KR20130126369A - 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자 - Google Patents

정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자 Download PDF

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KR20130126369A
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이성숙
김민호
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삼성전자주식회사
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Abstract

정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자가 개시된다. 개시된 반도체 발광 소자는 활성층 및 p형 질화물 반도체층 사이에 p형 질화물 반도체층으로부터 발생한 정공을 활성층에 효율적으로 공급시킬 수 있는 구조를 포함한다. 또한, 활성층의 양자 장벽층의 조성 또는 두께 범위를 제어하여 n형 질화물 반도체층으로부터 발생하는 전자가 오버 플로우되는 현상을 방지할 수 있다.

Description

정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자{Semiconductor light emitting device comprising structure improving hole transfer efficiency}
개시된 실시예는 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 구체적으로 생성된 홀을 활성층으로의 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광 소자는 기판 상에 순차적으로 형성된 다수의 질화물 반도체층을 포함하며, 특히 GaN 등의 질화물을 이용한 질화물계 반도체는 우수한 특성으로 인하여 광전 재료 및 전자 소자에 널리 사용되며 관련 기술분야에서 크게 각광을 받고 있다.
일반적인 질화물계 반도체 발광 소자는 기판 상에 다층 구조로 형성된 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 구조를 지니며, 활성층에서는 n형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 전자와 p형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 정공이 재결합하면서 광이 외부로 방출된다. 이러한 질화물계 반도체 발광소자에서 다양한 파장대의 광을 얻기 위하여, 위하여 원하는 성분으로 이루어진 질화물 반도체를 사용하고 있으며, 원하는 파장의 광을 얻기 위하여 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층의 조성을 조절하고 있다.
통상적인 질화물계 반도체 발광 소자의 경우 p형 도펀트가 도핑된 p형 질화물 반도체층의 낮은 활성화 효율(activation efficiency)로 인하여 높은 정공 밀도(hole concentration)을 얻기 쉽지 않다. 특히 정공은 n형 질화물 반도체층에서 공급되는 전자(electron)에 비해 낮은 이동도(mobility)를 지니기 때문에 질화물계 반도체 발광 소자의 중요한 특성인 광추출 효율, 휘도 등과 관련하여 p형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 정공을 효율적으로 활성층에 공급하는 것은 질화물계 반도체 소자의 성능과 관련하여 중요한 문제이다.
본 발명의 실시예에서는 p형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 정공을 활성층으로 효과적으로 공급할 수 있도록 p형 질화물 반도체층에 정공의 공급 효율을 향상시킬 수 있도록 형성된 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 제공하고자 한다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 n형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 전자를 p형 질화물 반도체층으로 오버 플로우되는 것을 방지하기 위하여 활성층의 구조를 개선한 반도체 발광 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에서는, 반도체 발광 소자에 있어서,
n형 질화물 반도체층;
상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
상기 활성층 상에 형성된 정공 전달층; 및
상기 정공 전달층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;을 포함하는 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.
상기 정공 전달층은 Inx1Ga1-x1N(0<x1<1)으로 형성된 것일 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층은 Inx2Ga1-x2N(0<x2<1)에 p형 도펀트가 도핑되어 형성된 것일 수 있다.
상기 정공 전달층은 상기 p형 질화물 반도체층과 비교하여 In 조성이 동일하거나 더 많은 조성을 지니도록 형성된 것일 수 있다.
상기 정공 전달층 및 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 제 1표면 개선층;을 포함할 수 있다.
상기 제 1표면 개선층은 Inx3Ga1-x3N(0≤x3<x1)의 조성으로 형성되며, 상기 정공 전달층의 In 조성보다 작은 조성비를 지니도록 형성된 것일 수 있다.
상기 활성층 및 상기 정공 전달층 사이에 형성된 제 2표면 개선층;을 포함할 수 있다.
