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KR20020021121A - 질화물 반도체 소자 - Google Patents

질화물 반도체 소자 Download PDF

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KR20020021121A
KR20020021121A KR1020017015735A KR20017015735A KR20020021121A KR 20020021121 A KR20020021121 A KR 20020021121A KR 1020017015735 A KR1020017015735 A KR 1020017015735A KR 20017015735 A KR20017015735 A KR 20017015735A KR 20020021121 A KR20020021121 A KR 20020021121A
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type impurity
type
quantum well
nitride semiconductor
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타니자와고지
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오가와 에지
니치아 케미컬 인더스트리스, 리미티드
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Abstract

n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층의 사이에, 양자 우물층과 장벽층을 적층하여 이루어진 활성층을 갖고, 상기 활성층의 양자 우물층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)으로 이루어지고, 그 발광 피크 파장이 450∼540 nm 에 있는 장파장 발광소자에 있어서, 양자 우물 구조의 발광 소자의 구동전압의 저감 또는 발광 출력의 향상을 꾀하기 위해서,
상기 활성층의 적층 총수가 9층 이상 l3층 이하로서, n형 질화물 반도체층과 접하는 측으로부터 세어 3층 이하의 층에 Si, Ge, Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 n형 불순물이 5 ×10l6∼2 ×1018/cm3포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

질화물 반도체 소자{Nitride Semiconductor Device}
질화물 반도체는 고휘도 순녹색 발광 LED, 청색 LED로서, 이미 풀 컬러 LED 디스플레이, 교통 신호등, 이미지 스캐너 광원등의 각종 광원에 이용되고 있다. 이들 LED 소자는 기본적으로, 사파이어 기판상에 GaN 으로 이루어진 버퍼층과, Si 도프 GaN으로 이루어진 n형 콘택트층과, 단일 양자 우물 구조(SQW: Single-Quantum-Wel1)의 InGaN, 혹은 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi-Quantum-Wel1)의 활성층과, Mg 도프 AlGaN으로 이루어진 p형 클래드층과, Mg 도프 GaN으로 이루어진 p형 콘택트층이 순차로 적층된 구조를 갖고 있고, 20mA, 발광 파장 470nm의 청색 LED에서, 활성층이 단일 양자 우물구조인 경우, 2.5mW, 외부 양자 효율 5 퍼센트, 활성층이 다중 양자 우물 구조인 경우, 5mW, 외부 양자 효율 9.1 퍼센트, 또한 발광 파장 520nm의 녹색 LED에서, 단일 양자 우물 구조의 경우, 2.2mW, 외부 양자 효율 4.3퍼센트, 다중 양자 우물 구조의 경우, 3mW, 외부 양자 효율 6.3 퍼센트로 대단히 뛰어난 특성을 나타나게 되었다.
특히, 다중 양자 우물 구조는, 복수의 미니밴드로 이루어지는 구조를 갖고, 효율적이고, 적은 전류로도 발광이 실현됨으로써, 단일 양자 우물 구조보다 발광 출력이 높아지는 등의 소자 특성의 향상이 기대된다.
상기 다중 양자 우물 구조의 활성층을 이용한 LED 소자로서, 예를 들어, 특개평10-135514호 공보에는, 발광 효율 및 발광 출력을 양호하게 하기 때문에, 언도프된 GaN으로 이루어지는 장벽층과 언도프된 InGaN으로 이루어지는 양자 우물층을 적층하여 이루어진 다중 양자 우물 구조의 발광층을, 발광층의 장벽층 보다도 넓은 밴드 갭을 갖는 클래드층으로 끼워 형성되는 질화물 반도체 발광소자가 개시되어 있다.
본 발명은, 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD)등의 발광 소자, 태양 전지, 광 센서등의 수광 소자, 혹은 트랜지스터, 파워 디바이스등의 전자 디바이스에 사용되는 질화물 반도체 소자, 특히 발광 피크 파장이 450∼540 nm의 영역에 있는 양자 우물 구조의 발광 소자의 구동전압의 저감 혹은 발광 출력의 향상을 달성하는 개량에 관한다.
도 1은 본 발명의 일실시형태인 LED 소자의 구조를 나타낸 모식단면도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 기판 2: 버퍼층
3: 제 1 언도프 GaN층 4: n형 콘택트층
5: n형 제 1 다층막층 5a: 하층
5b: 중간층 5c: 상층
6: n형 제 2 다층막층 n: 활성층
8: p형 다층막층 9: p형 콘택트
10: p 전극 11: n전극
이하에 본 발명의 일실시형태인 실시예를 나타낸다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
[실시예 1]
도 1에 근거해 실시예 1에 관해 설명한다.
(기판(1))
사파이어(C면)로 된 기판(1)을 MOVPE의 반응 용기내에 셋트하고, 수소를 흘리면서 기판의 온도를 1050℃까지 상승시켜, 기판의 클리닝을 행한다. 상기 기판(1)으로서는 그 밖에 R면 또는 A면을 주면으로 하는 사파이어 기판, 스핀넬(MgA12O4)과 같은 절연성 기판, SiC (6H, 4H, 3C를 포함함), Si, ZnO, GaAs, GaN 등의 반도체 기판등이어도 된다.
(버퍼층(2))
이어서, 온도를 510℃까지 내리고, 캐리어 가스에 수소, 원료 가스에 암모니아와 TMG (트리메틸 갈륨)을 이용하고, 기판(1)상에 GaN으로 된 버퍼층(2)을 약 200 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 또한 상기 저온에서 성장시키는 제1 버퍼층(2)은 기판의 종류, 성장 방법등에 따라서는 생략할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층은 Al의 비율이 작은 AlGaN을 사용할 수도 있다.
