KR20130106926A - Gallium nitride-based semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화갈륨계 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 질화갈륨 기판을 성장기판으로 사용한 질화갈륨계 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor device, and more particularly to a gallium nitride based semiconductor device using a gallium nitride substrate as a growth substrate.
질화갈륨계 화합물은 고출력 및 고성능의 광소자나 전자 소자에 중요한 재료로 인식되고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.Gallium nitride compounds have been recognized as important materials for high power and high performance optical and electronic devices. In particular, nitrides of group III elements such as gallium nitride (GaN) have excellent thermal stability and have a direct transition type energy band structure, and thus have recently received a lot of attention as materials for light emitting devices in the visible and ultraviolet regions. have. In particular, blue and green light emitting devices using indium gallium nitride (InGaN) have been used in various applications such as large-scale color flat panel display devices, traffic lights, indoor lighting, high density light sources, high resolution output systems, and optical communications.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장되어 왔다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. Such a nitride semiconductor layer of Group III elements is difficult to fabricate homogeneous substrates capable of growing them, and therefore, such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE), etc., on heterogeneous substrates having a similar crystal structure. It has been grown through the process of. A sapphire substrate having a hexagonal system structure is mainly used as a heterogeneous substrate.
그러나, 이종 기판 상에 성장된 에피층은 성장 기판과의 격자 부정합 및 열팽창 계수 차이에 기인하여 전위 밀도가 상대적으로 높다. 사파이어 기판 상에 성장된 에피층은 일반적으로 1E8/㎠ 이상의 전위밀도를 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 높은 전위밀도를 갖는 에피층으로는 발광 다이오드의 발광 효율을 개선하는데 한계가 있다.However, epitaxial layers grown on dissimilar substrates have a relatively high dislocation density due to lattice mismatch with the growth substrate and differences in coefficient of thermal expansion. Epilayers grown on sapphire substrates are generally known to have dislocation densities of at least 1E8 / cm 2. The epitaxial layer having such a high dislocation density has a limit in improving the luminous efficiency of the light emitting diode.
이에 따라, 질화갈륨계 반도체층의 전위밀도를 감소시키려는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구의 하나로, 사파이어 대신 질화갈륨 기판을 성장 기판으로 사용하여 반도체층을 성장시키려는 시도가 있다. 질화갈륨 기판 상에 성장된 질화갈륨계 반도체층은 일반적으로 사파이어 기판 상에 성장된 질화갈륨 기판에 비해 양호한 결정 품질을 갖는다. 그러나, 질화갈륨 기판이 사파이어 기판에 비해 상대적으로 고가이기 때문에, 이러한 비용 차이를 극복하기 위해서는 질화갈륨 기판 상에 성장된 질화갈륨 반도체층의 결정 품질을 더욱 개선할 필요가 있다. Accordingly, studies are being made to reduce the dislocation density of gallium nitride based semiconductor layers. As one of such studies, there is an attempt to grow a semiconductor layer by using a gallium nitride substrate as a growth substrate instead of sapphire. Gallium nitride based semiconductor layers grown on gallium nitride substrates generally have better crystal quality than gallium nitride substrates grown on sapphire substrates. However, since gallium nitride substrates are relatively expensive compared to sapphire substrates, it is necessary to further improve the crystal quality of gallium nitride semiconductor layers grown on gallium nitride substrates to overcome these cost differences.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 질화갈륨 기판 상에 성장되는 질화갈륨계 반도체층의 결정품질을 개선하는 것이다.An object of the present invention is to improve the crystal quality of a gallium nitride based semiconductor layer grown on a gallium nitride substrate.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 전기적 및/또는 광학적 특성이 우수한 질화갈륨계 반도체 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a gallium nitride based semiconductor device having excellent electrical and / or optical characteristics.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 순방향 전압을 낮출 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a light emitting diode that can lower the forward voltage.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판; 상기 질화갈륨 기판 상에 위치하는 하부 질화갈륨층; 상기 하부 질화갈륨층 상부에 위치하는 n형 상부 질화갈륨층; 및 상기 하부 질화갈륨층과 상기 상부 질화갈륨층 사이에 개재된 중간층을 포함한다. 여기서, 상기 중간층은 알루미늄을 함유하며 질화갈륨층보다 넓은 밴드갭을 갖는 질화갈륨계 반도체층이다.A light emitting diode according to embodiments of the present invention, a gallium nitride substrate; A lower gallium nitride layer on the gallium nitride substrate; An n-type upper gallium nitride layer positioned on the lower gallium nitride layer; And an intermediate layer interposed between the lower gallium nitride layer and the upper gallium nitride layer. Here, the intermediate layer is a gallium nitride based semiconductor layer containing aluminum and having a wider band gap than the gallium nitride layer.
