KR20090047034A

KR20090047034A - Nitride-based semiconductor device

Info

Publication number: KR20090047034A
Application number: KR20070113009A
Authority: KR
Inventors: 김지훈; 김용진; 이동건; 김두수; 이호준
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2009-05-12

Abstract

고효율의 LED와 같은 질화물계 반도체 소자를 제공한다. 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는, 제1 도전형 질화물층, 제2 도전형 질화물층, 그리고 그 사이에 형성된 활성층을 포함한 질화물계 반도체 소자에 있어서, 상기 활성층이 2개의 배리어 사이에 형성된 양자우물층과, 상기 양자우물층 속에 형성되며 스페이서에 의해 이격된 이층 구조의 양자점층을 포함한다. 이층으로 적층된 양자점을 적용한 커플링 효과를 이용하므로 더욱 많은 캐리어들을 구속할 수 있어 발광 효율을 개선시킬 수 있다. It provides a nitride-based semiconductor device such as high efficiency LED. A nitride semiconductor device according to the present invention is a nitride semiconductor device including a first conductive nitride layer, a second conductive nitride layer, and an active layer formed therebetween, wherein the active layer is a quantum well formed between two barriers. And a quantum dot layer formed in the quantum well layer and spaced apart by a spacer. Since the coupling effect using the quantum dots laminated in two layers is used, more carriers can be constrained to improve luminous efficiency.

Description

Nitride-based semiconductor device

본 발명은 질화물계 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광효율을 향상시키기 위해 활성층 구조를 변경한 발광다이오드(light emitting diode : LED)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride based semiconductor device, and more particularly, to a light emitting diode (LED) in which an active layer structure is changed to improve luminous efficiency.

LED 시장은 핸드폰 등 휴대형 통신기기나 소형가전제품의 키패드, 액정 디스플레이(LCD)의 백라이트 유닛(back light unit) 등에 사용되는 저출력 LED를 기반으로 성장하였다. 최근에는 인테리어 조명, 외부 조명, 자동차 내외장, 대형 LCD의 백라이트 유닛 등에 사용되는 고출력, 고효율 광원의 필요성이 대두되면서, LED 시장 또한 고출력 제품 중심으로 옮겨 가고 있다. The LED market grew based on low-power LEDs used in portable communication devices such as mobile phones, keypads of small home appliances, and back light units of liquid crystal displays (LCDs). Recently, as the need for high-power and high-efficiency light sources for interior lighting, exterior lighting, automotive interior and exterior, and large LCD backlight units has emerged, the LED market is shifting to high-power products.

도 1은 통상적인 LED를 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a conventional LED.

도 1에 도시된 바와 같이, LED(1)는 사파이어 기판(10) 상에 n- 콘택층(12), 활성층(14), p- 콘택층(16) 및 p- 전극(18)이 순차적으로 적층되어 있는 구조이고, n- 콘택층(12) 상면 일부는 노출되어 그 위에 n- 전극(20)이 형성되어 있다. n- 콘택층(12)은 전자를 공급하고 p- 콘택층(16)은 정공(hole)을 공급하며, 활성층(14)은 n- 콘택층(12)과 p- 콘택층(16) 사이에서 이들 캐리어들을 구속하여 발광시키는 역할을 한다.As shown in FIG. 1, the LED 1 has an n-contact layer 12, an active layer 14, a p-contact layer 16, and a p-electrode 18 sequentially on the sapphire substrate 10. It is a laminated structure, and a part of the upper surface of the n- contact layer 12 is exposed, and the n- electrode 20 is formed on it. The n- contact layer 12 supplies electrons and the p- contact layer 16 supplies holes, and the active layer 14 is between the n- contact layer 12 and the p- contact layer 16. It serves to restrain these carriers to emit light.

