KR20110100569A - Nitride semiconductor device - Google Patents

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KR20110100569A
KR20110100569A KR1020100089586A KR20100089586A KR20110100569A KR 20110100569 A KR20110100569 A KR 20110100569A KR 1020100089586 A KR1020100089586 A KR 1020100089586A KR 20100089586 A KR20100089586 A KR 20100089586A KR 20110100569 A KR20110100569 A KR 20110100569A
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nitride semiconductor
type nitride
type
hole collector
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KR1020100089586A
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이성숙
한재웅
예브게니 자바린
알렉세이 사하로프
안드레이 니콜라예프
안드레이 짜실리코프
쉐벌로드 룬딘
박희석
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삼성엘이디 주식회사
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Abstract

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 활성층과, 상기 활성층 및 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 전자차단층 및 상기 활성층과 상기 전자차단층 사이에 형성되며, 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 영역을 구비하는 홀컬렉터층을 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.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor element, and an embodiment of the present invention is formed between an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, and the n-type and p-type nitride semiconductor layers, and includes a quantum well layer and a quantum well layer. An active layer formed by alternately stacking barrier layers with each other, an electron blocking layer formed between the active layer and the p-type nitride semiconductor layer, and between the active layer and the electron blocking layer, wherein the energy level is based on the valence band. A nitride semiconductor device including a hole collector layer having a region higher than a doping level of a p-type nitride semiconductor layer is provided.
According to the present invention, a light emitting efficiency is improved by increasing the concentration of holes entering the active layer, and a nitride semiconductor light emitting device capable of solving the problem of deterioration of quantum efficiency during high current injection can be obtained.

Description

질화물 반도체 소자 {Nitride Semiconductor Device}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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device in which light emission efficiency can be improved by increasing the concentration of holes entering the active layer.

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. In general, nitride semiconductors are widely used in green or blue light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs), which are provided as light sources in full-color displays, image scanners, various signal systems, and optical communication devices. Such a nitride semiconductor device can be provided as a light emitting device having an active layer emitting a variety of light, including blue and green using the recombination principle of electrons and holes.

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.
After such a nitride light emitting device (LED) has been developed, many technological advances have been made, and the range of its use has been expanded, and thus, many studies have been conducted as general lighting and electric light sources. In particular, in the past, nitride light emitting devices have been mainly used as components applied to mobile products of low current / low power, but recently, their application ranges are gradually expanded to high current / high power fields.

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.
1 is a cross-sectional view showing a general nitride semiconductor device. Referring to FIG. 1, a general nitride semiconductor device 10 includes a substrate 11, an n-type nitride semiconductor layer 12, an active layer 13, and a p-type nitride semiconductor layer 15, and the active layer 13 And an electron blocking layer (EBL) 14 between the p-type nitride semiconductor layer 15. The p-type electrode 16b is formed on the mesa-etched p-nitride semiconductor layer 15, and the n-type electrode 16a is formed on the exposed top surface of the n-type nitride semiconductor layer 12. The electron blocking layer 14 may improve electron recombination efficiency of the carrier in the active layer 13 by preventing electrons having higher mobility than holes from overflowing the p-type nitride semiconductor layer 15. It is adopted. However, the electron blocking layer 14 may function as a barrier not only for electrons but also for holes, and thus, the concentration of holes entering the active layer 13 beyond the electron blocking layer 14 may be lowered. .

본 발명의 일 목적은 활성층 내로 진입하는 정공의 농도가 증가됨으로써 발광 효율이 향상될 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것에 있다.An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device which can improve the luminous efficiency by increasing the concentration of holes entering the active layer.

상기 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,In order to realize the above technical problem, an embodiment of the present invention,

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, 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 영역을 구비하는 홀컬렉터층을 포함하는 질화물 반도체 소자를 제공한다.
an active layer formed between an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, the n-type and p-type nitride semiconductor layers, and a quantum well layer and a quantum barrier layer alternately stacked with each other, the active layer and the p An electron blocking layer formed between the type nitride semiconductor layer and a hole collector layer formed between the active layer and the electron blocking layer and having a region having an energy level higher than a doping level of the p-type nitride semiconductor layer based on the valence band; It provides a nitride semiconductor device comprising a.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위는 Mg 도핑 준위일 수 있다.In an embodiment of the present disclosure, the doping level of the p-type nitride semiconductor layer may be an Mg doping level.

