KR20100049451A - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

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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, 양자우물층 및 양자장벽층이 서로 교대로 적층 되어 이루어진 활성층을 포함하며, 상기 양자우물층 중 적어도 하나는 이와 인접한 양자장벽층보다 두께가 얇거나 밴드갭 에너지가 작은 중간장벽층에 의해 2개 이상의 서브 양자우물층으로 분할되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 양자우물 내에서 분극에 의한 영향이 줄어들며 전자와 정공의 파동함수 중첩 영역을 증가됨으로써 발광 효율이 향상될 수 있는 질화물 반도체 소자를 얻을 수 있다.
질화물, LED, 양자우물층, 분극, 압전, 재결합

Description

질화물 반도체 소자 {Nitride Semiconductor Device}
본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 양자우물 내에서 압전 효과의 영향이 줄어들며 전자와 정공의 파동함수 중첩 영역을 증가됨으로써 발광 효율이 향상될 수 있는 질화물 반도체 발광 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.
도 1a는 일반적인 질화물 반도체 소자를 나타내는 측단면도이며, 도 1b는 도 1a에서 활성층의 에너지 준위 및 캐리어의 파동 함수를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 소자(10)는 사파이어 기판(11), n형 질화물 반도체층(12), 다중양자우물 구조인 활성층(15) 및, p형 질화물 반도체층(17)을 포함한다. 메사에칭된 p 질화물 반도체층(17) 상면에는 투명전극층(18)과 p형 전극(19b)이 순차적으로 형성되며, n형 질화물 반도체층(12)의 노출된 상면에는 n형 전극(19a)이 형성된다. 일반적으로, 활성층(15)은 GaN 양자장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로 이루어지고, GaN 양자장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)에는 도 1b에 도시된 바와 같이 전도대(conduction band)와 가전도대(valence band)의 높이가 InGaN 양자우물층(15b)의 전체 내에서 일정하다.
이러한 구조에서 분극(polarization) 현상이 일어나게 되면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 전자의 분포를 나타내는 파동함수(wave function: A)의 최정점은 중심에서 p 질화물 반도체층(17)으로 치우쳐 나타나게 되고, 정공의 파동함수(B)는 n형 질화물층(12)으로 치우쳐 나타나게 된다. 이렇게 전자의 파동함수(A)와 정공의 파동함수(B)는 양자우물층(15b) 내에서 서로 반대쪽에 위치하게 됨에 따라, 전자와 정공의 발광재결합 효율이 두 파동함수가 겹치는 중첩 면적에 비례하는 특성에 의해, 전자와 정공의 발광 재결합 효율은 감소하게 되어 발광량 또한 감소하게 된다.
이와 같이 재결합을 하지 못한 전자와 정공은 양자장벽을 넘어 전자는 p형 전극(19b) 쪽으로, 정공은 n형 전극(19a) 쪽으로 누설되는데, 이러한 현상은 InGaN/GaN 발광소자의 전형적인 약점인, 전류밀도가 증가할수록 고전류에서 발광 효율이 감소하는 문제점 중의 하나이다. 그러므로, 분극 현상의 해소는 고출력 고효율 발광소자를 제조하기 위한 필수적인 요건이 된다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 양자우물 내에서 분극에 의한 영향이 줄어들며 전자와 정공의 파동함수 중첩 영역을 증가됨으로써 발광 효율이 향상될 수 있는 질화물 반도체 소자를 제공하는 것에 일 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,
n형 질화물 반도체층과, p형 질화물 반도체층 및 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 양자우물층 및 양자장벽층이 서로 교대로 적층 되어 이루어진 활성층을 포함하며, 상기 양자우물층 중 적어도 하나는 이와 인접한 양자장벽층보다 두께가 얇거나 밴드갭 에너지가 작은 중간장벽층에 의해 2개 이상의 서브 양자우물층으로 분할되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 중간장벽층은 캐리어가 터널링될 수 있는 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 중간장벽층의 두께는 10Å 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 서브 양자우물층의 두께는 10 ~ 30Å일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 양자장벽층의 두께는 50 ~ 150Å일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 양자우물층 중 적어도 하나는 그 내부에 2개 이상 상기 중간장벽층을 구비하여 3개 이상의 서브 양자우물층으로 분할될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 활성층은 인듐이 포함된 질화물 반도체로 이루어지며, 상기 중간장벽층의 인듐 함량은 상기 양자우물층보다는 높고, 상기 양자장벽층보다는 낮을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 서브 양자우물층는 경사진 에너지 준위를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 서브 양자우물층의 경사진 에너지 준위는 상기 서브 양자우물층에 포함된 인듐 함량에 의해 조절될 수 있다.