일반적으로 활성층(14)은 양자우물(quantum well)과 이를 보호해주는 역할을 하는 한쌍의 배리어(barrier)로 구성되어 있으며 양자우물이 캐리어들을 구속하는 역할을 하고 있다. 도 2는 이러한 구조의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸다. 도 2와 같은 에너지 형태의 양자우물을 이용한 LED의 경우, 내부 압전 필드(piezoelectric field) 형성에 의해 전자-정공 오버랩(overlap)이 감소되어 발광 효율이 감소하게 되며 또한, 캐리어 구속 효과에 한계가 있어 휘도 개선에 기여도가 작다. In general, the active layer 14 is composed of a quantum well and a pair of barriers that protect the quantum well, and the quantum well serves to restrain carriers. 2 shows an energy band diagram of this structure. In the case of the LED using the energy type quantum well as shown in FIG. 2, the electron-hole overlap is reduced by the formation of an internal piezoelectric field, thereby reducing the luminous efficiency and limiting the carrier restraint effect. The contribution to improving the brightness is small.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고효율의 LED와 같은 질화물계 반도체 소자를 제공하는 데에 있다. The problem to be solved by the present invention is to provide a nitride-based semiconductor device, such as high efficiency LED.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자는, 제1 도전형 질화물층, 제2 도전형 질화물층, 그리고 그 사이에 형성된 활성층을 포함한 질화물계 반도체 소자에 있어서, 상기 활성층이 2개의 배리어 사이에 형성된 양자우물층 및 상기 양자우물층 속에 형성되며 스페이서에 의해 이격된 이층 구조의 양자점층을 포함한다.A nitride semiconductor device according to the present invention for solving the above problems is a nitride semiconductor device comprising a first conductive nitride layer, a second conductive nitride layer, and an active layer formed therebetween, wherein the two active layers It includes a quantum well layer formed between the barrier and the quantum dot layer of the two-layer structure formed in the quantum well layer and spaced apart by a spacer.

본 발명에 따르면, 활성층을 양자우물 속에 이층 적층된 커플링된 양자점층 구조로 형성시킨다. 양자점 형성방법을 이용하면 강한 캐리어 구속효과를 기대할 수 있으며, 단층의 양자점을 형성하는 것보다 이층으로 적층된 양자점을 적용한 커플링 효과를 이용하면, 더욱 많은 캐리어들을 구속할 수 있다. 이에 따라 기존의 양자우물 구조만을 가진 구조에 비해 발광 효율을 더욱 개선시킬 수 있다. According to the present invention, the active layer is formed into a coupled quantum dot layer structure stacked in two layers in the quantum well. Using the quantum dot forming method, strong carrier confinement effect can be expected. More carriers can be constrained by using a coupling effect by applying quantum dots stacked in two layers rather than forming a single quantum dot. Accordingly, the luminous efficiency may be further improved as compared with the structure having only the conventional quantum well structure.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예들을 설명하는 도면에 있어서, 어떤 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것으로, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. In the drawings illustrating embodiments of the present invention, the thicknesses of certain layers or regions are exaggerated for clarity of specification, and like numerals in the drawings refer to like elements.

실시예들은 사파이어 기판 상에 InGaN/GaN/InN 활성층을 성장시키는 경우를 주된 예로 들고 있지만, 본 발명이 이러한 물질계만으로 한정되는 것은 아니며, InP, InAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기판에 격자상수가 이와 다른 Ⅲ-Ⅴ족 물질을 증착하여 양자우물과 양자점을 형성하는 구조 및 방법이라면 어떤 물질계에 대해서도 적용될 수 있다. 또한 증착되는 물질의 두께 등에 대해서도 일례를 언급하는 것이며, 장비나 사용자에 따라 그 정량적인 부분에서는 변화가 있을 것이다. Although the embodiments mainly illustrate the case of growing an InGaN / GaN / InN active layer on a sapphire substrate, the present invention is not limited to this material system alone, and the lattice constant of the group III-V compound semiconductor substrates such as InP and InAs is not limited. Any structure and method of forming a quantum well and a quantum dot by depositing another group III-V material may be applied to any material system. It also refers to an example of the thickness of the material to be deposited, etc., depending on the equipment or the user will vary in the quantitative part.

도 3은 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자로서 LED를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 LED의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸다. 3 is a cross-sectional view showing an LED as a nitride-based semiconductor device according to the present invention, Figure 4 shows an energy band diagram of the LED according to the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LED(90)는 기판(100) 상에 n- 콘택층으로서 제1 도전형 질화물층(130), 활성층(140) 및 p- 콘택층으로서 제2 도전형 질화물층(150)이 순차적으로 적층되어 있는 구조로서, 제1 도전형 질화물층(130)과 제2 도전형 질화물층(150) 사이에 활성층(140)이 형성된 것이다. 제2 도전형 질화물층(150) 상에는 p- 전극(160)이 형성되어 있으며, 제1 도전형 질화물층(130) 상면 일부는 노출되어 그 위에 n- 전극(170)이 형성되어 있다. As shown in FIG. 3, the LED 90 according to the present invention has a first conductivity type nitride layer 130, an active layer 140 and a second p-contact layer as an n-contact layer on the substrate 100. The conductive nitride layer 150 is sequentially stacked, and the active layer 140 is formed between the first conductive nitride layer 130 and the second conductive nitride layer 150. The p-electrode 160 is formed on the second conductive nitride layer 150, and a portion of the upper surface of the first conductive nitride layer 130 is exposed to form the n-electrode 170 thereon.