본 발명의 일 실시 예에서, 가전자대역을 기준으로 상기 홀컬렉터층의 에너지 준위와 상기 p형 질화물 반도체층의 에너지 준위의 차는 170meV 보다 큰 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, it is preferable that the difference between the energy level of the hole collector layer and the energy level of the p-type nitride semiconductor layer is greater than 170 meV based on the valence band.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 홀컬렉터층은 이와 인접한 상기 활성층의 양자우물층보다 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 낮은 것이 바람직하다.
In one embodiment of the present invention, it is preferable that the hole collector layer has a lower energy level based on the valence band than the quantum well layer of the active layer adjacent thereto.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 홀컬렉터층은 InxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 홀컬렉터층과 인접한 상기 활성층의 양자우물층은 상기 홀컬렉터층보다 인듐 함량이 높을 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the hole collector layer may be formed of In x Ga 1 - x N (0 ≦ x ≦ 1). In this case, the quantum well layer of the active layer adjacent to the hole collector layer may have a higher indium content than the hole collector layer.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 홀컬렉터층에서 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 영역의 두께는 100Å 이하이되, 이와 인접한 상기 활성층의 양자우물층보다는 두꺼운 것이 바람직하다.
In an embodiment of the present invention, the thickness of the region in which the energy level of the hole collector layer is higher than the doping level of the p-type nitride semiconductor layer based on the valence band is less than or equal to 100 μs, rather than the quantum well layer of the active layer adjacent thereto. It is preferable to be thick.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 홀컬렉터층에서 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 영역을 제1층이라 할 때, 상기 홀컬렉터층은 가전자대역을 기준으로 상기 제1층보다 에너지 준위가 낮은 제2층을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 제2층은 상기 전자차단층과 접하여 계면을 형성할 수 있으며, 또한, 상기 제2층의 두께는 20Å 이하인 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, when the energy level of the hole collector layer based on the valence band is higher than the doping level of the p-type nitride semiconductor layer as the first layer, the hole collector layer is the valence band On the basis of the second layer may have a lower energy level than the first layer. In this case, the second layer may be in contact with the electron blocking layer to form an interface, and the thickness of the second layer is preferably 20 kPa or less.

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.According to the present invention, a light emitting efficiency is improved by increasing the concentration of holes entering the active layer, and a nitride semiconductor light emitting device capable of solving the problem of deterioration of quantum efficiency during high current injection can be obtained.

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 종래 질화물 반도체 소자에서 활성층의 에너지 준위를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 홀컬렉터층을 채용한 질화물 반도체 소자 및 종래의 질화물 반도체 소자의 양자효율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다.
1 is a cross-sectional view showing a general nitride semiconductor device.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an enlarged view of a region indicated by A in FIG. 2. 4 schematically shows the valence band energy level in the region shown in FIG. 3.
5 schematically shows energy levels of active layers in a conventional nitride semiconductor device.
6 shows simulation results of quantum efficiencies of a nitride semiconductor device employing a hole collector layer and a conventional nitride semiconductor device.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

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.
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. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully 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.

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.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an enlarged view of a region indicated by A in FIG. 2. 4 schematically shows the valence band energy level in the region shown in FIG. 3.

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.
First, referring to FIG. 2, the nitride semiconductor element 100 according to the present embodiment includes a substrate 101, an n-type nitride semiconductor layer 102, an active layer 103, an electron blocking layer 105, and a p-type nitride. The semiconductor layer 106 is formed, and a hole collector 104 layer is formed between the active layer 103 and the electron blocking layer 105. An n-type electrode 107a may be formed on an exposed surface of the n-type nitride semiconductor layer 102, and a p-type electrode 107b may be formed on an upper surface of the p-type nitride semiconductor layer 106. Although not shown, an ohmic contact layer made of a transparent electrode material or the like may be formed between the p-type nitride semiconductor layer 106 and the p-type electrode 107b. In the present embodiment, the n-type and p-type electrodes 107a and 107b are exemplified in a horizontal nitride semiconductor device structure in which the n-type and p-type electrodes are disposed to face the same direction. It will be readily understood by one skilled in the art that the sapphire substrate can be applied to the case).