상기 제 2표면 개선층은 Inx3Ga1-x3N(0≤x3<x1)의 조성으로 형성되며, 상기 정공 전달층의 In 조성보다 작은 조성비를 지니도록 형성된 것일 수 있다.
상기 활성층은 양자 우물층 및 양자 장벽층이 반복적으로 교대로 형성된 다층 구조를 지니며, 상기 양자 장벽층은 Alx4Ga1-x4N(0<x4<1) 조성으로 형성될 수 있다.
상기 활성층을 서로 다른 Al 조성비를 지닌 제 1양자 장벽층 및 제 2양자 장벽층을 포함할 수 있다.
상기 제 1양자 장벽층은 Al의 조성비가 10 내지 30% 범위로 형성되며, 상기 제 2양자 장벽층의 Al 조성비는 3 내지 15%의 범위로 형성될 수 있다.
상기 활성층은 서로 다른 두께를 지닌 제 1양자 장벽층 및 제 2양자 장벽층을 포함할 수 있다.
상기 제 1양자 장벽층은 0보다 크고 20nm 이하의 범위의 두께로 형성되며, 상기 제 2양자 장벽층은 0보다 크고 10nm 이하의 두께 범위로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, p형 질화물 반도체층에서 발생하는 정공을 활성층으로 효율적으로 전달하기 위한 구성을 포함하여 활성층에서의 전자 및 정공의 재결합을 도모하여 발광 소자의 휘도를 향상시킬 수 있다. 또한, 활성층의 구조를 개선하여 n형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 전자가 활성층을 넘어 p형 질화물 반도체층으로 오버 플로우되는 현상을 방지하여 p형 질화물 반도체층으로부터의 정공의 효과적인 공급을 도모할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1a에 나타낸 반도체 발광 소자의 각 층의 에너지 레벨을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 양자우물층 및 양자장벽층을 포함하여 다중 양자 우물 구조로 형성된 활성층을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 양자 장벽층의 조성을 조절하여 형성한 활성층을 포함하는 반도체 발광 소자의 각 층의 에너지 레벨을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 양자 장벽층의 조성 및 두께 범위를 조절하여 형성한 활성층을 포함하는 반도체 발광 소자의 각 층의 에너지 레벨을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자에 대해 상세히 설명하고자 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것일 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자는, 하부 구조체(100) 상에 형성된 n형 질화물 반도체층(10), 활성층(11) 및 p형 질화물 반도체층(15)을 포함할 수 있다. p형 질화물 반도체층(15)은 활성층(11)에 정공을 공급하기 위해 정공을 생성시키는 정공 발생층(hole creation layer)일 수 있다. p형 질화물 반도체층(15)으로부터 발생된 정공을 활성층(11)으로 효율적으로 공급하기 위해 활성층(11)과 p형 질화물 반도체층(15) 사이에는 정공 전달층(13)(hole transfer layer)이 형성될 수 있다. 또한, 활성층(11)으로의 정공 전달 효율을 더욱 향상시키기 위하여, p형 질화물 반도체층(15) 및 정공 전달층(13) 사이에 제 1표면 개선층(14)을 형성시킬 수 있으며, 활성층(11) 및 정공 전달층(13) 사이에 제 2표면 개선층(12)을 형성시킬 수 있다. 이와 같이, 활성층(11)과 p형 질화물 반도체층(15) 사이에 정공 전달 효율을 향상시킬 수 있도록 정공 전달층(13), 제 1표면 개선층(14) 및 제 2표면 개선층(12)을 포함함으로써 활성층(11)으로 공급되는 정공의 농도을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 활성층(11) 내부에서 발생하는 전자 및 정공의 재결합 효율을 증가시킬 수 있어 반도체 발광 소자의 휘도를 향상시킬 수 있다. p형 질화물 반도체층(15) 상에는 p형 콘택층(16)이 형성될 수 있다.
이하, 도면에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광 소자의 각 구성 물질에 대해 설명하고자 한다. 이와 같은 설명은 도 1a 뿐만 아니라 다른 도면의 동일한 명칭을 지닌 구성에 대해서도 적용될 수 있다.