상기 중간층은 AlInN층을 포함할 수 있으며, AlInN/GaN 초격자 구조일 수 있다.The intermediate layer may include an AlInN layer and may have an AlInN / GaN superlattice structure.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 하부 질화갈륨층은 n형 불순물이 도핑된 반도체층이고, 상기 중간층은 상기 하부 질화갈륨층 및 상기 상부 질화갈륨층보다 낮은 n형 도핑 농도를 갖는 반도체층일 수 있다.In some embodiments, the lower gallium nitride layer may be a semiconductor layer doped with n-type impurities, and the intermediate layer may be a semiconductor layer having a lower n-type doping concentration than the lower gallium nitride layer and the upper gallium nitride layer.
또한, 상기 반도체 소자는, 상기 상부 반도체층 상에 위치하는 p형 반도체층; 및 상기 p형 반도체층과 상기 n형 상부 질화갈륨층 사이에 위치하는 활성층을 더 포함할 수 있다.The semiconductor device may further include a p-type semiconductor layer on the upper semiconductor layer; And an active layer positioned between the p-type semiconductor layer and the n-type upper gallium nitride layer.
본 발명에 따르면, 질화갈륨 기판을 채택함으로써 그 위에 성장된 반도체층들의 결정품질을 개선할 수 있으며, 나아가, 중간층을 질화갈륨층들 사이에 배치함으로써 반도체층들의 결정품질을 더욱 개선할 수 있다. 또한, 질화갈륨층들과 중간층의 도핑 농도를 조절함으로써 발광 다이오드의 순방향 전압을 낮출 수 있다.According to the present invention, the crystal quality of the semiconductor layers grown thereon can be improved by adopting a gallium nitride substrate, and further, the crystal quality of the semiconductor layers can be further improved by disposing the intermediate layer between the gallium nitride layers. In addition, the forward voltage of the light emitting diode may be lowered by adjusting the doping concentrations of the gallium nitride layers and the intermediate layer.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 중간층을 설명하기 위한 것으로 (a)는 개략적인 밴드 다이어그램이고, (b)는 도핑농도 프로파일이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초격자층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 5의 활성층을 설명하기 위한 에너지 밴드를 나타낸다.
도 7은 중간층 사용에 따른 에피층의 표면 모폴로지를 설명하기 위한 광학 사진이다.1 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
2 is for explaining an intermediate layer of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention (a) is a schematic band diagram, (b) is a doping concentration profile.
3 is a cross-sectional view illustrating a superlattice layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view illustrating a superlattice layer according to another exemplary embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view illustrating an active layer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an energy band illustrating the active layer of FIG. 5.