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.
The substrate 101 is for nitride single crystal growth, and in general, a sapphire substrate may be used. Sapphire substrates are hexagonal-Rhombo R3c symmetric crystals with lattice constants in the c-axis and a-axis directions of 13.001 Å and 4.758 각각, respectively, C (0001) plane, A (1120) plane, and R ( 1102) surface and the like. In this case, the C plane is mainly used as a nitride growth substrate because the C surface is relatively easy to grow and stable at high temperatures. Of course, therefore the decision of SiC, GaN, ZnO, MgAl 2 O 4, MgO, LiAlO 2 and LiGaO 2 substrate or the like is also a nitride semiconductor single crystal use is possible and, furthermore, is grown on the substrate 101 made of the type It is also possible to grow a buffer layer for quality improvement, for example, an undoped GaN layer.

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(102, 106)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, Be 등이 대표적이다. 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(102, 106)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, HVPE 공정 등으로 성장될 수 있다.
The n-type and p-type nitride semiconductor layers 102 and 106 are Al x In y Ga (1-xy) N composition formulas, where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ x + y ≦ 1. N-type impurity and p-type impurity can be made of a semiconductor material doped, typically, GaN, AlGaN, InGaN. In addition, Si, Ge, Se, Te and the like may be used as the n-type impurity, and the p-type impurity is Mg, Zn, Be and the like. The n-type and p-type nitride semiconductor layers 102 and 106 may be grown by MOCVD or HVPE processes known in the art.

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 InxGa1 - 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) 구조로 이루어질 수 있다.
The active layer 103 formed between the n-type and p-type nitride semiconductor layers 102 and 106 emits light having a predetermined energy by recombination of electrons and holes, and the band gap energy is adjusted according to the indium content. x Ga 1 - x N (0 ≦ x ≦ 1). In this case, as shown in FIG. 3, the active layer 103 may have a multi-quantum well (MQW) structure in which a quantum barrier layer 103a and a quantum well layer 103b are alternately stacked.

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, AlxGa1 - 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.
The electron blocking layer 105 may block electrons having a higher mobility than the holes from overflowing the active layer 103. To this end, the band gap energy may be higher than that of the active layer 103, and specifically, may be made of a material such as Al x Ga 1 - x N (0 ≦ x ≦ 1). In this case, the band gap energy of the electron blocking layer 105 may be appropriately adjusted by the aluminum content. However, as described above, the electron blocking layer 105 increases the recombination probability in the active layer 103 by blocking the overflow of electrons, but may also function to block the injection of holes.

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 홀컬렉터(104)은 제1층(104a) 및 제2층(104b)으로 구분될 수 있으며, 상기 제1층(104a)은 활성층(103)의 양자우물층(103b)과 계면을 형성하고, 상기 제2층(104b)은 상기 전자차단층(105)과 계면을 형성한다. 다만, 본 실시 형태에서는 상기 홀컬렉터층(104)이 2개의 층으로 구분된 구조를 설명하고 있으나, 경우에 따라, 상기 제1층(104a)만으로 홀컬렉터(104)을 형성할 수도 있다.
In this embodiment, in order to reduce the hole blocking function of the electron blocking layer 105, the hole collector layer 104 is employed between the active layer 103 and the electron blocking layer 105, the hole collector layer 104 provides an appropriate energy level condition to increase the probability that holes injected from the p-type nitride semiconductor layer 106 can be injected into the active layer 103 by tunneling or crossing the electron blocking layer 105. Referring to FIG. 4, the hole collector 104 may be divided into a first layer 104a and a second layer 104b, and the first layer 104a may be formed of both the active layers 103. An interface is formed with the well layer 103b, and the second layer 104b forms an interface with the electron blocking layer 105. In the present embodiment, the structure of the hole collector layer 104 is divided into two layers. However, in some cases, the hole collector 104 may be formed using only the first layer 104a.

