향상시킨다.
또한, 앞에서의 설명에 따라, 이 바람직한 구조체는 또한 다음과 같은 층의 하나 이상을 포함할 수 있다―제3 n형 클래딩층(19), 전도성 버퍼층(23), 제III족 질화물 트랜지션층(24), 불연속 결정 부분(28) 및 오믹 콘택(25, 26). 이에 관하여, 전도성 버퍼층(23)은 일반식 AlxGa1-xN(여기서, 0≤x≤1임)을 갖는 알루미늄갈륨 질화물인 것이 가장 바람직하다.
도 8, 9, 10, 11 및 12는 본 발명의 실시예를 포함하는 다양한 구조체의 밴드갭 다이어그램이다. 상기 밴드갭 다이어그램(8 내지 12)은 모두 정방향 바이어스 하의 밴드갭을 나타낸다(즉, "플랫밴드(flat-band)" 조건). 당업자는 상기 밴드갭 다이어그램(8 내지 12)이 본래 개략적인 것이며 일정 비례로 축소하여 그려진 것은 아님을 이해할 것이다. 상기 도면이 본 발명의 중요한 측면을 예시하지만, 실제의 밴드 구조는 예시된 바로부터 약간 변동될 수 있음을 이해할 것이다. 도 8∼12에서, 가능한 한 동일한 숫자 표시는 다이어그램의 동일한 부분을 나타내기로 한다.
또한, 도 8∼12가 단일 활성층을 예시하지만, 활성부가 이후에 보다 구체적으로 설명되는 다중 양자 우물인 경우, 예시된 관계가 동일한 방식으로 적용됨을 이해할 것이다.
도 8은 n형 갈륨 질화물 클래드층(30), 인듐갈륨 질화물 활성층(31) 및 p형 알루미늄갈륨 질화물층(32)을 나타내는 종래 장치의 밴드갭 다이어그램이다. 이 장치에서, p-n 접합은 번호 33에 1점 쇄선으로 표시되어 있다.
장치의 물리적 구조 및 층들간의 계면 품질에 관하여, 동일한 물질간의 계면은 고품질을 형성에 가장 용이하다. 제III족 질화물 중, 갈륨 질화물과 갈륨 질화물 사이의 계면이 고품질 형성에 가장 용이하고, 갈륨 질화물과 알루미늄 질화물은 그보다 어렵지만 그 밖의 거의 모든 다른 경우보다는 용이하다. 두 번째로 가장 나쁜 계면은 갈륨 질화물과 인듐 질화물 사이의 계면이고, 가장 나쁜 계면 품질은 인듐갈륨 질화물과 알루미늄갈륨 질화물 사이에서 전형적으로 나타난다.
또한, 인듐갈륨 질화물의 해리 온도는 일반적으로 그 밖의 모든 제III족 질화물보다 낮음을 상기할 것이다. 따라서, 활성층으로서 다중 양자 우물을 포함하는 InGaN 활성층이 성장되었을 때, 나머지 층의 성장 온도는 인듐갈륨 질화물층의 원치 않는 해리나 열화를 회피하는 온도로 제한해야 한다. 달리 말하면, InGaN 활성층 또는 다중 양자 우물이 없을 경우, AlGaN층과 GaN층은 이들 물질의 보다 고품질 에피택셜층을 위해 더 바람직한 높은 온도(그 밖의 모든 인자는 동일함)에서 성장될 수 있다.
결과적으로, 인듐갈륨 질화물층을 보호하는 데 요구되는 알루미늄갈륨 질화물층을 성장시키기 위해 사용되는 더 낮은 성장 온도에서, 얻어지는 알루미늄갈륨 질화물층의 품질은 상기 층들이 더 높은 온도에서 성장될 수 있는 경우보다 약간 떨어진다.
따라서, 보통 AlGaN-AlGaN 계면이 양호한 동질접합을 형성하는 것으로 생각되지만, 소망되는 본 발명의 인듐갈륨 질화물 활성층을 보호하는 데 요구되는 더 낮은 성장 온도 하에서는, 알루미늄갈륨 질화물층의 품질이 열악하며, 특히 p형 알루미늄갈륨 질화물층이 나쁘다. 결과적으로, 인듐갈륨 질화물 활성층을 결부시키는 장치에 있어서, p형 알루미늄갈륨 질화물과 n형알루미늄갈륨 질화물 사이의 계면과 접합은 일반적으로 매우 낮은 품질로 되어 있다. 따라서, 본 발명이 그러한 접합을 회피하는 것은 직관에 반하며(counterintuitive), 예상외로 더 양호한 장치를 생성한다. 달리 말하면, 도 8의 구조체를 결부시키는 종래 기술의 장치는 고품 질로 형성하기가 어려운 제III족 질화물들간의 계면을 필요로 한다.
