KR20030045072A - 갈륨-프리 층을 갖는 ⅲ족 질화물계 발광 소자 - Google Patents

갈륨-프리 층을 갖는 ⅲ족 질화물계 발광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기(electromagnetic) 스펙트럼의 적색 내지 자외선 부분에서 방사가 가능한 발광 소자용 반도체 구조체이다. 이 반도체 구조체는 Ⅲ족 질화물의 제1 클래딩 층, Ⅲ족 질화물의 제2 클래딩 층, 및 상기 제1 클래딩 층과 상기 제2 클래딩 층 사이에 위치되며 상기 제1 클래딩 층 및 상기 제2 클래딩 층의 밴드 갭(band gap)보다 작은 밴드 갭을 갖는 Ⅲ족 질화물의 활성 층을 포함한다. 이 반도체 구조체는 하나 이상의 이들 구조적인 층에 갈륨이 존재하지 않는 특징을 갖는다.

Description

갈륨-프리 층을 갖는 Ⅲ족 질화물계 발광 소자 {GROUP Ⅲ NITRIDE LIGHT EMITTING DEVICES WITH GALLIUM-FREE LAYERS}
광반도체 소자는, 전기적 에너지를 광학적 방사로 변환하는 소자(예를 들어 발광 다이오드 및 레이저 다이오드), 광학적 신호를 검출하는 소자(예들 들어 광검출기), 및 광학적 방사를 전기적 에너지로 변환하는 소자(예를 들어 광전지 소자 및 태양전지)의 3가지로 분류된다. 이들 3가지의 소자가 모두 유용하게 응용되지만, 다양한 소비재 및 응용물에 적용되는 이유로 발광 다이오드가 가장 일반적으로 알려져 있다.
이하에서 LED라고 부르는 발광 소자(예들 들어 발광 다이오드 및 레이저 다이오드)는 전기적 힘을 방출되는 빛으로 변환하는 p-n 접합 광반도체 소자이다. 많은 소비재(예를 들어 오디오 시스템, 자동차, 가전제품, 컴퓨터 시스템 등)에 사용되는 다양한 신호, 지시등, 계기, 디스플레이 등을 위한 전자기 스펙트럼의 가시부에서는 LED가 가장 일반적으로 광원을 형성할 것이다. LED는 일반적으로 수명이길고 전력을 적게 소모하며 신뢰성이 높기 때문에 광 방출 소자로서 바람직하다.
LED는 광범위한 사용에도 불구하고 LED의 제조에 사용되는 반도체 소재의 특성으로 인해 종래의 LED는 생성할 수 있는 색상이 제한되기 때문에 그 기능이 다소 한정적이다. 당업자들이 이미 잘 알고 있듯이, LED가 생성하는 빛을 "전자 발광(electroluminescence)"이라고 하며, 인가된 전압 하에서 소재를 통과하는 전류에 의해 빛이 생성되는 것을 나타낸다. 전자 발광 빛을 생성하는 임의의 특정 구성은 비교적 좁은 범위의 파장이 되도록 하는 경향이 있다.
종래의 LED 소재에 의해 방출될 수 있는 빛의 파장(즉, 그 색상)은 소재의 물리적 특성, 특히 밴드 갭(band gap) 에너지에 의해 제한된다. 밴드 갭 에너지는 반도체에서 저준위 에너지 가전자대(valence band) 및 고준위 에너지 전도대를 분리하는 에너지의 양이다. 상기 가전자대 및 전도대는 잘 알려진 양자 역학의 원리에 따라 캐리어(즉, 전자 또는 정공)가 존재할 수 있는 에너지 상태이다. "밴드 갭"은 전도대와 가전자대 사이의 캐리어가 허용되지 않는 에너지 범위이다(즉, 이러한 에너지 상태에서는 캐리어가 존재할 수 없다). 소정의 환경 하에서, 전자 및 정공이 밴드 갭을 통과하여 재결합되는 경우, 이들은 빛 형태의 에너지를 방사하게 된다. 즉, 종래의 반도체 소재에 의해 생성될 수 있는 전자기 방사의 진동수(즉, 색상)는 그 소재의 밴드 갭 에너지의 함수이다.
여기서, 밴드 갭이 좁을수록 에너지 준위가 낮게 형성되고, 광자의 파장은 길어진다. 반대로, 소재의 밴드 갭이 넓을수록 에너지 준위가 높게 형성되고, 광자의 파장은 짧아진다. 가시 스펙트럼에서 청색 광은 다른 색상보다 파장이 보다짧으며 따라서 진동수가 보다 높다. 결과적으로, 청색 광은 녹색 광, 황색 광, 주황색 광, 또는 적색 광을 생성하는 천이(transition)보다 에너지가 큰 천이로부터 생성되게 된다. 가시 스펙트럼의 청색 또는 자외선 부분의 파장을 갖는 광자의 생성을 위해서는 반도체 소재가 비교적 커다란 밴드 갭을 가져야 한다.
전체 가시 스펙트럼에서 보라색의 파장은 390 나노미터 또는 그 부근이며 적색의 파장은 780 나노미터이다. 즉, 가시 스펙트럼의 청색 부분은 대략 425 내지 480 나노미터의 파장이 될 수 있다고 생각할 수 있다. 대략 425 나노미터의 파장(보라색 쪽) 및 480 나노미터의 파장(녹색 쪽)은 각각 대략 2.9 eV 및 대략 2.6 eV의 에너지 천이를 나타낸다. 따라서 최소한 대략 2.6 eV의 밴드 갭을 갖는 소재만이 청색 광을 생성할 수 있다.
파장이 짧은 소자는 색상 외에도 다른 장점을 제공한다. 특히, CD-ROM 광 디스크와 같은 광 저장 및 기억 장치에 사용되는 경우, 보다 짧은 파장은 이러한 저장 장치가 상당히 더 많은 정보를 저장할 수 있도록 한다. 예를 들어, 청색 광을 사용하는 광 정보 저장 장치는 적색 광을 사용하는 것보다 동일한 공간에 훨씬 더 많은 정보를 저장할 수 있다.
발광 다이오드를 작동시키는 기본 메커니즘은 예를 들어, Sze가 저술한 Physics of Semiconductor Devices, 2nd Edition (1981)의 681-703쪽에 잘 설명되어 있다.
본 특허 출원의 공동 양수인은 이 분야에서 최초로 대량으로 상업화가 가능한 청색 색상의 스펙트럼으로 발광되는 LED를 성공적으로 상업화하였다. 이러한LED는 넓은 밴드 갭 반도체 소재의 실리콘 카바이드로 형성되었다. 이러한 청색 LED의 예는 Edmond에게 허여된 "Blue Light Emitting Diode Formed in Silicon Carbide"라는 명칭의 미국특허 제4,918,497호 및 제5,027,168호에 기재되어 있다. Ⅲ족 질화물계 LED 구조 및 레이저 구조의 다른 예는 상업적으로 양도된 미국특허 제5,523,589호, 제5,592,501호, 및 제5,739,554호에 기재되어 있다.
실리콘 카바이드 외에 가능한 청색 광 발광 소자의 소재는 갈륨 질화물(GaN)과, 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN), 인듐 갈륨 질화물(InGaN), 및 일부 경우의 알루미늄 인듐 갈륨 질화물(AlInGaN)과 같이 그와 연관된 Ⅲ족(즉, 주기율표의 Ⅲ족) 질화물계 화합물이 될 수 있다. 이들 소재는 실온에서 대략 1.9 내지 6.2 eV의 밴드 갭을 갖는 직접 에너지 천이를 제공하기 때문에 특히 바람직하다. 청색 광을 생성하는데 실리콘, 갈륨 인화물, 또는 갈륨 비화물과 같은 일반적인 반도체 소재가 적절한데, 그 이유는 이들의 밴드 갭이 대략 2.26 eV 이하이고, 실리콘의 경우에는 간접 반도체이고 비효율적인 발광체이기 때문이다.