하부 구조체(100)는 기판일 수 있으며, 질화물 반도체 물질을 성장시기키 위해 사용되는 물질이면 제한 없이 이용할 수 있다. 현재 질화물 반도체 물질과 완전히 격자 정합을 이루는 기판 물질은 사용하기 어려우며, 비교적 질화물 반도체 물질의 성장이 용이하며 고온에서 안정한 특성을 지닌 사파이어 기판을 이용할 수 있다. 또한, 실리콘 기판이나 SiC 기판 등을 사용할 수 있다. 또한, 하부 구조체(100)는 기판 및 기판 상에 형성된 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 버퍼층은 그 상부에 형성되는 질화물 반도체 물질과 기판 사이의 격자 부정합을 완화시키기 위해 형성되는 것으로, 예를 들어 AlN, GaN, AlGaN/AlN의 초격자 구조(superlattice) 등으로 형성시킬 수 있다.
n형 질화물 반도체층(10)은 AlxInyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 화학식을 지닌 물질에 n형 도펀트를 도핑하여 형성된 것일 수 있으며, 예를 들어, InGaN, AlGaN 또는 GaN에 Si, Ge, Se, Te 또는 C와 같은 n형 도펀트를 도핑하여 형성시킬 수 있다.
활성층(11)은 다중양자우물구조(multi quantum well: MQW) 구조로 형성된 것일 수 있으며, 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 다층 구조로 적층된 구조로 형성된 것일 수 있다. 청색 발광소자의 경우 InGaN/GaN 등의 다중 양자우물 구조가 사용될 수 있으며, 자외선 발광소자의 경우, GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN 및 InGaN/AlGaN 등의 다중 양자 우물 구조가 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 n형 질화물 반도체층(10)에서 공급되는 전자의 오버 플로우를 방지하기 위하여 활성층(11)의 양자장벽층의 깊이 및 조성을 변화시킬 수 있다. 이에 대해서는 후술하는 도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b에서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
정공 전달층(13)은 Inx1Ga1-x1N(0<x1<1)으로 형성할 수 있으며, p형 질화물 반도체층(15)은 Inx2Ga1-x2N(0<x2<1)에 p형 도펀트를 도핑하여 형성시킬 수 있다. 예를 들어 p형 질화물 반도체층(14)은 InGaN으로 형성시킬 수 있으며, 여기에 p형 도펀트로 Mg, Zn 또는 Be 등을 도핑하여 사용할 수 있으며, 대표적인 p형 도펀트는 Mg이다.
p형 질화물 반도체층(15)의 In 조성을 조절하여 활성화 에너지(activation energy)를 100meV 이하로 감소시킬 수 있으므로 높은 정공 농도를 얻을 수 있다. 그리고, p형 질화물 반도체층(15)으로부터 생성된 정공을 활성층(11)으로 용이하게 이동시키기 위하여 정공 전달층(13)은 p형 질화물 반도체층(15)의 In 조성과 동일하거나 더 많은 조성을 지니도록 형성할 수 있다. 정공 전달층(13)은 In이 0보다 크며 20% 이하의 조성비(0<x1≤0.2)를 지니도록 형성시킬 수 있으며, 예를 들어 8 내지 20% 이하의 범위의 In 조성비를 지니도록 형성할 수 있다. 그리고, p형 질화물 반도체층(15)은 In이 0보다 크며 15% 이하의 조성비를 지니도록 형성시킬 수 있으며, 예를 들어 5 내지 15% 범위의 In 조성비를 지니도록 형성할 수 있다. 정공 전달층(13)은 수 내지 수백 nm의 두께 범위를 지니도록 형성할 수 있으며, 예를 들어 15 내지 200nm의 두께 범위로 형성할 수 있다.