도 9는 공동 양도된 미국특허 제6,459,100호에 설명되어 있는 장치를 예시한다. 도 8에서와 같이, n형 갈륨 질화물층은 30에 표시되고, 인듐갈륨 질화물 활성층은 31에 표시되고, p-n 접합은 33에 표시되고, p형 알루미늄갈륨 질화물은 32에 표시되어 있다. 그러나, 도 9에 예시된 장치도 인듐갈륨 질화물 활성층(31)과 약간 양호한 계면을 제공하는 부가적 n형 갈륨 질화물 클래드층(34)을 포함한다; 즉, 인접한 GaN-InGaN층은 인접한 AlGaN-InGaN층보다 고품질의 계면에 대한 기회를 제공하기 쉽다. 도 9는 또한 제2 갈륨 질화물층(34)과 p형 알루미늄갈륨 질화물층(32) 사이에 n형 알루미늄갈륨 질화물층(35)을 예시한다. 마지막으로, 도 9는 최상부 접촉층으로서 부가적인 p형 갈륨 질화물층(36)을 포함한다. 이 장치는 알루미늄갈륨 질화물의 인접층들 사이에 형성된 p-n 접합을 갖는 이점을 제공하며, GaN층(34)은, 마찬가지로, 도 8의 AlGaN층(32)보다 양호한 계면을 인듐갈륨 질화물 활성층(31)과의 사이에 제공한다.
도 10은 n형 갈륨 질화물층(30)(도 1에서는 11)이 다시 인듐갈륨 질화물 활성층(31)(도 1에서는 13)을 위한 클래드층인, 도 1에 예시된 바와 같은 본 발명의 실시예의 밴드갭 관계를 예시한다. 마주보는 클래드층(36)은 n형 알루미늄갈륨 질화물로 형성되고, 장치는 p형 갈륨 질화물층(36)으로 완결되며, 따라서 n형 AlGaN층(35)과 p형 갈륨 질화물층(36) 사이에 p-n 접합(33)을 구획한다. 이것은 n형 알루미늄갈륨 질화물(35)과 p형 갈륨 질화물(36) 사이의 계면에서 p-n 접합을 갖는 이점을 제공한다. 앞에서 언급한 바와 같이, GaN-GaN 접합을 제외한 AlGaN-GaN 접 합이, 성공적인 장치에 요구되는 품질로 가장 용이하게 형성되는 접합이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예를 예시하는 것으로서, 여기서는 제1 클래드층이 n형 갈륨 질화물층(30)이고, 활성층이 인듐갈륨 질화물(31)이며, 제2 클래드층이 n형 알루미늄갈륨 질화물(35)이다. 그러나 이 실시예는 n형 알루미늄갈륨 질화물층(35)에 인접한 n형 갈륨 질화물(37)의 부가층을 포함한다. 그 결과, n형 갈륨 질화물(37)과 p형 갈륨 질화물(36) 사이에 p-n 접합이 형성되어, 구조적 관점에서 가장 높은 품질을 제공하는 GaN-GaN 계면이 얻어진다.
도 12는 n형 갈륨 질화물층(30)이 다시 인듐갈륨 질화물 활성층(31)을 위한 하나의 클래드층을 형성하는 또 다른 바람직한 실시예를 예시한다. 마찬가지로, 최상부 접촉층은 도 10 및 도 11에서와 같이 p형 갈륨 질화물층(36)이다. 클래드 및 트랜지션층으로서, 도 12는 InGaN 활성층(31)과의 계면에 있는 n형 알루미늄갈륨 질화물과 p형 갈륨 질화물층(36)과의 계면에 있는 실질적으로 완전히 n형인 갈륨 질화물 사이에서 점진적으로 조성이 변화되는 부분(40)을 포함한다. 그 결과, 조성이 변화되는 층(40)과 p-GaN층(36) 사이에서 동질접합으로서 p-n 접합(33)이 형성된다.
