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KR102653003B1 - Semiconductor device - Google Patents

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KR102653003B1
KR102653003B1 KR1020180075239A KR20180075239A KR102653003B1 KR 102653003 B1 KR102653003 B1 KR 102653003B1 KR 1020180075239 A KR1020180075239 A KR 1020180075239A KR 20180075239 A KR20180075239 A KR 20180075239A KR 102653003 B1 KR102653003 B1 KR 102653003B1
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KR
South Korea
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layer
electron blocking
blocking layer
semiconductor
type dopant
Prior art date
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KR1020180075239A
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Korean (ko)
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KR20200002106A (en
Inventor
권오민
김지원
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쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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Publication date
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자는 제1 반도체층, 우물층과 장벽층을 포함하여 상기 제1 반도체층 상에 배치되는 활성층, 상기 활성층 상에 배치되는 제2 반도체층, 상기 제2 반도체층 상에 배치되는 전자 차단층 및 상기 전자 차단층 상에 배치되는 제3 반도체층을 포함하고, 상기 전자 차단층은, 상기 제2 반도체층 상에 순차적으로 배치되는 제1 전자 차단층, 제2전자 차단층 및 제3 전자 차단층을 포함하며, 상기 제2 전자 차단층에 p형 도펀트 및 인듐(In)이 도핑된다.A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first semiconductor layer, a well layer, and a barrier layer, an active layer disposed on the first semiconductor layer, a second semiconductor layer disposed on the active layer, and the second semiconductor. It includes an electron blocking layer disposed on the electron blocking layer and a third semiconductor layer disposed on the electron blocking layer, wherein the electron blocking layer includes a first electron blocking layer and a second semiconductor layer sequentially disposed on the second semiconductor layer. It includes an electron blocking layer and a third electron blocking layer, and the second electron blocking layer is doped with a p-type dopant and indium (In).

Description

반도체 소자 {SEMICONDUCTOR DEVICE}Semiconductor device {SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 광출력 및 휘도가 향상된 반도체 소자에 관한 것이다. The present invention relates to semiconductor devices. More specifically, it relates to semiconductor devices with improved light output and brightness.

GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가지므로, 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.Semiconductor devices containing compounds such as GaN and AlGaN have many advantages, such as having a wide and easily adjustable band gap energy, so they can be used in a variety of ways, such as light emitting devices, light receiving devices, and various diodes.

특히, 질화물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광 소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비 전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.In particular, light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes using nitride semiconductor materials can realize various colors such as red, green, blue, and ultraviolet rays through the development of thin film growth technology and device materials. By using fluorescent materials or combining colors, efficient white light can be realized, and compared to existing light sources such as fluorescent lights and incandescent lights, it has the advantages of low power consumption, semi-permanent lifespan, fast response speed, safety, and environmental friendliness.

뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 질화물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.In addition, when light-receiving devices such as photodetectors or solar cells are manufactured using nitride semiconductor materials, the development of device materials absorbs light in various wavelength ranges to generate photocurrents, thereby generating photocurrents in various wavelength ranges from gamma rays to radio wavelengths. Light can be used. In addition, it has the advantages of fast response speed, safety, environmental friendliness, and easy control of device materials, so it can be easily used in power control, ultra-high frequency circuits, or communication modules.

따라서, 반도체 소자는 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트, 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있으며, 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.Therefore, semiconductor devices can replace the transmission module of optical communication means, the light emitting diode backlight that replaces the cold cathode fluorescence lamp (CCFL) that constitutes the backlight of LCD (Liquid Crystal Display) display devices, and fluorescent or incandescent light bulbs. Applications are expanding to white light-emitting diode lighting devices, automobile headlights, traffic lights, and sensors that detect gas or fire, and can also be expanded to high-frequency application circuits, other power control devices, and communication modules.

한편, 조명 장치의 광원으로 사용되는 반도체 소자는 발광층으로부터 출사되는 광이 등방성을 갖고 있기 때문에, 결정 성장용 기판의 내부에도 조사되어 기판의 이면 및 측면으로부터도 광이 출사된다. 이 경우, 기판의 내부에 조사된 광 중 공기층과의 계면에서의 입사각이 임계각 이상인 광은 계면에서 전반사 되어 기판 내부에 가둬지게 되고 기판 외부로 출사되지 못하기 때문에 반도체 소자의 휘도 저하를 야기하는 문제가 있으며, 질화물 반도체 소자는 도펀트를 이용한 정공 주입 효율이 상대적으로 떨어져 휘도를 개선하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 도펀트의 도핑량을 증가시키는 경우에는, 도핑층의 막질이 저하되어 반도체 소자의 광특성 및 광출력이 저하되는 문제가 있다. 본 발명은 이를 해결하기 위해 제안된 것이다. On the other hand, since the light emitted from the light emitting layer of the semiconductor device used as the light source of the lighting device is isotropic, it is irradiated to the inside of the substrate for crystal growth and is emitted from the back and sides of the substrate. In this case, among the light irradiated inside the substrate, the light whose incident angle at the interface with the air layer is greater than the critical angle is totally reflected at the interface, is trapped inside the substrate, and cannot be emitted outside the substrate, causing a decrease in luminance of the semiconductor device. In addition, nitride semiconductor devices have relatively low hole injection efficiency using dopants, making it difficult to improve luminance. In order to solve this problem, when the doping amount of the dopant is increased, the film quality of the doped layer deteriorates, leading to a problem that the optical characteristics and optical output of the semiconductor device deteriorate. The present invention was proposed to solve this problem.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 반도체 소자에 도핑되는 도펀트의 양을 증가시키지 않으면서 동시에 정공 주입 효율을 향상시킴으로써 광특성 및 광출력이 향상된 반도체 소자를 제공하는 데 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device with improved optical characteristics and optical output by improving hole injection efficiency without increasing the amount of dopant doped into the semiconductor device.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자는 제1 반도체층, 우물층과 장벽층을 포함하여 상기 제1 반도체층 상에 배치되는 활성층, 상기 활성층 상에 배치되는 제2 반도체층, 상기 제2 반도체층 상에 배치되는 전자 차단층 및 상기 전자 차단층 상에 배치되는 제3 반도체층을 포함하고, 상기 전자 차단층은, 상기 제2 반도체층 상에 순차적으로 배치되는 제1 전자 차단층, 제2 전자 차단층 및 제3 전자 차단층을 포함하며, 상기 제2 전자 차단층에 p형 도펀트 및 인듐(In)이 도핑될 수 있다.A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first semiconductor layer, a well layer, and a barrier layer, an active layer disposed on the first semiconductor layer, a second semiconductor layer disposed on the active layer, and the second semiconductor. It includes an electron blocking layer disposed on the electron blocking layer and a third semiconductor layer disposed on the electron blocking layer, wherein the electron blocking layer includes a first electron blocking layer and a second semiconductor layer sequentially disposed on the second semiconductor layer. It includes an electron blocking layer and a third electron blocking layer, and the second electron blocking layer may be doped with a p-type dopant and indium (In).

상기 제2 전자 차단층의 인듐(In)은 1.5% 이상 내지 3.5% 이하의 조성비로 도핑될 수 있다.Indium (In) of the second electron blocking layer may be doped at a composition ratio of 1.5% or more and 3.5% or less.

상기 제2 전자 차단층은 제1 전자 차단층 상에 순차적으로 배치되는 제2-1 전자 차단층 및 제2-2 전자 차단층을 포함할 수 있다.The second electron blocking layer may include a 2-1 electron blocking layer and a 2-2 electron blocking layer sequentially disposed on the first electron blocking layer.

