KR101043345B1 - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전하의 오버플로우를 최소화하여 내부양자효율을 증가시키고, 동작전압을 낮춰 고휘도 특성을 갖는 질화물 반도체 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자는 기판 상에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 활성층은 양자 우물층층과 양자 우물층보다 에너지 밴드갭이 큰 물질로 이루어진 배리어층이 교번적으로 적층되어 양자우물구조를 이루며, 배리어층 중 적어도 하나는 질화물 반도체 초격자(superlattice)로 이루어진다.

MQW, 초격자, LED, 오버플로우, 내부양자효율

Description

질화물 반도체 소자{Nitride semiconductor device}

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 발광소자, 태양전지, 광센서 등의 수광 소자 또는 트랜지스터, 파워디바이스 등의 전자 소자에 사용되는 질화물 반도체 소자에 관한 것이다.

질화갈륨 계열의 화합물 반도체는 비교적 높은 에너지 밴드갭을 갖는 물질(예; GaN의 경우, 약 3.4eV)로서 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하기 위한 발광소자에 적극적으로 채용되고 있다. 이러한 질화갈륨 계열의 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 백라이트 광원, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 소자의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 질화물 반도체 소자(100)는 사파이어 기판(110) 상에 GaN 버퍼층(120), n-GaN으로 이루어진 n형 클래드층(130), 활성층(140) 및 p-GaN으로 이루어진 p형 클래드층(150)이 순차적으로 적층되어 구조를 가진다. 활성층(140)은 GaN으로 이루어진 배리어층(141) 사이에 InGaN으로 이루어진 양자 우물 층(142)이 배치되는 단일양자우물(single quantum well, SQW) 구조로 이루어진다.

양자우물 구조는 에너지의 양자현상을 이용하는 것으로, 전하는 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다는 개념을 응용한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 밴드갭이 큰 배리어층(141) 사이에 에너지 밴드갭이 작은 양자 우물층(142)이 배치되면, 배리어층(141)과 양자 우물층(142) 사이의 에너지 밴드갭 차이(band off-set)에 의하여 전하들은 양자 우물층(142) 사이에 위치하게 된다. 이때 배리어층(141)과 양자 우물층(142) 사이의 에너지 밴드갭 차이가 작으면 양자 우물층(142)에 위치하는 전하의 일부는 에너지 장벽을 넘어 역류할 수 있는데 이런 현상을 오버플로우(overflow)라 한다. 오버플로우 현상이 발생하면 내부양자효율이 감소하여, LED의 성능이 저하되므로 내부양자효율을 증가시키는 것은 LED 성능 개선에 있어서 주요하게 된다. 내부양자효율을 증가시키기 위해서는 배리어층(141)과 양자 우물층(142) 사이의 에너지 밴드갭 차이를 크게 하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 활성층(140)이 단일양자우물 구조로 이루어진 경우에 비해, 양자 우물층(142)에 전하들이 감금(confinement)되는 효율이 증가하는 다중양자우물(multi quantum well, MQW) 구조가 제안되고 있다. 활성층(140)이 다중양자우물 구조로 이루어진 일 예를 도 3에 나타내었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 활성층(140)이 다중양자우물 구조로 이루어진 경우에는 단일양자우물 구조로 이루어진 경우에 비해 감금 효율이 증대되어 작은 전류에서도 발광이 가능하므로 소자 특성이 향상된다. 그러나 다중양자우물 구조로 이루어진 활성층(140)을 이용하더라도 조명용 LED로 사용되기에는 발광효율에 한계가 있어, 내부 양자효율을 더욱 증가시킬 수 있는 구조를 갖는 활성층에 대한 연구가 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전하의 오버플로우를 최소화하여 내부양자효율을 증가시키고, 동작전압을 낮춰 고휘도 특성을 갖는 질화물 반도체 소자를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 클래드층; 상기 n형 클래드층 상에 형성되며, 양자 우물층층과 상기 양자 우물층보다 에너지 밴드갭이 큰 물질로 이루어진 배리어층이 교번적으로 적층되어 양자우물구조를 이루는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 p형 클래드층;을 포함하며, 상기 배리어층 중 적어도 하나는 질화물 반도체 초격자(superlattice)로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 배리어층을 배리어층의 밴드갭보다 큰 초격자로 대체함으로써 양자 우물층과 배리어층 사이의 밴드 차이(band off-set)가 극대화된다. 따라서 전하의 오버플로우를 최소화하게 되고, 이에 따라 전하들의 감금(confinement) 효율이 증가되어 내부양자효율이 증가된다. 또한, 초격자를 서로 다른 전자 이동도를 갖는 질화물 반도체를 교번적으로 적층하여 형성함으로써, 두꺼워진 다중양자우물 구조에 기인한 높은 저항을 감소시켜 구동 전압을 낮출 수 있게 된다. 이를 통해 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자는 고휘도의 LED를 구현할 수 있게 된다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자(400)는 기판(410), 버퍼층(420), n형 클래드층(430), 활성층(440) 및 p형 클래드층(450)을 구비한다.