활성층과 p-n 접합 사이의 층(또는 층들)의 두께는 장치의 기능성에 영향을 준다. 너무 얇은 층은 적절한 유폐를 제공하지 못하고, 너무 두꺼운 층은, 소망되는 활성층에서가 아닌 두꺼운 층에서 과다한 재결합이 일어나게 한다. 따라서, 도 1에 도시된 실시예에 관하여, 클래드층(12)의 두께는 약 30∼70Å 범위라야 한다. 도 3에 도시된 실시예에 관하여, 클래드층(12)의 두께는 약 20∼50Å 범위라야 하 고, 층(19)의 두께는 약 30∼50Å 범위라야 한다. 상기 층(12, 19)의 전체 두께는 약 100Å 이하인 것이 바람직하다. 정치의 효율에 관하여, 한 가지 목표는 방사성 조합 전류(radiative combination current)(Jr)는 최대화하면서 비방사성 재결합 전류(Jnr)는 최소화하는 것이다. 이에 관하여, 도 8에 도시된 구조체는 최대의(즉, 가장 바람직하지 않은) 비방사성 재결합 전류를 갖는다. 도 9에 도시한 장치의 비방서성 재결합 전류는 도 8의 경우보다 약간 적지만, 보다 바람직하게 낮은 도 10, 11, 또는 도 12의 비방사성 재결합 전류보다는 여전히 많다.
도 13 및 도 14는 활성부가 다중 양자 우물("MQW")이고 장치 구조의 일부로서 초격자를 내포하는, 본 발명의 실시예 중 보다 구체적인 일례를 나타낸다. 일반적으로, 초격자(두께가 각각 수 nm 수준인 2개의 상이한 반도체 물질의 교대층)는 장치의 층들 중에서 양호한 결정 성장과 보다 양호한 전이를 촉진하고 지지할 수 있다. 초격자는 제III족 질화물 광양자 장치의 클래딩층에서 변형 이완을 제공할 수 있고(예를 들면, 두꺼운 AlGaN 클래딩층은 쉽게 균열을 일으킴), 또한 벌크 필름에 비해 캐리어 농도를 높일 수 있다. 다중 양자 우물(내부에서의 전자의 잠재 에너지가 층 외부보다 적은 반도체의 얇은 층)은 점진적으로 캐리어를 수집함으로써 장치의 효율을 증가시킨다. 다중 양자 우물은 또한, 일반적으로 제III족 원소의 몰 분율, 도펀트 농도, 및 우물과 배리어층의 두께를 제어함으로써, 광양자 장치의 출력(파장 및 주파수)을 튜닝하는 또 다른 방법을 제공한다.
도 13 및 도 14에서, LED 구조체(45)는 바람직하게 4H 또는 6H n형 실리콘 카바이드인 기판(50)을 포함한다. 기판(50)은 또한 사파이어, 벌크 갈륨 질화물 또는 그 밖의 적합한 기판을 포함할 수 있다.
도 13에 예시된 실시예는 기판(50) 상에 성장시킨 갈륨 질화물계 반도체층을 포함하는 적층된 반도체 구조체를 포함한다. 즉, 예시된 실시예는 다음과 같은 층을 포함한다: 전도성 버퍼층(51), 제1 실리콘 도핑된 GaN층(52), 제2 실리콘 도핑된 GaN층(54), 실리콘 도핑된 GaN 및/또는 InGaN의 교대층을 포함하는 초격자 구조체(56), 다중 양자 우물 구조를 포함하는 활성 영영(60), 도핑되지 않은 GaN층 또는 AlGaN층(62), p형 불순물로 도핑된 AlGaN층(64), 및 역시 p형 불순물로 도핑된 GaN 접촉층(66). 상기 구조체는 또한 n형 기판(50) 상에 형성된 오믹 콘택(70) 및 p형 접촉층(66) 상에 형성된 오믹 콘택(72)을 포함한다.