LED 및 전자 천이는 공지된 바와 같이, 가전자대가 최대이고 전도대가 최소인 경우에 반도체에서 일어나는 직접 천이는 동일한 운동량 상태를 갖는다. 이것은 전자 및 정공이 재결합하는 동안 결정 운동량(crystal momentum)이 용이하게 보존되어서 천이에 의해 생성된 에너지가 광자에 우세하게 효과적으로 전달될 수 있는 것을 의미한다(즉, 열이 아닌 빛을 생성하도록). 최소 전도대 및 최대 가전자대가 동일한 운동량 상태를 갖지 않는 경우, 광자(즉, 진동 에너지의 양자)는 결정 운동량을 보존할 필요가 있으며, 천이는 "간접"으로 칭한다. 제3의 입자인 광자의필요로 인해 간접 방사 천이가 감소하고, 이로 인해 소자의 발광 효율이 감소된다.
일반적으로, 직접 밴드 갭 소재로 형성되는 LED는 간접 밴드 갭 소재로 형성되는 경우보다 효과적이다. 그러므로, Ⅲ족 질화물의 직접 천이 특성은 실리콘 카바이드와 같은 간접 소재로부터의 방사보다 더욱 밝고 효과적인 LED가 가능하게 한다. 따라서, 지난 10여년간 갈륨 질화물계 및 관련된 Ⅲ족 질화물계의 발광 다이오드를 제조하는데 관심이 집중되었다.
Ⅲ족 질화물이 광범위한 밴드 갭 에너지에 걸쳐서 직접 천이를 제공하지만, 이들 소재는 제조상에 있어서 특정한 기술적 문제점을 나타낸다. 특히, 상부에 광소자가 형성되는 갈륨 질화물 에피택셜(epitaxial) 층을 위한 적절한 기판으로서 기능할 수 있는 갈륨 질화물(GaN)의 단결정체를 대량으로 생산하는 기술은 아직 상업화되지 않았다.
모든 반도체 소자는 여러 종류의 구조적 기판을 필요로 한다. 일반적으로, 기판은 특히 결정 성장 및 격자 정합에서 상당한 장점을 갖는 활성 영역과 동일한 소재로 형성된다. 갈륨 질화물은 아직 대량의 결정체로 형성되지 못하기 때문에, 갈륨 질화물계 광소자는 비-GaN 기판 상의 에피택셜 층으로 형성되어야 한다.
이 분야의 Ⅲ족 질화물계 기판에 대한 최근의 기술은 현재 출원 중이며 상업적으로 양도된 미국특허출원 1999년 7월 27일부 제09/361,945호, "Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride", 1999년 7월 27일부 제09/361,944호, "Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride from a Melt", 1999년 7월 7일부 제09/111,413호, "Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride",및 1998년 10월 9일부 제09/169,385호, "Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride: Silicon Carbide Alloys"에 기재되어 있다. 이들 모든 출원은 그 전체를 참조하여 본 명세서의 일부로 하였다.
그러나 다른 기판을 사용하면 추가의 문제가, 주로 결정 격자 정합의 영역에서 발생한다. 거의 모든 경우에, 상이한 소재는 상이한 결정 격자 파라미터를 갖는다. 그 결과, 갈륨 질화물계 에피택셜 층이 상이한 기판 상에서 성장하는 경우, 일부 결정 격자는 정합되지 않고 열팽창 계수가 일치하지 않게 된다. 에피택셜 층의 결과는 이러한 부정합에 의한 "변형"을 낳는다. 결정 격자가 부정합되면 변형이 발생하고 결정 결함의 가능성이 발생한다. 이것은 다시 결정체 및 접합의 전기적 특성에 악영향을 주고, 이에 따라 광소자의 성능을 저하시키게 된다. 이러한 유형의 결함은 고 전력(high power) 구조에서 더욱 심각하다.
종래의 Ⅲ족 질화물계 LED에서, 갈륨 질화물계 소자를 위한 가장 일반적인 기판은 사파이어(즉, 산화알루미늄 Al2O3)이었다. 임의의 최신 Ⅲ족 질화물계 소자는 여전히 이러한 기판을 사용한다.
사파이어는 광학적으로 가시 범위 및 자외선 범위에서 투과성이 좋지만, 갈륨 질화물과 대략 16%의 결정 격자 부정합을 갖는다. 또한 사파이어는 전도성보다는 절연성이 있으며, 전도성 도핑에 적절하다. 결과적으로, 발광을 위해 LED를 통과해야 하는 전류는 사파이어 기판을 통과할 수 없다. 따라서 LED에 대한 다른 타입의 접속이 이루어져야 한다.
일반적으로, 수직 형상의 LED는 도전성 기판을 사용하여 상기 소자의 양 단부에서 옴 접촉이 이루어지도록 한다. 이러한 수직형 LED는 비수직형 소자보다 제조가 용이하고 최종 용도의 소자로 구체화하기가 간단하다는 이유 때문에 선호된다. 그러나 도전성 기판이 없으면 수직형 소자는 형성될 수 없다.
사파이어에 비해, 갈륨 질화물은 알루미늄 질화물(AlN)과 대략 2.4%, 실리콘 카바이드와 대략 3.5%만의 결정 격자 부정합을 갖는다. 실리콘 카바이드는 알루미늄 질화물과 대략 1% 정도만의 적은 부정합을 갖는다.
Ⅲ족 3원 및 4원 질화물(예를 들어 인듐 갈륨 질화물 및 알루미늄 인듐 갈륨 질화물)은 비교적 넓은 밴드 갭을 갖는 것으로 알려졌다. 따라서 이러한 Ⅲ족 질화물 또한 청색 및 자외선 반도체 레이저 및 LED가 가능하다. 그러나 이러한 화합물의 대부분은 갈륨 질화물과 동일한 문제점, 즉 동일한 단결정체 기판이 결여되는 문제점을 나타낸다. 그러므로 각각은 일반적으로 상이한 기판 상에서 성장되는 에피택셜 층의 형태로 사용된다. 이것은 마찬가지로 결정 결함 및 연관된 전자 문제를 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명의 양수인은 갈륨 질화물 및 다른 Ⅲ족 소자용 실리콘 카바이드 기판의 용도를 기판으로서의 사파이어의 전도성 문제를 해결하는 수단으로서 발전시켰다. 실리콘 카바이드는 전도성을 도핑하기 때문에 수직형 LED가 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 수직형 구조체는 LED의 제조 및 이들을 회로 및 최종 용도 소자에 조합하는 것 모두를 용이하게 한다.
종래의 Ⅲ족 질화물로 공지된 바와 같이, 이들의 특성은 본 발명의 Ⅲ족 원소(예를 들어 갈륨, 알루미늄, 인듐)의 본질 및 몰분율(mole fraction)에 따라 차이를 갖는다. 예를 들어, 알루미늄의 몰분율이 증가되면 밴드 갭이 증가되는 경향이 있으며, 알루미늄의 양이 감소하면 굴절률이 증가하는 경향이 있다. 마찬가지로, 대부분의 인듐은 소재의 밴드 갭을 감소시켜서 밴드 갭이 조정되거나 "조화되어" 원하는 진동수의 광자를 형성할 수 있도록 한다. 그러나 이것은 결정체의 화학적 안정성 및 물리적 안정성을 감소시키는 경향이 있다. 몰 분율에 따른 다른 영향은 결정 격자의 간격을 변화시켜서 변형을 일으키는 것이다.