상기 홀컬렉터층(104) 중 제1층(104a)은 상기 양자우물층(103b)보다 에너지 준위(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.
The first layer 104a of the hole collector layer 104 has a lower energy level Ev than the quantum well layer 103b and a higher energy level Ev than the quantum barrier layer 103a. In this case, the energy level Ev described in the present embodiment is based on a valence band. Furthermore, the energy level of the first layer 104a is higher than the doping level of the p-type nitride semiconductor layer 106, and the concentration of holes for tunneling the electron blocking layer 105 increases due to such energy level conditions. Can be. 4 illustrates a case where Mg is used as the p-type impurity, assuming that the p-type nitride semiconductor layer 105 and the quantum barrier layer 103a are made of the same material, for example, GaN. The energy level difference, ΔEv, of layer 104a must be greater than the energy level value raised by Mg doping. In view of this, it is preferable that ΔEv is greater than about 170 meV.

이 경우, 상기 제1층(104a)은 InxGa1 - xN(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. 또한, 상기 제1층(103a)의 두께(t1)는 상기 양자우물층(103b)보다는 두껍고, 다만, 약 100Å를 넘지 않는 것이 바람직하다.
In this case, the first layer 104a is formed of In x Ga 1 - x N (0 ≦ x ≦ 1), and the energy level may be appropriately adjusted by adjusting the indium content. In order to have an energy level as shown in FIG. 4, the indium content of the first layer 104a may be lower than that of the quantum well layer 103b and higher than that of the quantum barrier layer 103a. In addition, the thickness t1 of the first layer 103a is thicker than that of the quantum well layer 103b, but preferably not more than about 100 GPa.

한편, 상기 제1층(104a)과 전자차단층(105) 사이에 형성된 상기 제2층(104b)은 상기 제1층(104a)과 전자차단층(105)의 사이에 해당하는 에너지 준위를 가지며, 예컨대, 언도프 GaN으로 이루어져 상기 양자장벽층(105)과 동일한 에너지 준위를 가질 수 있다. 상기 제2층(104b)은 InGaN으로 이루어질 수 있는 제1층(104a)을 보호하는 캡핑(capping)층으로 기능할 수 있으며, 나아가, 그 위에 성장되는 전자차단층(105)에서 제1층(104a)으로 Mg 등이 확산되는 것을 방지하는 기능을 한다. 이러한 사항을 고려하였을 때, 상기 제2층(104b)의 두께(t)는 20Å이하가 되는 것이 바람직하다.
On the other hand, the second layer 104b formed between the first layer 104a and the electron blocking layer 105 has an energy level between the first layer 104a and the electron blocking layer 105. For example, the quantum barrier layer 105 may have the same energy level as that of the quantum barrier layer 105. The second layer 104b may function as a capping layer protecting the first layer 104a, which may be made of InGaN, and furthermore, the first layer (not shown) in the electron blocking layer 105 grown thereon. 104a) serves to prevent the diffusion of Mg and the like. In consideration of these matters, the thickness t of the second layer 104b is preferably 20 kPa or less.

이와 같이 홀컬렉터층을 채용한 질화물 반도체 소자의 양자효율(quantum efficiency)을 종래의 구조와 비교한 결과를 살펴보면, 도 6은 홀컬렉터층을 채용한 질화물 반도체 소자 및 종래의 질화물 반도체 소자의 양자효율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다. 이 경우, 종래 질화물 반도체 소자의 활성층 구조는 도 5에 도시된 바와 같이, 홀컬렉터층 대신 동일한 두께의 양자장벽층이 채용된 것이다. 도 6을 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 efficiency droop 문제가 발생하지 않으며, 이에 따라, 고 전류에서 작동이 요구되는 조명 장치 등에 사용되기에 적합하다.
As a result of comparing the quantum efficiency of the nitride semiconductor device employing the hole collector layer with the conventional structure, FIG. 6 shows the quantum efficiency of the nitride semiconductor device employing the hole collector layer and the conventional nitride semiconductor device. The simulation results are shown. In this case, the active layer structure of the conventional nitride semiconductor element is a quantum barrier layer having the same thickness instead of the hole collector layer as shown in FIG. Referring to FIG. 6, in the case of a conventional nitride semiconductor device (dotted line), the quantum efficiency in the low current region is relatively excellent, but when a high current is applied, the quantum efficiency tends to be significantly decreased, that is, efficiency droop occurs. . In comparison, an efficiency droop problem does not occur in a nitride semiconductor element (solid line) employing a hole collector layer, and thus, it is suitable for use in lighting devices and the like requiring operation at high current.

