KR20100066807A - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양자우물층으로부터의 전자 오버플로우(overflow)와 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우를 차단할 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly, to a nitride semiconductor light emitting device capable of blocking electron overflow from a quantum well layer and electron overflow to a p-type nitride semiconductor layer.
반도체 발광소자(Lihgt Emitting Device: LED)는 전류가 가해지면 p 및 n형 반도체층의 접합 부분, 즉 활성층에서의 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 활성층은 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW)구조와 약 100Å보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(muti quantum well: MQW)구조가 있다. 이 중에서, 특히 다중양자우물구조의 활성층은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 적극적으로 활용되고 있다. BACKGROUND A semiconductor light emitting device (LED) is a semiconductor device capable of generating light of various colors based on recombination of electrons and holes in a junction portion of a p and n type semiconductor layer, that is, an active layer when a current is applied. Such an active layer has a single quantum well (SQW) structure having one quantum well layer and a muti quantum well (MQW) structure having a plurality of quantum well layers smaller than about 100 ms. In particular, the active layer of the multi-quantum well structure is actively used because of its superior light efficiency and high luminous output compared to a single quantum well structure.
이러한 반도체 발광소자는 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 전항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 째 문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 Ⅲ족 질화물계 반도체가 각광을 받고 있다.Such semiconductor light emitting devices have a number of advantages such as long life, low power, excellent initial driving characteristics, high vibration transition, and high tolerance for repetitive power interruption. In particular, in recent years, group III nitride semiconductors capable of emitting light in a blue short wavelength region have been in the spotlight.
일반적으로, 질화물계 반도체 발광소자는 사파이어 기판, n형 질화물 반도체층, 다중양자우물구조인 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층된다. 이때, 메사에칭되어 노출된 n형 질화물 반도체층 상면에는 n측 전극이 형성되며, p형 질화물 반도체층 상면에는 p측 전극이 형성된다. 여기서, 다중양자우물구조로 이루어진 활성층은 일반적으로 언도프된 GaN 장벽층과 언도프된 InGaN 양자우물층이 교대로 적층된 구조로 이루어진다. In general, in the nitride semiconductor light emitting device, a sapphire substrate, an n-type nitride semiconductor layer, an active layer having a multi-quantum well structure, and a p-type nitride semiconductor layer are sequentially stacked. At this time, the n-side electrode is formed on the upper surface of the n-type nitride semiconductor layer exposed by mesa etching, and the p-side electrode is formed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer. Here, the active layer made of a multi-quantum well structure generally has a structure in which an undoped GaN barrier layer and an undoped InGaN quantum well layer are alternately stacked.
이러한 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 원천적으로 활성층 내에서의 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. 이러한 내부양자효율의 개선방안은 주로 활성층 자체의 구조를 개선하거나 캐리어의 유효량(effective mass)을 증가시키는 방향으로 연구되고 있다. The light efficiency of the nitride semiconductor light emitting device is basically determined by the probability of recombination of electrons and holes in the active layer, that is, internal quantum efficiency. In order to improve the internal quantum efficiency, research has been conducted mainly to improve the structure of the active layer itself or to increase the effective mass of the carrier.
하지만, 질화물계 반도체 발광소자의 분극 특성에 의해 활성층에서 전자의 양자 구속력이 감소하고, 전자와 정공의 이동도 차이에 따라(전자의 이동도가 정공의 이동도보다 높다) 활성층에서 양자 구속되지 않은 전자가 p형 질화물 반도체층으로 오버플로우 되거나, 최종 양자장벽층 또는 p형 질화물 반도체층과의 계면에서 비발광 결합하여 광손실이 발생하여 발광소자의 효율이 저하된다. However, due to the polarization characteristic of the nitride semiconductor light emitting device, the quantum confinement force of the electrons in the active layer decreases and the quantum confinement of the electrons and holes (the electron mobility is higher than the hole mobility) is not quantum constrained in the active layer. The electrons overflow into the p-type nitride semiconductor layer, or non-luminescent coupling occurs at the interface with the final quantum barrier layer or the p-type nitride semiconductor layer, resulting in light loss, thereby reducing the efficiency of the light emitting device.
