KR20130017112A - High efficiency semiconductor photo device structure having electron tunneling barrier layer and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 등 반도체 광소자 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, GaN보다 에너지 밴드갭(Eg)이 큰 ETB층(Electron Tunneling Barrier: 전자 터널링 배리어층)을 N형 GaN층과 활성층인 MQW층(Multi Quantum Well: 다중 양자 우물층) 사이에 삽입하여 터널링 효과로 인한 MQW층에서의 전자와 홀(hole)의 비율을 맞추고 캐리어 범람현상을 감소시켜 기존의 EBL층(Electron Blocking Layer: 전자 차단층)을 사용하지 않아도 내부양자효율과 광추출 효율을 향상시키며, EBL층이 필요 없기 때문에 홀 주입이 증가되어 효율을 더욱 높일 수 있는 고품질 반도체 광소자 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근, GaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는, 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 태양 전지 등의 반도체 광소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져있다. 이러한 질화물 반도체 광소자는 핸드폰의 백라이트(backlight)나 키패드, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다. 특히, 디지털 제품이 진화함에 따라, 보다 큰 휘도와 높은 신뢰성을 갖는 질화물 반도체 광소자에 대한 요구가 증가하고 있다. Recently, group III-V nitride semiconductors such as GaN have been spotlighted as core materials of semiconductor optical devices such as light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), and solar cells due to their excellent physical and chemical properties. Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor is made of a semiconductor material having a composition formula of the conventional Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1). The nitride semiconductor optical device is applied as a light source of various products such as a backlight of a mobile phone, a keypad, an electronic signboard, an illumination device, and the like. In particular, as digital products evolve, there is an increasing demand for nitride semiconductor optical devices having greater brightness and higher reliability.
도 1은 기존의 발광 다이오드(100)의 구조를 나타낸다. 도1을 참조하면, 기존의 발광 다이오드(100)는 사파어어와 같은 기판(110) 상에 버퍼 역할을 하는 템플레이트(template)층(120)을 형성하고 그위에 LED층(130)을 갖는다. LED층(130)은 각 전극(141/142)에 연결된 N형 GaN층(131)과 P형 GaN층(134) 사이에 활성층인 MQW층(132)과 EBL층(133)을 포함한다. MQW층(132)은 일반적으로 InGaN/GaN 층을 수회 반복한 양자 우물층들로서 전자가 우물로 구속되어 재결합할 수 있도록 한다. 1 illustrates a structure of a conventional
도 2의 에너지 밴드 구조와 같이 EBL층(133)은 InGaN/GaN 층 보다는 에너지 밴드갭(band gap)이 크게 형성되며, 여기에 존재하는 결함을 따라 터널링이나 누설 통로를 통해 P형 GaN층(134)으로 일부 전자가 누설되기는 하지만, 대부분의 전자가 P형 GaN층(134)으로 흐르지 못하도록 차단시키는 역할을 하여 전자-정공의 재결합율을 높여 광추출 효율을 증가시킨다. As shown in the energy band structure of FIG. 2, the
그러나, 위와 같은 기존의 발광 다이오드 구조에서는, EBL층(133)과 MQW층(132)의 GaN 층 사이의 큰 밴드갭 차이로 인하여 순방향 전압(Vf)을 높여 동작 전압을 증가시키는 문제점이 있다. 또한, P형 GaN층(134)으로부터 MQW층(132)으로의 홀 주입도 원활하지 못하게 하여 전자-정공 재결합율을 떨어뜨리며, 결국 광 추출 효율이 저조해 전체 발광 강도(intensity)가 낮게 나타난다. 따라서, 발광 강도를 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 등의 반도체 광소자 구조를 제안하고자 한다. However, in the conventional light emitting diode structure as described above, there is a problem of increasing the operating voltage by increasing the forward voltage Vf due to the large band gap difference between the GaN layer of the
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 태양 전지 등 반도체 광소자에 적용을 위하여, GaN보다 에너지 밴드갭(Eg)이 큰 ETB층(Electron Tunneling Barrier: 전자 터널링 배리어층)을 N형 GaN층과 활성층인 MQW층(Multi Quantum Well: 다중 양자 우물층) 사이에 삽입하여 터널링 효과로 인한 MQW층에서의 전자와 홀(hole)의 비율을 맞추고 캐리어 범람현상을 감소시켜 기존의 EBL층(Electron Blocking Layer: 전자 차단층)을 사용하지 않아도 내부양자효율과 광추출 효율을 향상시키며, EBL층이 필요 없기 때문에 홀 주입이 증가되어 효율을 더욱 높일 수 있는 고품질 반도체 광소자 구조 및 그 제조 방법를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above-described problems, the object of the present invention, for applying to semiconductor optical devices such as light emitting diodes (LED), laser diodes (LD), solar cells, energy bandgap (Eg) than GaN A large ETB layer (Electron Tunneling Barrier) is inserted between the N-type GaN layer and the active MQW layer (Multi Quantum Well layer) to form electrons and holes in the MQW layer due to the tunneling effect. By adjusting the ratio of holes and reducing carrier flooding, it improves the internal quantum efficiency and light extraction efficiency without using the existing EBL layer (Electron Blocking Layer). It is to provide a high-quality semiconductor optical device structure and its manufacturing method that can be increased to further increase the efficiency.