7 is an optical photograph for explaining the surface morphology of the epi layer according to the use of the intermediate layer.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the same reference numerals denote the same elements, and the width, length, thickness, and the like of the elements may be exaggerated for convenience.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판(11), 하부 반도체층(15), 중간층(17), n형 상부 반도체층(19), 초격자층(20), 활성층(30) 및 p형 반도체층(43)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 다이오드는, p형 클래드층(41), 투명 전극층(45), 제1 전극(47) 및 제2 전극(49)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the light emitting diode includes a
상기 질화갈륨 기판(11)은 c면 성장면을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 질화갈륨 기판(11)의 성장면은 에피층의 성장을 돕기 위한 경사각을 가질 수 있다. 이러한 질화갈륨 기판(11)은 예컨대 HVPE 기술을 사용하여 제조될 수 있다.The
상기 질화갈륨 기판(11) 상에 하부 반도체층(15)이 위치한다. 상기 하부 반도체층(15)은 질화갈륨 기판(11) 상에서 질화갈륨층으로 성장될 수 있다. 상기 하부 반도체층(15)은 약 1000℃의 온도에서 5×1018~2×1019/㎤ 범위의 n형 불순물(예컨대, Si) 농도를 갖도록 성장될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 하부 반도체층(15)이 n형 불순물로 도핑되는 것으로 설명하지만, 다른 실시예에 있어서, 상기 하부 반도체층(15)은 의도적으로 불순물을 도핑하지 않은 언도프트 GaN층일 수 있다.The
상기 하부 반도체층(15) 상에 중간층(17)이 위치한다. 상기 중간층(17)은 하부 반도체층(15)의 조성과는 다른 조성을 갖는 질화갈륨 계열의 에피층으로 형성되며, 질화갈륨층에 비해 넓은 밴드갭을 갖는다. 예컨대, 상기 중간층(17)은 AlInN, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 특히 상기 중간층(17)은 AlInN로 형성되어 GaN층과 동일한 격자상수를 가질 수 있으며, 나아가 AlInN층과 GaN층을 교대로 적층한 초격자 구조로 형성될 수도 있다. The
하부 반도체층(15)과 n형 상부 반도체층(19)은 약 1000℃의 고온에서 성장되나, 상기 중간층(17)은 약 800 내지 900℃의 온도범위에서 성장된다. GaN과 다른 조성의 중간층(17)을 GaN층들(15, 19) 사이에 형성함으로써 중간층(17) 위에 형성되는 상부 반도체층(19)에 스트레인을 유발할 수 있고, 이를 이용하여 다중양자우물 구조의 결정질을 향상시킬 수 있다. 나아가, GaN층들(15, 19) 사이에 도 2(a)에 도시한 바와 같이 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖는 중간층(17)이 위치함으로써, 2차원 전자 가스를 이용하여 상기 GaN층들(15, 19) 내에서 전류를 고르게 분산시킬 수 있다.The
또한, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 중간층(17)은 상부 반도체층(19)에 비해 상대적으로 낮은 농도의 도핑 농도를 갖도록 형성된다. 예컨대, 상기 중간층(17)은 1×1017~1×1018/㎤의 n형 불순물(예컨대, Si) 농도를 가질 수 있으며, 상부 반도체층(19)은 5×1018~2×1019/㎤의 n형 불순물 농도를 가질 수 있다. 상기 중간층(17)이 위 농도 범위의 도핑 농도를 가짐으로써 양호한 결정질의 반도체층을 성장시키면서도 발광 다이오드의 순반향 전압을 낮출 수 있다. In addition, as shown in FIG. 2B, the
덧붙여, 상기 n형 상부 반도체층(19)은 상기 중간층(17) 상에서 질화갈륨층으로 성장된다. 한편, 상기 상부 반도체층(19) 상에 n 전극(47)이 위치할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상부 반도체층(19)이 단일의 GaN층이고, 그 위에 n 전극(47)이 위치하는 것으로 도시하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 n 전극(47)과 상기 상부 반도체층(19) 사이에 다른 질화갈륨계 반도체층(들)이 위치할 수도 있다.In addition, the n-type