즉, 전자 및 정공의 이동성이 불균형을 이룰 경우에는 일부 캐리어(전자 또는 정공)가 활성층 내에서 재결합되지 않고, 클래드층인 p형 또는 n형 질화물 반도체층으로 이동하여 활성층 내부에서의 재결합효율이 저하되는 문제점이 있다. In other words, when the mobility of electrons and holes is imbalanced, some carriers (electrons or holes) do not recombine in the active layer, but move to the p-type or n-type nitride semiconductor layer, which is a cladding layer, to decrease the recombination efficiency inside the active layer. There is a problem.
따라서, 활성층에서 캐리어의 유효량을 증대시키기 위해서, 활성층 외부에서 재결합되는 캐리어수를 감소시켜야 하므로, 전자와 정공의 포획율(capture rate)을 최적화할 필요가 있다. Therefore, in order to increase the effective amount of carriers in the active layer, it is necessary to reduce the number of carriers recombined outside the active layer, so it is necessary to optimize the capture rate of electrons and holes.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 초격자구조의 활성층에서 최종 양자장벽층의 에너지 밴드갭 또는 p형 불순물 농도를 제어함으로써 p형 질화물 반도체층으로의 전자의 오버플로우를 차단하여 활성층 외부의 재결합을 방지할 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the aforementioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to control the energy bandgap or p-type impurity concentration of the final quantum barrier layer in the superlattice active layer, thereby providing electrons to the p-type nitride semiconductor layer. It is to provide a nitride semiconductor light emitting device that can prevent the recombination of the outside of the active layer by blocking the overflow of.
상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하며, 상기 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 전자차단막을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층 중 상기 전자차단막에 가장 인접한 최종 양자장벽층은 상기 전자차단막과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 상기 최종 양자장벽층의 다른 영역보다 가장 높은 p형 불순물 농도를 갖는다.In order to realize the above technical problem, a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer; And an active layer having a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum barrier layers and a plurality of quantum well layers are alternately stacked between the n-type and p-type nitride semiconductor layers, wherein the p-type nitride semiconductor layer is the active layer. An electron blocking layer having an energy band gap higher than that of the quantum barrier layer and the p-type nitride semiconductor layer, wherein the final quantum barrier layer closest to the electron blocking layer is the electron; The p-type impurity concentration in the region adjacent to the blocking film has the highest p-type impurity concentration than other regions of the final quantum barrier layer.
이때, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴 드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 동일한 것이 바람직하다. In this case, the final quantum barrier layer is preferably the energy band gap of the region adjacent to the quantum well layer is the same as the energy band gap of the quantum barrier layer other than the final quantum barrier layer.
또한, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 밴드갭보다 큰 것이 바람직하다. In addition, the final quantum barrier layer preferably has an energy bandgap in a region adjacent to the quantum well layer larger than the bandgap of the quantum barrier layer other than the final quantum barrier layer.
또한, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역이 언도프되어 있으며, 상기 양자우물층과 인접한 영역에서 상기 전자차단막과 인접한 영역에 연속적으로 높은 p형 불순물 농도를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단막과 인접한 영역에 p형 델타 도핑된 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단막과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 1×1017/㎤ 이상인 것이 바람직하다.The final quantum barrier layer may be undoped in a region adjacent to the quantum well layer, and may have a high p-type impurity concentration in a region adjacent to the electron blocking layer in a region adjacent to the quantum well layer. In addition, the final quantum barrier layer is preferably doped with p-type delta in the region adjacent to the electron blocking layer. In addition, the final quantum barrier layer preferably has a p-type impurity concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more in a region adjacent to the electron blocking layer.
또한,상기 n형 질화물 반도체층에 접하여 형성된 성장용 기판을 더 포함하며, 상기 전자차단층은 초격자 구조를 가지며, 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층에 각각 접하여 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다. The semiconductor device further includes a growth substrate formed in contact with the n-type nitride semiconductor layer, wherein the electron blocking layer has a superlattice structure and is formed in contact with the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, respectively. And a p-side electrode.