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 태양 전지 등 반도체 광소자의 제조 방법은, N형 질화물 반도체층 위에 GaN층보다 밴드갭이 큰AlxInyGa1-x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 ETB(Electron Tunneling Barrier)층을 형성하고, 상기 ETB층 위에 활성층으로서 다중 양자 우물층을 형성하며, 상기 다중 양자 우물층 위에 P형 질화물 반도체층을 형성하되, 상기 ETB층이 상기 N형 질화물 반도체층 보다 에너지 밴드갭을 크게하여 상기 N형 질화물 반도체층으로부터 상기 ETB층을 터널링하는 전자를 상기 다중 양자 우물층에 구속해, 상기 전자와 상기 P형 질화물 반도체층으로부터 상기 다중 양자 우물층으로 주입되는 홀 간의 재결합율을 증가시키기 위한 것을 특징으로 한다.First, to summarize the features of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor optical device such as a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), a solar cell according to an aspect of the present invention for achieving the above object of the present invention, N Electron Tunneling Barrier with Al x In y Ga 1-x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1) on the nitride semiconductor layer A layer, a multi-quantum well layer as an active layer on the ETB layer, and a P-type nitride semiconductor layer formed on the multi-quantum well layer, wherein the ETB layer has an energy band gap greater than that of the N-type nitride semiconductor layer. By enlarging the electrons tunneling the ETB layer from the N-type nitride semiconductor layer to the multi-quantum well layer, the recombination rate between the electrons and the holes injected from the P-type nitride semiconductor layer into the multi-quantum well layer is increased. It is special to let It shall be.
상기 ETB층의 두께는 0.1 ~ 3.0 nm 일 수 있다.The thickness of the ETB layer may be 0.1 ~ 3.0 nm.
상기 ETB층은 AlxIn1 - xN층(0<x<1)을 포함하며, 여기서 x는 0.6 이상 이며 1 미만일 수 있다.The ETB layer includes an Al x In 1 - x N layer (0 <x <1), where x is greater than or equal to 0.6 and less than one.
상기 ETB층은 Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg 중 적어도 어느 하나 이상의 N형 도펀트로 도핑될 수 있다.The ETB layer may be doped with an N-type dopant of at least one of Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, and Mg.
상기 반도체 광소자를 형성하기 위한 기판으로 사파이어, GaN, SiC, AlN, ZnO, LiAlO2, 또는 LiGaO2 기판을 사용할 수 있으며, 상기 반도체 광소자를 형성하기 위한 기판으로 극성(polar), 비극성(non-polar) 또는 반극성(semi-polar)의 질화물 반도체가 성장되는 결정면을 갖는 기판을 사용할 수 있다.A sapphire, GaN, SiC, AlN, ZnO, LiAlO 2 , or LiGaO 2 substrate may be used as a substrate for forming the semiconductor optical device, and a polar and non-polar substrate may be used as a substrate for forming the semiconductor optical device. ) Or a substrate having a crystal plane on which a semi-polar nitride semiconductor is grown can be used.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 반도체 광소자는, N형 질화물 반도체층; 상기 N형 질화물 반도체층 위에 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 형성된 ETB(Electron Tunneling Barrier)층; 상기 ETB층 위에 활성층으로서 형성된 다중 양자 우물층; 및 상기 다중 양자 우물층 위에 형성된 P형 질화물 반도체층을 포함하되, 상기 ETB층이 상기 N형 질화물 반도체층 보다 에너지 밴드갭을 크게하여 상기 N형 질화물 반도체층으로부터 상기 ETB층을 터널링하는 전자를 상기 다중 양자 우물층에 구속해, 상기 전자와 상기 P형 질화물 반도체층으로부터 상기 다중 양자 우물층으로 주입되는 홀 간의 재결합율을 증가시키기 위한 것을 특징으로 한다.In addition, a semiconductor optical device according to another aspect of the present invention, an N-type nitride semiconductor layer; The N-type nitride semiconductor layer ETB (Electron Tunneling Barrier) formed of Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1) above the floor; A multiple quantum well layer formed as an active layer on the ETB layer; And a P-type nitride semiconductor layer formed on the multi-quantum well layer, wherein the ETB layer tunnels the ETB layer from the N-type nitride semiconductor layer by having an energy band gap larger than that of the N-type nitride semiconductor layer. Constrained to the multi-quantum well layer, characterized in that for increasing the recombination rate between the electron and the hole injected into the multi-quantum well layer from the P-type nitride semiconductor layer.