(제 1 언도프 GaN층(3))
버퍼층(2) 성장 후, TMG만 멈추어, 온도를 1050℃까지 상승시킨다. 1050℃가 되면, 마찬가지로 원료 가스에 TMG, 암모니아 가스를 이용하고, 제 1 언도프 GaN층(3)을 1 ㎛의 막두께로 성장시킨다.
(n형 콘택트층(4))
이어서 1050℃에서 마찬가지로 원료 가스에 TMG, 암모니아 가스, 불순물 가스에 실란가스를 이용하고, Si를 3×1019/cm3도프한 GaN 으로 된 n형 콘택트층을 2.165 ㎛의 막두께로 성장시킨다.
(n형 제 1 다층막층(5))
이어서 실란가스만을 멈추고, 1050℃에서 TMG, 암모니아 가스를 이용하여, 언도프 GaN으로 이루어진 하층(5a)을 3000 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 같은 온도로 실란가스를 추가하고 Si를 4.5×1018/cm3도프한 GaN으로 이루어진 중간층(5b)을 300 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 실란 가스만을 멈추고, 같은 온도로 언도프 GaN으로 이루어진 상층(5c)을 50 옹스트롱의 막두께로 성장시켜, 3층으로 이루어진 총막두께 3350 옹스트롱의 n형 제 1 다층막층(5)을 성장시킨다.
(n형 제 2 다층막층(6))
이어서, 같은 온도로, 언도프 GaN 으로 된 제2 질화물 반도체층을 40 옹스트롱 성장시켜, 이어서 온도를 800℃로 하여, TMG, TMI, 암모니아를 사용하고, 언도프 In0.13Ga0.87N으로 된 제1 질화물 반도체층을 20 옹스트롱 성장시킨다. 그리고 이들의 조작을 반복하고, 제2 + 제1 순으로 교대로 10층씩 적층시켜, 마지막에 GaN으로 된 제2 질화물 반도체층을 40 옹스트롱 성장시킨 초격자 구조의 다층막으로 된 n형 제 2 다층막층(6)을 640 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
(활성층(7))
이어서 TMG, 암모니아를 이용하여 언도프의 GaN으로 된 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하고 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 된 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
더욱이 언도프의 GaN으로 된 장벽층을 200 옹스트롱과, Si를 5×1017/cm3 도프한 In0.3Ga0.7N으로 된 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물····+ 장벽의 순으로 성장시켜, 언도프로 된 장벽층을 16층, 최초의 3층만 Si가 도프되고, 나머지 12층은 언도프로 된 우물층 15층을 교대로 적층하여, 총 수 31층, 총 막 두께 3650 옹스트롱의 다중 양자 우물구조로 된 활성층(7)을 성장시킨다.
(p형 다층막층(8))
이어서, 온도 1050℃로 TMG, TMA, 암모니아, Cp 2Mg (시클로펜타디에닐마그네슘)를 이용하고, Mg를 5×1019/cm3도프한 p형 Al0.2Ga0.8N으로 된 제3 질화물 반도체층을 40 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, TMG, TMI, 암모니아, Cp 2Mg를 이용하고 Mg를 5×1019/cm3도프한 In0.02Ga0.98N으로 된 제4 질화물 반도체층을 25 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 이들 조작을 반복하고, 제3 + 제4의 순으로 교대로 5층씩 적층하고, 마지막으로 제3 질화물 반도체층을 40 옹스트롱의 막두께로 성장시킨 초격자 구조의 다층막으로 된 p형 다층막층(8)을 365 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
(p형 콘택트층(9))
이어서 1050℃에서 TMG, 암모니아, Cp 2Mg를 이용하고, Mg를 1×1020/cm3도프한 p형 GaN 으로 된 p형 콘택트층(8)을 700 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
반응 종료후, 온도를 실온까지 내리고, 더욱이 질소 분위기 중, 웨이퍼를 반응 용기내에서 700℃에서 어닐링하고, p형층을 더욱이 저 저항화한다.
어닐링 후, 웨이퍼를 반응 용기에서 꺼내고, 최상층의 p형 콘택트층(9)의 표면에 소정 형상의 마스크를 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭)장치로 p형 콘택트층측에서 에칭하고, 도 1에 나타낸 바와 같이 n형 콘택트층(4)의 표면을 노출시킨다.
