KR20110048240A - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는, n형 질화물 반도체층과, p형 질화물 반도체층과, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 양자우물층 및 양자장벽층이 서로 교대로 적층 되어 이루어진 활성층과, 상기 활성층 및 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 전자차단층 및 상기 활성층과 상기 전자차단층 사이에 형성되며, 가전자 대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 제1층 및 상기 제1층보다 밴드갭 에너지가 큰 제2층이 서로 교대로 반복 적층된 구조를 구비하는 홀콜렉터층을 포함하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.

본 발명에 따르면, 활성층 내로 진입하는 정공의 농도가 증가됨으로써 발광 효율이 향상되며, 고 전류 주입 시 양자 효율이 저하되는 문제가 해결될 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.

질화물, LED, 전자차단층, EBL, 터널링, 정공, 초격자

Description

질화물 반도체 소자 {Nitride Semiconductor Device}

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히, 활성층 내로 진입하는 정공의 농도가 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 1은 일반적인 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 질화물 반도체 소자(10)는 기판(11), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(15)을 포함하며, 상기 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(15) 사이에는 전자차단층(EBL, 14)이 형성된다. 메사에칭된 p 질화물 반도체층(15) 상면에는 p형 전극(16b)이 형성되며, n형 질화물 반도체층(12)의 노출된 상면에는 n형 전극(16a)이 형성된다. 상기 전자차단층(14)은 정공에 비해서 상대적으로 이동도가 높은 전자가 p형 질화물 반도체층(15)으로 오버플로우(overflow)되지 않도록 하여 활성층(13) 내에서 캐리어의 재결합 효율을 향상시키기 위해 채용된 것이다. 그러나, 상기 전자차단층(14)은 전자뿐만 아니라 정공에 대해서도 장벽으로 기능할 수 있으며, 이에 따라, 전자차단층(14)을 넘어 활성층(13)으로 진입하는 정공의 농도가 낮아지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 활성층 내로 진입하는 정공의 농도가 증가됨으로써 발광 효율이 향상될 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것에 일 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,

n형 질화물 반도체층과, p형 질화물 반도체층과, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 양자우물층 및 양자장벽층이 서로 교대로 적층 되어 이루어진 활성층과, 상기 활성층 및 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 전자차단층 및 상기 활성층과 상기 전자차단층 사이에 형성되며, 가전자 대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 제1층 및 상기 제1층보다 밴드갭 에너지가 큰 제2층이 서로 교대로 반복 적층된 구조를 구비하는 홀콜렉터층을 포함하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1층 및 제2층은 서로 교대로 반복 적층되어 초격자 구조를 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서,가전자 대역을 기준으로 상기 제1층의 에너지 준위는 상기 p형 질화물 반도체층에 근접한 것일수록 낮아질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위는 Mg 도핑 준위일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서,가전자대역을 기준으로 상기 홀컬렉터층의 에너지 준위와 상기 p형 질화물 반도체층의 에너지 준위의 차는 170meV 보다 클 수 있다.

상기 홀컬렉터층은 이와 인접한 상기 활성층의 양자우물층보다 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 낮을 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1층은 In_xGa_{1 -x}N(0<x≤1)으로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 제2층은 In_yGa_{1 -y}N(0≤y<x≤1)으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 활성층 내로 진입하는 정공의 농도가 증가됨으로써 발광 효율이 향상되며, 고 전류 주입 시 양자 효율이 저하되는 문제가 해결될 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 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. 또한, 도 4는 도 3에서 나타낸 영역의 가전자대역 에너지 준위를 모식적으로 나타낸 것이다.

우선, 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자(100)는, 기판(101), n형 질화물 반도체층(102), 활성층(103), 전자차단층(105) 및 p형 질화물 반도체층(106)을 포함하며, 상기 활성층(103)과 상기 전자차단층(105) 사이에는 홀컬렉터(104)층이 형성된다. 상기 n형 질화물 반도체층(102)의 노출면 상에는 n형 전극(107a)이 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층(106) 상면에는 p형 전극(107b)이 형성될 수 있다. 도시하지는 않았으나, 상기 p형 질화물 반도체층(106)과 p형 전극(107b) 사이에는 투명전극물질 등으로 이루어진 오믹컨택층이 형성될 수 있다. 한편, 본 실시형태에서는 n형 및 p형 전극(107a, 107b)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 성장을 위한 것으로서, 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, 106)은 Al_xIn_yGa_(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. 이 경우, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 대표적이다. 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(102, 106)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, HVPE 공정 등으로 성장될 수 있다.

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(102, 106) 사이에 형성된 활성층(103)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 인듐 함량에 따라 밴드갭 에너지가 조절되도록 In_xGa_1-xN(0≤x≤1)으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 활성층(103)은 도 3에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(103a)과 양자우물층(103b)이 서로 교대로 적층 된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조로 이루어질 수 있다.