따라서 이 부분에 대한 많은 노력에도 불구하고, 수직 형상으로 형성되고, 인듐, 알루미늄, 및 갈륨의 비율이 Ⅲ족 질화물계 광소자의 활성 층, 클래딩 층, 및 버퍼 층에서 바람직하게 조정되었을 때 야기되는 특성을 이용하는 소자가 여전히 필요하게 되었다.
본 발명은 발광 소자의 반도체 구조체에 관한 것이며, 구체적으로는 전자기(electromagnetic) 스펙트럼의 적색 내지 자외선 부분에서 발광할 수 있는, Ⅲ족 질화물로부터 형성되는 발광 다이오드 및 레이저 다이오드에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 소자용 반도체 구조체의 단면개략도이다.
도 2는 알루미늄, 인듐, 및 갈륨의 Ⅲ족 질화물계 합금에 대한 밴드 갭 에너지와 격자 파라미터의 이론적인 도식이다.
도 3은 상기 반도체 구조체의 실시예를 나타내는 단면개략도이다.
도 4는 상기 반도체 구조체의 실시예를 나타내는 단면개략도이다.
도 5는 상기 반도체 구조체의 실시예를 나타내는 단면개략도이다.
도 6은 상기 반도체 구조체의 실시예를 나타내는 단면개략도이다.
도 7은 상기 반도체 구조체의 실시예를 나타내는 단면개략도이다.
따라서, 본 발명의 과제는 Ⅲ족 질화물로부터 이들의 바람직한 특성을 이용하는 방식으로 발광 다이오드 및 레이저 다이오드를 제조하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 Ⅲ족 질화물의 제1 클래딩 층, Ⅲ족 질화물의 제2 클래딩 층, 및 상기 제1 및 제2 클래딩 층 사이에 위치하며 밴드 갭이 상기 제1 및 제2 클래딩 층의 각 밴드 갭보다 작은 Ⅲ족 질화물의 활성 층을 포함하는 반도체 구조체를 갖는다. 특히, 이 반도체 구조체는 상기 활성 층 또는 클래딩 층의 적어도 하나에 갈륨이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.
전술한 과제 및 다른 과제, 본 발명의 장점 및 방법은 첨부 도면을 참조한이하의 상세한 설명에 구체적으로 기재하였다.
본 발명은 전자기 스펙트럼의 적색 내지 자외선 부분에서 방사할 수 있는 발광 소자용 반도체 구조체이다. 이러한 구조는 제1 Ⅲ족 질화물계 클래딩 층과 제2 Ⅲ족 질화물 클래딩 층 사이에 위치하는 Ⅲ족 질화물 활성 층을 포함한다. 상기 활성 층은 상기 제1 및 제2 클래딩 층 각각의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 가지며, 상기 제1 및 제2 클래딩 층은 반대의 전도성 유형(즉, p형 또는 n형, 또는 그 반대)을 갖는 것이 바람직하다. 특히, 상기 활성 층, 제1 클래딩 층, 또는 제2 클래딩 층 중에서 적어도 하나에는 갈륨이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 따르면 갈륨이 존재할 수도 있지만, 이것은 본 발명의 본질에 의미가 되지 않을 만큼의 작은 양에 불과하다(즉, 반도체 소자에 아무런 기능적 영향을 주지 않는다). 전술한 층 중에서 적어도 하나의 층은 완전히 배제되지만 그럼에도 불구하고 갈륨의 잔량은 하나 이상의 층이 그러한 특징을 갖도록 허용한다(예를 들어, 제1 클래딩 층 및 제2 클래딩 층 모두는 갈륨이 존재하지 않는 특징을 가질 수 있다).
특정의 전도성 유형(즉, n형 또는 p형)은 고유한 것일 수 있지만, 일반적으로는 적절한 도너 또는 억셉터 원자를 사용하여 Ⅲ족 질화물을 특별히 도핑한 결과이다. Ⅲ족 질화물의 적절한 도핑은 일반적으로 이 분야에 널리 알려져 있으므로 본 명세서에서는 본 발명을 설명하기 위한 것이 아니라면 더 이상 언급하지 않는다.
당업자들은 상기 활성 층, 제1 클래딩 층, 및 제2 클래딩 층의 알루미늄, 인듐, 및 갈륨의 몰 분율이 일반적으로 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 식으로 표현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이와 관련하여, 알루미늄, 인듐, 및 갈륨의 상대적인 농도는 층에 따라 상이할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 제1 클래딩 층은 Ⅲ족 질화물이고, 가장 바람직하게는 알루미늄 인듐 질화물이며, 갈륨이 존재하지 않는 특징을 갖는다. 이와 관련하여, 제1 클래딩 층에서의 알루미늄과 인듐의 몰 분율은 일반적으로 AlxIn1-xN (0<x≤1)의 식으로 나타낼 수 있다. 여기서, 변수 x의 범위는 0을 포함하지 않으며, 이로부터 당업자는 알루미늄(즉, 알루미늄 질화물 합금)이 존재하여야 한다는 것을 이해하여야 한다.
마찬가지로 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 상기 활성 층은 Ⅲ족 질화물, 즉 알루미늄 인듐 질화물이고, 갈륨이 존재하지 않는 특징을 갖는다. 이와 관련하여, 활성 층에서의 알루미늄 및 인듐의 몰 분율은 일반적으로 AlxIn1-xN (0≤x<1)의 식으로 나타낼 수 있다. 여기서, 변수 x의 범위는 1을 포함하지 않으며, 이로 인해 인듐이 존재하여야 한다.
이러한 갈륨-프리(gallium-free) 알루미늄 인듐 질화물 활성 층은 더욱 넓은 범위(예를 들어 적색 내지 자외선)의 방사가 가능한 이점을 갖는다. 또한, 활성 층으로서, 알루미늄 인듐 질화물이 알루미늄 갈륨 질화물보다 양호하게 실행될 수 있으며, 그 이유는 알루미늄 인듐 질화물의 인듐에 의해 국재 상태(localized state)가 야기되기 때문이다. 이것은 방사 효율을 향상시키고 비방사적인 재결합(non-radiative recombination)을 감소시킨다.
본 발명에 따른 LED용 반도체 기판의 단면을 개략적으로 나타낸 도 1을 참조하면 본 발명을 이해할 수 있을 것이다.
참조 부호 10으로 나타낸 반도체 구조체는 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 제1 클래딩 층(11)을 포함한다. 보다 구체적인 실시예에서, 제1 클래딩 층(11)은 AlxIn1-xN (0<x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물을 필수적으로 포함하는 갈륨-프리이다.
또한 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 제2 클래딩 층(12)을 포함한다. 또는, 보다 구체적인 실시예에서, 알루미늄 인듐 질화물계 클래딩 층(12)은 AlxIn1-xN (0<x≤1)의 식을 갖는다.
전술한 바와 같이, 제1 클래딩 층(11) 및 제2 클래딩 층(12)은 바람직하게 반대의 전도성 유형을 갖는다. 즉, 제1 클래딩 층(11)이 n형 층이면 제2 클래딩 층(12)은 p형 층이고, 그 반대일 수도 있으며, 전자가 후자보다 바람직하다. 전도성에 관한 이러한 기준은 본 명세서 전반에 걸쳐서 유지될 것이다. 일반적인 발광 소자로 공지된 바와 같이, 반대의 전도성 유형을 갖는 구조적 층을 포함하는 것은 소자의 순방향 바이어싱을 용이하게 하고, 이것은 다시 원하는 방사를 형성하는 재결합을 촉진시킨다.
AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 식을 갖는 활성 층(13)은 제1 클래딩 층(11)과 제2 클래딩 층(12) 사이에 위치된다. 보다 구체적인 실시예에서, 활성 층(13)은 AlxIn1-xN (0≤x<1)의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물을 필수적으로 포함하는 갈륨-프리이다.
여기서 용어 "층"은 일반적으로 단결정 에피택셜 층을 일컫는다.
활성 층(13)은 도핑되었을 수도 있고 도핑되지 않았을 수도 있다. Ⅲ족 질화물의 특성이 공지된 바와 같이, 일반적으로 도핑되지 않은 소재가 반드시 n형이 된다. 특히, 제1 클래딩 층(11) 및 제2 클래딩 층(12)은 각각 활성 층(13)의 밴드 갭보다 큰 밴드 갭을 갖는다. 전술한 바와 같이, Ⅲ족 몰 분율은 이들 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
이와 관련하여, 도 2는 밴드 갭 에너지와 격자 파라미터의 관계를 이론적으로 설명한다. 도 2의 삼각형 영역은 알루미늄, 인듐, 및 갈륨의 Ⅲ족 질화물에 대하여 유효한 밴드 갭 에너지의 범위를 나타낸다. 도 2는 임의의 특정 격자 파라미터에 대하여, 갈륨을 제거하는 것이 밴드 갭 에너지를 극대화한다는 것을 나타낸다(즉, 알루미늄 인듐 질화물에 대한 밴드 갭은 AlN-InN 선분에 의해 구해진다).
반도체 구조체, 특히 레이저 구조는 공지된 바와 같이, 소자의 성능을 향상시키기 위해서는 활성 층이 인접한 클래딩 층보다 밴드 갭이 작고 굴절률이 높은 것이 바람직하다. 이러한 구조는 레이저의 성능에 대하여 2가지 중요한 이점을 갖는다. 첫째로, 활성 층의 밴드 갭이 작은 경우, 양자 우물을 형성하여 그 내부에 캐리어가 들어가도록 한다. 이것은 레이저의 효율을 향상시킨다. 둘째로, 상기 구조에서 가장 높은 굴절률을 갖는 소재에 도파(waveguiding)가 발생한다. 따라서, 활성 층의 밴드 갭이 인접한 층의 밴드 갭보다 작고 굴절률은 인접한 층의 굴절률보다 큰 경우에 소자의 레이저 성능이 향상된다.
또한, 당업자들에게 공지된 바와 같이, 3원 및 4원 Ⅲ족 질화물의 조성은 굴절률 및 밴드 갭 모두에 악영향을 준다. 일반적으로, 알루미늄의 대부분은 밴드 갭을 증가시키고 굴절률을 감소시킨다. 그러므로, 바람직한 실시예에서, 클래딩 층(11 및 12)이 활성 층(13)보다 커다란 밴드 갭을 갖고 활성 층(13)보다 작은 굴절률을 갖도록 하기 위해서는, 클래딩 층(11 및 12)은 활성 층(13)에 비해 굴절률이 높은 알루미늄을 갖는 것이 바람직하다. 클래딩 층(11 및 12)의 밴드 갭이 커지면 활성 층(13)에 대한 캐리어의 구속이 향상되어서 소자의 효율이 증대된다.마찬가지로, 헤테로 구조 층(11 및 12)의 낮은 굴절률은 빛이 활성 층(13)에 구속되도록 한다.
전술한 바와 같이, 인용된 변수(예를 들어 x 및 y)는 설명하는 구조적인 층에 대한 것이다. 즉, 하나의 층에 대한 변수 값은 다른 층에 대한 변수 값과는 무관하다. 예를 들어, 반도체 구조체의 설명에 있어서, 변수 x는 제1 클래딩 층(11)에 대하여 하나의 값을 가질 수 있고, 제2 클래딩 층(12)에 대하여 다른 값을 가질 수 있으며, 활성 층(13)에 대하여 또 다른 값을 가질 수 있다. 당업자들이 이해할 수 있는 것처럼, 식 AlxInyGa1-x-yN에서 0≤(x+y)≤1의 조건은 단순히 Ⅲ족 원소 및 질소가 1:1의 몰비(molar ratio)를 나타내도록 요구한다.
이하의 예시 1 및 예시 2는 클래딩 층 및 활성 층에서 Ⅲ족 질화물에 대한 다양한 몰비를 설명한다. 특히, 예시 1은 청색 LED에 대한 3원 InxAl1-xN 클래딩 층의 조성을 설명하고, 예시 2는 청색 LED에 대한 4원 InxAl1-xN 활성 층의 조성을 설명한다.
예시 1
청색 LED에 대한 클래딩 층(425㎚<λ<480㎚)의 밴드 갭 에너지는 청색 활성 층(2.58 - 2.92 eV)의 밴드 갭 에너지보다 커야 한다. 4원 InxAl1-xN에 대한 이상적인 결정체의 밴드 갭 에너지는 연구 및 검토를 필요로 한다. 이것은 밴드 갭 에너지를 결정하기 위한 광 전송량을 위해 충분히 두꺼운(대략 0.2㎛) 고용체의 양질의 균일한 에피택셜 층으로의 성장에 주된 어려움이 있기 때문이다. 전류 데이터로부터, In0.17Al0.83N은 2.9 - 3.0 eV의 밴드 갭 에너지를 갖는다. S. Yamaguchi, M. Kariya, S. Nitta, T. Takeuchi, C. Wetzel, H. Amano, 및 I. Akasaki, Appl. Phys. Lett. 76 876 (2000)을 참조 바란다. 그러므로, 청색 LED에 대한 클래딩 층은 0.17 미만의 인듐 몰 분율을 가져야 한다. K. S. Kim, A. Saxler, P. Kung, M. Razeghi, 및 K. Y. Kim, Appl. Phys. Lett. 71 800 (1997)을 참조 바란다.
예시 2
청색 발광은 0.14<x<0.21 범위의 4원 InxAl1-xN에 대하여 형성되며, In0.17Al0.83N은 450㎚에서 발광 최고치를 형성하고 In0.22Al0.78N은 500㎚에서 발광 최고치를 형성한다. S. Yamaguchi, M. Kariya, S. Nitta, T. Takeuchi, C. Wetzel, H. Amano, 및 I. Akasaki, Appl. Phys. Lett. 76 876 (2000)을 참조 바란다. 인듐의 몰 분율을 0.14 미만으로 감소시키면 보다 짧은 파장의 빛이 형성되어 425㎚의 방사가 가능하게 된다. 녹색 방사(예를 들어 500㎚<λ<575㎚)에 있어서, 인듐 몰 분율은 대략 0.22<x<0.35의 범위가 되어야 한다.
당업자들은 이러한 것들이 벌크 방사 값이고 양자 우물로서의 소재 성장이 양자를 구속하여 이들 방사 파장이 청색이 되도록 한다는 것을 이해하여야 한다.
또한 당업자들은 다른 2개의 층 "사이"가 되는 하나의 층의 개념은 반드시 3개의 층이 인접하는 것(즉, 접경하는 것)을 의미하는 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에 설명한 바와 같이, 2개의 다른 층 사이가 되는 하나의 층의 개념은 반도체 구조체 내에서 층의 상대적인 위치를 설명하는 것을 의미한다. 마찬가지로, 제2 층과 접촉하고 있으며 제3 층의 "반대쪽"에 있는 제1 층의 개념은 단지 반도체 구조체 내에서 제1 및 제2 층의 상대적인 위치를 설명하는 것이다.