한편, 상기 n형 상부 반도체층(19) 상에 다층 구조의 초격자층(20)이 위치할 수 있다. 상기 초격자층(20)은 n형 상부 반도체층(19)과 활성층(30) 사이에 위치하며, 따라서 전류 경로 상에 위치한다. 상기 초격자층(20)은 InGaN/GaN의 쌍을 복수 주기(예컨대, 15 내지 20 주기) 반복 적층하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 초격자층(20)은 InGaN층(21)/AlGaN층(22)/GaN층(23)의 3층 구조가 복수 주기(예컨대, 약 10 내지 20 주기) 반복 적층된 구조를 가질 수 있다. AlGaN층(22)과 InGaN층(21)의 순서는 서로 바뀔 수도 있다. 여기서, 상기 InGaN층(21)은 활성층(30) 내의 우물층에 비해 넓은 밴드갭을 갖는다. 또한, 상기 AlGaN층(22)은 활성층(30) 내의 장벽층에 비해 넓은 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 InGaN층(21) 및 AlGaN층(22)은 불순물을 의도적으로 도핑하지 않은 언도프트층으로 형성되고, 상기 GaN층(23)은 Si 도핑층으로 형성될 수 있다. 상기 초격자층(20)의 최상층은 불순물이 도핑된 GaN층(23)인 것이 바람직하다.Meanwhile, a
초격자층(20) 내에 AlGaN층(22)을 포함함으로써 활성층(30) 내의 정공이 n형 상부 반도체층(19) 쪽으로 이동하는 것을 차단할 수 있어, 활성층(30)의 내의 발광 재결합율을 향상시킬 수 있다. 상기 AlGaN층(22)은 1nm 미만의 두께로 형성될 수 있다.By including the AlGaN layer 22 in the
한편, 상기 초격자층(20)은 InGaN층(21) 상에 AlGaN층(22)을 형성하기 때문에, 이들 사이의 격자부정합이 커서 계면에 결정 결함이 형성되기 쉽다. 따라서, 상기 InGaN층(21)과 AlGaN층(22) 사이에 도 4에 도시한 바와 같이 GaN층(24)을 삽입할 수 있다. 상기 GaN층(24)은 언도프트층 또는 Si 도핑된 층으로 형성될 수 있다.On the other hand, since the
상기 초격자층(20) 상에 다중양자우물 구조의 활성층(30)이 위치한다. 상기 활성층(30)은, 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 장벽층(31a, 31b) 및 우물층(33n, 33, 33p)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 33n은, 초격자층(20) 또는 n형 상부 반도체층(19)에 가장 가까운 우물층(제1 우물층)을 나타내고, 33p는 p형 클래드층(41) 또는 p형 반도체층(23)에 가장 가까운 우물층(제n 우물층)은 나타낸다. 한편, 도 6은 상기 활성층(30)의 에너지 밴드를 나타낸다.The
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 우물층(33n)과 우물층(33p) 사이에 (n-1)개의 복수의 장벽층들(31a, 31b) 및 (n-2)개의 복수의 우물층들(33)이 서로 교대로 적층되어 있다. 장벽층들(31a)은 이들 (n-1)개의 복수의 장벽층들(31a 31b)의 평균 두께보다 더 두꺼운 두께를 가지며, 장벽층들(31b)은 상기 평균 두께보다 더 얇은 두께를 갖는다. 또한, 도시한 바와 같이, 장벽층들(31a)이 제1 우물층(33n)에 가깝게 배치되고, 장벽층들(31b)이 제n 우물층(33p)에 가깝게 배치된다.5 and 6, the (n-1) plurality of
나아가, 장벽층(31a)이 초격자층(20)의 최상부층에 접하여 위치할 수 있다. 즉, 초격자층(20)과 제1 우물층(33n) 사이에 장벽층(31a)이 위치할 수 있다. 또한, 제n 우물층(33p) 상에 장벽층(35)이 위치할 수 있다. 장벽층(35)은 장벽층(31a)에 비해 상대적으로 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다.In addition, the
제n 우물층(33p)에 가까운 장벽층들(31b)의 두께를 상대적으로 얇게 함으로써 활성층(30)의 저항 성분을 감소시키고 또한 p형 반도체층(43)에서 주입된 정공을 활성층(30) 내의 우물층들(33)에 분산시킬 수 있으며, 이에 따라 발광 다이오드의 순방향 전압을 낮출 수 있다. 또한, 장벽층(35)의 두께를 상대적으로 두껍게 함으로써, 활성층(30), 특히 우물층들(33n, 33, 33p)을 성장시키는 동안 생성된 결정 결함을 치유하여 그 위에 형성되는 에피층들의 결정질을 개선할 수 있다. 다만, 상기 장벽층들(31a)의 개수보다 장벽층들(31b)의 개수를 더 많이 형성할 경우, 활성층(30) 내에 결함 밀도가 증가하여 발광 효율이 감소될 수 있다. 따라서, 상기 장벽층들(31a)의 개수를 장벽층들(31b)의 개수보다 더 많이 형성하는 것이 바람직하다.A relatively thin thickness of the barrier layers 31b close to the nth well layer 33p reduces the resistive component of the