버퍼층(51)은 n형 AlGaN인 것이 바람직하다. 실리콘 카바이드와 제III족 질화물 재료 사이의 버퍼층의 예는 본 발명의 양주자에게 공동 양도된 미국특허 제5,393,993호, 제5,523,589호 및 제6,459,100호(발명의 명칭; "Vertical Geometry InGaN Light Emitting Diode")에 제시되어 있다. 제1 GaN층(52)의 두께는 약 500∼3000 Å(상하 경계치 포함)인 것이 바람직하고, 약 1500 nm인 것이 가장 바람직하다. GaN층(52)은 약 1∼2E18cm-3(1∼2×1018cm-3) 수준으로 실리콘으로 도핑된다. 제2 GaN층(54)의 두께는 약 10∼50 Å(상하 경계치 포함)인 것이 바람직하고, 약 80 Å인 것이 가장 바람직하다. GaN층(54)은 약 1E19cm-3 수준으로 실리콘으로 도핑된다.
초격자 구조체(56)는 InxGa1-xN 및 InyGa1-yN의 교대층을 포함하며, 여기서 x는 0과 1 사이(0과 1 포함)이고 x와 y는 동일하지 않다. 바람직하게, x=0(즉, 각 층에서 인듐은 제외됨)이고, InGaN의 교대층 각각의 두께는 약 8∼12 Å(상하 경계치 포함)이고, GaN의 교대층 각각의 두께는 약 15∼20 Å(상하 경계치 포함)이다. 초격자 구조체(56)는 약 5∼50주기를 포함한다(여기서, 1주기는 각각 초격자를 포함하는 InxGa1-xN 및 InyGa1-yN의 1회 반복과 같음). 일 실시예에서, 초격자 구조체(56)는 25주기를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 초격자 구조체(56)는 10주기를 포함한다.
활성 영역(60)은 배리어층(76)에 의해 분리된 다중 InGaN 양자 우물층(74)을 포함하는 다중 양자 우물 구조체를 포함한다. 배리어층(76)은 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)을 포함한다. 바람직하게, 배리어층(76)의 인듐 조성은 양자 우물층(74)보다 적으므로, 배리어층(76)은 양자 우물층(74)보다 높은 밴드갭을 가진다. 배리어층(76) 및 양자 우물층(74)은 도핑되어 있지 않을 수 있다(즉, 의도적으로 실리콘이나 마그네슘과 같은 불순물 원자로 도핑되지 않음). UV 방출을 원할 경우, 배리어층(76)을 1E19cm-3 미만 수준으로 Si로 도핑하는 것이 바람직할 것이다.
또 다른 실시예에서, 배리어층(76)은 AlxInyGa(1-x-y)N을 포함하고, 여기서 0＜x＜1이고 0≤＜y＜1이고 (x+y)＜1이다. 배리어층(76)의 결정에 알루미늄을 포함시킴으로써, 배리어층(76)은 양자 우물층(74)에 격자 정합을 이룰 수 있으며, 그 결과 양자 우물층(74)에 향상된 결정 품질을 제공하고 장치의 발광 효율을 증가시킨다.
도 14를 참고하면, 일 실시예에서, 활성 영역(60)은 높은 결정 품질을 가진 우물 지지층(76a), 양자 우물층(74), 양자 우물층(74)에 대한 보호 덮개층 역할을 하는 덮개층(76b)을 포함하는, 주기적으로 반복되는 구조체(77)를 포함한다. 상기 구조체(77)가 성장될 때, 덮개층(76b)과 우물 지지층(76a)은 인접한 양자 우물(74) 사이에 배리어층을 함께 형성한다. 바람직하게, 상기 고품질의 우물 지지층(76a)은 InGaN 양자 우물층(74)을 성장시키는 데 사용된 온도보다 높은 온도에서 성장된다. 예를 들면, InGaN 양자 우물층(74)을 성장시키기 위한 고품질 표면을 얻기 위해서, 우물 지지층(76a)은 약 750∼900℃의 성장 온도에서 성장시킨다. 다음에, 고품질의 InGaN 양자 우물층(74)이 성장할 수 있도록 성장 쳄버의 온도를 약 50℃ 만큼 낮춘다. 이어서, 온도를 상기 낮은 InGaN 성장 온도로 유지하면서 덮개층(76b)을 성장시킨다. 이러한 방식으로, 고품질 InGaN층을 포함하는 다중 양자 우물 영역이 제조될 수 있다.