상기 반도체 광소자는 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 광검출 소자 또는 태양 전지를 포함한다.The semiconductor optical device includes a light emitting diode, a laser diode, a photodetecting device, or a solar cell.
본 발명에 따른 반도체 광소자 구조 및 그 제조 방법에 따르면, GaN보다 에너지 밴드갭(Eg)이 큰 ETB층을 N형 GaN층과 활성층인 MQW층 사이에 삽입하여 터널링 효과로 인한 MQW층에서의 전자와 홀(hole)의 비율을 맞추고 캐리어 범람현상을 감소시켜 기존의 EBL층을 사용하지 않아도 내부양자효율과 광추출 효율을 향상시킬 수 있으며, EBL층이 필요 없기 때문에 홀 주입이 증가되어 효율을 더욱 높일 수 있고, 이에 따라 높은 발광 강도가 요구되는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 태양 전지 등에 적용하여 고품질로 제조되도록 할 수 있다.According to the semiconductor optical device structure and manufacturing method thereof according to the present invention, electrons in the MQW layer due to the tunneling effect by inserting an ETB layer having a larger energy band gap (Eg) than GaN between the N-type GaN layer and the active MQW layer By adjusting the ratio of holes and holes and reducing the carrier overflow phenomenon, the internal quantum efficiency and light extraction efficiency can be improved without using the existing EBL layer. It can be increased, and thus can be applied to light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), solar cells, and the like, which require high emission intensity, so as to be manufactured at high quality.
도 1은 기존의 발광 다이오드의 구조를 나타낸다.
도 2는 도 1의 구조의 에너지 밴드 다어어그램이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드의 구조를 나타낸다.
도 4는 도 3에 대한 에너지 밴드 다어어그램이다.
도 5a는 기존(도 1) 구조의 MQW층에서의 캐리어 농도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5b는 본 발명(도 3) 구조의 MQW층에서의 캐리어 농도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6a는 기존 구조의 MQW층에서의 재결합율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6b는 본 발명 구조의 MQW층에서의 재결합율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 기존 구조와 본 발명 구조의 내부양자효율(IQE)과 순방향전압(Vf)을 비교하기 위한 그래프이다.
도 8은 기존 구조와 본 발명 구조의 토탈 발광 강도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 9는 P형 GaN층의 최대 도핑 농도에서 기존 구조와 본 발명 구조의 발광 강도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 10은 MQW층의 각 우물층에서 기존 구조와 본 발명 구조의 발광 강도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 11은 기존 구조와 본 발명 구조의 내부양자효율 드룹 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 12는 Al 조성 변화에 대한 본 발명 구조의 발광 강도와 기존 구조의 발광 강도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 13은 ETB층의 두께 변화에 대한 본 발명 구조의 발광 강도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 ETB층에 N형 도핑 농도 변화에 대한 본 발명 구조의 발광 강도를 나타내는 그래프이다.1 shows the structure of a conventional light emitting diode.
FIG. 2 is an energy band diagram of the structure of FIG. 1. FIG.
3 shows a structure of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
4 is an energy band diagram for FIG. 3.
FIG. 5A is a graph for explaining carrier concentration in an MQW layer of a conventional (FIG. 1) structure. FIG.
Fig. 5B is a graph for explaining carrier concentration in the MQW layer of the structure of the present invention (Fig. 3).
6A is a graph for explaining the recombination rate in the MQW layer of the existing structure.
6B is a graph for explaining the recombination rate in the MQW layer of the structure of the present invention.
7 is a graph for comparing the internal quantum efficiency (IQE) and the forward voltage (Vf) of the existing structure and the structure of the present invention.
8 is a graph for comparing the total emission intensity of the existing structure and the structure of the present invention.
9 is a graph for comparing the emission intensity of the existing structure and the present invention structure at the maximum doping concentration of the P-type GaN layer.
10 is a graph for comparing the emission intensity of the existing structure and the present invention structure in each well layer of the MQW layer.
11 is a graph for comparing the internal quantum efficiency droop characteristics of the existing structure and the present invention structure.
12 is a graph for comparing the light emission intensity of the present invention structure with respect to the Al composition change and the light emission intensity of the existing structure.