반도체 구조체의 바람직한 실시예에서, 활성 층(13)은 제1 클래딩 층(11)과 인접하는 제1 표면(14) 및 제2 클래딩 층(12)과 인접하는 제2 표면(15)을 갖는다. 즉, 이러한 실시예에서, 활성 층(13)은 제1 클래딩 층(11)과 제2 클래딩 층(12) 사이에서 직접 샌드위치 되어 있으며, 이러한 3층 이중 헤테로 구조를 방해하는 추가의 층을 갖지 않으며, 이것을 도 1의 참조 부호 16으로 표시하였다.
본 명세서에서 사용된 구조적인 명칭 "이중 헤테로 구조"는 이 분야에서 잘 알려진 것이다. 이러한 구조의 양태는 예를 들어 Sze가 저술한 Physics of Semiconductor Devices, 2nd Edition (1981)의 708-710쪽에 설명되어 있다. 인용된 Sze의 연구가 레이저에 대하여 언급하기도 하지만, 호모 구조, 단일 헤테로 구조, 및 이중 헤테로 구조 소자의 본질 및 그 차이를 예시한다.
반도체 소자(10)는 제1 클래딩 층(11)과 동일한 전도성 유형을 가지는 실리콘 카바이드 기판을 추가로 포함할 수 있다. 실리콘 카바이드 기판(17)은 폴리형(polytype)의 3C, 4H, 6H, 또는 15R을 갖는 것이 바람직하다. 제1 클래딩 층(11)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 활성 층(13) 사이에 위치된다.
도 3에 예시한 본 발명의 다른 실시예에서, 실리콘 카바이드 기판(17)은 제1 클래딩 층(11)과 접촉하고 활성 층(13)의 반대쪽에 있다(즉, 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 클래딩 층(11) 사이에는 개재 층이 없다).
실리콘 카바이드 기판(17)은 대부분 바람직하게 단결정체이다. 당업자들이이해하고 있는 것처럼, 고품질의 단결정 기판은 구조적인 장점을 가져서 성능 및 수명에 있어서 상당한 장점을 제공한다. 실리콘 카바이드 기판(17)은 본 출원인에게 공동으로 양도된 미국특허 제4,866,005호(현재 미국특허 제RE34,861호)에 기재된 방법에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 실리콘 카바이드 기판(17) 및 제1 클래딩 층(11)은 n형이며, 그 이유는 고품질의 실리콘 카바이드 단결정 기판은 n형으로 제조되기에 다소 용이하기 때문이다.
도 4에 예시한 바람직한 실시예에서, 제1 클래딩 층(11)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 접촉하고 있는 제1 표면(21) 및 활성 층(13)과 접촉하고 있는 제2 표면(22)을 갖는다. 특히, 제1 클래딩 층(11)의 조성은, 제1 표면(21)의 결정 격자는 실리콘 카바이드(17)의 결정 격자와 더욱 밀접하게 정합되고 제2 표면(22)의 결정 격자는 활성 층(13)의 결정 격자와 더욱 밀접하게 정합되도록 점진적인 그레이디드형(progressively graded)이다. 제1 클래딩 층(11)에서는 인듐의 충분한 몰 분율이 존재하여 실리콘 카바이드 기판(17)과 인접한 제1 표면(21)에 전도성이 잔류되는 것을 보장하도록 한다.
본 명세서에서 언급한 바와 같이, 더욱 밀접하게 정합되는 각각의 결정 격자의 개념은 완전한 정합을 의미하는 것이 아니고, 층 조성이 점진적인 그레이디드형이어서 층간 접촉면의 격자가 인접한 층의 결정 격자와 더욱 호환될 수 있도록 하는 것이다. 소자의 제조 시에, 여러 가지 고려 사항이 균형을 이루어야 하며, 그 중 하나는 격자의 정합이다. 다른 요소가 더욱 중요한 경우에는 완전하거나 밀접한 격자 정합은 덜 중요하거나 그 반대일 수 있다.
이와 관련하여, 클래딩 층, 특히 알루미늄 질화물 클래딩 층은 변형 및 결함을 감소시키기 위해 갈륨 함유 활성 층, 특히 갈륨 질화물 및 인듐 갈륨 질화물 활성 층과 선택적으로 정합될 수 있다. 특히, 알루미늄 인듐 질화물은 높은 밴드 갭으로 다른 Ⅲ족 질화물과 격자 정합될 수 있기 때문에 유용하다(도 2 참조).
당업자들은 클래딩 층과 활성 층의 격자 정합이 편측 격자 정합(즉, 격자 정합이 활성 층의 편측에서 일어남)이거나 양측 격자 정합(즉, 격자 정합이 활성 층의 양측에서 일어남)일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 5에 예시한 다른 실시예에서, 반도체 구조체(10)는 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 클래딩 층(11) 사이에 놓이는 전도성 버퍼 층(23)을 추가로 포함한다. 본 실시예의 변형에서, 전도성 버퍼 층(23)은 개재 층 없이 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 클래딩 층(11) 사이에 샌드위치 된다. 전도성 버퍼 층(23)은 AlxGa1-xN (0≤x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 갈륨 질화물을 필수적으로 포함하는 것이 바람직하다. 또는, 제1 클래딩 층(11)이 AlxIn1-xN (0<x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물이 필수적으로 포함되는 경우, 전도성 버퍼 층(23)은 AlxIn1-xN (0≤x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물을 필수적으로 포함하는 것이 바람직하다. 다른 가능한 버퍼 층 구조는 공동으로 양도되고 그 전체가 참조되어 본 명세서의 일부가 되는 미국특허 제5,523,589호, 제5,393,993호, 및 제5,592,501호에 기재된 것들을 포함한다.
제1 클래딩 층(11)과 전도성 버퍼 층(23) 사이의 천이를 용이하게 하기 위해서 반도체 구조체(10)는 Ⅲ족 질화물 천이 층(24), 바람직하게는 전도성 버퍼 층(23)과 제1 클래딩 층(11) 사이에 위치되고 조성의 차이가 있도록 형성되는 층을 추가로 포함할 수 있다. 천이 층(24)은 제1 클래딩 층(11) 및 실리콘 카바이드 기판(17)과 동일한 전도성 유형을 갖는다(도 6 참조).
대안적으로, 도 7에 예시한 바와 같이, 전도성 버퍼 층(23) 및 천이 층(24)은 제1 클래딩 층(11)과 실리콘 카바이드 기판(17)을 분리하는 개별 결정부(discrete crystal portion)(28)(즉, Ⅲ족 질화물 산재(dots), 바람직하게는 갈륨 질화물 산재 또는 인듐 갈륨 질화물 산재)로 대치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 개별 결정부(28)는 제1 클래딩 층(11)과 실리콘 카바이드 기판(17) 사이의 배리어(barrier)를 최소화 또는 제거하기에는 충분하지만 실리콘 카바이드 기판(17) 상에 형성되는 발광 소자에 임의의 기능에 악영향을 주거나 훼손시키지 않을 만큼 적은 양으로 존재한다.
또한, 다른 실시예에서, 개별 결정부(28)는 실리콘 카바이드 기판(17)과 전도성 버퍼 층(23) 사이에 위치될 수 있다. 도 1은 전도성 버퍼 층(23), 천이 층(24), 및 개별 결정부(28) 중 하나 이상의 부분이 반도체 구조체에 존재하는 경우 이들의 상대적인 위치를 개략적으로 예시한다.