기판(100)은 통상적으로 사용되는 사파이어 기판일 수 있고, GaAs, InP, InAs와 같은 일반적인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기판일 수도 있다. 제1 도전형 질화물층(130)은 예컨대 Si가 도핑된 GaN일 수 있다. 기판(100) 상에 제1 도전형 질화물층(130)을 성장시키는 데에 도시한 바와 같이 버퍼층(110)과 언도프트 질화물층(120)을 더 포함할 수도 있다. 버퍼층(110) 성장 방법은 기존의 성장 방법을 포함, 원하는 목적에 따라 임의로 선택할 수 있다. 사파이어로 이루어진 기판(100)은 전기를 통할 수 없기 때문에, n- 전극(170)을 형성하기 위하여 건식 식각으로 제1 도전형 질화물층(130)이 노출되어야 한다. n- 전극(170)은 예컨대 Ti/Al일 수 있다. 제2 도전형 질화물층(150)은 예컨대 Mg가 도핑된 GaN일 수 있다. 그리고, p- 전극(160)은 예컨대 Ni/Au 전극일 수 있다.The substrate 100 may be a conventionally used sapphire substrate, or may be a general group III-V compound semiconductor substrate such as GaAs, InP, or InAs. The first conductivity type nitride layer 130 may be, for example, GaN doped with Si. A buffer layer 110 and an undoped nitride layer 120 may be further included as shown in the growth of the first conductivity type nitride layer 130 on the substrate 100. The buffer layer 110 growth method may be arbitrarily selected according to a desired purpose, including an existing growth method. Since the substrate 100 made of sapphire cannot conduct electricity, the first conductivity type nitride layer 130 must be exposed by dry etching to form the n-electrode 170. The n− electrode 170 may be Ti / Al, for example. The second conductivity type nitride layer 150 may be GaN doped with Mg, for example. In addition, the p− electrode 160 may be, for example, a Ni / Au electrode.

제1 도전형 질화물층(130)은 전자를 공급하고 제2 도전형 질화물층(150)은 정공을 공급하며, 활성층(140)은 제1 도전형 질화물층(130)과 제2 도전형 질화물층(150) 사이에서 이들 캐리어들을 구속하여 발광시키는 역할을 한다.The first conductivity type nitride layer 130 supplies electrons, the second conductivity type nitride layer 150 supplies holes, and the active layer 140 includes the first conductivity type nitride layer 130 and the second conductivity type nitride layer. Between the carriers 150 serves to restrain these carriers to emit light.

도시한 바와 같이, 활성층(140)은 2개의 배리어(141, 147) 사이에 형성된 양 자우물층(142)을 포함한다. 양자우물층(142) 속에는 이층 구조의 양자점층(143, 145)이 형성되어 있으며, 이들 양자점층(143, 145)은 스페이서(144)에 의해 이격되어 있다. 스페이서(144)는 양자제한 효과를 가지며 양자점층(143, 145)을 커플링시킨다. As shown, the active layer 140 includes both well layers 142 formed between two barriers 141 and 147. In the quantum well layer 142, quantum dot layers 143 and 145 having a two-layer structure are formed, and the quantum dot layers 143 and 145 are spaced apart by the spacer 144. The spacer 144 has a quantum limiting effect and couples the quantum dot layers 143 and 145.

이러한 LED(90)의 에너지 밴드 다이아그램은 도 4와 같다. 양자점은 일반적으로, 3차원적으로 캐리어를 구속하는 효과를 가지고 있어, 2차원적으로 구속하는 양자우물보다 더 많은 개수의 캐리어를 재결합 과정에 참여시킬 수 있으므로, 발광 세기를 향상시킬 수 있다. The energy band diagram of this LED 90 is shown in FIG. Quantum dots generally have an effect of constraining carriers three-dimensionally, so that a larger number of carriers may participate in the recombination process than two-dimensionally constraining quantum wells, thereby improving light emission intensity.

이하, 도 4를 더 참조하여 에너지 밴드 및 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the energy band and the manufacturing method will be described in detail with reference to FIG. 4.