한편, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하며, 상기 양자장벽층 및 상기 p형 질화물 반도체층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 전자차단막을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층 중 상기 전자차단막에 가장 인접한 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층에 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는다. On the other hand, a nitride semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention, n-type nitride semiconductor layer and p-type nitride semiconductor layer; And an active layer having a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum barrier layers and a plurality of quantum well layers are alternately stacked between the n-type and p-type nitride semiconductor layers, wherein the p-type nitride semiconductor layer is the active layer. An electron blocking layer having an energy band gap higher than that of the quantum barrier layer and the p-type nitride semiconductor layer, wherein the final quantum barrier layer closest to the electron blocking layer is the quantum barrier layer; The energy bandgap of the region adjacent to the well layer has a larger energy bandgap than the quantum barrier layer other than the final quantum barrier layer.
이때, 상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단막과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 가지며, 또는, 상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단막과 인접한 영역의 에너지 밴드갭이 상기 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. In this case, the final quantum barrier layer has an energy band gap in which the energy band gap of the region adjacent to the electron blocking layer is smaller than the energy band gap of the region adjacent to the quantum well layer, or the final quantum barrier layer is formed of the electron blocking layer. It is preferable that the energy bandgap of the adjacent region has a lower energy bandgap than the quantum barrier layer other than the final quantum barrier layer.
또한, 상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단막과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 상기 양자우물층과 인접한 영역보다 높은 p형 불순물 농도를 가지며, 또한, 상기 최종 양자장벽층은, 양자우물층과 인접한 영역이 언도프되어 있으며, 상기 최종 양자장벽층은 상기 양자우물층과 인접한 영역에서 상기 전자차단막과 인접한 영역에 연속적으로 높은 p형 불순물 농도를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 양자장벽층은, 상기 전자차단막과 인접한 영역에 p형 델타 도핑된 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 양자장벽층은 상기 전자차단막과 인접한 영역의 p형 불순물 농도가 1×1017/㎤ 이상인 것이 바람직하다.The final quantum barrier layer may have a p-type impurity concentration higher in the region adjacent to the electron blocking layer than a region adjacent to the quantum well layer, and the final quantum barrier layer may further include a quantum well layer. Adjacent regions are undoped, and the final quantum barrier layer preferably has a high p-type impurity concentration in a region adjacent to the electron blocking layer in a region adjacent to the quantum well layer. In addition, the final quantum barrier layer is preferably doped with p-type delta in the region adjacent to the electron blocking layer. In addition, the final quantum barrier layer preferably has a p-type impurity concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more in a region adjacent to the electron blocking layer.
또한, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하여 형성된 성장용 기판을 더 포함하며, 상기 전자차단층은 초격자 구조를 가지며, 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층에 각각 접하여 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다. The semiconductor device further includes a growth substrate formed in contact with the n-type nitride semiconductor layer, wherein the electron blocking layer has a superlattice structure and is formed in contact with the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, respectively. And a p-side electrode.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 초격자구조를 갖는 활성층의 양자우물층으로부터의 전자 오버플로우 및 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우 현상을 동시에 차단하여 재결합효율을 향상시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, the reflow efficiency can be improved by simultaneously blocking the electron overflow phenomenon from the quantum well layer of the active layer having the superlattice structure and the electron overflow phenomenon to the p-type nitride semiconductor layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다. First, FIG. 1 is a side sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(130), 활성층(140) 및 p형 질화물 반도체층(160)을 포함한다. 그리고, 메사 식각된 n형 질화물 반도체층(130)과 p형 질화물 반도체층(160) 상에는 각각 n측 전극(180) 및 p측 전극(170)이 제공된다. 또한, 기판(110)과 n형 질화물 반도체층(130) 사이의 격자부정합을 완화하기 위한 버퍼층(120)이 제공되며, 활성층(140)은 p형 질화물 반도체층(160)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위한 전자차단층(150)을 활성층에 인접한 영역에 더 구비한다. As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor
이때, 기판(110)은 질화물계 반도체층의 성장을 위해 제공되는 성장용 기판으로서 사파이어 기판을 사용할 수 있다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. In this case, the
다만, C면은 극성 면으로서 C면에서 성장된 질화물계 반도체층은 질화물 반도체 고유의 이온결합 (ionicity) 특성과 구조적 비대칭성 (격자상수 a≠c)으로 인해 자발분극 (spontaneous polarization)을 갖게 되고, 격자상수가 다른 질화물 반도체가 연속적으로 적층될 경우, 반도체층에 형성된 변형 (strain)에 의해 압전 분극(piezoelectric polarization)이 발생한다. 이러한 자발분극 및 압전 분극에 의해 각 계면의 에너지 준위가 도2와 같이 벤딩(bending)되게 된다. However, the C plane is the polar plane, and the nitride semiconductor layer grown on the C plane has spontaneous polarization due to the ionicity characteristic and structural asymmetry (lattice constant a ≠ c) of the nitride semiconductor. When nitride semiconductors having different lattice constants are successively stacked, piezoelectric polarization occurs due to strain formed in the semiconductor layer. Due to such spontaneous polarization and piezoelectric polarization, the energy level of each interface is bent as shown in FIG. 2.