개별 결정부는 에피택셜 층을 형성하지 않는다. 따라서 당업자들은 도 1 및 도 7의 개별 결정부(28)의 예시가 단지 개략적이라는 것을 이해하여야 한다.
이러한 갈륨 질화물의 개별 결정부의 포함은 공동으로 양도되고 그 전체가 참조되어 본 명세서의 일부가 되는 1997년 10월 7일자 미국특허출원 제08/944,547호의 "Group Ⅲ Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure"에 더욱 구체적으로 기재되어 있다.
또 다른 실시예에서, 반도체 구조체(10)는 제1 옴 접촉(ohmic contact)(25) 및 제2 옴 접촉(26)을 추가로 포함한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 옴 접촉(25)은 실리콘 카바이드 기판(17)이 제1 옴 접촉(25)과 제1 클래딩 층(11) 사이에 있도록 반도체 구조체 내에 위치된다. 제2 옴 접촉(26)은 제2 클래딩 층(12)이 제2 옴 접촉(26)과 활성 층(13) 사이에 있도록 반도체 구조체 내에 위치된다(도 1 참조).
반도체 구조체(10)는 제2 옴 접촉(26)과 제2 클래딩 층(12) 사이에 위치되는 Ⅲ족 질화물 접촉 층(27)을 추가로 포함할 수 있다. 접촉 층(27) 및 제2 클래딩 층(12)은 동일한 전도성 유형을 가지며 일반적으로 p형이다(도 1 참조).
바람직한 실시예에서, 상기 접촉 층은 p형이고, 갈륨 질화물(바람직하게는 마그네슘 도핑된 갈륨 질화물), 인듐 질화물, 0<x<1일 때 AlxIn1-xN의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물, 0<x<1일 때 AlxGa1-xN의 식을 갖는 알루미늄 갈륨 질화물, 0<x<1일 때 InxGa1-xN의 식을 갖는 인듐 갈륨 질화물, 또는 0<x<1, 0<y<1, (x+y)<1일 때 AlxInyGa1-x-yN의 식을 갖는 알루미늄 인듐 갈륨 질화물로 이루어진다. 이와 관련하여, 조건 범위에서 0과 1이 포함되지 않는 것은 상기 합금에 2개의 Ⅲ족 원소가 존재해야 하는 것을 나타낸다.
가장 바람직한 실시예에서, 상기 접촉 층은 갈륨 질화물(바람직하게는 마그네슘 도핑된 갈륨 질화물), 인듐 질화물, 0<x<1일 때 AlxIn1-xN의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물, 0<x<1일 때 AlxGa1-xN의 식을 갖는 알루미늄 갈륨 질화물, 0<x<1일 때 InxGa1-xN의 식을 갖는 인듐 갈륨 질화물, 또는 0<x<1, 0<y<1, (x+y)<1일 때 AlxInyGa1-x-yN의 식을 갖는 알루미늄 인듐 갈륨 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 복수의 Ⅲ족 질화물 층으로부터 형성되는 초격자(superlattice)를 포함하는 p형 접촉 층이다.
특히, 상기 초격자는 이들 Ⅲ족 질화물 중 임의의 2개의 교호하는 층으로부터 가장 양호하게 형성된다. 이러한 초격자에서, 갈륨 질화물, 알루미늄 인듐 질화물, 인듐 갈륨 질화물 중 임의의 2개의 교호하는 층이 가장 바람직하다.
보다 일반적으로, 인듐 질화물, 알루미늄 인듐 질화물, 인듐 갈륨 질화물, 또는 알루미늄 인듐 갈륨 질화물 중 적어도 하나의 층이 상기 초격자 구조체에 결합되는 것이 바람직하다(즉, 상기 초격자는 갈륨 질화물 층으로부터 만으로는 형성되지 않아야 한다). 알루미늄 갈륨 질화물 층은 다소 바람직하지 않다. 예를 들어, 갈륨 질화물, 알루미늄 인듐 질화물, 인듐 갈륨 질화물로 이루어지는 군 중에서 선택된 복수의 인접하는 p형 Ⅲ족 질화물 층으로부터 형성되는 것이 바람직하며, 제공되는 적어도 하나의 인접하는 p형 Ⅲ족 질화물 층은 알루미늄 인듐 질화물 또는 인듐 갈륨 질화물이다.
바람직하게, 제1 옴 접촉(25)은 제1 클래딩 층(11)의 반대쪽에서 실리콘 카바이드 기판(17) 상에 직접 놓이며, 제2 옴 접촉(26)은 제2 클래딩 층(12)의 반대쪽에서 Ⅲ족 질화물 접촉 층(27) 상에 직접 놓인다. 본 실시예의 변형에서, 접촉 층(27)은 개재 층 없이 제2 옴 접촉(26)과 제2 클래딩 층(12) 사이에 샌드위치 된다.
당업자들이 이해하고 있는 바와 같이, 버퍼 층(23)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 클래딩 층(11) 사이에서 물리적 천이 및 전자적 천이를 제공한다. 많은 환경에서, 버퍼 층(23)의 존재는 실리콘 카바이드 기판(17)과 제1 클래딩 층(11) 사이의 격자의 차이에서 기인되는 물리적 변형을 완화시킨다. 또한 소자의 수직형 기능을 보호하기 위해서는, 버퍼 층(23)은 소자(10)의 동작을 위해 원하거나 필요한 전류를 전달하기에 충분히 전도성이 있어야 한다. 마찬가지로, 천이 층(24)은 물리적 천이 및 전자적 천이와 유사한 역할을 한다.
본 발명의 장점인 수직형 구조체를 완성하는 옴 접촉(25 및 26)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 금(Au), 백금(Pt), 바나듐(V), 이들의 합금 또는 블렌드(blend)와 같은 금속, 또는 이들 금속의 2개 이상의 연속 층으로 형성되는 것이 바람직하지만, 당업자들에게 공지된, 저항 특성을 나타내고 LED(10)의 구조나 기능을 방해하지 않는 다른 옴 접촉 소재로 형성될 수도 있다.
실리콘 카바이드 기판(17)에 옴 접촉(25)이 형성되는 점에서, 본 발명은 사파이어를 채용하는 다른 소자들과 구별된다. 사파이어는 전도성이 될 수 없고, 따라서 옴 접촉이 형성될 수 없다. 결과적으로, 사파이어 기반의 소자는 LED에 가장 바람직한 수직형 구조체의 종류로 형성될 수 없다.
따라서, 바람직한 일 실시예에서, 본 발명은 3C, 4H, 6H, 또는 15R 폴리형의단결정 실리콘 카바이드 기판(17), AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 활성 층(13), AlxIn1-xN (0<x≤1)을 필후적으로 포함하는 갈륨-프리 제1 클래딩 층(11), 및 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 제2 클래딩 층(12)을 포함하는 발광 소자용 반도체 구조체이다.
다른 바람직한 실시예에서, 본 발명은 3C, 4H, 6H, 또는 15R 폴리형의 단결정 실리콘 카바이드 기판(17), AlxIn1-xN (0≤x<1)을 필수적으로 포함하는 활성 층(13), AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 제1 클래딩 층(11), 및 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 제2 클래딩 층(12)을 포함하는 발광 소자용 반도체 구조체이다.