활성 영역(60)은 InGaN 결정 품질을 증대시키는 질소 분위기에서 성장시키는 것이 바람직하다. 배리어층(76)의 두께는 약 15∼400 Å(상하 경계치 포함)이다. 배리어층(76)의 두께는 약 90 Å보다 큰 것이 바람직하고, 약 225 Å인 것이 가장 바람직하다. 양자 우물층(74)의 두께는 약 15∼35 Å(상하 경계치 포함)이다. 양자 우물층의 두께는 약 20 Å보다 큰 것이 바람직하고, 약 25 Å인 것이 가장 바람직하다. 앞에서 언급한 바와 같이, 양자 우물층(74)에서의 인듐의 두께와 백분율은 원하는 파장을 가진 광을 생성하기 위해 변동될 수 있다.
활성 영역(60) 상에 성장되는 층(62)은 도핑되지 않은 GaN 또는 AlGaN인 것 이 바람직하고, 그 두께는 약 0∼50 Å(상하 경계치 포함)이 바람직하고 약 35 Å가 보다 바람직하다. 상기 층(62)이 AlGaN을 포함할 경우, 그 층에서의 알루미늄 백분율은 바람직하게 약 10∼30%이고, 가장 바람직하게는 약 24%이다. 상기 층(62)에서의 알루미늄의 수준은 또한 단계적으로 또는 연속적으로 증가되는 방식으로 변화될 수 있다. 상기 층(62)은 층(62)의 결정 품질을 향상하기 위해, 양자 우물 영역(60)의 성장 온도보다 높은 온도에서 성장시킬 수 있다. 상기 층(62)의 부근에는 도핑되지 않은 GaN 또는 AlGaN으로 이루어진 부가층이 포함될 수 있다. 예를 들면, LED(45)는 층(62)의 밑에 두께가 약 6∼9 Å인 도핑되지 않은 AlGaN의 부가층을 포함할 수 있다.
마그네슘과 같은 p형 불순물로 도핑된 AlGaN층(64)이 층(62) 상에 성장된다. AlGaN층(64)의 두께는 약 50∼200 Å(상하 경계치 포함)이고, 약 85 Å인 것이 바람직하다. 접촉층(66)은 p형 GaN으로 형성되고 그 두께는 약 1600 Å인 것이 바람직하다.
오믹 콘택(70, 72)은 각각 p-GaN 접촉층(66) 및 기판(50)에 적층된다.
다중 양자 우물 및 초격자의 성장에 관한 부가 정보는 공개된 미국특허 출원 제2003-0020061호에 제시되어 있다.
도면과 명세서에서는 본 발명의 전형적인 실시예가 개시되었다. 특수한 용어는 포괄적이고 설명을 위한 의미에서 사용되었을 뿐이며, 제한적 목적에서 사용된 것이 아니다. 본 발명의 범위는 이어지는 청구의 범위에서 제시된다.

Claims (44)

  1. 전자기 스펙트럼의 적색광 내지 자외광 영역에서 발광할 수 있는 발광 장치용 반도체 구조체로서,
    AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 제1 n형 클래딩층(cladding layer);
    AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지고, 실질적으로 마그네슘이 없는 것을 특징으로 하는 제2 n형 클래딩층;
    복수의 AlxInyGa1-x-yN 배리어층(barrier layer)(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y≤1임)에 의해 분리된 복수의 InxGa1-xN 우물층(well layer)(여기서, 0＜x＜1임)을 가진 다중 양자 우물(quantum well) 형태로 상기 제1 클래딩층과 제2 클래딩층 사이에 위치한 활성부(active portion);
    제III족 질화물로 이루어지는 p형층; 및
    AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 제3 n형층
    을 포함하고,
    상기 제2 n형 클래딩층은 상기 p형층과 상기 다중 양자 우물 사이에 위치하고,
    상기 제3 n형층은 상기 제2 n형 클래딩층과 상기 p형층 사이에 위치하며,
    상기 제1 n형 클래딩층과 상기 제2 n형 클래딩층은 각각 상기 우물층의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 가지며,
    상기 제1 n형 클래딩층 및 제2 n형 클래딩층 중 적어도 하나의 층은 알루미늄을 포함하는,
    반도체 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물은 제1 표면 및 제2 표면을 가지며, 상기 다중 양자 우물의 상기 제1 표면은 상기 제1 n형 클래딩층과 접촉되어 있고, 상기 다중 양자 우물의 상기 제2 표면은 상기 제2 n형 클래딩층과 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 p형층은 상기 다중 양자 우물과 반대측에서 상기 n형 클래딩층과 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 n형 클래딩층은 AlxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성부는 InyGa1-yN(여기서, 0＜y＜1임)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 p형층은 마그네슘 도핑된 갈륨 질화물인 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 n형 클래딩층은 마그네슘이 상기 p형층으로부터 상기 다중 양자 우물로 이동하는 것을 막을 수 있도록 충분히 두껍지만, 상기 다중 양자 우물에서의 재결합(recombination)을 용이하게 할 만큼 얇은 두께로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 