그리고, 질화물 반도체 발광소자의 성장용 기판(110)으로 사파이어 기판 대신 SiC, Si, GaN, AlN 등으로 이루어진 기판도 사용 가능하다.In addition, a substrate made of SiC, Si, GaN, AlN, or the like may be used as the
한편, 본 실시 형태에서는 기판(110)이 포함된 수평 구조의 질화물 반도체 발광소자를 기준으로 설명하였으나, 본 발명은 상기 기판(110)이 제거되어 전극이 질화물 반도체층의 적층 방향으로 서로 마주보도록 배치된 수직구조 질화물 반도체 발광소자에도 적용될 수 있을 것이다.Meanwhile, in the present embodiment, the nitride semiconductor light emitting device having the horizontal structure including the
그리고, n형 질화물 반도체층(130) 및 p형 질화물 반도체층(160)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖고, 각각 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다. 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(130, 160)은 질화물 반도체층 성장에 관하여 공지된 공정을 이용할 수 있으며, 예컨대, 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE) 등이 이에 해당한다.In addition, the n-type
그리고, 활성층(140)은 전자와 정공이 재결합하여 발광하도록 복수의 양자장벽층(140a)과 양자우물층(140b)이 초격자로서 교대로 반복 적층된 다중양자우물구조를 가지며, 양자장벽층(140a) 사이에 양자우물층(140b)이 끼워진 형태를 갖는다. 여기서, 양자장벽층(140a)은 p형 질화물 반도체층(160)으로부터 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진다. 또한, 상기 양자장벽층(140a)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0<y≤1, 0<x+y≤1)으로 이루어지며, 상기 양자우물층(140b)은 InzGa(1-z)N(0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. The
그리고, 복수의 양자장벽층(140a) 중 전자차단막(150)과 접하고 있는 양자장벽층을 최종 양자장벽층이라하며, 최종 양자장벽층과 그 인접한 양자우물층의 계면에서의 에너지 밴드갭은 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 그 크기가 동일하거나 큰 것이 바람직하다. The quantum barrier layer in contact with the
또한, 최종 양자장벽층은 전자차단막(150)과 접하는 계면에서의 에너지 밴드갭은 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 그 크기가 동일하거나 작은 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the energy band gap of the final quantum barrier layer in contact with the
또한, 최종 양자장벽층은 전자차단막(150)과 인접한 영역에서의 p형 불순물 농도가 최종 양자장벽층의 다른 영역보다 높으며, 특히, 전자차단막(150)과 접하는 계면에서의 p형 불순물 농도가 가장 높은 것이 바람직하다. 여기서, p형 분순물은 1E17/㎤ 이상의 농도로 도핑된다. In addition, the final quantum barrier layer has a higher p-type impurity concentration in the region adjacent to the
본 발명에 채용된 초격자구조의 양자장벽층(140a) 두께는 약 20 ∼ 약 40 Å 범위인 것이 바람직하며, 양자우물층(140b)의 두께도 이와 유사한 범위인 약 20 ∼ 약 40 Å인 것이 바람직하다. The thickness of the
전자차단막(150)은 전자의 오버플로잉을 방지하기 위한 위한 층으로서, 활성층(140)과 p형 질화물 반도체층(160) 사이에 형성되며, AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)으로 이루어져 높은 에너지 준위를 가진다. 이러한 전자차단막(150)은 통상적으로 전자의 이동도가 정공보다 크므로, 인접한 양자장벽층(140a) 및 p형 질화물 반도체층(160)보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 질화물 반도체로 이루어진다. 이로써, 높은 장벽으로 제공되는 전자차단막(150)에 의해 활성층(140)으로의 전자 주입효율이 크게 저하되는 것을 방지할 수 있다.The