기판(410)은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 카바이드(SiC), 리튬 알루미늄 산화물(LiAlO₂), 마그네슘 산화물(MgO) 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 사파이어 기판이 이용된다.

버퍼층(420)은 사파이어 기판과 n형 클래드층(430) 사이의 격자 정합을 통한 결정성 향상을 위한 것이다. 버퍼층(420)은 기판(410) 상에 형성되며, 일반적으로 수십 내지 수백 Å 정도의 도핑되지 않은 GaN으로 이루어진다.

n형 클래드층(430)은 버퍼층(420) 상에 형성되며, In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. 일반적으로 n형 클래드층(430)은 수 μm 정도의 n형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루 어진다. 이때 n형 도펀트는 주로 4족 원소가 사용되며, 실리콘(Si)이 사용될 수 있다.

활성층(440)은 n형 클래드층(430) 상에 형성되며, 양자 우물층(442)과 배리어층(441)이 교번적으로 적층되어 양자우물(quantum well) 구조를 이룬다. 활성층(440)은 두 개의 배리어층(441) 사이에 양자 우물층(442)이 배치되는 단일양자우물(single quantum well, SQW) 구조를 가질 수도 있으나, 양자 우물층(442)에 전하들이 모이는 감금(confinement) 효율을 증대시키기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 배리어층(441)과 복수의 양자 우물층(442)이 교번적으로 적층되어 있는 다중양자우물(multi quantum well, MQW) 구조를 가지는 것이 바람직하다.

양자 우물층(442)은 상대적으로 에너지 밴드갭이 작은 물질로 이루어지며, 배리어층(441)은 상대적으로 에너지 밴드갭이 큰 물질로 이루어진다. 바람직하게는 양자 우물층(442)과 배리어층(441) 사이의 에너지 밴드갭 차이(band off-set)가 크게 되도록 양자 우물층(442)과 배리어층(441)이 형성된다. 이를 위해, 양자 우물층(442)은 InGaN으로 이루어질 수 있으며, 배리어층(441) 중 적어도 하나는 질화물 반도체 초격자(superlattice)로 이루어질 수 있다. 질화물 반도체 초격자는 밴드갭이 서로 다른 질화물 반도체층이 교번적으로 적층되어 형성될 수 있으며, 각각의 질화물 반도체층의 밴드갭은 GaN의 밴드갭보다 작지 않도록 형성된다. 배리어층(441)을 이루는 초격자 구조의 일 예를 도 5에 도시하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 배리어층(441)을 이루는 초격자는 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0 ≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 제1질화물층(443)과 In_xAl_yGa_{1 -x-y}N(0<x≤1, 0<y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 제2질화물층(444)이 교번적으로 적층되어 형성된다. 이때 제1질화물층(443)은 GaN으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 배리어층(441)이 초격자로 구성된다면, 도 6에 도시된 바와 같이, 양자 우물층(442)과 배리어층(441) 사이의 에너지 밴드갭 차이가 극대화되어, 전하의 오버플로우가 방지된다. 따라서 전하들의 감금 효율이 증가하므로 내부양자효율이 증가되고, 이로 인해 고휘도의 LED가 구현된다.