상기 p형 도펀트 및 인듐(In)은 제2-1 전자 차단층에 도핑될 수 있다.The p-type dopant and indium (In) may be doped into the 2-1 electron blocking layer.

상기 제2-1 전자 차단층은 660℃ 이상 내지 735℃ 이하의 온도 범위에서 성장될 수 있다.The 2-1 electron blocking layer may be grown in a temperature range of 660°C or higher to 735°C or lower.

상기 제2-1 전자 차단층의 p형 도펀트는 1.35E+20 atoms/cm3 이상 내지 1.65E+20 atoms/cm3 이하의 농도 범위로 도핑될 수 있다.The p-type dopant of the 2-1 electron blocking layer may be doped in a concentration range of 1.35E+20 atoms/cm 3 or more to 1.65E+20 atoms/cm 3 or less.

상기 제1 전자 차단층 및 제2-2 전자 차단층은 제2-1 전자 차단층보다 100℃ 이상 높은 온도 범위에서 성장될 수 있다.The first electron blocking layer and the 2-2 electron blocking layer may be grown at a temperature range that is 100°C or more higher than the 2-1 electron blocking layer.

상기 제2 반도체층 및 제1 전자 차단층에는 제2-1 전자 차단층보다 낮은 농도의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.The second semiconductor layer and the first electron blocking layer may be doped with a p-type dopant at a lower concentration than the 2-1 electron blocking layer.

상기 활성층은 다중양자우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조를 가질 수 있다.The active layer may have a multi quantum well (MQW) structure.

상기 제2 반도체층에 도핑된 p형 도펀트가 다중양자우물의 마지막 우물층 영역까지 도핑될 수 있다.The p-type dopant doped in the second semiconductor layer may be doped up to the last well layer region of the multiple quantum well.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 반도체 소자의 전자 차단층 중 특정 층에 p형 도펀트와 인듐(In)을 함께 도핑시킴으로써 특정 층에 도핑되는 p형 도펀트의 농도를 증가시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the concentration of the p-type dopant doped in a specific layer can be increased by doping a specific layer of the electron blocking layer of a semiconductor device with a p-type dopant and indium (In).

또한, 특정 층에 p형 도펀트를 고농도로 도핑시킴에 따라 정공 주입 효율이 향상되어, 광출력 및 광특성이 증가하는 효과가 있다.In addition, by doping a specific layer with a high concentration of p-type dopant, hole injection efficiency is improved, which has the effect of increasing optical output and optical characteristics.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 전자 차단층의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 전자 차단층 중 제2 전자 차단층을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 제3 전자 차단층의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 활성층의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 제3 반도체층의 개념도이다.
도 7은 종래 반도체 소자의 비행 시간형 이차 이온 질량분석법(TOF-SIMS)에 의한 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 비행 시간형 이차 이온 질량분석법(TOF-SIMS)에 의한 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a conceptual diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a conceptual diagram of an electron blocking layer of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a conceptual diagram showing a second electron blocking layer among the electron blocking layers of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a conceptual diagram of a third electron blocking layer of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a conceptual diagram of an active layer of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a conceptual diagram of a third semiconductor layer of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a graph showing the analysis results of conventional semiconductor devices by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS).
Figure 8 is a graph showing the results of analysis by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Hereinafter, details regarding the above-described purpose and technical configuration of the present invention and its operational effects will be more clearly understood through the detailed description below.

본 발명의 설명에 있어서, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성요소들이 제1, 제2등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.In the description of the present invention, terms such as first, second, etc. used hereinafter are merely identifiers to distinguish the same or corresponding components, and the same or corresponding components are referred to as first, second, etc. It is not limited by .

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. “포함한다” 또는 “가진다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Terms such as “includes” or “has” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, and include one or more other features, numbers, or steps. , operations, components, parts, or combinations thereof can be interpreted as being added.

이하 사용되는 “포함한다(Comprises)” 및/또는 “포함하는(comprising)”은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.As used hereinafter, “comprises” and/or “comprising” refers to the presence or absence of one or more other components, steps, operations and/or elements. Addition is not ruled out.

본 발명의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(On)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.In the description of the present invention, each layer (film), region, pattern or structure is “on” or “under” the substrate, each layer (film), region, pad or pattern. The description of being formed in "includes being formed directly or through another layer. The standards for top/top or bottom/bottom of each floor are explained based on the drawing.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)에 대해 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)의 개념도이다.Figure 1 is a conceptual diagram of a semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)는 제1 반도체층(100), 활성층(200), 제2 반도체층(300), 전자 차단층(400) 및 제3 반도체층(500)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention includes a first semiconductor layer 100, an active layer 200, a second semiconductor layer 300, an electron blocking layer 400, and a third Includes a semiconductor layer 500.

제1 반도체층(100)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 반도체층(100)에는 제1 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 반도체층(100)은 InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 한편, 제1 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있으며, 제1 도펀트가 n형 도펀트일 경우 제1 반도체층(100)은 n형 반도체층일 수 있다.The first semiconductor layer 100 may be implemented with a compound semiconductor such as group III-V or group II-VI, and the first semiconductor layer 100 may be doped with a first dopant. The first semiconductor layer 100 is a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), for example It can be selected from GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN, etc. Meanwhile, the first dopant may be an n-type dopant such as Si, Ge, Sn, Se, or Te. If the first dopant is an n-type dopant, the first semiconductor layer 100 may be an n-type semiconductor layer.

활성층(200)은 제1 반도체층(100) 상에 배치될 수 있다. 활성층(200)은 제1 반도체층(100)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제3 반도체층(500)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층으로서, 활성층(200)에서 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성한다.The active layer 200 may be disposed on the first semiconductor layer 100 . The active layer 200 is a layer where electrons (or holes) injected through the first semiconductor layer 100 and holes (or electrons) injected through the third semiconductor layer 500 meet. In the active layer 200, electrons and As holes recombine, they transition to a lower energy level and generate light with a corresponding wavelength.

활성층(200)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 활성층(200)은 자외선 파장대의 광을 생성할 수 있다.The active layer 200 may have any one of a single well structure, a multi-well structure, a single quantum well structure, a multi quantum well (MQW) structure, a quantum dot structure, or a quantum wire structure, but is not limited thereto. . The active layer 200 can generate light in the ultraviolet wavelength range.

활성층(200)이 우물 구조로 형성되는 경우, 활성층(200)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 우물층은 장벽층의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.When the active layer 200 is formed in a well structure, the well layer/barrier layer of the active layer 200 is InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP) /AlGaP may be formed in one or more pair structures, but is not limited thereto. The well layer may be formed of a material having a band gap smaller than that of the barrier layer.

제2 반도체층(300)은 InxAlyGa1 -x- yP (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 또는 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP 등에서 선택될 수 있다. The second semiconductor layer 300 is In x Al y Ga 1 -x- y P (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) or In x Al y Ga 1-xy N Semiconductor materials having a composition formula of (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), such as AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, It can be selected from InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, etc.

한편, 제2 반도체층(300)에는 제2 도펀트가 도핑될 수 있으며, 제2 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 도핑될 수 있다.Meanwhile, the second semiconductor layer 300 may be doped with a second dopant, and Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, etc. may be doped as the second dopant.