p형층이 인듐 질화물인 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 p형층이 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)인 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 p형층이, 갈륨 질화물, 인듐 질화물 및 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 복수의 제III족 질화물층으로 형성된 초격자 (superlattice)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 초격자가, 갈륨 질화물, 인듐 질화물 및 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2개의 제III족 질화물층의 교대층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제3 n형층은 제1 표면 및 제2 표면을 가지며, 상기 제3 n형층의 상기 제1 표면은 상기 p형층과 접촉되어 있고, 상기 제3 n형층의 상기 제2 표면은 상기 제2 n형 클래딩층과 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  14. 제1항에 있어서,
    n형 실리콘 카바이드 기판을 추가로 포함하고,
    상기 제1 n형 클래딩층은 상기 실리콘 카바이드 기판과 상기 다중 양자 우물 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  15. 제1항에 있어서,
    n형 실리콘 카바이드 기판을 추가로 포함하고,
    전도성 버퍼층(buffer layer)이 상기 실리콘 카바이드 기판과 상기 제1 n형 클래딩층 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전도성 버퍼층은 제1 표면 및 제2 표면을 가지고, 상기 전도성 버퍼층의 상기 제1 표면은 상기 실리콘 카바이드 기판과 접촉되어 있고, 상기 전도성 버퍼층의 상기 제2 표면은 상기 제1 n형 클래딩층과 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 전도성 버퍼층이, 일반식 AlxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)을 갖는 알루미늄갈륨 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  18. 제15항에 있어서,
    제III족 질화물의 n형 트랜지션층(transition layer)을 추가로 포함하고,
    상기 트랜지션층은 상기 전도성 버퍼층과 상기 제1 n형 클래딩층 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  19. 제1항에 있어서,
    n형 실리콘 카바이드 기판; 및
    갈륨 질화물 및 인듐갈륨 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 불연속 결정 부분(discrete crystal portion)을 추가로 포함하고,
    상기 불연속 결정 부분은 상기 제1 n형 클래딩층과 상기 실리콘 카바이드 기판과 사이에 위치하며, 상기 불연속 결정 부분은 상기 제1 n형 클래딩층과 상기 실리콘 카바이드 기판 사이의 배리어를 감소시키기에 충분한 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  20. 제1항에 있어서,
    3C, 4H, 6H 및 15R로 이루어지는 군으로부터 선택되는 폴리타이프의 n형 단결정 실리콘 카바이드 기판을 포함하고,
    상기 p형층은, 갈륨 질화물, 인듐 질화물 및 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 제III족 질화물로 형성되고,
    상기 제1 n형 클래딩층은 상기 실리콘 카바이드와 상기 다중 양자 우물 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  21. 제1항 또는 제20항에 있어서,
    상기 배리어층이 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x＜1이고 0＜y＜1임)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  22. 제1항 또는 제20항에 있어서,
    상기 배리어층이 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0＜x＜1이고 0≤＜y＜1이고 (x+y)≤1임)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  23. 제1항 또는 제20항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 내의 상기 배리어층이 상기 다중 양자 우물 내의 우물층보다 큰 밴드갭을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 제1 n형 클래딩층은 제1 표면 및 제2 표면을 가지며,
    상기 제1 n형 클래딩층의 상기 제1 표면은 상기 실리콘 카바이드 기판과 접촉되어 있고, 상기 제1 n형 클래딩층의 상기 제2 표면은 상기 다중 양자 우물과 접 촉되어 있으며,