한편, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)은 서로 거의 동일한 두께를 가질 수 있으며, 이에 따라 반치폭이 매우 작은 광을 방출할 수 있다. 이와 달리, 우물층들(33n, 33, 33p)의 두께를 서로 다르게 조절하여 상대적으로 넓은 반치폭을 갖는 광을 방출할 수도 있다. 나아가, 상기 장벽층들(31a) 사이에 위치하는 우물층(33)에 비해 장벽층들(31b) 사이에 위치하는 우물층(33)의 두께를 상대적으로 얇게 함으로써 결정 결함이 생성되는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)의 두께는 예컨대, 10 내지 30Å 범위 내이고, 상기 장벽층들(31a)의 두께는 50 내지 70Å 범위 내이고, 상기 장벽층들(31b)의 두께는 30 내지 50Å 범위 내일 수 있다.On the other hand, the well layers 33n, 33, 33p may have almost the same thickness as each other, thereby emitting light having a very small half width. Alternatively, the thicknesses of the
또한, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)은 근자외선 또는 청색 영역의 광을 방출하는 질화갈륨계 층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)은 InGaN으로 형성될 수 있드며, In 조성비는 요구되는 파장에 따라 조절된다.In addition, the well layers 33n, 33, 33p may be formed of a gallium nitride based layer that emits light in the near ultraviolet or blue region. For example, the well layers 33n, 33, 33p may be formed of InGaN, and the In composition ratio is adjusted according to a required wavelength.
한편, 상기 장벽층들(31a, 31b)은 전자와 정공을 우물층들(33n, 33, 33p) 내에 가두기 위해 상기 우물층들(33n, 33, 33p)보다 넓은 밴드갭을 갖는 질화갈륨계 층으로 형성된다. 예컨대, 상기 장벽층들(31a, 31b)은 GaN, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 장벽층들(31a, 31b)은 Al을 함유하는 질화갈륨계 층으로 형성되어 밴드갭을 더욱 증대시킬 수 있다. 상기 장벽층들(31a, 31b) 내의 Al의 조성비는 0보다 크고 0.1보다 작은 것이 바람직하며, 특히, 0.02 내지 0.05일 수 있다. Al 조성비를 상기 범위 내로 제한함으로써 광 출력을 증가시킬 수 있다.On the other hand, the barrier layers 31a and 31b are gallium nitride based layers having a wider bandgap than the
덧붙여, 상기 각 우물층(33n, 33, 33p)과 그 위에 위치하는 장벽층들(31a, 31b) 사이에는 도시하지는 않았지만, 캡층이 형성될 수 있다. 캡층은, 장벽층(31a, 31b)을 성장시키기 위해 챔버 온도를 올리는 동안 우물층이 손상되는 것을 방지하기 위해 형성된다. 예컨대, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)은 약 780℃의 온도에서 성장될 수 있으며, 상기 장벽층들(31a, 31b)은 약 800℃의 온도에서 성장될 수 있다. In addition, a cap layer may be formed between the
상기 p형 클래드층(41)은 활성층(30) 상에 위치하며, AlGaN으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 p형 클래드층(41)은 InGaN/AlGaN을 반복 적층한 초격자 구조로 형성될 수도 있다. 상기 p형 클래드층(41)은 전자 블록층으로서, 전자가 p형 반도체층(43)으로 이동하는 것을 차단하여 발광 효율을 개선한다. The p-
다시 도 1을 참조하면, 상기 p형 반도체층(43)은 Mg을 도핑한 GaN로 형성될 수 있다. p형 반도체층(43)은 p형 클래드층(41) 상에 위치한다. 한편, p형 반도체층(43) 상에 ITO나 ZnO와 같은 투명 도전층(45)이 형성되어 p형 반도체층(43)에 오믹 콘택할 수 있다. 따라서, 상기 p형 반도체층(43)이 p형 콘택층으로 기능한다. 한편, 제2 전극(49)이 p형 반도체층(43)에 전기적으로 접속된다. 제2 전극(49)은 투명 도전층(45)을 통해 p형 반도체층(43)에 접속될 수 있다.Referring back to FIG. 1, the p-
한편, p형 반도체층(43), p형 클래드층(41), 활성층(30) 및 초격자층(20)의 일부를 식각 공정으로 제거하여 n형 상부 반도체층(19)이 노출될 수 있다. 제1 전극(47)은 상기 노출된 n형 상부 반도체층(19) 상에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 n형 상부 반도체층(19)이 n형 콘택층으로 기능한다.Meanwhile, a portion of the p-
본 실시예에 있어서, 상기 질화갈륨 기판(11) 상에 성장되는 에피층들(15 ~ 43)은 MOCVD 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, Al, Ga 및 In의 소스로는 TMAl, TMGa 및 TMIn이 각각 사용될 수 있으며, N의 소스로는 NH3가 사용될 수 있다. 또한, n형 불순물인 Si의 소스로는 SiH4가 사용될 수 있고, p형 불순물인 Mg의 소스로는 Cp2Mg가 사용될 수 있다.In the present embodiment, the