전자 차단층(EBL:Electron Blocking Layer, 400)은 제2 반도체층(300)상에 배치될 수 있다. 전자 차단층(400)은 제1 반도체층(100)에서 공급된 전자가 제3 반도체층(500)으로 빠져나가는 흐름을 차단하여, 활성층(200) 내에서 전자와 정공이 재결합할 확률을 높일 수 있다. 전자 차단층(400)의 에너지 밴드갭은 활성층(200) 및/또는 제3 반도체층(500)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.An electron blocking layer (EBL) 400 may be disposed on the second semiconductor layer 300 . The electron blocking layer 400 blocks the flow of electrons supplied from the first semiconductor layer 100 to the third semiconductor layer 500, thereby increasing the probability of electrons and holes recombining within the active layer 200. there is. The energy band gap of the electron blocking layer 400 may be larger than that of the active layer 200 and/or the third semiconductor layer 500.

전자 차단층(400)은 InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 전자 차단층(400)에는 제2 도펀트가 도핑될 수 있다.The electron blocking layer 400 is made of a semiconductor material having the composition formula In x Al y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), for example, AlGaN. , InGaN, InAlGaN, etc., but is not limited thereto. Additionally, the electron blocking layer 400 may be doped with a second dopant.

제3 반도체층(500)은 전자 차단층(400) 상에 배치될 수 있다. 제3 반도체층(500)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있고, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제3 반도체층(500)에는 제2 도펀트가 도핑될 수 있고, 제2 도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제3 반도체층(500)은 p형 반도체층일 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)의 전자 차단층(400)의 개념도로서, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)의 전자 차단층(400)은 제1 전자 차단층(410), 제2 전자 차단층(420) 및 제3 전자 차단층(430)을 포함한다.The third semiconductor layer 500 may be disposed on the electron blocking layer 400. The third semiconductor layer 500 may be implemented with a compound semiconductor of group III-V, group II-VI, etc., In x Al y Ga 1 -x- y N (0≤x≤1, 0≤y≤1 , 0≤x+y≤1) or a semiconductor material selected from AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, and AlGaInP. The third semiconductor layer 500 may be doped with a second dopant, and when the second dopant is a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, etc., the third semiconductor layer 500 may be a p-type semiconductor layer. You can. FIG. 2 is a conceptual diagram of the electron blocking layer 400 of the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the electron blocking layer 400 of the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention. 400 includes a first electron blocking layer 410, a second electron blocking layer 420, and a third electron blocking layer 430.

제1 전자 차단층(410)은 제2 반도체층(300) 상에 배치될 수 있다. 제1 전자 차단층(410)은 AlGaN을 포함할 수 있으며, Al의 함량은 29% 이상 내지 33% 이하일 수 있다. Al의 함량이 29% 미만인 경우에는 활성층(200)과 제3 반도체층(500) 사이에 높은 에너지 밴드 갭을 형성하기 어려울 수 있으며, 33%를 초과하는 경우에는 저항이 증가하여 충분한 전류 주입이 어려울 수 있기 때문이다.The first electron blocking layer 410 may be disposed on the second semiconductor layer 300. The first electron blocking layer 410 may include AlGaN, and the Al content may be 29% or more and 33% or less. If the Al content is less than 29%, it may be difficult to form a high energy band gap between the active layer 200 and the third semiconductor layer 500, and if it exceeds 33%, the resistance increases, making it difficult to inject sufficient current. Because you can.

제1 전자 차단층(410)에는 p형 도펀트가 4.18E+19 atoms/cm3 이상 내지 4.62E+19 atoms/cm3 이하의 농도 범위로 도핑될 수 있다. p형 도펀트의 도핑 농도가 4.18E+19 atoms/cm3 미만일 경우에는 후술할 제2-1 전자 차단층(421)에 도핑된 p형 도펀트의 손실이 있을 수 있으며, 4.62E+19 atoms/cm3를 초과하는 경우에는 과도핑으로 인해 소자 특성이 저하될 수 있기 때문이다.The first electron blocking layer 410 contains a p-type dopant of 4.18E+19 atoms/cm 3 or more to 4.62E+19 atoms/cm 3 It can be doped in the following concentration range. If the doping concentration of the p-type dopant is less than 4.18E+19 atoms/cm 3 , there may be loss of the p-type dopant doped in the 2-1 electron blocking layer 421, which will be described later, and the doping concentration is 4.62E+19 atoms/cm. This is because if it exceeds 3 , device characteristics may deteriorate due to over-ping.

제1 전자 차단층(410)이 전술한 조성을 가짐으로써 활성층(200)과 제3 반도체층(500) 사이에 높은 에너지 밴드 갭이 형성되어, 제1 반도체층(100)에서 공급된 전자가 제3 반도체층(500)으로 빠져나가는 흐름이 효과적으로 차단될 수 있다. As the first electron blocking layer 410 has the above-described composition, a high energy band gap is formed between the active layer 200 and the third semiconductor layer 500, so that electrons supplied from the first semiconductor layer 100 are transmitted to the third semiconductor layer 100. The flow out of the semiconductor layer 500 can be effectively blocked.

한편, 제1 전자 차단층(410)은 860℃ 이상 내지 960℃ 이하의 온도 범위에서 성장될 수 있으며, 상기 범위 미만의 온도에서 성장되는 경우에는 후술할 제2-1 전자 차단층(421)에 도핑된 p형 도펀트가 제1 전자 차단층(410) 쪽으로 이동하여 제2-1 전자 차단층(421)에 고농도의 p형 도펀트를 도핑시킬 수 없으며, 상기 범위를 초과하는 온도에서 성장되는 경우에는 성장시키고자 하는 목표 두께를 얻기 어려울 수 있다.Meanwhile, the first electron blocking layer 410 can be grown at a temperature range of 860°C or higher to 960°C or lower, and when grown at a temperature below this range, it may be grown in the 2-1 electron blocking layer 421, which will be described later. The doped p-type dopant moves toward the first electron blocking layer 410, making it impossible to dope the 2-1 electron blocking layer 421 with a high concentration of p-type dopant, and when grown at a temperature exceeding the above range, It may be difficult to achieve the target thickness you want to grow.

앞서 설명한 바와 같이, 전자 차단층(400)은 제1 전자 차단층(410)과 제1 전자 차단층(410) 상에 순차적으로 적층된 제2 전자 차단층(420) 및 제3 전자 차단층(430)을 포함한다.As described above, the electron blocking layer 400 includes the first electron blocking layer 410, the second electron blocking layer 420, and the third electron blocking layer (420) sequentially stacked on the first electron blocking layer 410 ( 430).

제2 전자 차단층(420)은 도 3을 참조하여 설명하고, 제3 전자 차단층(430)은 도 4를 참조하여 이후에 설명하도록 한다.The second electron blocking layer 420 will be described with reference to FIG. 3, and the third electron blocking layer 430 will be described later with reference to FIG. 4.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)의 전자 차단층(400)이 포함하는 제2 전자 차단층(420)을 나타낸 개념도로서, 도 3을 참조하면, 제2 전자 차단층(420)은 제1 전자 차단층(410)상에 순차적으로 배치되는 제2-1 전자 차단층(421) 및 제2-2 전자 차단층(423)을 포함한다.Figure 3 is a conceptual diagram showing the second electron blocking layer 420 included in the electron blocking layer 400 of the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 3, the second electron blocking layer 420 includes a 2-1st electron blocking layer 421 and a 2-2electron blocking layer 423 sequentially disposed on the first electron blocking layer 410.

제2-1 전자 차단층(421)은 InAlGaN을 포함할 수 있으며, Al의 함량은 3.8% 이상 내지 4.2% 이하일 수 있는데, Al이 3.8% 미만으로 포함되는 경우에는 광흡수 문제가 발생할 수 있고, 4.2%를 초과하는 경우에는 저항 증가로 인해 전류 주입 효율이 저하될 수 있기 때문이다.The 2-1 electron blocking layer 421 may include InAlGaN, and the Al content may be 3.8% or more and 4.2% or less. If Al is included in less than 3.8%, a light absorption problem may occur, If it exceeds 4.2%, current injection efficiency may decrease due to increased resistance.