배리어(141)는 잘 알려진 바와 같이 양자우물(142)의 양자제한 효과를 갖기 위하여 활성층(140)을 구성하는 물질 중 밴드갭이 가장 넓어야 한다. 이를 위해, GaN 혹은 InGaN 조성일 수 있다. 다음으로, 배리어(141) 위에 양자우물층(142)을 InGaN 조성으로 성장시킨 후(배리어(141)도 InGaN 조성인 경우, 양자우물층(142)의 In 비율이 배리어(141)에서보다 높다), InN 조성의 양자점층(143)을 형성한다. As is well known, the barrier 141 should have the widest band gap among the materials constituting the active layer 140 in order to have a quantum limiting effect of the quantum well 142. To this end, it may be GaN or InGaN composition. Next, after the quantum well layer 142 is grown in the InGaN composition on the barrier 141 (when the barrier 141 also has the InGaN composition, the In ratio of the quantum well layer 142 is higher than that in the barrier 141). , Quantum dot layer 143 having InN composition is formed.

더욱 상세히, 양자우물층(142)을 형성하는 예는 다음과 같다. 제1 도전형 질화물층(130) 상에 (In)GaN 배리어(141)를 80Å 정도 성장시킨 후에 InGaN 조성으로 양자우물층(142)을 10~15Å 정도 성장시킨다. 저압(LP) MOCVD 장비를 이용하여 성장시킬 수 있으며 캐리어 가스는 N₂를 사용할 수 있다. Ⅲ족원으로서는 트리메틸인 듐(TMIn)과 트리메틸갈륨(TMGa)을 사용할 수 있으며, Ⅴ족원으로서는 NH₃를 사용할 수 있다. In more detail, an example of forming the quantum well layer 142 is as follows. After the (In) GaN barrier 141 is grown on the first conductivity type nitride layer 130 by about 80 GPa, the quantum well layer 142 is grown by about 10 to 15 GPa with the InGaN composition. It can be grown using low pressure (LP) MOCVD equipment and the carrier gas can use N ₂ . Trimethyl indium (TMIn) and trimethylgallium (TMGa) can be used as the group III member, and NH ₃ can be used as the group V member.

양자우물층(142) 위에 Ga 소스의 공급을 중단하여 수초~수십초 동안 InN층을 형성한다. InN은 InGaN보다 격자상수가 크므로 InGaN과의 격자 부정합에 의해 InN 조성의 양자점층(143)이 형성된다. 그 이후 스페이서(144)를 성장시키는데, 이 스페이서(144)는 양자제한 효과를 갖도록 양자점층(143)의 밴드갭보다는 넓은 밴드갭을 가지는 물질로 형성한다. 양자우물층(142)의 밴드갭보다는 작아도 되고 커도 되며 같아도 된다. 따라서, 예컨대 InGaN으로 형성한다. 도 4에는 양자우물층(142)과 스페이서(144)가 동일한 밴드갭을 가지는 경우를 도시하였다.The GaN source is stopped on the quantum well layer 142 to form an InN layer for a few seconds to several tens of seconds. Since InN has a larger lattice constant than InGaN, the quantum dot layer 143 having InN composition is formed by lattice mismatch with InGaN. Thereafter, the spacer 144 is grown, and the spacer 144 is formed of a material having a wider bandgap than the bandgap of the quantum dot layer 143 to have a quantum limiting effect. It may be smaller, larger, or the same as the band gap of the quantum well layer 142. Thus, for example, it is formed of InGaN. 4 illustrates a case where the quantum well layer 142 and the spacer 144 have the same band gap.

스페이서(144)의 두께는 적층된 양자점층(143, 145)의 커플링 효과가 나타나야 하므로 가능한 얇은 두께로 성장시킨다. 스페이서(144)의 밴드갭이 넓은 경우에는 두께가 보다 얇아야 하며 밴드갭이 좁은 경우에는 이보다 두께가 두꺼워져도 양자점층(143, 145)의 커플링 효과가 나타난다. The thickness of the spacer 144 should be as thin as possible since the coupling effect of the stacked quantum dot layers 143 and 145 should be shown. When the bandgap of the spacer 144 is wide, the thickness must be thinner, and when the bandgap is narrow, the coupling effect of the quantum dot layers 143 and 145 appears even if the thickness is thicker than this.

그 다음, 두 번째 InN 양자점층(145)을 형성하고, InGaN 양자우물층(142)을 약 10~15Å 계속 성장시켜, "양자우물 속 양자점(quantum dot in a well) 구조"를 형성한다. 그 위에 (In)GaN 배리어(147)를 형성한다. 이와 같이, 양자우물 속 양자점 구조를 이용하면 도 4와 같은 에너지 밴드 다이아그램에 따라, 캐리어들의 구속 효과가 종래의 양자우물 구조만을 사용했을 때보다 더 강해져 발광 세기를 증가시킬 수 있다. Next, a second InN quantum dot layer 145 is formed, and the InGaN quantum well layer 142 is continuously grown by about 10 to 15 microseconds to form a "quantum dot in a well structure". An (In) GaN barrier 147 is formed thereon. As such, when using the quantum dot structure in the quantum well, according to the energy band diagram as shown in FIG.