    상기 제1 n형 클래딩층의 조성은, 상기 제1 n형 클래딩층의 상기 제1 표면에서의 결정 격자는 상기 기판의 결정 격자에 보다 근접하게 정합하고, 상기 제1 n형 클래딩층의 상기 제2 표면에서의 결정 격자는 상기 다중 양자 우물의 결정 격자에 보다 근접하게 정합하도록, 점진적으로 경사져 있는(graded) 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  25. 전자기 스펙트럼의 적색광 내지 자외광 영역에서 발광할 수 있는 발광 장치용 반도체 구조체로서,
    AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지는 제1 n형 클래딩층(cladding layer);
    AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y＜1이며 (x+y)≤1임)으로 이루어지고, 실질적으로 마그네슘이 없는 것을 특징으로 하는 제2 n형 클래딩층;
    복수의 AlxInyGa1-x-yN 배리어층(barrier layer)(여기서, 0≤x≤1이고 0≤y≤1임)에 의해 분리된 복수의 InxGa1-xN 우물층(well layer)(여기서, 0＜x＜1임)을 가진 다중 양자 우물(quantum well) 형태로 상기 제1 클래딩층과 제2 클래딩층 사이에 위치한 활성부(active portion); 및
    제III족 질화물로 이루어지는 p형층;
    을 포함하고,
    상기 제2 n형 클래딩층은 상기 p형층과 상기 다중 양자 우물 사이에 위치하고,
    상기 제1 n형 클래딩층과 상기 제2 n형 클래딩층은 각각 상기 우물층의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 가지며,
    상기 제2 n형 클래딩층은 제1 표면 및 제2 표면을 가지며,
    상기 제2 n형 클래딩층의 상기 제1 표면은 상기 다중 양자 우물과 접촉되어 있고, 상기 제2 n형 클래딩층의 상기 제2 표면은 상기 p형층과 접촉되어 있으며,
    상기 제2 n형 클래딩층의 조성은, 상기 제2 n형 클래딩층의 상기 제1 표면에서의 결정 격자는 상기 다중 양자 우물의 결정 격자에 보다 근접하게 정합하고, 상기 제2 n형 클래딩층의 상기 제2 표면에서의 결정 격자는 상기 p형층의 결정 격자에 보다 근접하게 정합하도록, 점진적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 p형층이 마그네슘 도핑된 갈륨 질화물인 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제2 n형 클래딩층은 마그네슘이 상기 p형층으로부터 상기 다중 양자 우물로 이동하는 것을 막을 수 있도록 충분히 두껍지만, 상기 다중 양자 우물에서의 재결합을 용이하게 할 만큼 얇은 두께로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  28. 제20항에 있어서,
    상기 p형층이, 갈륨 질화물, 인듐 질화물 및 InxGa1-xN(여기서, 0＜x＜1임)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2개의 제III족 질화물층의 교대층으로 형성된 초격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  29. 제1항 또는 제20항에 있어서,
    AlxInyGa1-x-yN으로 이루어지는 상기 제3 n형층에서 0≤x＜1이고 0≤y＜1이며 (x+y)＜1인 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 제3 n형층은 제1 표면 및 제2 표면을 가지며, 상기 제3 n형층의 상기 제1 표면은 상기 p형층과 접촉되어 있고, 상기 제3 n형층의 상기 제2 표면은 상기 제2 n형 클래딩층과 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  31. 제20항에 있어서,
    일반식 AlxGa1-xN(여기서, 0≤x≤1임)을 갖는 알루미늄갈륨 질화물을 포함하는 전도성 버퍼층을 추가로 포함하고,
    상기 전도성 버퍼층은 상기 실리콘 카바이드 기판과 상기 제1 n형 클래딩층 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  32. 제31항에 있어서,
    제III족 질화물의 n형 트랜지션층을 추가로 포함하고,
    상기 트랜지션층은 상기 전도성 버퍼층과 상기 제1 n형 클래딩층 사이에 위치하고 상기 제1 n형 클래딩층과 동일한 도전형(conductivity type)을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
  33. 제14항 또는 제20항에 있어서,
    갈륨 질화물 및 인듐갈륨 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 불연속 결정 부분을 추가로 포함하고,
    상기 불연속 결정 부분은 상기 제1 n형 클래딩층과 상기 실리콘 카바이드 기판 사이에 위치하고, 상기 불연속 결정 부분은 상기 제1 n형 클래딩층과 상기 실리콘 카바이드 기판 사이의 배리어를 감소시키기에 충분한 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조체.
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