제2-1 전자 차단층(421)은 인듐(In)과 p형 도펀트가 함께 도핑되는 층이다. 인듐(In)과 p형 도펀트가 함께 도핑됨으로써, 인듐으로 인해 또 다른 3족 원소인 갈륨(Ga)의 주입 효율이 감소하게 되고, 갈륨의 빈자리를 p형 도펀트가 채우기 때문에 p형 도펀트의 주입 효율이 향상될 수 있다.The 2-1st electron blocking layer 421 is a layer doped with indium (In) and a p-type dopant. As indium (In) and p-type dopant are doped together, the injection efficiency of gallium (Ga), another group 3 element, decreases due to indium, and since the p-type dopant fills the vacancy of gallium, the injection efficiency of the p-type dopant increases. This can be improved.

종래에는 p형 도펀트의 주입 효율을 향상시키기 위해 p형 도펀트를 과량 도핑하는 방법을 이용하였다. 그러나, 이와 같이 p형 도펀트를 과도핑하는 경우에는 고농도의 p형 도펀트로 인해 막질저하가 발생하여 광특성이 저하된다. 또한 p형 도펀트가 임계 농도 이상으로 도핑되는 경우에는 자기보상효과(self compensation effect)에 의해 오히려 정공의 농도를 저하시키는 문제가 있었다.Conventionally, a method of excessively doping p-type dopant was used to improve p-type dopant injection efficiency. However, in the case of excessive doping of the p-type dopant like this, the film quality deteriorates due to the high concentration of the p-type dopant, thereby deteriorating the optical characteristics. Additionally, when the p-type dopant is doped above the critical concentration, there is a problem of lowering the hole concentration due to a self-compensation effect.

이에, 본 발명의 일 실시 예에서는 제2-1 전자 차단층(421)에 p형 도펀트와 인듐을 함께 도핑시킴으로써 상술한 문제를 해결하고자 한다. Accordingly, in one embodiment of the present invention, an attempt is made to solve the above-mentioned problem by doping the 2-1 electron blocking layer 421 with a p-type dopant and indium.

p형 도펀트와 인듐을 함께 도핑시키는 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 p형 도펀트의 주입 효율이 향상될 수 있기 때문에, p형 도펀트를 과도핑 하지 않아도 되므로, 막질 개선의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 인듐의 계면활성작용으로 인해 p형 도펀트의 이온화 에너지가 감소하게 되므로, 캐리어로 작용하는 p형 도펀트의 비율이 두 배 이상 증가하는 효과가 있다.When doping a p-type dopant and indium together, the injection efficiency of the p-type dopant can be improved as described above, and there is no need to over-dop the p-type dopant, thereby improving film quality. In addition, since the ionization energy of the p-type dopant is reduced due to the surface activity of indium, the ratio of the p-type dopant acting as a carrier is more than doubled.

이때, 도핑되는 인듐의 함량은 1.5% 이상 내지 3.5% 이하일 수 있는데, 최저 함량을 이와 같이 한정한 이유는, 최저 함량 이하로 도핑되는 경우에는 인듐으로 인한 p형 도펀트의 주입 효율 향상 효과가 미미하여 광특성 및 광출력의 개선이 이뤄지지 않기 때문이다. 또한, 인듐의 함량이 3.5%를 초과하는 경우에도 광출력이 저하될 수 있으므로, 1.5% 이상 내지 3.5% 이하로 포함되는 것이 바람직하다.At this time, the content of indium to be doped may be 1.5% or more to 3.5% or less. The reason for limiting the minimum content is that when doped below the minimum content, the effect of improving the injection efficiency of the p-type dopant due to indium is minimal, so the light This is because there is no improvement in characteristics and light output. In addition, even if the indium content exceeds 3.5%, the light output may decrease, so it is preferable that the indium content is 1.5% or more and 3.5% or less.

제2-1 전자 차단층(421)에는 p형 도펀트가 1.35E+20 atoms/cm3 이상 1.65+20 atoms/cm3 이하의 농도로 도핑될 수 있다. 도핑 농도가 상기 범위 미만인 경우에는 반도체 소자(10)의 휘도를 향상시키기 어려우며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 과도핑으로 인한 광흡수 문제가 발생할 수 있기 때문이다.The 2-1 electron blocking layer 421 may be doped with a p-type dopant at a concentration of 1.35E+20 atoms/cm 3 or more and 1.65+20 atoms/cm 3 or less. If the doping concentration is less than the above range, it is difficult to improve the luminance of the semiconductor device 10, and if the doping concentration exceeds the above range, a light absorption problem may occur due to overdoping.

제2-1 전자 차단층(421)에 도핑되는 p형 도펀트의 농도는 제1 전자 차단층(410)보다 고농도이다. 이는 제2-1 전자 차단층(421)이 인접한 두 층과 달리 660℃ 이상 내지 735℃ 이하의 낮은 온도 범위에서 성장되기 때문이며, 이와 같이 제2-1 전자 차단층(421)에 고농도의 p형 도펀트가 도핑됨으로써 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 휘도가 개선될 수 있다. The concentration of the p-type dopant doped into the 2-1st electron blocking layer 421 is higher than that of the first electron blocking layer 410. This is because the 2-1 electron blocking layer 421, unlike the two adjacent layers, is grown at a low temperature range of 660°C or higher to 735°C or lower, and as such, a high concentration of p-type is present in the 2-1 electron blocking layer 421. By being doped with a dopant, the brightness of the semiconductor device according to an embodiment of the present invention may be improved.

제2-1 전자 차단층(421)에 고농도의 p형 도펀트가 도핑됨으로써 정공 주입이 강화되는 장점이 있는 반면, 막질 저하로 인한 광흡수, 동작 전압의 증가 문제가 나타날 수 있다. 이는 제2-1 전자 차단층(421)에 인접한 제2-2 전자 차단층(423)을 900℃ 이상 내지 990℃ 이하의 높은 온도 범위에서 성장시켜 막질을 개선시킴으로써 해결할 수 있다. 이때, 상기 온도 범위 미만에서 성장시키는 경우에는 제2-1 전자 차단층(421)의 막질 개선 효과가 미미하며, 상기 온도 범위를 초과하여 성장시키는 경우에는 막질이 급격하게 저하하는 문제가 있다.While there is an advantage in enhancing hole injection by doping the 2-1 electron blocking layer 421 with a high concentration of p-type dopant, problems such as light absorption and increased operating voltage may occur due to deterioration of film quality. This can be solved by improving the film quality of the 2-2 electron blocking layer 423 adjacent to the 2-1 electron blocking layer 421 at a high temperature range of 900°C or higher to 990°C or lower. At this time, when grown below the above temperature range, the effect of improving the film quality of the 2-1 electron blocking layer 421 is minimal, and when grown above the above temperature range, there is a problem in that the film quality rapidly deteriorates.

제2-2 전자 차단층(423)은 AlGaN을 포함할 수 있고, Al의 함량은 3.8% 이상 내지 4.2% 이하일 수 있다. Al의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 광을 흡수하는 문제가 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 전류 주입 효율이 저하될 수 있기 때문이다.The 2-2nd electron blocking layer 423 may include AlGaN, and the Al content may be 3.8% or more and 4.2% or less. If the Al content is less than the above range, there is a problem of light absorption, and if the Al content exceeds the above range, current injection efficiency may decrease.