그리고 배리어층(441)을 이루는 초격자는 서로 다른 전자 이동도를 가지는 질화물 반도체가 교번적으로 적층되어 있는 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해 제1질화물층(443)은 n형 도펀트로 도핑시키고, 제2질화물층(444)은 도핑시키지 않는다. 즉, 배리어층(441)을 이루는 초격자는 n-GaN과 InAlGaN이 교번적으로 적층되어 형성된다. 이와 같이 초격자의 일부를 도핑하여, 제1질화물층(443)과 제2질화물층(444)이 서로 다른 전자 이동도를 가지게 되면, 도 6에 도시된 바와 같이 배리어층(441)의 에너지 밴드 프로파일(profile)은 요철 형태가 된다. 배리어층(441)이 요철 형태의 에너지 밴드 프로파일을 가지게 되면, 전류의 수평 방향 확산 효과가 향상되어, 다중양자우물 구조에 기인한 높은 저항이 감소된다. 따라서 낮은 구동전압으로 LED를 구동할 수 있게 되어, 고휘도 발광을 구현할 수 있게 된다.

또한, 제1질화물층(443)과 제2질화물층(444)을 이루는 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N의 물질 특성상, In_xAl_yGa_{1 -x- y}N의 조성을 제어하는 것이 용이하므로, 제1질화물층(443)과 제2 질화물층(444)의 격자상수와 에너지 밴드갭을 독립적으로 손쉽게 제어할 수 있다. 이를 이용하여, 양자 우물층(442)과 배리어층(441) 사이의 에너지 밴드갭 차이를 크게 함과 동시에 양자 우물층(442)과 배리어층(441)의 격자 불일치(lattice mismatch)를 최소화할 수 있다. 따라서 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N의 조성 제어를 통해 양자 우물층(442)과 배리어층(441)의 격자 상수를 일치시킴으로써, 고품질의 활성층(440)을 형성할 수 있게 된다. 그리고 배리어층(441)은 초격자로 이루어지므로, 배리어층(441)의 두께가 두꺼워지더라도, 초격자의 특성상 초격자의 스트레인에 의해 격자결함을 감소시킬 수 있어, 고품질의 질화물 반도체 소자를 구현할 수 있게 된다.

p형 클래드층(450)은 활성층(440) 상에 형성되며, In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. 일반적으로 p형 클래드층(450)은 수천 Å 정도의 p형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어진다. 이때 p형 도펀트는 주로 2족 원소가 사용되며, 마그네슘(Mg)이 사용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 소자의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1의 질화물 반도체 소자에 구비된 활성층의 에너지 대역도를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 종래의 질화물 반도체 소자에 있어서, 다중양자우물(multi quantum well, MQW) 구조를 갖는 활성층의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자에 구비되는 배리어층의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 반도체 소자에 구비되는 활성층의 에너지 대역도를 개략적으로 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

410...기판 420...버퍼층

430...n형 클래드층 440...활성층

441...양자 우물층 442...배리어층

450...p형 클래드층

Claims (7)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 n형 클래드층;

   상기 n형 클래드층 상에 형성되며, 양자 우물층층과 상기 양자 우물층보다 에너지 밴드갭이 큰 물질로 이루어진 배리어층이 교번적으로 적층되어 양자우물구조를 이루는 활성층; 및

   상기 활성층 상에 형성된 p형 클래드층;을 포함하며,

   상기 배리어층은 전자 이동도가 서로 다른 질화물 반도체층이 교번적으로 적층되어 형성된 초격자(superlattice)로서, GaN으로 이루어진 제1질화물층과 InAlGaN으로 이루어진 제2질화물층이 교번적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 활성층은 다중양자우물(multi quantum well, MQW) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 양자 우물층은 InGaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 초격자를 이루는 제1질화물층 및 제2질화물층 중 적어도 일부는 n형 도펀트로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
7. 삭제

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