Fig. 13 is a graph showing the light emission intensity of the structure of the present invention with respect to the thickness change of the ETB layer.
14 is a graph showing the emission intensity of the structure of the present invention with respect to the N-type doping concentration change in the ETB layer.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드(200)의 구조를 나타낸다. 이하 도 4의 에너지 밴드 다어어그램을 참조하여 설명한다. 도 4의 에너지 밴드 다어어그램은 도 3의 구조에 대하여 개략적인 직선 형태로 도시한 것이며 실제 제조상에서는 C-면에 성장 시 극성으로 인한 각 층의 에너지 밴드의 전도대와 가전자대가 휨이 발생할 수 있으며, 또한 극성 뿐만아니라 비극성, 반극성 LED 제조를 포함한다.3 shows a structure of a
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드(200)는 기판(210), 그 위에 형성된 템플레이트층(template layer)(220), 및 발광 다이오드(LED) 층(230)을 포함한다. Referring to FIG. 3, a
이하에서 템플레이트층(220) 위에 도3과 같이 발광 다이오드(LED)층(230)이 형성되는 발광 다이오드(200)의 구조에 대하여 설명하지만, 발광 다이오드(LED)층(230)의 구조는 레이저 다이오드, 광검출 소자 또는 태양 전지 등 다양한 반도체 광소자에 유사하게 응용될 수 있음을 밝혀 둔다.Hereinafter, the structure of the
도 3에서 기판(210)은 사파이어로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라서는 GaN, SiC, AlN, ZnO, LiAlO2, LiGaO2 등 다양한 재질의 기판으로 이루어질 수 있는 것을 배제하지 않는다. 또한, 기판(210)의 결정면(예를 들어, 사파이어 결정면)은 그 위에 극성(polar) GaN 등의 질화물 반도체가 성장될 수 있는 C-면(예를 들어, (0001)면), 비극성(non-polar) 또는 반극성(semi-polar) GaN 등의 질화물 반도체가 성장될 수 있는 A-면(예를 들어, (11-20)면), M-면(예를 들어, (10-10)면), 또는 R-면(예를 들어, (1-102)면) 등일 수 있다. In FIG. 3, the substrate 210 may be made of sapphire, and in some cases, the substrate 210 may not include a substrate made of various materials such as GaN, SiC, AlN, ZnO, LiAlO 2 , LiGaO 2, and the like. In addition, the crystal plane (eg, sapphire crystal plane) of the substrate 210 may have a C-plane (eg, (0001) plane) and a non-polar (non-polar) surface where a nitride semiconductor such as polar GaN may be grown thereon. A-plane (e.g., (11-20) plane), M-plane (e.g., (10-10), on which nitride semiconductors such as -polar) or semi-polar GaN can be grown Plane), or R-plane (eg, (1-102) plane) and the like.
템플레이트층(220)은 발광 다이오드(LED)층(230)을 형성하기 위한 버퍼층으로서 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 GaN층 등으로 이루어질 수 있다. The
LED층(230)은 각 전극(241/242)에 연결된 N형 GaN층(231)과 P형 GaN층(235) 사이에, ETB층(Electron Tunneling Barrier: 전자 터널링 배리어층)(232), 활성층으로서 MQW층(다중 양자 우물층)(233)을 포함하며, 경우에 따라서는 MQW층(다중 양자 우물층)(233)과 P형 GaN층(235) 사이에 기존의 EBL층(Electron Blocking Layer: 전자 차단층)(234)이 포함될 수도 있다. EBL층(234)는 MQW층(233)의 배리어층인 GaN 층 보다 에너지 밴드갭이 크게 형성되는 층이며, MQW층(233)으로 들어온 전자가 P형 GaN층(235)으로 흐르지 못하도록 차단시키는 역할을 하여 MQW층(233)에서의 전자와 홀의 재결합율을 높여 광추출 효율을 증가시킬 수 있다. The LED layer 230 includes an ETB layer (electron tunneling barrier layer) 232 and an active layer between the N-