한편, 제1 전자 차단층(410)의 두께는 2.38㎚ 이상 내지 2.63㎚ 이하일 수 있고, 제2-1 전자 차단층(421) 및 제2-2 전자 차단층(423)의 두께는 각각 10㎚ 이상 내지 13.1㎚ 이하일 수 있다. 각 층의 두께가 최소 범위 미만인 경우에는 전자 차단 효율이 감소할 수 있으며, 최대 범위를 초과하는 경우에는 동작 전압이 상승하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.Meanwhile, the first electron blocking layer 410 may have a thickness of 2.38 nm or more and 2.63 nm or less, and the 2-1 electron blocking layer 421 and the 2-2 electron blocking layer 423 may each have a thickness of 10 nm. It may be more than or equal to 13.1 nm. If the thickness of each layer is less than the minimum range, the electron blocking efficiency may decrease, and if it exceeds the maximum range, the operating voltage may increase.

이어서, 도 4를 참조하여 제3 전자 차단층(430)을 설명하도록 한다.Next, the third electron blocking layer 430 will be described with reference to FIG. 4 .

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)의 제3 전자 차단층(430)의 개념도이다.Figure 4 is a conceptual diagram of the third electron blocking layer 430 of the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention.

제3 전자 차단층(430)은 AlGaN층(431-1, 431-2, ···, 431-n) 및 GaN(432-1, 432-2, ···, 432-n)층으로 구성된 페어(pair)를 포함할 수 있고, 복수개의 페어를 갖는 초격자 구조를 포함할 수 있으며, 약 12페어로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The third electron blocking layer 430 is composed of AlGaN layers (431-1, 431-2, ..., 431-n) and GaN (432-1, 432-2, ..., 432-n) layers. It may include a pair, may include a superlattice structure with a plurality of pairs, and may be composed of about 12 pairs, but is not limited thereto.

이때, 각 페어를 구성하는 AlGaN층 및 GaN층은 각각 0.8㎚ 이상 내지 1.05㎚이하의 두께를 가질 수 있다. 각 층의 두께가 0.8㎚ 미만인 경우에는 전자의 과잉흐름을 방지하기 어려울 수 있으며, 각 층의 두께가 1.05㎚를 초과하는 경우에는 제3 전자 차단층(430)의 두께가 두꺼워져 저항이 상승하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.At this time, the AlGaN layer and GaN layer constituting each pair may each have a thickness of 0.8 nm or more and 1.05 nm or less. If the thickness of each layer is less than 0.8 nm, it may be difficult to prevent excessive flow of electrons, and if the thickness of each layer exceeds 1.05 nm, the thickness of the third electron blocking layer 430 becomes thick and the resistance increases. This is because problems may arise.

각 페어를 구성하는 AlGaN층 및 GaN층은 각각 900℃ 이상 내지 990℃ 이하의 온도 범위에서 성장될 수 있다. 900℃ 미만에서 성장되는 경우에는 원하는 두께를 얻기까지 성장 시간이 길어질 수 있으며, 990℃를 초과하는 온도에서 성장되는 경우에는 막질이 저하될 수 있기 때문이다.The AlGaN layer and GaN layer constituting each pair may be grown in a temperature range of 900°C or higher and 990°C or lower, respectively. If grown at a temperature below 900°C, the growth time may be long to obtain the desired thickness, and if grown at a temperature exceeding 990°C, the film quality may deteriorate.

페어가 12개로 구성되는 경우, 페어는 4개의 그룹으로 나뉘어, 제2-2 전자 차단층(423)에 인접한 순서대로 제1 그룹의 AlGaN층은 24.7% 이상 내지 27.3% 이하의 농도 범위를 갖는 Al을 포함할 수 있고, 제2 그룹의 AlGaN층은 27.6% 이상 내지 30.5% 이하의 농도 범위를 갖는 Al을 포함할 수 있으며, 제3 그룹의 AlGaN층은 21.9% 이상 내지 24.2% 이하의 농도 범위를 갖는 Al을 포함할 수 있고, 제4 그룹의 AlGaN층은 15.2% 이상 내지 16.8%이하의 농도 범위를 갖는 Al을 포함할 수 있다.When the pair consists of 12, the pair is divided into four groups, and the AlGaN layer of the first group in the order adjacent to the 2-2 electron blocking layer 423 is Al having a concentration range of 24.7% or more and 27.3% or less. may include, the second group of AlGaN layers may include Al having a concentration range of 27.6% to 30.5%, and the third group of AlGaN layers may have a concentration range of 21.9% to 24.2%. The AlGaN layer of the fourth group may include Al with a concentration range of 15.2% or more to 16.8% or less.

페어를 구성하는 AlGaN층의 Al 농도를 위와 같이 조절함으로써 전자의 과잉흐름을 방지하여 비방사 재결합(Non-radiative recombination)에 의한 정공 캐리어(hole carrier)의 소비를 저감시켜 광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 정공의 유효 포텐셜을 낮춰 정공의 확산이 용이해지므로, 정공 주입 효율이 향상될 수 있다. 한편, 각 그룹의 AlGaN층의 농도가 전술한 범위를 벗어나는 경우에는 인접한 다른 그룹과의 Al 농도 차이가 미미하여 광효율과 정공 주입 효율의 향상이 미미하게 이루어질 수 있으므로 주의가 필요하다 할 것이다.By adjusting the Al concentration of the AlGaN layer constituting the pair as above, excessive flow of electrons can be prevented and the consumption of hole carriers due to non-radiative recombination can be reduced, thereby improving light efficiency. In addition, since diffusion of holes becomes easier by lowering the effective potential of holes, hole injection efficiency can be improved. On the other hand, if the concentration of the AlGaN layer of each group is outside the above-mentioned range, the difference in Al concentration with other adjacent groups may be small, so the improvement in light efficiency and hole injection efficiency may be minimal, so caution is required.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)가 포함하는 활성층(200)의 개념도이다.Figure 5 is a conceptual diagram of the active layer 200 included in the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)가 포함하는 활성층(200)은 우물층(211, 221)과 장벽층(213)이 교대로 배치된 다중양자우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조를 가지며, 제2 반도체층(300)과 인접한 부분에 최외곽 장벽층(LQB:Last quantum barrier, 223)을 포함한다.Referring to FIG. 5, the active layer 200 included in the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention is a multi quantum well (MQW) in which well layers 211 and 221 and barrier layers 213 are alternately arranged. :Multi Quantum Well) structure and includes an outermost barrier layer (LQB: Last quantum barrier, 223) in a portion adjacent to the second semiconductor layer 300.

최외곽 장벽층(223)은 GaN으로 구현되고, 830℃ 이상 내지 920℃ 이하의 온도 범위에서 성장될 수 있다. The outermost barrier layer 223 is made of GaN and can be grown in a temperature range of 830°C or higher to 920°C or lower.

최외곽 장벽층(223)은 다중양자우물의 최외곽에 위치하여 장벽층으로서의 역할을 수행하는 것으로서, 8.6㎚ 이상 내지 9.5㎚ 이하의 두께로 종래보다 두껍게 형성되어, 다중양자우물에 분포하는 p형 도펀트의 제3 반도체층(500) 방향으로의 재확산을 효과적으로 방지함으로써 다중양자우물에 정공 주입을 강화할 수 있다. 또한, 최외곽 장벽층(223)은 우물층(211, 221)이 열로 인해 손상되지 않도록 방지하는 역할을 수행하기도 한다.The outermost barrier layer 223 is located on the outermost side of the multi-quantum well and serves as a barrier layer. It is formed thicker than before with a thickness of 8.6 nm or more and 9.5 nm or less, and is a p-type distributed in the multi-quantum well. Hole injection into the multi-quantum well can be enhanced by effectively preventing rediffusion of the dopant in the direction of the third semiconductor layer 500. Additionally, the outermost barrier layer 223 also serves to prevent the well layers 211 and 221 from being damaged by heat.