에칭 후, 최상층에 있는 p형 콘택트층의 거의 전면에 막 두께 200 옹스트롱의 Ni와 Au를 포함한 투광성의 p 전극(10)과, 에칭에 의해 노출시킨 n형 콘택트층(4)의 표면에는 W와 A1을 포함하는 n 전극(11)을 형성하여 LED 소자로 한다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.4 V, 발광 출력 6.5 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작했다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아를 이용하여 언도프의 GaN으로 된 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란 가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N 으로 된 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 언도프된 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱과, Si를 5×10l7/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 된 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물····+장벽의 순으로 성장시키고, 언도프로 이루어진 장벽층을 11층, 최초의 2층만 Si가 도프되고, 나머지 8층은 언도프로 이루어지는 우물층 10층을 교대로 적층하여, 총 수 21층, 총 막두께 2500 옹스트롱의 다중 양자 우물 구조로 이루어진 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20mA에 있어서, 470nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.4V, 발광 출력 6.4 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 3]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아를 이용하여 언도프의 GaN 으로 된 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하여 Si를 5×l017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 된 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
더욱이 언도프의 GaN으로 된 장벽층을 200 옹스트롱과, 언도프된 In0.3Ga0.7N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물····+장벽의 순으로 성장시키고, 언도프로 이루어지는 장벽층을 6층, 최초의 1층만 Si가 도프되고, 나머지 4층은 언도프로 이루어진 우물층 5층을 교대에 적층하여, 총 수 11층, 총 막두께 1350 옹스트롱의 다중 양자 우물 구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.4V, 발광 출력 6.3 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 4]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아를 이용하여 언도프된 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 언도프된 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱과, 언도프된 In0.3Ga0.7N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물····+장벽의 순으로 성장시키고, 언도프로 이루어지는 장벽층을 3층, 최초의 1층만 Si가 도프되고, 나머지 1층은 언도프로 이루어지는 우물층 2층을 교대로 적층하여, 총 수 5층, 총 막두께 660 옹스트롱의 다중 양자 우물 구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.4 V, 발광 출력 6.2 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 5]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아, 실란가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 GaN으로 된 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아를 이용하여 언도프된 In0.3Ga0.7N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 Si를 5×1017/cm3도프한 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱과, 언도프된 In0.3Ga0.7N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+ 우물···+ 장벽의 순으로 성장시키고, 최초의 3층만 Si가 도프되고, 나머지 13층은 언도프로 이루어지는 장벽층을 16층, 언도프로 이루어지는 우물층 15층을 교대로 적층하여, 총 수 31층, 총 막두께 3650 옹스트롱의 다중 양자 우물구조로 이루어진 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.6 V, 발광 출력 6.2 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 6]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아, 실란 가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 Si를 5×1017/cm3도프한 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱과 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물+····+장벽의 순으로 성장시키고, 최초의 3층만 Si가 도프되고, 나머지13층은 언도프로 이루어지는 장벽층을 16층, 최초의 3층만 Si가 도프되고, 나머지 12층은 언도프로 이루어지는 우물층을 15층 교대에 적층하여, 총 수 31층, 총 막두께 3650 옹스트롱의 다중 양자 우물구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.6 V, 발광 출력 6.4 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 7]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아, 실란가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하고, Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 Si를 5×1017/cm3도프한 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱과 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물+····+장벽의 순으로 성장시키고, 최초의 2층만 Si가 도프되고, 나머지 9층은 언도프로 이루어지는 장벽층을 11층, 최초의 2층만 Si 도프가 도프되고, 나머지 8층은 언도프로 이루어지는 우물층을 10층 교대에 적층하여, 총 수 21층, 총 막두께 3650 옹스트롱의 다중 양자 우물구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.6 V, 발광 출력 6.2 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 8]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아, 실란 가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란 가스를 이용하고, Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 언도프된 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱과 언도프된 In0.3Ga0.7N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물+····+장벽의 순으로 성장시키고, 최초의 1층만 Si가 도프되고, 나머지 9층은 언도프로 이루어지는 장벽층을 11층, 최초의 1층만 Si가 도프되고, 나머지 8층은 언도프로 이루어지는 우물층을 10층 교대에 적층하여, 총 수 21층, 총 막두께 3650 옹스트롱의 다중 양자 우물구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.6 V, 발광 출력 6.0 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 9]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아, 실란 가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아를 이용하여 언도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
더욱이 언도프된 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱을 성장시키고, 단일 양자 우물구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.4 V, 발광 출력 5.6 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 10]
실시예 1에 있어서, n형 콘택트층(4)까지는 동일하게 제작한다.
(제2 언도프 GaN층(5))
이어서 실란 가스만을 멈추고, 1050℃에서 마찬가지로 제2 언도프 GaN층(5)을 1500 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
(n형 다층막층(6))
이어서, 온도를 800℃로 하여, TMG, TMI, 암모니아를 이용하고, 언도프된 In0.03Ga0.97N 으로 된 제2 질화물 반도체층을 20 옹스트롱 성장시키고, 이어서 온도를 상승시켜, 그 위에 언도프된 GaN으로 이루어진 제1 질화물 반도체층을 40 옹스트롱 성장시킨다. 그리고 이들의 조작을 반복하고, 제2 + 제1순으로 교대로 10층씩적층하고, 마지막으로 GaN으로 이루어진 제2 질화물 반도체층을 40 옹스트롱 성장시킨 초격자 구조의 다층막으로 이루어진 n형 다층막층(6)을 640 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
활성층(7) 이하는 실시예 1과 동일하게 하여 LED 소자를 제작했다. 이와 같이 n형 콘택트층과 활성층의 사이에, 상기 n측 제1 다층막층(5)과 n측 제2 다층막층(6)을 구비함으로써, 더욱 양호한 정전 내압을 얻을 수 있다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.6 V, 발광 출력 6.5 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 11]
실시예 1에 있어서, 제2 언도프 GaN층(5), n형 다층막층(6)을 생략한 것에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.8 V, 발광 출력 6.2 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 12]
실시예 1에 있어서 p형 다층막층(8)과 p형 콘택트층(9)의 사이에 다음 층을 형성한다.
(p형 언도프 AlGaN 층)
p형 다층막의 형성후, 언도프된 Al0.05Ga0.95N층을 2000 옹스트롱의 막두께로 형성한다. 이 층은 p형 다층막층(8)으로부터의 Mg의 확산에 의해, p형 불순물을 포함하게 되어 p형을 나타낸다.