한편, 스페이서(144)에 의해 커플링된 양자점층(143, 145) 사이로 캐리어들이 이동할 수 있으며, 이는 단층의 양자점 형성 구조보다 더 많은 캐리어들이 채워질 수 있어, 발광 효율을 더욱 증가시킬 수 있다. Meanwhile, carriers may move between the quantum dot layers 143 and 145 coupled by the spacer 144, which may be filled with more carriers than the single layer quantum dot forming structure, thereby further increasing luminous efficiency.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자의 단면 TEM 사진이다. TEM 사진에 있어 밝은 음영으로 나타나는 부분은 예컨대 GaN 조성이고 어두운 음영으로 나타나는 부분은 예컨대 InGaN/InN 조성이다. 도 5의 단면은 도 3의 단면과 일대일 대응하는 것은 아니지만, 표시한 바와 같이 배리어(141), 양자점층(143)의 확인이 가능하다.5 is a cross-sectional TEM photograph of the nitride-based semiconductor device according to the present invention. In the TEM photograph, the light shaded portion is, for example, the GaN composition and the dark shaded portion is, for example, the InGaN / InN composition. Although the cross section of FIG. 5 does not correspond one-to-one with the cross section of FIG. 3, the barrier 141 and the quantum dot layer 143 can be identified as shown.

지금까지 본 발명에 대하여 사파이어 기판 위의 InGaN 양자우물/InN 양자점 성장에 관하여 주로 설명하였으나, 본 발명은 이종기판 위에 성장되는 다른 양자점 시스템에도 폭넓게 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 MOCVD법을 사용한 경우를 예로 들었으나, MBE법이나 화학선 증착법(CBE)이 적용될 수도 있다. 뿐만 아니라, 본 실시예에서는 2개의 배리어(141, 147) 사이에 형성된 양자우물층(142)과 양자우물층(142) 속에 형성되며 스페이서(144)에 의해 이격된 이층 구조의 양자점층(143, 145)으로 이루어진 활성층(140)에 대해 예를 들어 설명하였으나, 위와 같은 구조를 기본단위로 하여 이를 반복 적층한 구조의 활성층 또한 본 발명에 속한다 할 것이다. Until now, the present invention has been mainly described with respect to InGaN quantum well / InN quantum dot growth on the sapphire substrate, the present invention can be widely applied to other quantum dot system grown on heterogeneous substrate. In the detailed description of the present invention, the MOCVD method is used as an example, but an MBE method or a chemical beam deposition method (CBE) may be applied. In addition, in the present embodiment, the quantum well layer 142 and the quantum well layer 142 formed between the two barriers 141 and 147 are formed in the quantum well layer 142 and spaced apart by the spacer 144. For example, the active layer 140 made of 145 has been described, but an active layer having a structure in which the structure is repeatedly stacked based on the above structure will also belong to the present invention.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 명백하다.While the preferred embodiments of the present invention have been described above, it is apparent that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

도 2는 통상적인 LED의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸다. 2 shows an energy band diagram of a conventional LED.

도 3은 본 발명에 따른 LED를 나타내는 단면도이다. 3 is a cross-sectional view showing an LED according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 LED의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸다. 4 shows an energy band diagram of an LED according to the invention.

도 5는 본 발명에 따른 질화물계 반도체 소자의 단면 TEM 사진이다.5 is a cross-sectional TEM photograph of a nitride-based semiconductor device according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

90...LED 100...기판 130...제1 도전형 질화물층90 ... LED 100 ... substrate 130 ... first conductive nitride layer

140...활성층 141, 147...배리어 142...양자우물층140 active layer 141, 147 barrier 142 quantum well layer

143, 145...양자점층 144...스페이서 150...제2 도전형 질화물층143, 145 ... Quantum dot layer 144 ... Spacer 150 ... Second conductivity type nitride layer

Claims

In a nitride based semiconductor device comprising a first conductive nitride layer, a second conductive nitride layer, and an active layer formed therebetween, the active layer is

A quantum well layer formed between the two barriers; And

And a quantum dot layer formed in the quantum well layer and spaced apart by a spacer.

The nitride-based semiconductor device of claim 1, wherein the barrier is GaN, the quantum well layer is InGaN, the quantum dot layer is InN, and the spacer is InGaN.