본 발명에서는 N형 GaN층(231)의 GaN보다 에너지 밴드갭(Eg)이 큰 ETB층(232)을 N형 GaN층(231)과 활성층인 MQW층(233) 사이에 삽입하여, ETB층(232)의 터널링 효과로 인한 MQW층(233)에서의 전자와 홀(hole)의 비율을 맞추고 캐리어 범람현상을 감소시켜 위와 같은 EBL층(234)을 사용하지 않아도 내부양자효율과 광추출 효율을 향상시킬 수 있으며, EBL층(234)이 필요 없기 때문에 P형 GaN층(235)으로부터 MQW층(233)으로 홀 주입이 증가되어 효율을 더욱 높일 수 있고, 이에 따라 높은 발광 강도가 요구되는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 태양 전지 등에 적용하여 고품질로 제조되도록 하였다.In the present invention, an
도 3에서, N형 질화물 반도체층인 N형 GaN층(231)은 Si 등의 N형 도펀트를 도핑한 GaN 층을 2 마이크로미터 정도의 두께로 성장시켜 형성될 수 있다.In FIG. 3, an N-
N형 GaN층(231)에 형성되는 ETB층(232)은 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, N형 GaN층(231)보다 에너지 밴드갭이 크도록 Al의 조성비가 선택될 수 있다. 예를 들어, 하기하는 바와 같이, ETB층(232)의 두께는 0.1 ~ 3.0 nm 로 형성될 수 있으며, 특히, AlxIn1 - xN층(0<x<1 중 x는 0.6 이상 1미만)으로 이루어질 수 있다. 또한, ETB층(232)은 Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg 중 적어도 어느 하나 이상의 N형 도펀트로 도핑될 수도 있다.N-type GaN layer (231)
MQW층(233)은 양자 우물층(InGaN층)(W)과 배리어층(GaN 층)(B)을 복수회(예를 들어, 5회) 반복한 양자 우물층들을 포함하고, 전극(241/242)에 순방향 전압(Vf) 이상의 전압 인가시 얇은 ETB층(232)을 터널링하여 들어오는 전자가 우물층(W)에 구속시켜 재결합할 수 있도록 한다. 양자 우물층(W)은 2.5 나노미터 정도의 두께로 형성될 수 있으며, 배리어층(B)은 5에서 7.5 나노미터 정도의 두께로 형성될 수 있다. The
MQW층(233)의 InGaN 양자우물층과 GaN 배리어층은 무도핑층일 수도 있지만, 1*1016 내지 1*1017 (/cm3)정도의 도펀트 농도로 도핑될 수 있으며, 이때 사용되는 도펀트로서 Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg 중 적어도 어느 하나 이상이 이용될 수 있다. InGaN 양자우물층은 InxGa1 - xN (0<x<1)과 같은 조성식으로 이루어지며 x=0.15~0.17 정도가 적당하고, 경우에 따라서 In의 성분비를 다르게 할 수도 있다.The InGaN quantum well layer and the GaN barrier layer of the
한편, MQW층(233) 또는 EBL층(234) 위에 형성되는 P형 질화물 반도체층인 P형 GaN층(235)은 Mg 등 P 형 도펀트를 1*1018 (/cm3)정도로 도핑한 GaN 층으로 이루어지며, 그 두께가 120 나노미터 정도로 성장되도록 형성될 수 있다. 실제 제조상에서는 P형 GaN층(235)의 농도가 1*1018 (/cm3) 이하일 수 있다. Meanwhile, the P-
이와 같은 본 발명의 반도체 광소자 구조에서, 전극(241/242)에 순방향 전압(Vf) 이상의 전압 인가시 N형 GaN층(231)의 전자는 ETB층(232)을 터널링하여 MQW층(233)으로 들어오며, MQW층(233)에 의해 구속된 전자는 P형 GaN층(235)으로부터 MQW층(233)으로 주입되는 홀과 재결합된다. 이때, EBL층(234)에 의해 어느정도 홀 주입을 방해하였으나 EBL층(234)의 제거로 MQW층(233)으로 주입되는 전자와 홀 량의 밸런스를 맞추어 주게되고 이에 따라 MQW층(233)에서 P형 GaN층(235)으로 오버플로우되는 캐리어(전자)를 줄일 수 있으며, 결국 MQW층(233)에서의 전자-홀 재결합률을 향상시켜 내부양자효율과 광추출 효율을 증가시키게 된다. In the semiconductor optical device structure of the present invention, the electrons of the N-
이하 위와 같은 본 발명의 반도체 광소자 구조에 대해 실험(시뮬레이션)한 결과를 정리하면 다음과 같다. The results of the experiment (simulation) on the semiconductor optical device structure of the present invention as described above are summarized as follows.