상기 LED 소자는 실시예 1과 마찬가지의, 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, Vf 3.4 V, 발광 출력 6.5 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 13]
실시예 3에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아를 이용하여 언도프된 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란 가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.35Ga0.65N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
더욱이 언도프된 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱과, 언도프된 In0.35Ga0.65N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물+····+장벽의 순으로 성장시키고, 언도프로 이루어진 장벽층을 6층, 최초의 1층만 Si가 도프되고, 나머지 4층은 언도프로 이루어지는 우물층 5층을 교대로 적층하여, 총 수 11층, 총 막두께 1350 옹스트롱의 다중 양자 우물 구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 500 nm의 청녹색 발광을 나타내고, Vf 3.8 V, 발광 출력 5.2 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 14]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 이하와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작했다.
(활성층(7))
TMG, 암모니아를 이용하여 언도프된 GaN으로 이루어진 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란 가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.40Ga0.60N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다.
더욱이 언도프한 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱과, 언도프한 In0.40Ga0.60N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막두께로 성장시킨다. 그리고 장벽+우물+장벽+우물+····+장벽의 순으로 성장시켜, 언도프로 이루어지는 장벽층을 5층, 최초의 1층만 Si가 도프되고, 나머지 3층은 언도프로 이루어지는 우물층 4층을 교대로 적층하여, 총 수 9층, 총 막두께 1120 옹스트롱의 다중 양자 우물구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 530 nm의 청녹색 발광을 나타내고, Vf 3.5 V, 발광 출력 3.6 mW를 얻을 수 있다.
[실시예 15]
실시예 1에 있어서, n형 제2 다층막층(6)을 생략한 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작했는데, 실시예 1에 비해 다소 소자 특성 및 발광 출력이 낮지만종래의 LED 소자와 비교하면 양호한 발광 출력을 갖는다.
[실시예 16]
실시예 1에 있어서, 버퍼층(2)의 막 두께를 150 옹스트롱, 제1 언도프 GaN층(3)의 막 두께를 1.5 ㎛로 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작하면, 실시예 1과 마찬가지 효과가 얻어진다.
[실시예 17]
실시예 13에 있어서, 버퍼층(2)의 막 두께를 150 옹스트롱, 제1 언도프 GaN층(3)의 막 두께를 1.5 ㎛로 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작하면, 실시예 13과 마찬가지 효과가 얻어진다.
[실시예 18]
실시예 1에 있어서, 활성층(7)을 아래와 같이 한 것 외에는 동일하게 하여 LED 소자를 제작한다.
(활성층(7))
이어서 TMG, 암모니아를 이용하여 언도프된 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, 더욱이 TMG, TMI, 암모니아, 실란 가스를 이용하여 Si를 5×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막 두께로 성장시킨다.
더욱이 언도프된 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱과, Si를1×1017/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어진 우물층을 30 옹스트롱의 막 두께로 성장시킨다. 또한 언도프된 GaN으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롱과, Si를 5×1016/cm3도프한 In0.3Ga0.7N으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롱의 막 두께로 성장시킨다.
그리고, 장벽+우물+장벽+우물+····+장벽의 순으로 성장시켜, 언도프로 이루어지는 장벽층을 16층, 최초의 3층만 Si가 도프되고, 나머지 12층은 언도프로 이루어지는 우물층 15층을 교대로 적층하여, 총 수 31층, 총 막두께 3650 옹스트롱의 다중 양자 우물구조로 이루어지는 활성층(7)을 성장시킨다.
이와 같이 활성층의 Si를 도프하는 층을 n형층으로부터 멀수록 Si도프량이 적은 구조로 한 결과 실시예 1과 같은 효과가 얻어졌다.
특히, 청록계의 발광 소자로는 발광 출력의 향상을 위해, 다중 양자 우물 구조의 층수를 증가시키면, 그 만큼 순방향 전압 Vf가 높아져, 발광 효율이 저하한다고 하는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 양자 우물 구조의 활성층을 이용하여, 층수가 많아지더라도 순방향 전압을 상승시키지 않는 질화물 반도체 소자, 특히 발광 효율을 향상시키는 발광 출력이 높은 질화물 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 양자 우물 구조의 질화물 반도체 소자, 특히 다중 양자 우물 구조의 질화물 반도체 발광 소자의 발광 현상을 예의 검토한 결과, 활성층중의 전자와 정공의 재결합은 p형 반도체층측에 가까운 양자 우물층에 있어서 행해지고, n형 반도체층측에 가까운 양자 우물층에서는 전자와 정공이 재결합될 확률이 적고, 발광층으로서 충분히 기능하고 있지 않다고 생각되기 때문에, 발광층으로서 기능하기 어려운 양자 우물층측에는 n형 불순물을 도프하여 캐리어 농도를 향상시키면, 순방향 전압을 저하시켜, 발광 효율을 향상시킬 수 있는 것을 알아냈다.
본 발명은 이러한 사실에 근거하여 이루어진 것으로, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층의 사이에, 양자 우물층과 장벽층을 적층하여 이루어지고, n형 불순물을 포함한 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 활성층의 적층중 적어도 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는측의 장벽층 및/또는 양자 우물층이 n형 불순물을 포함하는 층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자에 있다.
본 발명에서는, 상기 n형 불순물에 의해, 활성층은 n층으로부터의 도너의 공급이 보충되고, 발광 출력이 높은 질화물 반도체 소자가 얻어진다. 발명자들의 아는바로는, 하기 (1)식을 만족시키는 층까지 n형 불순물을 도프함으로써 발광 출력이 높은 질화물 반도체 소자를 얻을 수 있다. 상기 n형 불순물이 포함되는 층이 (1)식의 범위를 넘으면, 그 층이나 그 위에 적층되는 층의 결정성이 나빠져, 발광 출력도 나빠진다.