그리고, 전자차단막(150)은 더욱 향상된 전자차단효과를 위해, 초격자구조로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 전자차단막(150)은, p형 질화물 반도체층에 접하는 제1 막과 활성층에 접하며 상기 제1 막의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제2 막을 포함할 수 있다. 이 경우에, 전자차단특성을 보장하기 위해서, 상기 제1 막의 두께는 상기 제2 막의 두께보다 큰 것이 보다 바람직하다. In addition, the
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자에서 활성층 및 그 인접영역의 전도대역에 대한 개략적인 에너지 밴드갭을 나타낸 다이어그램이다. 여기서, 점선은 최종 양자장벽층이 언도프된 경우의 에너지 밴드갭 상태를 나타낸 것으로, 최종 양자장벽층을 제외한 양자장벽층의 에너지 밴드갭을 의미한다.FIG. 2 is a diagram showing a schematic energy band gap of conduction bands of an active layer and an adjacent region in the nitride semiconductor light emitting device according to the exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1. Here, the dotted line shows the energy band gap state when the final quantum barrier layer is undoped, and means the energy band gap of the quantum barrier layer except for the final quantum barrier layer.
도 2에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 양자장벽층(140a) 및 양자우물층(140b)은 자발분극 및 압전분극에 의해 에너지 밴드가 벤딩되며, 전자차단막(150)은 활성층(140)의 최종 양자장벽층에서 p형 질화물 반도체층(160)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 활성층 전체 양자장벽층(140a)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다. As shown in FIG. 2, energy bands of the
그리고, 최종 양자장벽층은 양자우물층(140b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(140a)의 에너지 밴드갭과 동일하며, 전자차단막(150)과 인접한 영역(B)은 양자우물층(140b)에 인접한 영역(A)보다 높은 p형 불순물 농도를 가진다. In the final quantum barrier layer, the energy band gap of the region A adjacent to the
즉, 최종 양자장벽층은 전자차단막(150)과 인접한 영역(B)에 높은 p형 불순물을 도핑하여 이 영역에서의 에너지 준위를 높여 최종 양자장벽층과 그 인접한 양자우물층(140b) 간의 에너지차를 크게 하여 양자우물층(140b)으로부터의 전자 오버플로우를 억제한다. 여기서, p형 분순물은 1E17/㎤ 이상의 농도로 도핑된다. 이때, p형 불순물 농도는 양자우물층에 인접한 최종 양자장벽층의 영역에서는 언도프된 질화물 반도체층으로 형성하고, 전자차단막(150)에 가까워질수록 높게하는 것이 바람직하다. That is, the final quantum barrier layer is doped with a high p-type impurity in the region (B) adjacent to the
도 3은 도 1에 도시된 질화물 반도체 소자에 있어서, 전자차단층에 접하는 최종 양자장벽층 영역의 p형 도핑 농도에 따른 발광소자의 효율을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 3 (a)는 전자차단막이 AlGaN일 경우이며, 도 3 (b)는 AlGaN/GaN의 초격자구조일 경우이다. 3 is a graph showing the efficiency of a light emitting device according to the p-type doping concentration of the final quantum barrier layer region in contact with the electron blocking layer in the nitride semiconductor device shown in FIG. Here, FIG. 3 (a) shows the case where the electron blocking film is AlGaN, and FIG. 3 (b) shows the case where the AlGaN / GaN superlattice structure is used.