도 5a는 기존(도 1) 구조의 MQW층에서의 캐리어 농도를 설명하기 위한 그래프이다. 도 5b는 본 발명(도 3) 구조의 MQW층(233)에서의 캐리어 농도를 설명하기 위한 그래프이다. 도 5a와 도 5b에서 각 우물층(W)의 전자와 홀의 농도 곡선이 만나는 점에서 재결합이 최대가 되는데, 동일 전류 밀도 조건에서 도 5a의 기존 구조에 비교하여 본 발명의 구조가 각 우물층(W)에서의 전자와 홀의 농도 곡선이 만나는 점이 높게 나타남을 확인하여 본 발명 구조의 MQW층(233)에서 재결합이 기존 구조보다 활발히 이루어짐을 알 수 있었다. FIG. 5A is a graph for explaining carrier concentration in an MQW layer of a conventional (FIG. 1) structure. FIG. 5B is a graph for explaining carrier concentration in the
도 6a는 기존 구조의 MQW층에서의 재결합율을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6b는 본 발명 구조의 MQW층에서의 재결합율을 설명하기 위한 그래프이다. 여기서도 동일 전류 밀도 조건에서 도 6a의 기존 구조에 비교하여 본 발명의 구조가 각 우물층(W)에서의 발광 가능한 재결합율(radiative recombination)은 크고 비발광 재결합율(non-radiative recombination)은 작아, 결국 재결합률(recombination rate)이 더 높게 나타남을 확인하여 본 발명 구조의 MQW층(233)에서 재결합이 기존 구조보다 활발히 이루어짐을 알 수 있었다. 6A is a graph for explaining the recombination rate in the MQW layer of the existing structure. 6B is a graph for explaining the recombination rate in the MQW layer of the structure of the present invention. Herein, in the same current density condition, the structure of the present invention is larger in the light emitting recombination ratio in each well layer W and the non-radiative recombination ratio is small in comparison with the existing structure of FIG. 6A. As a result, it was confirmed that the recombination rate is higher, so that the recombination in the
도 7은 기존 구조와 본 발명 구조의 내부양자효율(IQE)과 순방향전압(Vf)을 비교하기 위한 그래프이다. 여기서도 동일 전류 밀도 조건에서 기존의 EBL층 대신 본 발명과 같이 ETB층(232)을 삽입함으로써, 내부양자효율(IQE)은 기존 구조에 비하여 2배 가량 증가하고 순방향 전압(Vf)은 기존 구조 보다 거의 증가를 보이지 않는 것을 확인하였다. 참고로, 내부양자효율(IQE)은 MQW층(233)에서의 전체 재결합률에 대한 발광에 기여하는 재결합율의 비율에 해당한다. 7 is a graph for comparing the internal quantum efficiency (IQE) and the forward voltage (Vf) of the existing structure and the structure of the present invention. Here, by inserting the
도 8은 기존 구조와 본 발명 구조의 토탈 발광 강도를 비교하기 위한 그래프이다. 위와 같은 실험 조건에서 도 8과 같이 MQW층(233) 전체에서 발생하는 토탈 발광 강도는, 본 발명의 구조가 기존 구조에 비하여 발광 파장에서 2배 가량 높게 나타남을 확인하였다. 8 is a graph for comparing the total emission intensity of the existing structure and the structure of the present invention. In the above experimental conditions, as shown in FIG. 8, the total emission intensity generated in the
도 9는 P형 GaN층의 최대 도핑 농도에서 기존 구조와 본 발명 구조의 발광 강도를 비교하기 위한 그래프이다. 도 9와 같이 P형 GaN층(235)의 실제 제조 환경을 감안하여 본 발명 구조에서는 P형 GaN층(235)의 P형 도펀트 농도를 농도가 5*1017 (/cm3) 으로 하고, 기존 구조에서는 P형 GaN층의 최대 도핑 농도 1*1018 (/cm3) 으로 한 경우의 결과에서도, 발광 강도는 본 발명의 구조가 기존 구조에 비하여 무시할 정도의 약간 작은 정도로 나타남을 확인하였다. 9 is a graph for comparing the emission intensity of the existing structure and the present invention structure at the maximum doping concentration of the P-type GaN layer. In consideration of the actual manufacturing environment of the P-
도 10은 MQW층의 각 우물층에서 기존 구조와 본 발명 구조의 발광 강도를 비교하기 위한 그래프이다. 도 10과 같이 MQW층의 각 우물층을 비교하여도 본 발명의 구조가 기존 구조에 비하여 각 우물층에서 높은 발광 강도를 나타내며, 특히 P형 GaN층(235) 쪽으로 마지막 우물층에서 기존 구조에서는 급격히 발광 강도가 작아지지만, 본 발명의 구조에서는 반대로 발광 강도가 증가함을 나타낸다. 이는 P형 GaN층(235)에서 주입되는 홀이 MQW층으로 주입되자 마자 곧바로 재결합을 이루는 것으로 파악되고 이에 따라 MQW층의 전자가 P형 GaN층(235)의 오버플로우되는 현상도 상당히 개선됨을 확인하였다. 다만, 이는 예시적인 것일뿐, 제조 공정에 따라 P형 GaN층(235)에서 주입되는 홀이 MQW층으로 주입되자 마자 곧바로 재결합하는 경우도 있지만, 경우에 따라서는 MQW층의 각 우물층에서 분산되어 재결합할 수도 있어서, 각 우물층의 발광 강도의 분포가 도10과는 약간의 차이가 있을 수는 있다. 10 is a graph for comparing the emission intensity of the existing structure and the present invention structure in each well layer of the MQW layer. Even when comparing the well layers of the MQW layer as shown in FIG. 10, the structure of the present invention shows higher emission intensity in each well layer than the conventional structure, and particularly in the existing structure in the last well layer toward the P-
도 11은 기존 구조와 본 발명 구조의 내부양자효율 드룹 특성을 비교하기 위한 그래프이다. 도 11과 같이, 전류 밀도를 변화시킬 때, 본 발명의 구조(ETB)가 전반적으로 기존 구조(EBL)에 비교하여 내부양자효율(IQE)가 높게 나타남이 확인된다.11 is a graph for comparing the internal quantum efficiency droop characteristics of the existing structure and the present invention structure. As shown in FIG. 11, when the current density is changed, it is confirmed that the internal structure ETB of the present invention exhibits a higher internal quantum efficiency IQE compared to the existing structure EBL.