따라서, 본 발명에 있어서는, 상기 활성층이 다중 양자 우물 구조로서, 상기 활성층의 적층 총수를 i층으로 한 경우, 적층중의 하기 식을 만족하는 n형 질화물 반도체층과 접하는 측으로부터 세어 j층까지의 어느것인가에 n형 불순물이 포함되어 있는 질화물 반도체 소자를 제공하는 것이기도 하다.
j= i / 6 + 2 (단, i≥4, j는 소수점 이하를 잘라낸 정수) (l)
또한, 본 발명에 있어서 n형 불순물을 포함하는 층이란, 기본적으로는 n형 불순물이 의도적으로 도프된 층을 의미하고, n형 불순물 농도는 5×1016∼2×1018/cm3인 것이 바람직하다.
이웃한 층이나 다른 층에 포함되는 n형 불순물이 확산됨으로써 n형 불순물이 포함되는 경우나, 원료 또는 장치로부터의 오염에 의해 불순물이 혼입된 층은 의도적으로 도프된 것은 아니지만, 상기 농도 영역에 있는 n형 불순물을 포함하는 경우는 n형 불순물을 포함하는 층에 포함된다.
상기 활성층의 적층중 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층 및/또는 양자 우물층은 통상의 활성층으로서의 기능을 발휘시키기 위해서, n형 불순물을 포함하지 않는 층인것이 바람직하다. 상기 의도적으로 도프된 농도 영역과의 관계에서는 n형 불순물 농도를 포함하지 않는다는 것은 5×1016/cm3미만의 농도 영역을 말한다.
본 발명에 관한 질화물 반도체 소자의 활성층이 양자 우물층의 양측을 장벽층으로 끼워 구성되는 단일 양자 우물 구조인 경우는, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층이 n형 불순물을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층이 n형 불순물을 포함하지 않는 것이 좋다.
한편, 본 발명에 관한 질화물 반도체 소자의 활성층이 양자 우물층과 장벽층을 교대로 적층하여 되는 다중 양자 우물 구조인 경우는, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층 및/또는 양자 우물층이 n형 불순물을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층 및 /또는 양자 우물층이 n형 불순물을 포함하지 않는 것이 좋다.
특히, 상기 활성층의 적층 총수가 9층 이상 15층 이하인 경우는, n형 불순물이 포함되는 n형 질화물 반도체층과 접하는 측으로부터 세어 4층 이하, 특히 3층 이하인 것이 바람직하다.
또한, 발광 또는 수광 피크 파장이 450∼540nm, 바람직하게는 490∼510nm에 있는 질화물 반도체 소자에서는 상기 활성층중의 양자 우물층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)으로 구성되고, In 몰비가 비교적 커져, 양자 우물층의 결정성이 저하되고, 각 층의 발광 효율이 저하된다. 층수를 증가시켜도 본 발명에 의해 하층의 캐리어 농도를 증가시켜 순방향 전압이 증가하지 않고 전체로서의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서. 상기 n형 불순물은 Si, Ge, Sn 중의 적어도 1종이지만, Si인 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 활성층에 포함되는 n형 불순물의 농도는 n형 질화물 반도체층중의 의도적으로 도프된 n형 불순물 농도 이하인 것이 바람직하고, 상기 활성층에 포함되는 n형 불순물의 농도는 동일하더라도 n형 질화물 반도체층에 접하는 측에서 멀리짐에 따라서 감소하도록 해도 된다.
통상, 상기 활성층중에 포함되는 n형 불순물 농도는 5×1016∼2×1018/cm3으로 조정되지만, 상기 활성층의 장벽층중에 포함되는 n형 불순물의 농도 및 양자 우물층 중에 포함되는 n형 불순물 농도의 한 쪽 또는 양쪽을 조정하도록 해도 된다. 양쪽에 n형 불순물이 포함되는 경우는, 상기 활성층의 양자 우물층에 포함되는 n형 불순물 농도를 장벽층 중에 포함되는 n형 불순물의 농도보다 적게 해도 된다. 따라서, 상기 활성층의 장벽층 중에 포함되는 n형 불순물의 농도가 5×1016∼2×1018/cm3인 한편, 양자 우물층 중에 포함되는 n형 불순물의 농도가 5×1016/cm3미만으로, 상기 활성층의 장벽층 중에 포함되는 n형 불순물의 농도보다 적게 하는 경우가 있다.
본 발명에 있어서, 상기 활성층중의 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하는 장벽층 또는 양자 우물층이 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하지 않는 장벽층 또는 양자 우물층보다 막 두께가 크면, 고출력용 질화물 반도체 소자에 적합한 구성이 된다. 다른 한편, 상기 활성층중의 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하는 장벽층 또는 양자 우물층이 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하지 않는 장벽층 또는 양자 우물층보다 막두께가 작으면, 보다 낮은 구동 전압으로 작동시키는 데 바람직한 질화물 반도체 소자가 된다.
본 발명은, 특히 청록계의 다중 양자 우물구조의 발광 소자에 적용하면 현저한 효과를 얻을 수 있지만, 다중 양자 우물구조를 구비한 발광 소자에 적용되더라도 순방향 전압을 저감할 수 있다. 따라서, 본 발명은 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층의 사이에, 양자 우물층과 장벽층을 적층하여 이루어진 활성층을갖고, 상기 활성층의 양자 우물층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)으로 이루어지고, 그 발광 피크 파장이 470∼530 nm 에 있는 발광 소자로서, 상기 활성층의 적층 총수가 9층 이상 13층 이하로서, n형 질화물 반도체층과 접하는 측으로부터 세어 3층 이하의 층에 Si, Ge, Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 n형 불순물이 5×1016∼2×10l8/cm3포함되는 발광소자를 제공하는 것이기도 하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서도, 상기 활성층중의 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물이 포함하는 장벽층 또는 양자 우물층이 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하지 않는 장벽층 또는 양자 우물층보다 막두께를 크게 하면, 고출력용 발광소자가 되고, 상기 활성층중의 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물이 포함하는 장벽층 또는 양자 우물층이 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하지 않는 장벽층 또는 양자 우물층보다 막두께를 작게 하면, 저구동전압으로 작동하는 발광 소자가 된다.