본 발명에 따르면, 양자우물 내에서 분극에 의한 영향이 줄어들며 전자와 정공의 파동함수 중첩 영역을 증가됨으로써 발광 효율이 향상될 수 있는 질화물 반도체 소자를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2에서 A로 표시한 영역을 확대하여 나타낸 것이다.
우선, 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자(100)는, 기판(101), n형 질화물 반도체층(102), 활성층(103) 및 p형 질화물 반도체층(104)을 포함한다. 상기 n형 질화물 반도체층(102)의 노출면 상에는 n형 전극(105a)이 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층(104) 상면에는 p형 전극(105b)이 형성될 수 있다. 도시하지는 않았으나, 상기 p형 질화물 반도체층(104)과 p형 전극(105b) 사이에는 투명전극물질 등으로 이루어진 오믹컨택층이 형성될 수 있다. 한편, 본 실시형태에서는 n형 및 p형 전극(105a, 105b)이 동일한 방향을 향하도록 배치된 수평형 질화물 반도체 소자 구조를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 수직구조의 질화물 반도체 소자(이 경우, 사파이어 기판은 제거될 수 있음)에도 적용될 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
상기 기판(101)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(101) 상에 성장되는 질화물 반도체 단결정의 결정 품질 향상을 위한 버퍼층, 예컨대, 언도프 GaN층을 성장시킬 수도 있다.
상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(102, 104)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 반도체 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(102, 104)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, HVPE 공정 등으로 성장될 수 있다.
상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(102, 104) 사이에 형성되는 활성층(103)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(103a)과 양자우물층(103b)이 서로 교대로 적층 된 다중 양자우물(MQW) 구조로 이루어진다. 특히, 본 실시 형태의 경우, 상기 양자우물층(103a)은 그 내부에 삽입된 중간장벽층(103c)에 의해 2개의 서브 양자우물층(양자우물층 내에서 중간장벽층의 좌우 영역)으로 분할된다. 다만, 본 실시 형태에서는 2개의 서브 양자우물층으로 분할되는 상태를 설명하고 있으나, 필요에 따라, 2개 이상의 중간장벽층이 형성됨으로써 3개 이상의 서브 양자우물층으로 분할될 수도 있다.
상기 중간장벽층(103c)은 상기 양자우물층(103a)에 인접한 양자장벽층(103b)보다 두께가 얇거나 밴드갭 에너지가 작은 층으로서, 상기 양자우물층(103a)을 공간적으로 분할함으로써 상기 양자우물층(103b) 내에서 캐리어의 재결합 확률의 증가를 가져올 수 있다. 도 4 내지 7을 함께 참조하여 이를 보다 상세히 설명한다. 도 4 내지 7은 각각 본 발명의 다양한 실시 형태에 따라 얻어지는 활성층에서의 전도 대역 에너지 준위를 나타낸 것이다.
우선, 도 4에 도시된 바와 같이, 중간장벽층(103c)에 의해 양자우물층(103b) 내에서 캐리어의 파동 함수(전도 대역에서 전자의 파동 함수만을 도시함)가 분할될 수 있으며, 이와 같이, 분할되어 협소해진 공간에 파동 함수가 형성됨으로써 재결합 확률은 증가될 수 있다. 즉, 분극 현상에 의해 에너지 준위가 경사지게될 경우, 분할된 서브 양자우물층에서의 재결합 확률이 분할되지 않은 하나의 양자우물층에 서의 재결합 확률보다 크게될 수 있다. 따라서, 상기 중간장벽층(103c) 및 양자우물층(103b)이 지나치게 두꺼운 경우에는 이러한 효과를 얻기 어려운 점을 고려하여 그 두께 조건을 적절히 설정할 필요가 있다. 이 경우, 상기 중간장벽층(103c)의 두께(t1)는 10㎛ 이하가 되는 것이 바람직하며, 이는 캐리어의 터널링(tunneling) 효과 등을 추가적으로 고려한 것이다. 상기 양자우물층(103c)의 두께(t2)는 10 ~ 30Å 정도가 바람직하며, 상기 양자장벽층(103a)의 두께(t3)는 50 ~ 150Å 정도로 채용할 수 있다.