제 1표면 개선층(14) 및 제 2표면 개선층(12)은 p형 질화물 반도체층(15)으로부터 생성된 정공을 활성층(11)으로 보다 더 효율적으로 이동시키기 위하여 형성된 것으로 질화물 반도체의 물성을 안정화시킬 수 있다. 제 1표면 개선층(14) 및 제 2표면 개선층(12)은 Inx3Ga1-x3N(0≤x3<x1)의 조성으로 형성시키며, 정공 전달층(13)의 In 조성보다 작은 조성비를 지니도록 형성시킬 수 있다. 제 1표면 개선층(14) 및 제 2표면 개선층(12)은 0보다 크며 10nm 이하의 두께 범위로 형성시킬 수 있다.
p형 콘택층(16)은 p형 질화물 반도체층(15)과 전극과의 오믹 콘택을 형성하기 위해 형성된 것으로, p형 도펀트가 도핑된 GaN 등으로 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, p형 콘택층(16)은 p형 도펀트인 Mg가 1020 atom/cm3 이상의 도핑 농도로 도핑된 GaN층일 수 있다.
상술한 바와 같은 질화물 반도체 물질은 일반적으로 이용되는 질화물 반도체 형성 공정을 이용하여 증착시킬 수 있으며, 그 방법은 제한되지 않는다. 예를 들어 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE)이나, 하이브리드 기상증착법(Hybride Vapor Phase Epitaxy : HVPE) 등을 사용할 수 있다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 구조에서 p형 콘택층(16) 및 n형 질화물 반도체층(10) 상에 각각 전극(17, 18)을 형성한 구성을 나타낸 도면이다. p측 전극(17) 및 n측 전극(18)은 통상적으로 질화물 반도체 소자에 사용되는 전극 물질이면 제한없이 이용될 수 있다.
도 2는 도 1a에 나타낸 반도체 발광 소자의 각 층의 에너지 레벨을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 활성층(11)은 양자 우물층(11a) 및 양자 장벽층(11b)이 포함된 구성을 지니고 있으며, 정공 전달층(13) 및 p형 질화물 반도체층(15)에 비해 높은 에너지 레벨을 지니고 있다.
도 3은 양자우물층 및 양자장벽층을 포함하여 다중 양자 우물 구조로 형성된 활성층을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 활성층(11)은 양자 우물층(11a) 및 양자 장벽층(11b)이 반복적으로 교대로 형성된 다층 구조를 지니고 있다. n형 질화물 반도체층(10)으로부터 공급되는 전자가 활성층(11)을 넘어 p형 질화물 반도체층(15)으로 오버 플로우되는 현상을 방지하기 위하여, 본 발명의 실시예에 의한 질화물 발광 소자에서는 활성층(11)의 양자장벽층(11b)의 깊이 및 조성을 변화시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 양자 장벽층의 조성을 조절하여 형성한 활성층을 포함하는 반도체 발광 소자의 각 층의 에너지 레벨을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 활성층(11)의 양자 장벽층(11b)은 상대적으로 깊은 깊이를 지닌 영역(A)을 포함할 수 있다. 또한, 양자 장벽층(11b)의 매 층마다 에너지 레벨 깊이를 다르게 형성한 영역(B)을 포함할 수 있다. 이와 같은 양자 장벽층(11b)의 에너지 레벨 깊이는 양자 장벽층(11b)의 물질의 조성을 조절함으로써 제어할 수 있다. 예를 들어, 활성층(11)의 양자 장벽층(11b)은 Alx4Ga1-x4N(0<x4<1)으로 형성할 수 있으며, Al의 조성 범위를 조절하여 양자 장벽층(11b)의 에너지 레벨 깊이를 조절할 수 있다. 구체적으로 활성층(11)의 양자 장벽층(11b)은 서로 다른 Al 조성을 지닌 제 1양자 장벽층 및 제 2양자 장벽층을 포함할 수 있으며, 제 1양자 장벽층은 Al의 조성비가 10 내지 30%의 범위(0.1≤x4≤0.3)로 형성할 수 있으며, 제 2양자 장벽층의 Al 조성비는 3 내지 15%의 범위로 형성할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 양자 장벽층의 조성 및 두께 범위를 조절하여 형성한 활성층을 포함하는 반도체 발광 소자의 각 층의 에너지 레벨을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5a를 참조하면, 활성층(11)은 다수의 양자 우물층(11a) 및 양자 장벽층(11b)을 포함하며, 이 중 일부의 양자 장벽층(11b)은 에너지 레벨 깊이가 깊은 영역(C)을 포함한다. 이 때, C 영역의 양자 장벽층(11b)은 내부적으로 Al의 조성 범위를 변화시켜 에너지 레벨 깊이가 변화된 것을 알 수 있다. 그리고, 도 5b를 참조하면, 에너지 레벨 깊이가 깊은 영역(D)에 형성된 양자 장벽층(11b)들의 두께 범위가 다른 영역의 양자 장벽층(11b)들과 비교하여 두껍게 형성된 것을 알 수 있다. 이와 같이 양자 장벽층(11b)의 각각의 두께 범위를 조절할 수 있으며, 예를 들어 제 1양자 장벽층은 0보다 크고 20nm 이하의 범위의 두께로 형성할 수 있으며, 제 2양자 장벽층은 0보다 크고 10nm 이하의 두께 범위로 형성할 수 있다.