이때, 다중양자우물에 분포하는 p형 도펀트는 제2 반도체층(300)으로부터 공급될 수 있다. At this time, the p-type dopant distributed in the multiple quantum well may be supplied from the second semiconductor layer 300.

제2 반도체층(300)은 GaN을 포함할 수 있고, 다중양자우물에 정공 주입을 위한 p형 도펀트를 제공한다. p형 도펀트는 1.20E+20 atoms/cm3 이상 1.49E+20 atoms/cm3 이하의 농도 범위로 도핑될 수 있다. 도핑 농도가 1.20E+20 atoms/cm3 미만일 경우에는 다중양자우물에 충분한 정공 주입이 이루어지지 않아 휘도 개선 효과가 미미하며, 도핑 농도가 1.49E+20 atoms/cm3을 초과하는 경우에는 과도핑으로 인한 막질 저하 문제가 발생할 수 있기 때문이다.The second semiconductor layer 300 may include GaN and provides a p-type dopant for hole injection into the multiple quantum well. The p-type dopant may be doped in a concentration range of 1.20E+20 atoms/cm 3 or more and 1.49E+20 atoms/cm 3 or less. If the doping concentration is less than 1.20E+20 atoms/cm 3 , the brightness improvement effect is minimal due to insufficient hole injection into the multi-quantum well. If the doping concentration exceeds 1.49E+20 atoms/cm 3 , excessive doping occurs. This is because problems with membrane quality deterioration may occur.

이때, 제2 반도체층(300)에 도핑되는 p형 도펀트의 농도는 제2-1 전자 차단층(421)에 도핑되는 것보다 낮다.At this time, the concentration of the p-type dopant doped into the second semiconductor layer 300 is lower than that doped into the 2-1 electron blocking layer 421.

한편, 제2 반도체층(300)은 830℃ 이상 내지 920℃ 이하의 온도 범위에서 성장될 수 있다. Meanwhile, the second semiconductor layer 300 may be grown in a temperature range of 830°C or higher to 920°C or lower.

이때, 제2 반도체층(300)의 두께는 4.75㎚ 이상 내지 5.25㎚ 이하일 수 있으며, 두께가 4.75㎚ 미만인 경우에는 저전력 특성의 저하를 개선하는 효과가 없고, 5.25㎚를 초과하는 경우에는 저항의 증가로 인해 전류 효율이 감소할 수 있기 때문이다.At this time, the thickness of the second semiconductor layer 300 may be 4.75 nm or more and 5.25 nm or less. If the thickness is less than 4.75 nm, there is no effect of improving the deterioration of low-power characteristics, and if it exceeds 5.25 nm, resistance increases. This is because current efficiency may decrease.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 제3 반도체층(500)의 개념도이다.Figure 6 is a conceptual diagram of the third semiconductor layer 500 of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

제3 반도체층(500)은 GaN을 포함하고, 970℃ 이상 내지 1080℃ 이하의 온도 범위에서 성장될 수 있다. 성장 온도가 970℃ 미만인 경우에는 정공 주입 효율이 떨어지고, 1080℃를 초과하는 경우에는 다른 층의 열화가 발생할 수 있기 때문이다.The third semiconductor layer 500 includes GaN and can be grown at a temperature range of 970°C or higher to 1080°C or lower. If the growth temperature is less than 970°C, hole injection efficiency decreases, and if it exceeds 1080°C, deterioration of other layers may occur.

제3 반도체층(500)은 복수개의 층으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 3개의 층으로 형성될 수 있다. 이와 같은 경우, 제3 전자 차단층(430)에 인접한 순서대로 제3-1 반도체층(510), 제3-2 반도체층(520) 및 제3-3 반도체층(530)이 배치될 수 있다. The third semiconductor layer 500 may be formed of a plurality of layers, and preferably may be formed of three layers. In this case, the 3-1 semiconductor layer 510, the 3-2 semiconductor layer 520, and the 3-3 semiconductor layer 530 may be disposed in the order adjacent to the third electron blocking layer 430. .

제3-1 반도체층(510)은 후술할 제3-2 반도체층(520)의 막질을 개선하고, 정공의 확산이 이루어지는 층으로서, 38㎚ 이상 내지 52.5㎚ 이하의 두께를 갖는다. 두께가 38㎚ 미만인 경우에는 정공 확산 효율이 저하되고, 52.5㎚를 초과하는 경우에는 저항이 상승하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.The 3-1 semiconductor layer 510 improves the film quality of the 3-2 semiconductor layer 520, which will be described later, and is a layer through which holes diffuse, and has a thickness of 38 nm or more and 52.5 nm or less. This is because if the thickness is less than 38 nm, the hole diffusion efficiency may decrease, and if the thickness exceeds 52.5 nm, the problem of increased resistance may occur.

제3-2 반도체층(520)은 제3 반도체층(500)에서 실질적으로 정공이 주입되는 층으로서, 6㎚ 이상 내지 9.45㎚ 이하의 두께를 가지며, 6.9E+19 atoms/cm3 이상 내지 7.7 E+19 atoms/cm3 이하의 농도를 갖는 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.The 3-2 semiconductor layer 520 is a layer into which holes are substantially injected in the third semiconductor layer 500, and has a thickness of 6 nm or more to 9.45 nm or less, and 6.9E+19 atoms/cm 3 or more to 7.7 nm. It may be doped with a p-type dopant having a concentration of E+19 atoms/cm 3 or less.

제3-3 반도체층(530)은 제3-2 반도체층(520)과 함께 정공이 주입되는 층으로서, 0.95㎚ 이상 내지 1.05㎚ 이하의 두께를 가지며, p형 도펀트가 2.1E+20 atoms/cm3 이상 내지 2.4E+20 atoms/cm3 이하의 농도로 도핑될 수 있다. The 3-3 semiconductor layer 530 is a layer into which holes are injected together with the 3-2 semiconductor layer 520, has a thickness of 0.95 nm or more and 1.05 nm or less, and contains a p-type dopant of 2.1E+20 atoms/. It may be doped at a concentration of cm 3 or more to 2.4E+20 atoms/cm 3 or less.

제3-2 반도체층(520)과 제3-3 반도체층(530)의 두께가 전술한 범위 미만인 경우에는 정공 주입 효율이 저하되고, 초과하는 경우에는 저항 상승의 문제가 발생할 수 있다.If the thickness of the 3-2 semiconductor layer 520 and 3-3 semiconductor layer 530 is less than the above-mentioned range, hole injection efficiency may decrease, and if it exceeds the above-described range, a problem of increased resistance may occur.

또한, 제3-2 반도체층(520)과 제3-3 반도체층(530)에 도핑되는 p형 도펀트의 농도를 달리함으로써 정공 주입 효율이 향상될 수 있으므로, p형 도펀트가 상술한 농도 범위 내에서 도핑되는 것이 유리할 수 있다. In addition, hole injection efficiency can be improved by varying the concentration of the p-type dopant doped into the 3-2 semiconductor layer 520 and the 3-3 semiconductor layer 530, so that the p-type dopant is within the concentration range described above. It may be advantageous to be doped in .

한편, 앞서 설명한 바와 같이 제2-1 전자 차단층(421)에는 인듐과 p형 도펀트가 함께 도핑됨으로써 p형 도펀트의 주입 효율이 향상될 수 있으며, 캐리어로 작용하는 p형 도펀트의 비율이 두 배 이상 증가하는 효과가 있다.Meanwhile, as described above, the injection efficiency of the p-type dopant can be improved by doping the 2-1 electron blocking layer 421 with indium and a p-type dopant, and the ratio of the p-type dopant acting as a carrier is doubled. It has an increasing effect.