(실험예)Experimental Example
도 7은 중간층 사용에 따른 에피층의 표면 모폴로지를 설명하기 위한 광학 사진이다. 여기서 (a)는 중간층 없이 질화갈륨 기판(11) 상에 n형 GaN층(19), 초격자층(20), 활성층(30), p형 AlGaN 클래드층(41) 및 p형 GaN층(43)을 차례로 성장시킨 후 광학 현미경으로 촬영한 p형 GaN층(43)의 표면 사진이고, (b)는 하부 GaN층(15)과 n형 GaN층(19) 사이에 10nm 미만의 Al0 .8In0 .2N 중간층(17)을 형성하고, n형 GaN층(19) 상에 초격자층(20), 활성층(30), p형 AlGaN 클래드층(41) 및 p형 GaN층(43)을 차례로 성장시킨 후 광학 현미경으로 촬영한 p형 GaN층(43)의 표면 사진을 나타낸다. 상기 질화갈륨 기판(11)은 c면 성장 기판을 이용하였으며, 상기 기판(11)은 표면에 평행하게 형성된 전위 결함 라인들(Ld)을 갖고 있었다. 상기 하부 GaN층(15)과 n형 상부 GaN층(19)은 약 1050℃~1100℃의 온도에서 동일한 성장 조건하에서 형성되었으며, 상기 중간층(17)은 약 830℃의 온도에서 성장되었다.7 is an optical photograph for explaining the surface morphology of the epi layer according to the use of the intermediate layer. Where (a) is an n-
도 7(a)를 참조하면, 중간층(17)을 형성하지 않은 경우, 최종 에피층인 p형 GaN층(43)의 표면이 매우 거칠게 형성되었다. 기판(11)의 결정 결함 라인들(Ld)은 p형 GaN층(43)까지 전사되어 표면에서도 관찰된다. 이 결정 결함 라인들(Ld)에서 표면은 더 불량해지는 것으로 보인다. 더욱이, 결정 결함 라인들(Ld) 사이 영역의 표면 또한 매우 거칠게 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7A, when the
도 7(b)를 참조하면, 중간층(17)을 형성한 경우, 도 7(a)와 대비하여 결정 결함 라인들(Ld) 사이 영역의 표면이 매우 매끄러우며 뿐만 아니라 결정 결함 라인들(Ld)에서도 에피층이 깨끗하게 성장된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7B, when the
또한, 질화갈륨 기판(11) 상에 서로 분리된 발광 다이오드들을 제작하여 웨이퍼 레벨에서 중간층(17) 사용 여부에 따른 순방향 전압을 대비하였다. 하부 GaN층(15) 및 상부 GaN층(19)을 상대적으로 고농도로 도핑하고 중간층(17)을 저농도로 도핑한 경우, 중간층(17)을 사용한 발광 다이오드들의 순방향 전압이 중간층(17)을 사용하지 않은 발광 다이오드들에 비해 대체로 약 0.13V 작게 나타났다. 이와 달리, 중간층(17)에 불순물을 도핑하지 않은 경우, 순방향 전압은 중간층(17)을 사용하지 않은 발광 다이오드들과 유사한 것을 확인할 수 있었다.In addition, light emitting diodes separated from each other on the
따라서, 중간층(17)을 사용함과 아울러 중간층(17)에 상대적으로 저농도의 불순물을 도핑함으로써 결정품질을 개선함과 아울러 순방향 전압을 낮출 수 있음을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the use of the
본 실시예에 있어서, 발광 다이오드를 예로 설명하였지만, 본 발명은 발광 다이오드에 한정되는 것은 아니며, 질화갈륨계 반도체층을 채택하는 모든 종류의 반도체 소자에 적용될 수 있다. 나아가, 특정 응용예에 있어서, 상기 중간층은 반드시 n형 불순물이 도핑된 n형 반도체층일 필요는 없으며, 언도프층일 수도 있다.In the present embodiment, the light emitting diode has been described as an example, but the present invention is not limited to the light emitting diode and can be applied to all kinds of semiconductor devices employing a gallium nitride based semiconductor layer. Furthermore, in certain applications, the intermediate layer need not necessarily be an n-type semiconductor layer doped with n-type impurities, but may also be an undoped layer.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들 및 특징들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 위에서 설명한 실시예들 및 특징들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments or constructions. Various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. have.