상기 전자차단층(Electron Blocking Layer, 105)은 정공에 비하여 이동도가 상대적으로 높은 전자가 상기 활성층(103)을 지나 오버플로우되는 것을 차단하는 기능을 한다. 이를 위해, 상기 활성층(103)보다 밴드갭 에너지가 높은 물질로 이루어질 수 있으며, 구체적으로, Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)와 같은 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 알루미늄 함량에 의해 상기 전자차단층(105)의 밴드갭 에너지는 적절히 조절될 수 있다. 다만, 상술한 바와 같이, 상기 전자차단층(105)은 전자의 오버플로우를 차단하여 활성층(103) 내에서 재결합 확률을 증가시키지만, 마찬가지로, 정공의 주입을 차단하는 기능을 할 수 있다.

본 실시 형태에서는 전자차단층(105)의 이러한 정공 차단 기능을 저감시키기기 위해, 상기 활성층(103)과 상기 전자차단층(105) 사이에 홀컬렉터층(104)을 채용하였으며, 상기 홀컬렉터층(104)은 상기 p형 질화물 반도체층(106)으로부터 주입되는 정공이 상기 전자차단층(105)을 터널링하거나 넘어서 활성층(103)으로 주입될 수 있는 확률이 높아지도록 적절한 에너지 준위 조건을 제공한다. 도 4를 함께 참조하여 이를 설명하면, 상기 홀컬렉터층(104)은 제1층(104a) 및 제2층(104b)으로 구분될 수 있으며, 상기 제1층(104a)은 활성층(103)의 양자우물층(103b)과 계면을 형성하며, 상기 제1층(104a)과 제2층(104b)은 서로 교대로 반복 적층되어 있다. 이 경우, 상기 제1층(104a) 및 제2층(104b)의 반복 적층 구조는 초격자 구조를 이룰 수 있으며, 이에 의하여, 홀컬렉터층(104)이 하나의 벌크 형태의 층과 같이 기능할 수 있다.

상기 홀컬렉터층(104) 중 제1층(104a)은 상기 양자우물층(103b)보다 에너지 준위가(Ev)가 낮고, 상기 양자장벽층(103a)보다는 에너지 준위(Ev)가 높다. 이 경우, 본 실시 형태에서 설명하는 에너지 준위(Ev)는 가전자대역(valence band)을 기준으로 한다. 나아가, 상기 제1층(104a)의 에너지 준위는 상기 p형 질화물 반도체층(106)의 도핑 준위보다 높으며, 이러한 에너지 준위 조건에 의해, 상기 전자차단층(105)을 터널링하는 정공의 농도가 증가될 수 있다. 도 4에서는 p형 불순물로 Mg를 사용한 경우를 나타냈으며, p형 질화물 반도체층(105)과 양자장벽층(103a)이 서로 동일한 물질, 예컨대, GaN으로 이루어졌다고 가정할 때, 이들과 상기 제1층(104a)의 에너지 준위 차이, ΔEv는 Mg 도핑에 의해 상승한 에너지 준위 값보다 커야한다. 이를 고려하여, ΔEv는 약 170meV보다 큰 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 제1층(104a)은 In_xGa_{1 -x}N(0<x≤1)으로 이루어지며, 인듐 함량을 조절함으로써 에너지 준위를 적절히 조절할 수 있다. 도 4와 같은 에너지 준위를 갖기 위해서는 상기 제1층(104a)의 인듐 함량은 상기 양자우물층(103b)보다는 낮고, 상기 양자장벽층(103a)보다는 높을 수 있다. 한편, 상기 제1층(104a)과 교대로 반복되어 초격자 구조를 이루는 상기 제2층(104b)은 상기 제1층(104a)보다 밴드갭 에너지가 더 크며, 상기 전자차단층(105)보다는 밴드갭 에너지가 더 작은 것이 바람직하다. 이를 위하여, 상기 제2층(104b)은 In_yGa_{1 -y}N(0≤y<x≤1)으로 이루어짐으로써 상기 제1층(104a)과 전자차단층(105)의 사이에 해당하는 에너지 준위를 가질 수 있으며, 일 예로서, 언도프 GaN으로 이루어져 상기 양자장벽층(105)과 동일한 에너지 준위를 가질 수 있다.

홀컬렉터층(104)을 In_xGa_{1 -x}N(0<x≤1)으로 이루어진 제1층(104a)으로만 구성될 경우에는 결정성이 저하될 수 있는 점에서, GaN으로 이루어진 제2층(104b)을 채용하여 이러한 문제를 저감시킬 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 제2층(104b)은 밴드갭 에너지가 제1층(104a)보다 크며, 정공에 대한 장벽이 될 수 있다. 본 실시 형태에서는 이러한 점을 고려하여, 제1층(104a) 및 제2층(104b)을 교대로 적층하며, 특히, 초격자 구조를 이루도록 하였다. 초격자 구조를 이루는 홀컬렉터층(104)은 제1층(104a) 및 제2층(104b) 각각의 특성보다는 하나의 벌크 형태의 층과 같은 특성을 보일 수 있다. 예컨대, 홀컬렉터층(104)은 제1층(104a)과 제2 층(104b) 사이에 해당하는 밴드갭 에너지를 갖는 벌크 형태의 층과 같이 기능할 수 있다. 따라서, 초격자 구조의 홀컬렉트층(104)을 사용할 경우, 결정성이 향상됨과 더불어, 정공 수집 면에서도 향상 효과를 기대할 수 있다.