도 12는 Al 조성 변화에 대한 본 발명 구조의 발광 강도와 기존 구조의 발광 강도를 비교하기 위한 그래프이다. 도 12와 같이, ETB층(232)을 AlxIn1 - xN층(0<x<1 중 x는 0.6 이상 1미만)으로 형성하는 경우에, 본 발명의 구조(ETB)가 전반적으로 기존 구조(EBL)에 비교하여 발광강도가 높게 나타남을 확인할 수 있다. 여기서, Al의 조성비가 증가하는 경우에도 ETB 의 밴드갭이 증가하지만 발광강도가 높게 나타남을 확인하였고, 이는 ETB층(232)이 홀 블로킹 역할 보다는 ETB층(232)을 통과하는 전자와 홀 량의 비율을 맞추어 주는 것으로 파악된다. 12 is a graph for comparing the light emission intensity of the present invention structure with respect to the Al composition change and the light emission intensity of the existing structure. As shown in FIG. 12, when the
도 13은 ETB층(232)의 두께 변화에 대한 본 발명 구조의 발광 강도를 나타내는 그래프이다. 도 13과 같이 ETB층(232)의 두께를 1 ~ 3nm로 변화시키며 실험한 결과, 두께가 커지면서 약간씩 발광 강도가 감소하므로 ETB층(232)의 두께는 0.1 ~ 3.0 nm 로 형성되는 것이 바람직함을 확인하였다. 13 is a graph showing the luminescence intensity of the structure of the present invention with respect to the thickness change of the
도 14는 ETB층(232)에 N형 도핑 농도 변화에 대한 본 발명 구조의 발광 강도를 나타내는 그래프이다. AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 또는 AlxIn1 -xN층(0<x<1 중 x는 0.6 이상 1미만)으로 형성될 수 있는 본 발명의 ETB층(232)은 은 Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg 중 적어도 어느 하나 이상의 N형 도펀트로 도핑될 수 있으며, 이때 도 14와 같이 N형 도펀트의 도핑량 1*1016 ~ 1*1019 (/cm3)으로 변화시켜도 발광강도가 미소량으로 감소하는 경향을 보이지만 큰 영향이 없으므로 ETB층(232)은 N형 도펀트로 도핑될 수 있음이 확인되었다. 14 is a graph showing the luminescence intensity of the structure of the present invention with respect to the N-type doping concentration change in the
이와 같이 본 발명의 발광 다이오드 또는 반도체 광소자(200)의 구조에서는, N형 GaN층(231)의 GaN보다 에너지 밴드갭(Eg)이 큰 ETB층(232)을 N형 GaN층(231)과 활성층인 MQW층(233) 사이에 삽입하여, ETB층(232)의 터널링 효과로 인한 MQW층(233)에서의 전자와 홀(hole)의 밸런스를 맞추고 캐리어 오버플로우를 감소시켜 위와 같은 EBL층(234)을 사용하지 않아도 내부양자효율과 광추출 효율을 향상시킬 수 있으며, EBL층(234)이 필요 없기 때문에 P형 GaN층(235)으로부터 MQW층(233)으로 홀 주입이 증가되어 효율을 더욱 높일 수 있고, 이에 따라 높은 발광 강도가 요구되는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 태양 전지 등에 적용하여 고품질로 제조되도록 할 수 있다.As described above, in the structure of the light emitting diode or semiconductor
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.