Claims (9)
상기 질화갈륨 기판 상에 위치하는 하부 질화갈륨층;
상기 하부 질화갈륨층 상부에 위치하는 n형 상부 질화갈륨층; 및
상기 하부 질화갈륨층과 상기 상부 질화갈륨층 사이에 개재된 중간층을 포함하되,
상기 중간층은 알루미늄을 함유하며 질화갈륨층보다 넓은 밴드갭을 갖는 질화갈륨계 반도체층인 반도체 소자.Gallium nitride substrates;
A lower gallium nitride layer on the gallium nitride substrate;
An n-type upper gallium nitride layer positioned on the lower gallium nitride layer; And
Including an intermediate layer interposed between the lower gallium nitride layer and the upper gallium nitride layer,
And the intermediate layer is a gallium nitride based semiconductor layer containing aluminum and having a wider bandgap than the gallium nitride layer.
상기 중간층은 AlInN층을 포함하는 반도체 소자.The method according to claim 1,
The intermediate layer comprises an AlInN layer.
상기 중간층은 AlInN층과 GaN층이 교대로 적층된 초격자 구조인 반도체 소자.The method according to claim 2,
The intermediate layer has a superlattice structure in which an AlInN layer and a GaN layer are alternately stacked.
상기 AlInN층은 질화갈륨층과 동일한 격자상수를 갖는 반도체 소자.The method according to claim 2,
And the AlInN layer has the same lattice constant as the gallium nitride layer.
상기 하부 질화갈륨층은 n형 불순물이 도핑된 반도체층이고,
상기 중간층은 상기 하부 질화갈륨층 및 상기 상부 질화갈륨층보다 낮은 n형 도핑 농도를 갖는 반도체층인 반도체 소자.The method according to claim 1,
The lower gallium nitride layer is a semiconductor layer doped with n-type impurities,
And the intermediate layer is a semiconductor layer having a lower n-type doping concentration than the lower gallium nitride layer and the upper gallium nitride layer.
상기 상부 반도체층 상에 위치하는 p형 반도체층; 및
상기 p형 반도체층과 상기 n형 상부 질화갈륨층 사이에 위치하는 활성층을 더 포함하는 반도체 소자.The method according to claim 5,
A p-type semiconductor layer on the upper semiconductor layer; And
And an active layer between the p-type semiconductor layer and the n-type upper gallium nitride layer.
상기 상부 질화갈륨층에 전기적으로 접속된 n형 전극; 및
상기 p형 반도체층에 전기적으로 접속된 p형 전극을 더 포함하는 반도체 소자.The method of claim 6,
An n-type electrode electrically connected to the upper gallium nitride layer; And
And a p-type electrode electrically connected to said p-type semiconductor layer.
상기 n형 전극은 상기 중간층 상부에 위치하여 상기 상부 질화갈륨층에 전기적으로 접속된 반도체 소자.The method of claim 7,
And the n-type electrode is positioned above the intermediate layer and electrically connected to the upper gallium nitride layer.
상기 상부 질화갈륨층과 상기 활성층 사이에 위치하는 다층 구조의 초격자층을 더 포함하는 반도체 소자. The method of claim 6,
The semiconductor device further comprises a superlattice layer of a multi-layer structure positioned between the upper gallium nitride layer and the active layer.
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