본 발명의 바람직한 실시형태로는 상기 n형 불순물로서 Si가 사용되고, 상기 활성층의 양자 우물층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)으로 이루어지고, 그 발광 피크 파장이 490∼510 nm의 영역에 있는 발광소자에 즐겨 적용된다.
상기 활성층의 장벽층이 InyGa1-yN(단, 0≤y<1로, y<x) 또는 AlGaN으로 이루어지는 화합물 반도체로 구성되는 것이 바람직하고, 구체적으로는 InGaN/GaN 또는 InGaN/InGaN 혹은 InGaN/AlGaN의 조합을 제공할 수 있다.
바람직한 실시형태로는, 상기 활성층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)/InyGa1-yN(단, 0≤y<1로, y<x) 또는 AlGaN의 다중 양자 우물층으로 이루어지고, n형 다층막상에 형성되어 있지만, 상기 다층막은 n형 불순물을 도프하지 않는 InzGa1-zN(단,0<z<1)/GaN 적층 또는 AlwGal-wN/GaN(단, 0<w<1)적층으로 이루어진 버퍼 초격자층으로서 형성되는 것이 상기 활성층의 결정성을 향상시킨다. 다층막과 활성층에 GaN이 동시에 사용되는 경우는 상기 버퍼 초격자의 GaN층의 두께가 70Å 이하로, 상기 활성층의 장벽층 InyGal-yN(단, 0≤y<1로, y<x)의 두께가 70Å 이상이 되고, GaN 층의 막두께가 작은 영역에서 큰 영역으로 변화되므로, 버퍼 초격자 영역과 활성층 영역을 구분 할 수가 있다.
다른 한편, 상기 활성층은 n형 클래드층상에 형성되어도 좋고, 이 경우, n형 클래드층은 다층막으로 구성되는 것이 바람직하고, n형 불순물을 포함하여, 상기 활성층의 양자 우물층 보다 밴드갭 에너지가 큰 InzGal-zN(단, 0<z<1로, z<y)층 또는 A1wGal-wN(단, 0<w<1)층과 GaN층의 적층으로 형성할 수 있다. 상기 n형 클래드층이 다층막으로 형성되면, 상기 활성층의 영역은 특히 n형 불순물 농도로 식별할 수가 있다. 즉, 상기 활성층 및 n형 클래드층중에 포함되는 n형 불순물이 Si이면, 상기 활성층의 적층중에 포함되는 Si 농도가 5×10l6∼2×1018/cm3인 한편, n형 클래드층의 적층중에 포함되는 Si 농도가 5×1017/cm3이상이고, 또한 상기 활성층의 Si농도보다 많아지기 때문이다.
본 출원은 일본 특허청에 1999년 6월 7일 출원된 평성 11년 특허원 159482호를 기초로 하는 것이며, 본 출원의 내용을 이루고 있다.
이하에 본 발명의 일실시형태인 질화물 반도체 소자의 구조를 나타내는 질화물 반도체 소자의 개략적 단면도인 도 1을 사용하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 기판(1)상에, 버퍼층(2), 언도프 GaN층(3), Si 도프된 GaN으로 된 n형 콘택트층(4), n형 제1 다층막층(5), n형 제2 다층막층(6), InGaN/GaN 으로 이루어진 다중 양자 우물 구조의 활성층(7), p형 다층막층(8), Mg 도프된 GaN 으로 이루어진 p형 콘택트층(9)이 순차로 적층된 구조를 갖는 질화물 반도체 소자를 나타낸다. 상기 n형 다층막층(6) 및 p형 다층막층(8)을 구성하는 각각의 질화물 반도체의 조성, 및 /또는 층수가 n형과 p형으로 다르다.
본 발명의 실시 형태에 있어서는, 활성층은 우물층과 장벽층을 순차 적층한 다층막 구조의 다중 양자 우물구조로 하지만, 그 최소 적층구조는, 하나의 장벽층과 상기 장벽층의 양측에 설치된 (2개의) 우물층으로 이루어진 3층 구조 또는 하나의 우물층과 그 양측에 설치된 (2개의) 장벽층으로 이루어진 3층 구조로 할 수 있다.
다중 양자 우물구조에 있어서, 양측의 2개의 최외층은, 각각 우물층 또는 장벽층에 의해 구성되지만, 한쪽의 최외층이 우물층이고 다른쪽 최외층이 장벽층이 되도록 구성되어도 된다. 또한, 다중 양자 우물구조는, p층측이 장벽층으로 끝나도 우물층으로 끝나도 된다.
이러한 다중 양자 우물구조의 활성층에 있어서, 우물층 및 장벽층은, 양자를 인듐과 갈륨을 포함하는 질화물 반도체(바람직하게는 InGaN)로 형성할 수가 있지만, 우물층을 인듐과 갈륨을 포함하는 질화물 반도체(바람직하게는, InGaN)나 GaN으로 형성하고, 장벽층을 예를 들어 AlN, GaN으로 형성할 수도 있다. 예를 들면, 다중 양자 우물구조로 된 활성층의 우물층은 적어도 In을 포함하는 질화물 반도체, 바람직하게는 InxGa1-xN (0<X<1)으로 한다.