이들 각 실시예에서, 제1 클래딩 층(11)은 실리콘 카바이드 기판(17)과 활성 층(13) 사이에 위치되고, 제2 클래딩 층(12)은 활성 층(13)이 제1 클래딩 층(11)과 제2 클래딩 층(12) 사이에 놓이도록 상기 반도체 구조체에 위치된다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서와 같이, 제1 클래딩 층(11) 및 실리콘 카바이드 기판(17)은 동일한 전도성 유형을 가지며, 바람직하게는 제2 클래딩 층(12)과 반대의 전도성 유형을 갖는다. 최종적으로, 제1 클래딩 층(11) 및 제2 클래딩 층(12)의 밴드 갭 각각은 활성 층(13)의 밴드 갭보다 크다.
이러한 실시예 어느 것에서도, 제1 클래딩 층(11)의 조성은 제1 표면(21)의 결정 격자가 실리콘 카바이드(17)의 결정 격자와 보다 밀접하게 정합되고 제2표면(22)의 결정 격자가 활성 층(13)의 결정 격자와 보다 밀접하게 정합되도록 점진적인 그레이디드형일 수 있다.
또한, 전술한 바에 따르면, 이들 바람직한 구조체 어느 것이나 도전성 버퍼 층(23), Ⅲ족 질화물 천이 층(24), Ⅲ족 질화물 접촉 층(27), 및 옴 접촉(25 및 26) 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 이와 관련하여, 전도성 버퍼 층(18)은 AlxGa1-xN (0≤x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 갈륨 질화물, 또는 AlxIn1-xN (0≤x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물인 것이 가장 바람직하다.
첨부 도면 및 명세서에는 본 발명의 일반적인 실시예를 기재하였다. 특정 용어는 일반적이고 설명을 위해 사용된 것이며 한정의 목적이 있는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구범위에 기재하였다.
상기 내용 참고

Claims (34)

  1. 전자기(electromagnetic) 스펙트럼의 적색 내지 자외선 부분에서 방사가 가능한 발광 소자용 반도체 구조체에 있어서,
    AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 제1 클래딩 층(11),
    AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 제2 클래딩 층(12), 및
    상기 제1 클래딩 층(11) 및 상기 제2 클래딩 층(12) 사이에 위치되는 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, (x+y)≤1)의 활성 층(13)
    을 포함하고,
    상기 제1 클래딩 층(11) 및 상기 제2 클래딩 층(12)은 각각이 상기 활성 층(13)의 밴드 갭보다 큰 밴드 갭을 가지며,
    상기 제1 클래딩 층(11), 상기 제2 클래딩 층(12), 및 상기 활성 층(13)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 층에는 갈륨이 존재하지 않는
    반도체 구조체(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 클래딩 층(11)은 AlxIn1-xN (0<x≤1)을 필수적으로 포함하고, 갈륨이 존재하지 않는 반도체 구조체(10).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 클래딩 층(12)은 AlxIn1-xN (0<x≤1)을 필수적으로 포함하고, 갈륨이 존재하지 않는 반도체 구조체(10).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 클래딩 층(11) 및 상기 제2 클래딩 층(12)은 반대의 전도성 유형을 가지며, 상기 활성 층(13)은 AlxIn1-xN (0≤x<1)을 필수적으로 포함하고, 갈륨이 존재하지 않는 반도체 구조체(10).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성 층(13)은 제1 표면(14) 및 제2 표면(15)을 가지며, 상기 활성 층(13)의 제1 표면(14)은 상기 제1 클래딩 층(11)과 접촉되어 있고 상기 활성 층(13)의 제2 표면(15)은 상기 제2 클래딩 층(12)과 접촉되어 있는 반도체 구조체(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 클래딩 층(11)에는 갈륨이 존재하지 않는 반도체 구조체(10).
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 클래딩 층(12)에는 갈륨이 존재하지 않는 반도체 구조체(10).
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 층(13)에는 갈륨이 존재하지 않는 반도체 구조체(10).
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 층(13)이 도핑된(doped) 반도체 구조체(10).
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 층(13)이 도핑되지 않은 반도체 구조체(10).
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 클래딩 층(11) 및 상기 제2 클래딩 층(12)은 반대의 전도성 유형을 갖는 반도체 구조체(10).
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    실리콘 카바이드 기판(17)을 추가로 포함하고,
    상기 제1 클래딩 층(11)은 상기 실리콘 카바이드 기판(17)과 상기 활성 층(13) 사이에 위치되며,
    상기 실리콘 카바이드 기판(17) 및 상기 제1 클래딩 층(11)은 동일한 전도성유형을 갖는
    반도체 구조체(10).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 기판(17)은 상기 활성 층(13)의 반대쪽에서 상기 제1 클래딩 층(11)과 접촉되어 있는 반도체 구조체(10).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 클래딩 층(11)은 제1 표면(21) 및 제2 표면(22)을 가지며, 상기 제1 클래딩 층(11)의 제1 표면(21)은 상기 실리콘 카바이드 기판(17)과 접촉되어 있고 상기 제1 클래딩 층(11)의 제2 표면(22)은 상기 제2 활성 층(13)과 접촉되어 있으며,
    상기 제1 클래딩 층(11)의 조성은 상기 제1 클래딩 층(11)의 제1 표면(21)의 결정 격자가 상기 실리콘 카바이드(17)의 결정 격자와 보다 밀접하게 정합되고 상기 제1 클래딩 층(11)의 제2 표면(22)의 결정 격자가 상기 활성 층(13)의 결정 격자와 보다 밀접하게 정합되도록 점진적인 그레이디드형(progressively graded)으로 되어 있는
    반도체 구조체(10).
  15. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 기판(17)은 단결정(single crystal)인 반도체 구조체(10).
  16. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드(17)는 3C, 4H, 6H, 및 15R로 이루어지는 군으로부터 선택되는 폴리형(polytype)인 반도체 구조체(10).
  17. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드(17)는 3C, 4H, 6H, 및 15R로 이루어지는 군으로부터 선택되는 폴리형의 단결정 실리콘 카바이드(17)인 반도체 구조체(10).
  18. 제12항에 있어서,
    갈륨 질화물 및 인듐 갈륨 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 개별 결정부(discrete crystal portion)(28)를 추가로 포함하고, 상기 개별 결정부(28)는 상기 제1 클래딩 층(11)과 상기 실리콘 카바이드 기판(17) 사이에 위치되며, 상기 개별 결정부(28)는 상기 제1 클래딩 층(11)과 상기 실리콘 카바이드 기판(17) 사이의 배리어(barrier)를 감소시키기에는 충분하지만 상기 실리콘 카바이드 기판(17) 상에 형성되는 임의의 발광 소자의 기능에 악영향을 주지 않을 정도의 적은 양으로 존재하는 반도체 구조체(10).
  19. 제12항에 있어서,
    제1 옴 접촉(ohmic contact)(25) 및 제2 옴 접촉(26)을 추가로 포함하고,
    상기 실리콘 카바이드 기판(17)은 상기 제1 옴 접촉(25)과 상기 제1 클래딩 층(11) 사이에 위치되며, 상기 제2 클래딩 층(12)은 상기 제2 옴 접촉(26)과 상기 활성 층(13) 사이에 위치되는
    반도체 구조체(10).
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 옴 접촉(25) 및 상기 제2 옴 접촉(26)은 알루미늄, 니켈, 티타늄, 금, 백금, 및 바나듐, 그리고 이들의 층, 합금, 및 블렌드(blends)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 반도체 구조체(10).