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 활성층(11)의 양자 장벽층(11b)의 조성 범위 및 두께를 조절하여 n형 질화물 반도체층(10)으로부터 공급되는 전자가 오버 플로우되는 현상을 양자 장벽층(11b)의 조성 및 두께를 조절하여 방지할 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100... 하부 구조체, 10... n형 질화물 반도체층
11... 활성층 11a... 양자 우물층
11b... 양자 장벽층 12... 제 2표면 개선층
13... 정공 전달층 14... 제 1표면 개선층
15... p형 질화물 반도체층 16... p형 콘택층
17, 18... 전극층

Claims (13)

  1. 반도체 발광 소자에 있어서,
    n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 정공 전달층; 및
    상기 정공 전달층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;을 포함하는 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정공 전달층은 Inx1Ga1-x1N(0<x1<1)으로 형성된 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 Inx2Ga1-x2N(0<x2<1)에 p형 도펀트가 도핑되어 형성된 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 정공 전달층은 상기 p형 질화물 반도체층과 비교하여 In 조성이 동일하거나 더 많은 조성을 지니도록 형성된 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정공 전달층 및 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 제 1표면 개선층;을 포함하는 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1표면 개선층은 Inx3Ga1-x3N(0≤x3<x1)의 조성으로 형성되며, 상기 정공 전달층의 In 조성보다 작은 조성비를 지니도록 형성된 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층 및 상기 정공 전달층 사이에 형성된 제 2표면 개선층;을 포함하는 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 2표면 개선층은 Inx3Ga1-x3N(0≤x3<x1)의 조성으로 형성되며, 상기 정공 전달층의 In 조성보다 작은 조성비를 지니도록 형성된 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은 양자 우물층 및 양자 장벽층이 반복적으로 교대로 형성된 다층 구조를 지니며, 상기 양자 장벽층은 Alx4Ga1-x4N(0<x4<1) 조성으로 형성된 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 활성층을 서로 다른 Al 조성비를 지닌 제 1양자 장벽층 및 제 2양자 장벽층을 포함하는 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1양자 장벽층은 Al의 조성비가 10 내지 30% 범위로 형성되며, 상기 제 2양자 장벽층의 Al 조성비는 3 내지 15%의 범위로 형성된 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 활성층은 서로 다른 두께를 지닌 제 1양자 장벽층 및 제 2양자 장벽층을 포함하는 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1양자 장벽층은 0보다 크고 20nm 이하의 범위의 두께로 형성되며, 상기 제 2양자 장벽층은 0보다 크고 10nm 이하의 두께 범위로 형성된 정공 전달 효율을 향상시킨 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
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