한 편, 장벽층은 우물층보다도 밴드갭 에너지가 큰 질화물 반도체를 선택하고, 바람직하게는 InYGa1-YN (0≤Y<1, X>Y) 또는 AlzGal-ZN (0<Z<0. 5)으로 할 수 있다.
활성층에 포함되는 n형 불순물에는 Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr 등의 IV족, 혹은 VI족 원소를 사용할 수 있고, 바람직하게는 Si, Ge, Sn을, 가장 바람직하게는 Si를 사용한다.
본 발명에 있어서 활성층중의 n형 불순물 농도는 n층측이 p층측보다도 크고, 더욱 바람직하게는, n형 질화물 반도체에 접하는 층으로부터 세어 상기 (1)식을 만족시키는 층까지 n형 불순물이 포함되어 있는 것으로 한다. 「n형 불순물 농도는 n층측이 p층측보다도 크다」라는 것은 예를 들면, 활성층이 우물층과 장벽층이 교대로 적층된 합계 1l층으로 이루어진 다중 양자 우물이면, n층측의 6층에 n형 불순물이 포함되고, p층측의 5층에는 n형 불순물이 포함되어 있지 않는 경우나, n층측의 6층 중 우물층에만 n형 불순물이 포함되어 있는 경우 등을 말하고, n층측에 n형 불순물이 많이 포함되어 있으면 상기 층수나 포함되는 층이 변해도 된다.
본 발명에 있어서, 활성층의 총 막두께는, 특히 한정되지는 않지만, 우물층과 장벽층이 적층된 층의 합계의 막두께이며, 예를 들어 구체적으로는 500∼5000 옹스트롱이며, 바람직하게는 1000∼3000 옹스트롱이다. 활성층의 총막두께가 상기 범위이면 발광 출력 및 활성층의 결정성장에 필요한 시간면에서 바람직하다.
활성층의 다중 양자 우물구조를 구성하는 장벽층의 단일 막두께는, 70∼500 옹스트롱이며, 바람직하게는 100∼300 옹스트롱이다. 장벽층의 단일 막두께가 상기 범위이면 광전 변환 효율이 향상되고, Vf가 낮고 리크 전류가 적게 발생되어 바람직하다.
또한 활성층의 우물층의 단일막 두께는, 100 옹스트롱 이하, 바람직하게는 70 옹스트롱 이하, 보다 바람직하게는 50 옹스트롱 이하이다. 우물층의 단일 막두께의 하한은, 특히 한정되지는 않지만, 10 옹스트롱 이상인 것이 바람직하다. 우물층의 단일 막두께가 상기 범위이면, 발광 출력의 향상 및 발광 스펙트럼 반치폭의 감소의 면에서 바람직하다.
활성층에 포함되는 n형 불순물 농도는 n형 콘택트층에 도프하는 Si 도프량 이하, 바람직하게는 5×1016/cm3∼1×1019/cm3, 더욱 바람직하게는 5×1016/cm3∼5×1018/cm3, 가장 바람직하게는 5×1016/cm3∼2×l018/cm3의 범위로 조정한다. n형 불순물의 농도가 상기 범위이면, 광전 변환 효율을 저하시키지 않고, I-V 특성에 있어서 리크 전류의 증가가 보이지 않고, Vf를 저하할 수 있어 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 활성층 이외의 디바이스 구조는 특히 한정되지 않고, 여러가지 층구조를 사용할 수 있다. 디바이스 구조의 구체적인 실시형태로서는, 예를 들어 후술하는 실시예에 기재된 디바이스 구조를 들 수 있다. 또한, 전극등도 특히 한정되지 않고 여러가지를 사용할 수 있다.
본 발명은 우물층과 장벽층의 다중 양자 우물로 이루어지는 활성층의 n층측에 n형 불순물로서 Si를 도프하고, 또한 그 도프하는 층을 한정함으로써, n층으로부터의 도너의 공급을 보충할 수 있고, 발광 출력이 높은 질화물 반도체 소자를 얻는 것이 가능해지기 때문에, 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD)등의 발광 소자 뿐만 아니라, 태양 전지, 광 센서등의 수광 소자, 혹은 트랜지스터, 파워 디바이스등의 전자 디바이스에 사용되는 질화물 반도체 소자로서 유용하다.

Claims (29)

  1. n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층의 사이에, 양자 우물층과 장벽층을 적층하여 이루어지고, n형 불순물을 포함하는 활성층을 갖는 질화물 반도체 소자에 있어서,
    상기 활성층의 적층중 적어도 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층 및/또는 양자 우물층이 n형 불순물을 포함하는 층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층이 다중 양자 우물 구조로서, 상기 활성층의 적층 총수를 i 층으로 한 경우, 적층중인 하기식을 만족하는 n형 질화물 반도체층과 접하는 측으로부터 세어 j층까지의 어느 것인가에 n형 불순물이 포함되어 있는 질화물 반도체 소자.