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.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is defined by the appended claims. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that various forms of substitution, modification, and alteration are possible without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, and the appended claims. Will belong to the technical spirit described in.

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
101: substrate 102: n-type nitride semiconductor layer
103: active layer 104: hole collector layer
105: electron blocking layer 106: p-type nitride semiconductor layer
107a and 107b: n-type and p-type electrodes 103a: quantum barrier layer
103b: quantum well layer 104a, 104b: first and second layers

Claims (10)

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, 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 영역을 구비하는 홀컬렉터층;
을 포함하는 질화물 반도체 소자.
an n-type nitride semiconductor layer;
p-type nitride semiconductor layer;
An active layer formed between the n-type and p-type nitride semiconductor layers, wherein an quantum well layer and a quantum barrier layer are alternately stacked;
An electron blocking layer formed between the active layer and the p-type nitride semiconductor layer; And
A hole collector layer formed between the active layer and the electron blocking layer and having a region having an energy level higher than a doping level of the p-type nitride semiconductor layer based on a valence band;
A nitride semiconductor device comprising a.
제1항에 있어서,
상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위는 Mg 도핑 준위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 1,
The doping level of the p-type nitride semiconductor layer is a nitride semiconductor device, characterized in that the doping level.
제1항에 있어서,
가전자대역을 기준으로 상기 홀컬렉터층의 에너지 준위와 상기 p형 질화물 반도체층의 에너지 준위의 차는 170meV 보다 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 1,
The difference between the energy level of the hole collector layer and the energy level of the p-type nitride semiconductor layer on the basis of the valence band is greater than 170meV.
제1항에 있어서,
상기 홀컬렉터층은 이와 인접한 상기 활성층의 양자우물층보다 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 낮은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 1,
The hole collector layer has a lower energy level based on the valence band than the quantum well layer of the active layer adjacent thereto.
제1항에 있어서,
상기 홀컬렉터층은 InxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 1,
The hole collector layer is formed of In x Ga 1 - x N (0≤x≤1).
제5항에 있어서,
상기 홀컬렉터층과 인접한 상기 활성층의 양자우물층은 상기 홀컬렉터층보다 인듐 함량이 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 5,
The quantum well layer of the active layer adjacent to the hole collector layer has a higher indium content than the hole collector layer.
제1항에 있어서,
상기 홀컬렉터층에서 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 영역의 두께는 100Å 이하이되, 이와 인접한 상기 활성층의 양자우물층보다는 두꺼운 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 1,
A nitride semiconductor device having an energy level based on a valence band in the hole collector layer having a thickness higher than a doping level of the p-type nitride semiconductor layer is 100 Å or less, and is thicker than a quantum well layer of the active layer adjacent thereto. .
제1항에 있어서,
상기 홀컬렉터층에서 가전자대역을 기준으로 에너지 준위가 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 준위보다 높은 영역을 제1층이라 할 때, 상기 홀컬렉터층은 가전자대역을 기준으로 상기 제1층보다 에너지 준위가 낮은 제2층을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 1,
When the energy level of the hole collector layer based on the valence band is higher than the doping level of the p-type nitride semiconductor layer as the first layer, the hole collector layer is formed on the valence band than the first layer. A nitride semiconductor device comprising a second layer having a low energy level.
제8항에 있어서,
상기 제2층은 상기 전자차단층과 접하여 계면을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 8,
And the second layer is in contact with the electron blocking layer to form an interface.
제8항에 있어서,
상기 제2층의 두께는 20Å 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
The method of claim 8,
The thickness of the said 2nd layer is a nitride semiconductor element characterized by the above-mentioned.
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