도 5는 도 2의 실시 형태에서 변형된 예의 홀컬렉터층의 에너지 준위를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 홀컬렉터층(104`)은 제1층(104a`) 및 제2층(104b`)이 교대로 적층되어 초격자 구조를 이루는 점에서, 도 2의 실시 형태와 동일하며, 다만, 제1층(104a`)의 에너지 준위가 변동되는 점에서 차이가 있다. 구체적으로, 가전자 대역을 기준으로 상기 제1층(104a`)의 에너지 준위는 p형 질화물 반도체층(106)에 근접한 것일수록 낮아지도록 배치된다. 이 경우, 제2층(104b`)은 도 2의 실시 형태와 동일하게 GaN을 사용할 수 있을 것이다. 본 실시 형태와 같이, 제1층(104a`)의 에너지 준위를 계단 형상, 즉, p형 질화물 반도체층(106)에 근접할수록 낮아지는 형상으로 채용할 경우, 활성층(103) 내부로의 정공 주입 효율이 더욱 향상될 수 있다.

이하, 홀컬렉터층을 채용한 질화물 반도체 소자의 양자효율(quantum efficiency)을 종래의 구조와 비교한 결과를 살펴보면, 도 7은 홀컬렉터층을 채용한 질화물 반도체 소자 및 종래의 질화물 반도체 소자의 양자효율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다. 이 경우, 종래 질화물 반도체 소자의 활성층 구조는 도 6에 도시된 바와 같이, 홀컬렉터층 대신 동일한 두께의 양자장벽층(QB)이 채용된 것이 다. 또한, 도 7에서 실선으로 표현된 것은 홀컬렉터층에서 제1층 및 제2층이 하나씩만 채용된 구조를 나타내며, 굵은 실선으로 표현된 것은 도 5의 실시 형태와 같이 제1 및 제2층이 초격자 구조를 이루면서 제1층이 에너지 준위가 계단 형상이 되도록 배치된 구조를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 종래의 질화물 반도체 소자(점선)의 경우, 저 전류 영역에서의 양자효율은 상대적으로 우수하나, 고 전류 인가시에는 양자효율이 현저히 저하되는 경향, 즉, efficiency droop이 발생한다. 이와 비교하여, 홀컬렉터층을 채용한 질화물 반도체 소자(실선)에서는 종래에 비하여 efficiency droop 문제가 저감되는 것을 확인할 수 있다. 나아가, 초격자 구조를 갖는 홀컬렉터층을 채용할 경우(굵은 실선), 저 전류밀도에서의 양자효율이 향상됨과 더불어, 고전류 밀도에서도 양자효율의 저하 효과가 크지 않음을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 고 전류에서 작동이 요구되는 조명 장치 등에 사용되기에 적합하다.

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 1은 일반적인 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 소자를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2에서 A로 표시한 영역을 확대하여 나타낸 것이다.

또한, 도 4는 도 3에서 나타낸 영역의 가전자대역 에너지 준위를 모식적으로 나타낸 것이다.

도 5는 도 2의 실시 형태에서 변형된 예의 홀컬렉터층의 에너지 준위를 모식적으로 나타낸 것이다.

도 6은 종래 질화물 반도체 소자에서 활성층의 에너지 준위를 모식적으로 나타낸 것이다.

도 7은 홀컬렉터층을 채용한 질화물 반도체 소자 및 종래의 질화물 반도체 소자의 양자효율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 기판 102: n형 질화물 반도체층

103: 활성층 104: 홀컬렉터층

105: 전자차단층 106: p형 질화물 반도체층

107a, 107b: n형 및 p형 전극 103a: 양자장벽층

103b: 양자우물층 104a, 104b: 제1 및 제2층

Claims (8)

1. n형 질화물 반도체층;

   p형 질화물 반도체층;

   상기 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 양자우물층 및 양자장벽층이 서로 교대로 적층 되어 이루어진 활성층;

   상기 활성층 및 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 전자차단층; 및

   상기 활성층과 상기 전자차단층 사이에 형성되며, 가전자 대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 제1층 및 상기 제1층보다 밴드갭 에너지가 큰 제2층이 서로 교대로 반복 적층된 구조를 구비하는 홀콜렉터층;

   을 포함하는 질화물 반도체 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1층 및 제2층은 서로 교대로 반복 적층되어 초격자 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
3. 제1항에 있어서,

   가전자 대역을 기준으로 상기 제1층의 에너지 준위는 상기 p형 질화물 반도체층에 근접한 것일수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위는 Mg 도핑 준위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
5. 제1항에 있어서,

   가전자대역을 기준으로 상기 홀컬렉터층의 에너지 준위와 상기 p형 질화물 반도체층의 에너지 준위의 차는 170meV 보다 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 홀컬렉터층은 이와 인접한 상기 활성층의 양자우물층보다 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 낮은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1층은 In_xGa_{1 -x}N(0<x≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
8. 제2항에 있어서,

   상기 제2층은 In_yGa_{1 -y}N(0≤y<x≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.

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