231: N형 질화물 반도체층
232: ETB: 전자 터널링 배리어층
233: 다중 양자 우물층
234: EBL: 전자 차단층
235: P형 질화물 반도체층
241, 242: 전극231: N-type nitride semiconductor layer
232: ETB: electron tunneling barrier layer
233: multiple quantum well layer
234: EBL: electron blocking layer
235 P-type nitride semiconductor layer
241, 242: electrode
Claims (8)
상기 ETB층 위에 활성층으로서 다중 양자 우물층을 형성하며,
상기 다중 양자 우물층 위에 P형 질화물 반도체층을 형성하되,
상기 ETB층이 상기 N형 질화물 반도체층 보다 에너지 밴드갭을 크게하여 상기 N형 질화물 반도체층으로부터 상기 ETB층을 터널링하는 전자를 상기 다중 양자 우물층에 구속해, 상기 전자와 상기 P형 질화물 반도체층으로부터 상기 다중 양자 우물층으로 주입되는 홀 간의 재결합율을 증가시키기 위한 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.An ETB (Electron Tunneling Barrier) layer is formed on the N-type nitride semiconductor layer with Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1),
Forming a multi-quantum well layer as an active layer on the ETB layer,
Forming a P-type nitride semiconductor layer on the multi-quantum well layer,
The ETB layer has an energy band gap larger than that of the N-type nitride semiconductor layer, constraining electrons tunneling the ETB layer from the N-type nitride semiconductor layer to the multi-quantum well layer, thereby forming the electrons and the P-type nitride semiconductor layer. And to increase the recombination rate between the holes injected into the multi-quantum well layer from the.
상기 ETB층의 두께는 0.1 ~ 3.0 nm 인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.The method of claim 1,
The thickness of the ETB layer is a method for manufacturing a semiconductor optical device, characterized in that 0.1 ~ 3.0 nm.
상기 ETB층은 AlxIn1 - xN층(0<x<1)을 포함하며, 여기서 x는 0.6 이상 이며 1 미만인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.The method of claim 1,
The ETB layer includes an Al x In 1 - x N layer (0 <x <1), wherein x is 0.6 or more and less than 1.
상기 ETB층은 Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg 중 적어도 어느 하나 이상의 N형 도펀트로 도핑되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.The method of claim 1,
The ETB layer is a semiconductor optical device manufacturing method, characterized in that the doped with at least one or more of the N-type dopant of Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg.
상기 반도체 광소자를 형성하기 위한 기판으로 사파이어, GaN, SiC, AlN, ZnO, LiAlO2, 또는 LiGaO2 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.The method of claim 1,
Sapphire, GaN, SiC, AlN, ZnO, LiAlO 2 , or LiGaO 2 substrate is used as a substrate for forming the semiconductor optical device manufacturing method of a semiconductor optical device.
상기 반도체 광소자를 형성하기 위한 기판으로 극성(polar), 비극성(non-polar) 또는 반극성(semi-polar)의 질화물 반도체가 성장되는 결정면을 갖는 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자의 제조 방법.The method of claim 1,
A method for manufacturing a semiconductor optical device comprising using a substrate having a crystal surface on which a nitride, polar, non-polar or semi-polar nitride semiconductor is grown as a substrate for forming the semiconductor optical device .
상기 N형 질화물 반도체층 위에 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 형성된 ETB(Electron Tunneling Barrier)층;
상기 ETB층 위에 활성층으로서 형성된 다중 양자 우물층; 및
상기 다중 양자 우물층 위에 형성된 P형 질화물 반도체층을 포함하되,
상기 ETB층이 상기 N형 질화물 반도체층 보다 에너지 밴드갭을 크게하여 상기 N형 질화물 반도체층으로부터 상기 ETB층을 터널링하는 전자를 상기 다중 양자 우물층에 구속해, 상기 전자와 상기 P형 질화물 반도체층으로부터 상기 다중 양자 우물층으로 주입되는 홀 간의 재결합율을 증가시키기 위한 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.An N-type nitride semiconductor layer;
The N-type nitride semiconductor layer ETB (Electron Tunneling Barrier) formed of Al x In y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1) above the floor;
A multiple quantum well layer formed as an active layer on the ETB layer; And
P-type nitride semiconductor layer formed on the multi-quantum well layer,
The ETB layer has an energy band gap larger than that of the N-type nitride semiconductor layer, constraining electrons tunneling the ETB layer from the N-type nitride semiconductor layer to the multi-quantum well layer, thereby forming the electrons and the P-type nitride semiconductor layer. And to increase the recombination rate between the holes injected into the multi-quantum well layer from.
상기 반도체 광소자는 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 광검출 소자 또는 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.The method of claim 7, wherein
The semiconductor optical device includes a light emitting diode, a laser diode, a photodetector device or a solar cell.
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