도 3 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 전자차단막(150)에 접하는 최종 양자장벽층 영역(B)에 p형 불순물을 도핑한 경우가 언도프된 양자장벽층(A)의 경우보다 발광소자의 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. 특히, 전자차단막(150)에 접하는 최종 양자장벽층 영역(B)에서의 p형 도핑 농도가 1E17/㎤보다 높을 경우 언도프된 양자장벽층(A)과 비교하여 발광소자의 효율이 향상됨을 알 수 있다. As shown in FIGS. 3A and 3B, the quantum barrier layer A in which the p-type impurity is doped is not doped in the final quantum barrier layer region B in contact with the
도 4 내지 도 6은 본 발명에 채용가능한 다양한 형태의 질화물 반도체 발광소자의 활성층 및 그 인접영역의 전도대역에 대한 개략적인 에너지 밴드갭을 나타낸 다이어그램이다. 여기서, 도 4 내지 도 6의 질화물 반도체 발광소자는 도 1과 그 구조가 동일하므로, 동일 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 4 to 6 are diagrams showing schematic energy band gaps of conduction bands of active layers and adjacent regions of nitride semiconductor light emitting devices of various types that may be employed in the present invention. Here, since the structure of the nitride semiconductor light emitting device of FIGS. 4 to 6 is the same as that of FIG. 1, detailed descriptions of the same components will be omitted.
도 4에 도시한 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 활성층(440)은 복수의 양자장벽층(440a) 및 양자우물층(440b)을 가지며, 전자차단막(450)은 p형 질화물 반도체층(460)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 활성층 전체 양자장벽층(440a)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다. As shown in FIG. 4, the
그리고, 최종 양자장벽층은 양자우물층(440b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(440b)보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다. 이로써, 양자우물층(440b)으로부터의 전자 오버플로우를 억제할 수 있다. The final quantum barrier layer has an energy band gap in which the energy band gap of the region A adjacent to the
한편, 전자차단막(450)과 최종 양자장벽층의 에너지차가 작아짐에 따른 p형 질화물 반도체층(460)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 최종 양자장벽층은 전자차단막(450)과 인접한 영역(B)에 양자우물층(140b)과 인접한 영역(A)보다 높은 농도의 p형 불순물을 도핑한다. 이때, p형 불순물 농도는 양자우물층에 인접한 최종 양자장벽층의 영역(A)에서는 언도프 되어 있으며, 전자차단막(450)에 가까워질수록 높게하는 것이 바람직하다.On the other hand, in order to block electron overflow to the p-type
그리고, 도 5에 도시한 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 활성층(540)은 복수의 양자장벽층(540a) 및 양자우물층(540b)을 가지며, 전자차단막(550)은 활성층(540)의 최종 양자장벽층에서 p형 질화물 반도체층(560)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 활성층 전체 양자장벽층(540a)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다. As illustrated in FIG. 5, the
그리고, 최종 양자장벽층은 양자우물층(540b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(540b)보다 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 전자차단막(550)에 인접한 영역(B)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(540b)과 동일한 에너지 밴드갭을 가진다. 즉, 최종 양자장벽층은 전자차단막(550)에 인접한 영역(B)의 에너지 밴드갭이 양자우물층(540b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 가진다. 이로써, 양자우물층(540b)로부터의 전자 오버플로우를 억제할 수 있다. The final quantum barrier layer has an energy band gap in which the energy band gap of the region A adjacent to the quantum well layer 540b is larger than that of the quantum barrier layer 540b other than the final quantum barrier layer. The energy bandgap of the adjacent region B has the same energy bandgap as the quantum barrier layer 540b other than the final quantum barrier layer. That is, the final quantum barrier layer has an energy band gap in which the energy band gap of the region B adjacent to the
그리고, 도 6에 도시한 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 활성층(640)은 복수의 양자장벽층(640a) 및 양자우물층(640b)을 가지며, 전자차단막(650)은 활성층(640)의 최종 양자장벽층에서 p형 질화물 반도체층(660)으로의 전자 오버플로우를 차단하기 위해, 활성층 전체 양자장벽층(640a)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진다. As shown in FIG. 6, the