  Vf3(V)Vf 3 (V) Po(mW)Po(mW) WPE(%)WPE(%) EQE(%)EQE(%) 비교 예 1Comparison example 1 2.792.79 107.8107.8 59.459.4 59.759.7 실시 예 1Example 1 2.792.79 109.2109.2 60.260.2 60.560.5

표 1은 65mA의 전류를 공급했을 때, 비교 예 1과 실시 예 1의 전기적, 광학적 특성을 측정한 결과이다. 여기서 비교 예 1은 제2-1 전자 차단층(421)을 AlGaN 층으로 하여, 인듐 도핑 없이 p형 도펀트만 도핑시킨 것이고, 실시 예 1은 AlGaN층에 인듐과 p형 도펀트를 함께 도핑시킨 것이다. 표 1을 살펴보면, 비교 예 1과 실시 예 1은 동작전압(Vf3)은 동일하게 나타나나, 실시 예 1의 광출력(Po), 광전변환효율(WPE) 및 내부양자효율(EQE)가 더 높게 나타나, 실시 예 1의 전기적, 광학적 특성이 더 개선된 것을 확인할 수 있다. 이는, 앞서 설명한 바와 같은 인듐의 작용으로 인한 p형 도펀트의 주입 효율과 캐리어로 작용하는 p형 도펀트의 비율이 증가했기 때문인 것으로 해석된다.Table 1 shows the results of measuring the electrical and optical properties of Comparative Example 1 and Example 1 when a current of 65 mA was supplied. Here, in Comparative Example 1, the 2-1 electron blocking layer 421 is an AlGaN layer and doped only with a p-type dopant without indium doping, and in Example 1, the AlGaN layer is doped with indium and a p-type dopant. Looking at Table 1, Comparative Example 1 and Example 1 have the same operating voltage (Vf 3 ), but the optical output (Po), photoelectric conversion efficiency (WPE), and internal quantum efficiency (EQE) of Example 1 are higher. It can be seen that the electrical and optical properties of Example 1 were further improved. This is interpreted to be because the injection efficiency of the p-type dopant and the ratio of the p-type dopant acting as a carrier increased due to the action of indium as described above.

따라서, 제2-1 전자 차단층(421)에 인듐과 p형 도펀트를 함께 도핑함으로써 반도체 소자의 전기적, 광학적 특성이 개선됨을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that the electrical and optical properties of the semiconductor device were improved by doping the 2-1 electron blocking layer 421 with indium and p-type dopant.

  인듐 조성비(%)Indium composition ratio (%) Po1(mW)Po 1 (mW) Po2(mW)Po 2 (mW) △Po△Po 실시 예 2Example 2 2.52.5 108.4108.4 234.1234.1 233.1233.1 비교 예 2Comparison example 2 55 106.7106.7 230.7230.7 229.7229.7 비교 예 3Comparison example 3 1010 107.4107.4 231.1231.1 230.1230.1

표 2는 제2-1 전자 차단층(421)에 도핑되는 인듐의 조성비에 따른 광출력을 측정하여 기재한 것이다. 측정 항목 중 Po1은 65mA의 전류를 공급했을 때의 광출력이고, Po2는 150mA의 전류를 공급했을 때의 광출력을 의미하며, △Po는 광출력 변화율, 즉 (Po2-Po1)/Po1을 나타낸 값이다.표 2를 살펴보면, 인듐 조성비가 2.5%일 때 Po1, Po2 및 △Po 의 값이 가장 높게 나타난다. 반면, 인듐 조성비가 2.5%보다 높은 5% 및 10%일 때 Po1, Po2 및 △Po의 값이 감소하므로, 인듐의 도핑량이 증가하면 반도체 소자의 광특성이 저하하는 것을 알 수 있다.Table 2 shows the measured light output according to the composition ratio of indium doped into the 2-1 electron blocking layer 421. Among the measurement items, Po 1 is the optical output when a current of 65mA is supplied, Po 2 means the optical output when a current of 150mA is supplied, and △Po is the optical output change rate, i.e. (Po 2 -Po 1 ) This value represents /Po 1. Looking at Table 2, when the indium composition ratio is 2.5%, the values of Po 1 , Po 2 , and △Po appear the highest. On the other hand, when the indium composition ratio is 5% and 10%, which is higher than 2.5%, the values of Po 1 , Po 2 and △Po decrease, so it can be seen that the optical characteristics of the semiconductor device deteriorate as the doping amount of indium increases.

따라서, 반도체 소자의 광특성을 향상시킬 수 있는 인듐의 바람직한 도핑량은 1.5% 이상 내지 3.5% 이하라 할 수 있다. Therefore, the preferred doping amount of indium that can improve the optical characteristics of semiconductor devices is 1.5% or more and 3.5% or less.

한편, 도 7은 종래 반도체 소자의 이차 이온 질량분석법(TOF-SIMS)에 의한 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Meanwhile, Figure 7 is a graph showing the analysis results of conventional semiconductor devices by secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS).

종래에는 질화물 반도체 소자를 제조할 때, 도핑 효율이 좋지 않은 p형 도펀트를 다중양자우물 영역에 도핑 시키기 위해 많은 양의 p형 도펀트를 도핑하였다. 그러나, 도핑 효율을 증가시키기 위해 p형 도펀트의 양을 증가 시키는 경우에는 p형 도펀트의 분리가 발생하여 동작 전압이 증가하고, p형 도펀트의 과도핑으로 인한 광흡수가 발생할 뿐만 아니라, p형 도펀트의 역확산으로 인한 결정결함이 발생해 반도체 소자의 특성 저하가 발생되는 문제가 있었다.Conventionally, when manufacturing a nitride semiconductor device, a large amount of p-type dopant with poor doping efficiency was doped to dope the multi-quantum well region. However, when the amount of p-type dopant is increased to increase doping efficiency, separation of the p-type dopant occurs, which increases the operating voltage, and not only does light absorption occur due to overdoping of the p-type dopant, but also the p-type dopant There was a problem in that crystal defects occurred due to reverse diffusion, resulting in deterioration of the characteristics of the semiconductor device.

p형 도펀트의 도핑량을 증가시키면 도 7에 나타난 바와 같이 다중양자우물 영역(180nm 내지 240nm)에 도핑된 p형 도펀트의 농도가 낮고, p형 도펀트가 도핑된 제3 반도체층(500)부터 다중양자우물 인접영역까지, 즉 0㎚ 부터 약 180㎚ 영역까지 p형 도펀트의 농도가 고농도로 유지되는 프로파일을 가져, 반도체 소자의 특성 저하가 발생할 수 있다.When the doping amount of the p-type dopant is increased, as shown in FIG. 7, the concentration of the p-type dopant doped in the multi-quantum well region (180 nm to 240 nm) is low, and starting from the third semiconductor layer 500 doped with the p-type dopant, the Since the concentration of the p-type dopant is maintained at a high concentration in the area adjacent to the quantum well, that is, from 0 nm to about 180 nm, the characteristics of the semiconductor device may deteriorate.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)의 이차 이온 질량분석법(TOF-SIMS)에 의한 분석 결과를 나타낸 그래프이다. Figure 8 is a graph showing the analysis results of the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention by secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS).