상기 중간장벽층(103c)은 캐리어의 재결합 확률을 향상시키는 기능과 더불어 격자상수가 다른 이종 물질의 계면에서 발생하는 압전 효과(Piezo-Electric Effect), 즉, 분극에 의한 영향을 완화할 수 있으며, 이는, 상기 중간장벽층(103c)이 양자우물층(103b)과 양자장벽층(103a) 사이에 해당하는 조성의 물질로 이루어지기 때문이다. 상기 중간장벽층(103c)의 격자상수는 상기 양자우물층(103b)에 비하여 상기 양자장벽층(103a)과 유사하며, 이에 따라 격자상수 차이를 완화할 수 있다. 예컨대, 양자장벽층(103a)을 GaN으로, 양자우물층(103b) 및 중간장벽층(103c)을 InGaN으로 형성하되, 중간장벽층(103c)의 인듐 함량을 양자우물층(103b)보다 낮게 할 경우, 도 4와 같은 에너지 준위를 얻을 수 있으며, 양자장벽층(103a)과 중간장벽층(103c)의 격자상수 차이는 양자장벽층(103a)과 양자우물층(103b)의 격자상수 차이보다 작게될 수 있다.
이러한 분극에 의한 영향이 완화되는 효과는 하나의 양자우물층(103b) 내에 하나의 파동 함수가 형성되는 경우에 주로 작용될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 중간장벽층(103c)의 전도 대역 에너지 준위를 저감시킴으로써 하나의 연속적인 파동 함수가 얻어질 수 있으며, 중간장벽층(103c)이 InGaN으로 이루어진다고 할 경우, 인듐의 함량을 증가(도 4의 경우에 비하여)됨에 따라 에너지 준위는 낮아질 수 있다.
이와 같이, 상기 중간장벽층(103c)의 인듐 함량이나 두께 등을 조절하여 에너지 준위 및 캐리어의 파동 함수가 조절될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 중간장벽층(103c)과 양자장벽층(103a)의 에너지 준위를 동일하게 하고 캐리어가 터널링되도록 할 수도 있다. 이를 위해, 중간장벽층(103b)과 양자장벽층(103a)의 인듐 함량을 서로 동일하게 하거나 모두 인듐을 전혀 포함하지 않도록 할 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 양자우물층(103b), 보다 정확하게는 서브 양자우물층에서 에너지 준위가 경사지도록 함으로써 압전 효과에 의한 영향을 더욱 줄일 수 있다. 이러한 경사진 에너지 준위는 상기 양자우물층(103b)의 성장 시 인듐 함량을 점차적으로 줄이거나 늘림으로써 얻어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 서브 양자우물층 구조 및 이와 관련된 두께 조건에 의해 캐리어의 재결합 효율이 향상되는 한편, 격자상수 차이를 완화하는 중간장벽층에 의해 압전 효과의 영향을 줄일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
도 1a는 일반적인 질화물 반도체 소자를 나타내는 측단면도이며, 도 1b는 도 1a에서 활성층의 에너지 준위 및 캐리어의 파동 함수를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2에서 A로 표시한 영역을 확대하여 나타낸 것이다.
도 4 내지 7은 각각 본 발명의 다양한 실시 형태에 따라 얻어지는 활성층에서의 전도 대역 에너지 준위를 나타낸 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101: 기판 102: n형 질화물 반도체층
103: 활성층 104: p형 질화물 반도체층
105a, 105b: n형 및 p형 전극 103a: 양자장벽층
103b: 양자우물층 103c: 중간장벽층

Claims (9)

  1. n형 질화물 반도체층;
    p형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 양자우물층 및 양자장벽층이 서로 교대로 적층 되어 이루어진 활성층;을 포함하며,
    상기 양자우물층 중 적어도 하나는 이와 인접한 양자장벽층보다 두께가 얇거나 밴드갭 에너지가 작은 중간장벽층에 의해 2개 이상의 서브 양자우물층으로 분할되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간장벽층은 캐리어가 터널링될 수 있는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중간장벽층의 두께는 10Å 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서브 양자우물층의 두께는 10 ~ 30Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반 도체 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양자장벽층의 두께는 50 ~ 150Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양자우물층 중 적어도 하나는 그 내부에 2개 이상 상기 중간장벽층을 구비하여 3개 이상의 서브 양자우물층으로 분할되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 인듐이 포함된 질화물 반도체로 이루어지며, 상기 중간장벽층의 인듐 함량은 상기 양자우물층보다는 높고, 상기 양자장벽층보다는 낮은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 서브 양자우물층는 경사진 에너지 준위를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 서브 양자우물층의 경사진 에너지 준위는 상기 서브 양자우물층에 포함된 인듐 함량에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
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