그리고, 최종 양자장벽층은 양자우물층(640b)에 인접한 영역(A)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(540b)보다 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 전자차단막(550)에 인접한 영역(B)의 에너지 밴드갭이 최종 양자장벽층 이외의 양자장벽층(540b)보다 낮은 에너지 밴드갭을 가진다. 이로써, 양자우물층(540b)으로부터의 전자 오버플로우 및 p형 질화물 반도체층(660)으로의 전자 오버플로우를 동시에 억제할 수 있다. The final quantum barrier layer has an energy band gap in which the energy band gap of the region A adjacent to the
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 최종 양자장벽층의 에너지 밴드갭을 제어하으로써 밴드 벤딩이 증가하는데, 이는 전자차단막(650)과 인접한 최종 양자장벽층 영역(B)의 p형 불순물 농도를 높게하여 완화 가능하다. Meanwhile, as shown in FIG. 6, band bending is increased by controlling the energy band gap of the final quantum barrier layer, which increases the p-type impurity concentration in the final quantum barrier layer region B adjacent to the
따라서, 도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명은 활성층에서의 양자 구속력을 증가시키는 동시에 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우를 효과적으로 차단할 수 있도록 초격자 구조의 활성층과 전자차단막을 채택하고, 상기 전자차단막에 인접한 최종 양자장벽층은 전자차단막과 인접한 영역의 p형 불순물 농도 를 다른 영역보다 높게 하고, 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭을 다른 양자장벽층보다 높게 한다.Therefore, as shown in FIGS. 1 to 6, the present invention adopts an active layer and an electron blocking film of a superlattice structure to increase the quantum restraint force in the active layer and to effectively block electron overflow to the p-type nitride semiconductor layer. The final quantum barrier layer adjacent to the electron blocking layer has a higher p-type impurity concentration in the region adjacent to the electron blocking layer than the other region, and the energy band gap in the region adjacent to the quantum well layer is higher than the other quantum barrier layer.
또한, 본 발명에서는, 활성층에서의 양자 구속력을 증가시키는 동시에 p형 질화물 반도체층으로의 전자 오버플로우를 효과적으로 차단할 수 있도록, 상기 전자차단막에 인접한 최종 양자장벽층은 양자우물층과 인접한 영역의 에너지 밴드갭을 다른 양자장벽층보다 높게 하고, 전자차단막과 인접한 영역의 에너지 밴드갭을 다른 양자장벽층과 같거나 낮게 한다.In addition, in the present invention, the final quantum barrier layer adjacent to the electron blocking layer has an energy band in the region adjacent to the quantum well layer so as to increase the quantum confinement force in the active layer and effectively block electron overflow to the p-type nitride semiconductor layer. The gap is made higher than that of other quantum barrier layers, and the energy band gap in the region adjacent to the electron blocking layer is equal to or lower than that of other quantum barrier layers.
본 발명은 상술한 실시형태 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.It is intended that the invention not be limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, but rather by the claims appended hereto. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.1 is a side cross-sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도1에 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층 및 그 인접영역에 대한 에너지밴드갭을 나타낸 다이어그램이다.FIG. 2 is a diagram illustrating energy band gaps of an active layer and an adjacent region of the nitride semiconductor device illustrated in FIG. 1.
도 3은 도 1에 도시된 질화물 반도체 소자의 전류에 따른 발광소자의 효율을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the efficiency of the light emitting device according to the current of the nitride semiconductor device shown in FIG.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 채용가능한 다양한 형태의 질화물 반도체 소자의 활성층 및 그 인접영역에 대한 에너지밴드갭을 나타낸 다이어그램이다.4 to 6 are diagrams showing energy band gaps of active layers and adjacent regions of various types of nitride semiconductor devices employable in the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
100: 질화물 반도체 발광소자 110: 기판100 nitride semiconductor
120: 버퍼층 130: n형 질화물 반도체층120: buffer layer 130: n-type nitride semiconductor layer
140: 활성층 150: 전자차단막140: active layer 150: electron blocking film
160: p형 질화물 반도체층 170: p측 전극160: p-type nitride semiconductor layer 170: p-side electrode
180: n측 전극180: n-side electrode
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