  21. 제19항에 있어서,
    Ⅲ족 질화물 접촉 층(27)을 추가로 포함하고, 상기 접촉 층(27)은 상기 제2 옴 접촉(26)과 상기 제2 클래딩 층(12) 사이에 위치되며, 상기 접촉 층(27) 및 상기 제2 클래딩 층(12)은 동일한 전도성 유형을 갖는 반도체 구조체(10).
  22. 제21항에 있어서,
    상기 접촉 층(27)은 갈륨 질화물, 인듐 질화물, AlxIn1-xN (0<x<1), AlxGa1-xN(0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), 및 AlxInyGa1-x-yN (0<x<1, 0<y<1, (x+y)<1)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 Ⅲ족 질화물로 형성되는 p형 접촉 층(27)인 반도체 구조체(10).
  23. 제21항에 있어서,
    상기 접촉 층(27)은 갈륨 질화물, 인듐 질화물, AlxIn1-xN (0<x<1), AlxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), 및 AlxInyGa1-x-yN (0<x<1, 0<y<1, (x+y)<1)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 복수의 Ⅲ족 질화물 층으로부터 형성되는 p형 초격자(superlattice)인 반도체 구조체(10).
  24. 제23항에 있어서,
    상기 초격자는 갈륨 질화물, 인듐 질화물, AlxIn1-xN (0<x<1), AlxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), 및 AlxInyGa1-x-yN (0<x<1, 0<y<1, (x+y)<1)로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 2개의 교호하는(alternating) Ⅲ족 질화물 층으로부터 형성되는 반도체 구조체(10).
  25. 제24항에 있어서,
    상기 초격자는 갈륨 질화물 및 InxGa1-xN (0<x<1)으로 이루어진 복수의 교호층, 또는 갈륨 질화물 및 AlxGa1-xN (0<x<1)으로 이루어진 복수의 교호 층으로부터 형성되는 반도체 구조체(10).
  26. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    Ⅲ족 질화물 접촉 층(27)을 추가로 포함하고, 상기 접촉 층(27)은 상기 활성 층(13)의 반대쪽에서 상기 제2 클래딩 층(12)과 접촉되어 있고, 상기 접촉 층(27) 및 상기 제2 클래딩 층(12)은 동일한 전도성 유형을 갖는 반도체 구조체(10).
  27. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    실리콘 카바이드 기판(17) 및 전도성 버퍼 층(23)을 추가로 포함하고,
    상기 실리콘 카바이드 기판(17) 및 상기 제1 클래딩 층(11)은 동일한 전도성 유형을 가지며,
    상기 제1 클래딩 층(11)은 상기 실리콘 카바이드 기판(17)과 상기 활성 층(13) 사이에 위치되고,
    상기 전도성 버퍼 층(23)은 상기 실리콘 카바이드 기판(17)과 상기 제1 클래딩 층(11) 사이에 위치되는
    반도체 구조체(10).
  28. 제27항에 있어서,
    상기 전도성 버퍼 층(23)은 AlxGa1-xN (0≤x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 갈륨 질화물 및 AlxIn1-xN (0≤x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물을 필수적으로 포함하는 군으로부터 선택되는 Ⅲ족 질화물인 반도체 구조체(10).
  29. 제27항에 있어서,
    Ⅲ족 질화물 천이 층(24)을 추가로 포함하고, 상기 천이 층(24)은 상기 전도성 버퍼 층(23)과 상기 제1 클래딩 층(11) 사이에 위치되며 상기 제1 클래딩 층(11)과 동일한 전도성 유형을 갖는 반도체 구조체(10).
  30. 제27항에 있어서,
    제1 옴 접촉(25) 및 제2 옴 접촉(26)을 추가로 포함하며,
    상기 실리콘 카바이드 기판(17)은 상기 제1 옴 접촉(25)과 상기 전도성 버퍼 층(23) 사이에 위치되고 상기 제2 클래딩 층(12)은 상기 제2 옴 접촉(26)과 상기 활성 층(13) 사이에 위치되는
    반도체 구조체(10).
  31. 제27항에 있어서,
    Ⅲ족 질화물 접촉 층(27), 제1 옴 접촉(25), 및 제2 옴 접촉(26)을 추가로 포함하고,
    상기 접촉 층(27) 및 상기 제2 클래딩 층(12)은 동일한 전도성 유형을 갖고, 상기 실리콘 카바이드 기판(17)은 상기 제1 옴 접촉(25)과 상기 전도성 버퍼 층(23) 사이에 위치되며, 상기 접촉 층(27)은 상기 제2 옴 접촉(26)과 상기 제2 클래딩 층(12) 사이에 위치되는
    반도체 구조체(10).
  32. 제31항에 있어서,
    상기 접촉 층(27)은 갈륨 질화물, 인듐 질화물, AlxIn1-xN (0<x<1), AlxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), 및 AlxInyGa1-x-yN (0<x<1, 0<y<1, (x+y)<1)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 복수의 Ⅲ족 질화물 층으로부터 형성되는 p형 초격자인 반도체 구조체(10).
  33. 제32항에 있어서,
    상기 초격자는 갈륨 질화물, 인듐 질화물, AlxIn1-xN (0<x<1), AlxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), 및 AlxInyGa1-x-yN (0<x<1, 0<y<1, (x+y)<1)로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 2개의 교호하는 Ⅲ족 질화물 층으로부터 형성되는 반도체 구조체(10).
  34. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 층(13)의 반대쪽에서 상기 제1 클래딩 층(11)과 접촉되어 있고, 상기 제1 클래딩 층(11)과 동일한 전도성 유형을 갖는 Ⅲ족 질화물 천이 층(24),
    상기 제1 클래딩 층(11)의 반대쪽에서 상기 천이 층(24)과 접촉되어 있고, AlxGa1-xN (0≤x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 갈륨 질화물 및 AlxIn1-xN (0≤x≤1)의 식을 갖는 알루미늄 인듐 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 Ⅲ족 질화물인 전도성 버퍼 층(23),
    상기 천이 층(24)의 반대쪽에서 상기 전도성 버퍼 층(23)과 접촉되어 있고, 3C, 4H, 6H, 및 15R로 이루어지는 군으로부터 선택되는 폴리형을 갖고, 상기 제1 클래딩 층(11)과 동일한 전도성 유형을 갖는 단결정 실리콘 카바이드 기판(17),
    상기 전도성 버퍼 층(23)의 반대쪽에서 상기 실리콘 카바이드 기판(17)과 접촉하고, 상기 알루미늄, 니켈, 티타늄, 금, 백금, 및 바나듐, 그리고 이들의 층, 합금, 및 블렌드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 제1 옴 접촉,
    상기 활성 층(13)의 반대쪽에서 상기 제2 클래딩 층(12) 상에 놓이고, 갈륨 질화물, 인듐 질화물, AlxIn1-xN (0<x<1), AlxGa1-xN (0<x<1), InxGa1-xN (0<x<1), 및 AlxInyGa1-x-yN (0<x<1, 0<y<1,<1)로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 2개의 교호하는 Ⅲ족 질화물 층으로부터 형성되는 p형 초격자인 Ⅲ족 질화물 접촉 층(27), 및
    상기 제2 클래딩 층(12)의 반대쪽에서 상기 Ⅲ족 질화물 접촉 층(27)과 접촉하고, 상기 알루미늄, 니켈, 티타늄, 금, 백금, 및 바나듐, 그리고 이들의 층, 합금, 및 블렌드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 제2 옴 접촉
    을 추가로 포함하고,
    상기 제1 클래딩 층(11) 및 상기 제2 클래딩 층(12)은 반대의 전도성 유형을 갖는
    반도체 구조체(10).
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