    j= i / 6 + 2 (단 I ≥4, j는 소수점 이하를 잘라낸 정수)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층의 적층중 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층 및 /또는 양자 우물층이 n형 불순물을 포함하지 않는 층인 질화물 반도체 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 활성층이 양자 우물층의 양측을 장벽층에서 끼워서 구성되는 단일 양자 우물구조를 이루고, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층이 n형 불순물을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층이 n형 불순물을 포함하지 않는 질화물 반도체 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 활성층이 양자 우물층과 장벽층을 교대로 적층하여 이루어지는 다중 양자 우물구조를 이루고, 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층 및/또는 양자 우물층이 n형 불순물을 포함하고, 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 장벽층 및/또는 양자 우물층이 n형 불순물을 포함하지 않는 질화물 반도체 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성층의 적층 총수가 9층 이상 15층 이하로서, n형 불순물이 포함되는 n형 질화물 반도체층은 n형 질화물 반도체층과 접하는 쪽으로부터 세어 4층 이하인 질화물 반도체 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 활성층의 양자 우물층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)으로 이루어지고, 발광 또는 수광 피크 파장이 470∼530 nm, 바람직하게는 490∼510 nm에 있는 질화물 반도체 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 n형 불순물은 Si, Ge, Sn 중 적어도 1종인 질화물 반도체 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 n형 불순물은 Si 인 질화물 반도체 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층에 포함되는 n형 불순물의 농도가 n형 반도체층중의 n형 불순물 농도 이하인 질화물 반도체 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층에 포함되는 n형 불순물의 농도가 n형 반도체층에 접하는 측에서 멀어짐에 따라서 감소하는 질화물 반도체 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층의 n형 불순물 농도는 5 ×1016∼2 ×1018/cm3인 질화물 반도체소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 활성층의 장벽층중에 포함되는 n형 불순물의 농도가 5 ×1016∼2 ×1018/cm3인 질화물 반도체 소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 활성층의 양자 우물층중에 포함되는 n형 불순물의 농도가 5 ×1016∼2 ×1018/cm3인 질화물 반도체 소자.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 활성층의 장벽층중에 포함되는 n형 불순물의 농도가 5 ×1016∼2 ×1018/cm3인 한 편, 양자 우물층중에 포함되는 n형 불순물의 농도가 5 ×1016∼2 ×1018/cm3로, 상기 활성층의 장벽층중에 포함되는 n형 불순물의 농도보다 적은 질화물 반도체 소자.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 활성층의 장벽층중에 포함되는 n형 불순물의 농도가 5 ×1016∼2 ×1018/cm3인 한 편, 양자 우물층중에 포함되는 n형 불순물의 농도가 5 ×1016/cm3미만으로, 상기 활성층의 장벽층중에 포함되는 n형 불순물의 농도보다 적은 질화물 반도체 소자.
  17. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층중의 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물이 포함하는 장벽층 또는 양자 우물층이 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하지 않는 장벽층 또는 양자 우물층보다 막두께가 큰 것을 특징으로 하는 고출력용의 질화물 반도체 소자.
  18. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층중의 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물이 포함하는 장벽층 또는 양자 우물층이 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하지 않는 장벽층 또는 양자 우물층보다 막두께가 작은 것을 특징으로 하는 저구동 전압용의 질화물 반도체 소자.
  19. n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층의 사이에, 양자 우물층과 장벽층을 적층하여 이루어진 활성층을 갖고,
    상기 활성층의 양자 우물층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)으로 이루어지고, 그 발광 피크파장이 450∼540 nm 에 있는 발광 소자로서,
    상기 활성층의 적층 총수가 9층 이상 13층 이하로서, n형 질화물 반도체층과 접하는 측으로부터 세어 3층 이하의 층에 Si, Ge, Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 n형 불순물이 5 ×1016∼2 ×1018/cm3포함되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 활성층중의 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 쪽의 n형 불순물이 포함하는 장벽층 또는 양자 우물층이 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 쪽의 n형 불순물을 포함하지 않는 장벽층 또는 양자 우물층보다 막두께가 큰 것을 특징으로 하는 고출력용의 발광 소자.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 활성층중의 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 쪽의 n형 불순물이 포함하는 장벽층 또는 양자 우물층이 상기 p형 질화물 반도체층에 접하는 측의 n형 불순물을 포함하지 않는 장벽층 또는 양자 우물층보다 막두께가 작은 것을 특징으로 하는 저구동 전압용의 발광 소자.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 n형 불순물이 Si인 반도체 소자.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 활성층의 양자 우물층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)으로 이루어지고, 그 발광 피크 파장이 490∼510 nm의 영역에 있는 질화물 발광 소자.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 활성층의 장벽층이 InyGa1-yN(단, O≤y<1로, y<x)으로 이루어진 발광 소자.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 활성층이 InxGa1-xN(단, 0<x<1)/InyGal-yN(단, 0≤y<l에서, y<x)의 다중 양자 우물층으로 이루어지고, n형 다층막상에 형성된 발광 소자.
  26. 제 25 항에 있어서.
    상기 다층막이 n형 불순물을 도프하지 않는 InzGal-zN(단, 0<z<1)/GaN적층 또는 AlwGal-w/GaN(단, 0<w<1) 적층으로 이루어지는 버퍼 초격자층으로형성된 발광 소자.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 버퍼 초격자의 GaN층의 두께가 70Å 이하이고, 상기 활성층의 장벽층의 두께가 70Å이상인 발광 소자.
  28. 제 19 항에 있어서.
    상기 다층막이 n형 불순물을 포함하고, 상기 활성층의 양자 우물층보다 밴드 갭 에너지가 큰 InzGa1-zN(단, 0<z<1이고, z<y)층 또는 AlwGal-wN(단, 0<w<1)층과 GaN층의 적층으로 이루어지는 클래드층으로서 형성된 발광 소자.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 활성층 및 n형 클래드층중에 포함되는 n형 불순물이 Si이며, 상기 활성층의 적층중에 포함되는 Si 농도가 5 ×1016∼2 ×1018/cm3로서, n형 클래드층의 적층중에 포함되는 Si 농도가 5 ×1016∼2 ×1018/cm3이상으로, 상기 활성층의 Si 농도보다 많은 발광 소자.
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