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자(10)는 깊이 94.5nm 내지 210nm 구간에 위치한 활성층(200)의 제2 반도체층(300)에 인접한 영역에 p형 도펀트의 농도 프로파일의 피크(Peak)가 존재한다. 이때, 활성층(200)에 도핑된 p형 도펀트의 농도는 종래의 반도체 소자보다 높게 유지되고, 다중양자우물의 마지막 우물층 영역까지 p형 도펀트가 도핑되므로, 반도체 소자의 광출력 및 동작 전압이 개선될 수 있다.Referring to FIG. 8, the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention has a p-type dopant concentration profile in a region adjacent to the second semiconductor layer 300 of the active layer 200 located in a depth range of 94.5 nm to 210 nm. There is a peak. At this time, the concentration of the p-type dopant doped in the active layer 200 is maintained higher than that of the conventional semiconductor device, and the p-type dopant is doped up to the last well layer region of the multiple quantum well, so the optical output and operating voltage of the semiconductor device are improved. It can be.

또한, 64nm 내지 87nm 구간에 위치한 제2 전자 차단층(420)에 상기 피크의 일 최저점이 존재하고, 이 최저점부터 약 45nm 내지 64nm 구간의 제3 전자 차단층(430)까지 최저점과 유사한 농도의 p형 도펀트가 존재하되, 두께방향으로의 p형 도펀트의 농도가 일정한 농도 프로파일을 갖는다. 여기서의 '일정한'은 두께 방향으로의 농도 변화가 적어, 유의미한 피크가 존재하지 않는다는 것을 의미한다.In addition, there is a lowest point of the peak in the second electron blocking layer 420 located in the range of 64 nm to 87 nm, and from this lowest point to the third electron blocking layer 430 in the range of about 45 nm to 64 nm, p has a concentration similar to the lowest point. A type dopant exists, but the concentration of the p-type dopant in the thickness direction has a constant concentration profile. Here, 'constant' means that the change in concentration in the thickness direction is small, and there is no significant peak.

따라서, 반도체 소자(10)에 도핑된 총 p형 도펀트의 농도가 낮게 형성되므로, p형 도펀트의 과도핑으로 인한 결정결함 문제가 해소되어, 동작 전압 증가 및 소자 특성 저하의 문제가 개선될 수 있다.Therefore, since the total concentration of p-type dopant doped in the semiconductor device 10 is formed to be low, the problem of crystal defects due to overdoping of p-type dopant is resolved, and the problems of increased operating voltage and deteriorated device characteristics can be improved. .

앞서 설명한 바와 같이 이러한 농도 프로파일은 제2-1 전자 차단층(421)을 인접한 두 층에 비해 상대적으로 저온에서 성장시킴으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 이러한 성장 온도차에 의해 p형 도펀트의 도핑 지연, 혹은 도펀트 확산 현상이 발생하므로, 실제 농도 피크는 활성층(200)의 제2 반도체층(300)과 인접한 영역에 존재하게 된다.As previously described, this concentration profile can be obtained by growing the 2-1 electron blocking layer 421 at a relatively low temperature compared to the two adjacent layers. However, because this growth temperature difference causes a doping delay of the p-type dopant or a dopant diffusion phenomenon, the actual concentration peak exists in an area adjacent to the second semiconductor layer 300 of the active layer 200.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시 예는 상술한 일 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 일 실시 예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명의 일 실시 예가 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The embodiment of the present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the technical spirit of the embodiment. It will be clear to those skilled in the art to which an embodiment belongs.

10: 반도체 소자
100: 제1 반도체층
200: 활성층
211, 221: 우물층
213: 장벽층
223: 최외곽 장벽층
300: 제2 반도체층
400: 전자 차단층
410: 제1 전자 차단층
420: 제2 전자 차단층
421: 제2-1 전자 차단층
423: 제2-2 전자 차단층
430: 제3 전자 차단층
500: 제3 반도체층
10: Semiconductor device
100: first semiconductor layer
200: active layer
211, 221: Well layer
213: barrier layer
223: Outermost barrier layer
300: second semiconductor layer
400: Electronic blocking layer
410: first electron blocking layer
420: second electron blocking layer
421: 2-1 electron blocking layer
423: 2-2 electron blocking layer
430: Third electron blocking layer
500: Third semiconductor layer

Claims (9)

반도체 소자에서,
제1 반도체층;
우물층과 장벽층을 포함하여 상기 제1 반도체층 상에 배치되는 활성층;
상기 활성층 상에 배치되는 제2 반도체층;
상기 제2 반도체층 상에 배치되는 전자 차단층; 및
상기 전자 차단층 상에 배치되는 제3 반도체층;
을 포함하고,
상기 전자 차단층은,
상기 제2 반도체층 상에 순차적으로 배치되는 제1 전자 차단층, 제2전자 차단층 및 제3 전자 차단층을 포함하며,
상기 제2 전자 차단층에 p형 도펀트 및 인듐(In)이 도핑되고,
상기 제2 전자 차단층은 상기 제2 전자 차단층 내에서 인듐(In)의 농도 피크를 가지는 인듐층을 포함하고,
상기 제2 전자 차단층 내에서 상기 P형 도펀트의 농도 피크는 상기 인듐(In)의 상기 농도 피크와 상기 반도체 소자의 두께를 기준으로 겹치지 않으며,
상기 p형 도펀트의 상기 농도 피크는 상기 인듐층에 대비하여 상기 제2 반도체층에 더 인접한 영역에 위치하는 반도체 소자.
In semiconductor devices,
first semiconductor layer;
an active layer disposed on the first semiconductor layer including a well layer and a barrier layer;
a second semiconductor layer disposed on the active layer;
an electron blocking layer disposed on the second semiconductor layer; and
a third semiconductor layer disposed on the electron blocking layer;
Including,
The electron blocking layer is,
It includes a first electron blocking layer, a second electron blocking layer, and a third electron blocking layer sequentially disposed on the second semiconductor layer,
The second electron blocking layer is doped with a p-type dopant and indium (In),
The second electron blocking layer includes an indium layer having a concentration peak of indium (In) in the second electron blocking layer,
In the second electron blocking layer, the concentration peak of the P-type dopant does not overlap with the concentration peak of the indium (In) based on the thickness of the semiconductor device,
A semiconductor device wherein the concentration peak of the p-type dopant is located in a region closer to the second semiconductor layer compared to the indium layer.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제2 전자 차단층은 상기 제1 전자 차단층 상에 순차적으로 배치되는 제2-1 전자 차단층 및 제2-2 전자 차단층을 포함하고,
상기 p형 도펀트 및 인듐(In)은 상기 제2-1 전자 차단층에 도핑되는 반도체 소자.
According to paragraph 1,
The second electron blocking layer includes a 2-1 electron blocking layer and a 2-2 electron blocking layer sequentially disposed on the first electron blocking layer,
A semiconductor device in which the p-type dopant and indium (In) are doped into the 2-1 electron blocking layer.
삭제delete 제4항에 있어서,
상기 제2-1 전자 차단층의 p형 도펀트는 1.35E+20 atoms/cm3 이상 내지 1.65E+20 atoms/cm3 이하의 농도 범위로 도핑되는 반도체 소자.
According to paragraph 4,
A semiconductor device in which the p-type dopant of the 2-1 electron blocking layer is doped in a concentration range of 1.35E+20 atoms/cm3 or more to 1.65E+20 atoms/cm3 or less.
삭제delete 제4항에 있어서,
상기 제2-1 전자 차단층은 660℃ 이상 내지 735℃ 이하의 온도에서 성장하는 반도체 소자.

According to paragraph 4,
The 2-1 electron blocking layer is a semiconductor device grown at a temperature of 660°C or higher and 735°C or lower.

삭제delete
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