JP2007243189A

JP2007243189A - 発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2007243189A
Application number: JP2007054471A
Authority: JP
Inventors: Hyo Kun Son; クンソン、ヒョ
Original assignee: LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US20100001313A1; KR100931509B1; US7612380B2; US20070215882A1; US8174026B2; KR20070091500A

Abstract

【課題】窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、第１導電型の下側窒化物半導体層４と、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４上に電流拡散層５と、前記電流拡散層５上に第１導電型の上側窒化物半導体層６と、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６上に活性層７と、前記活性層７上に第２導電型の窒化物半導体層８と、が含まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。

窒化物半導体発光素子は、紫外線、青色及び緑色領域を包括する発光領域を有する。窒化物半導体発光素子として、ＧａＮ系窒化物半導体発光素子が例示され得る。

ＧａＮ系窒化物半導体発光素子は、サファイア基板にバッファ層を形成し、前記バッファ層の上部にｎ−ＧａＮ層、活性層及びｐ−ＧａＮ層を形成する。

そして、前記ｎ−ＧａＮ層と前記ｐ−ＧａＮ層上に電極層を形成した後、電流が印加されるようにして、前記活性層で光が生成されるようにする。

一方、窒化物半導体発光素子において、前記サファイア基板とｎ−ＧａＮ層は、互いに異なる格子定数（ｌａｔｔｉｃｅｃｏｎｓｔａｎｔ）を有するため、前記サファイア基板とｎ−ＧａＮ層との境界面から転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が発生する。

これを減少させるために、サファイア基板とｎ−ＧａＮ層との間の格子定数の差を減らし得るように、前記サファイア基板にバッファ層を形成する。

しかしながら、前記バッファ層上に前記ｎ−ＧａＮ層を形成しても前記ｎ−ＧａＮ層に伝播される転位を減少させるのには限界がある。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、基板から発生する転位の伝播を減少させることができる発光素子及びその製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、キャリアの供給を円滑にし得る発光素子及びその製造方法を提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、ＥＳＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｄｉｓｃｈａｒｇｅ）特性が強化された発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る発光素子は、第１導電型の下側半導体層と、前記第１導電型の下側半導体層上に電流拡散層と、前記電流拡散層上に第１導電型の上側半導体層と、前記第１導電型の上側半導体層上に活性層と、前記活性層上に第２導電型の半導体層と、が含まれる。

また、本発明に係る発光素子は、基板と、前記基板上に第１導電型の下側半導体層と、前記第１導電型の下側半導体層上に電流拡散層と、前記電流拡散層上に第１導電型の上側半導体層と、前記第１導電型の上側半導体層上に活性層と、前記活性層上に第２導電型の半導体層と、が含まれる。

また、本発明の発光素子の製造方法は、基板上に第１導電型の下側半導体層を形成するステップと、前記第１導電型の下側半導体層上に電流拡散層を形成するステップと、前記電流拡散層上に第１導電型の上側半導体層を形成するステップと、前記第１導電型の上側半導体層上に活性層を形成するステップと、前記活性層上に第２導電型の半導体層を形成するステップと、が含まれる。

本発明によると、基板から発生する転位の伝播を減少させることができ、キャリアの供給を円滑にすることができ、また、ＥＳＤ特性が強化された発光素子及びその製造方法を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して、実施の形態に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法について詳細に説明する。

実施の形態を説明するにおいて、ある要素が他の要素の上（ｏｎ）／下（ｕｎｄｅｒ）に形成されると記載された場合、ある要素が他の要素と直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）接触して、上／下に形成される場合と、ある要素と他の要素との間に媒介要素を介在して、間接的に（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）接触して、上／下に形成される場合を含む。

図１〜図３は、第１〜第３の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を説明する図である。

図１に示すように、窒化物半導体発光素子２０は、基板１上にバッファ層２及びアンドープ窒化物層３が形成され、前記アンドープ窒化物層３上に第１導電型の下側窒化物半導体層４、電流拡散層５、第１導電型の上側窒化物半導体層６が形成される。

そして、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６上に、活性層７、第２導電型の窒化物半導体層８が形成される。

前記第１導電型の下側窒化物半導体層４上には、第１電極９が形成され、前記第２導電型の窒化物半導体層８上には、第２電極１０が形成される。

図２に示すように、窒化物半導体発光素子２０は、基板１上にバッファ層２及びアンドープ窒化物層３が形成され、前記アンドープ窒化物層３上に第１導電型の下側窒化物半導体層４、電流拡散層５、第１導電型の上側窒化物半導体層６が形成される。

前記電流拡散層５上には、第１電極９が形成され、前記第２導電型の窒化物半導体層８上には、第２電極１０が形成される。

図３に示すように、窒化物半導体発光素子２０は、基板１上にバッファ層２及びアンドープ窒化物層３が形成され、前記アンドープ窒化物層３上に第１導電型の下側窒化物半導体層４、電流拡散層５、第１導電型の上側窒化物半導体層６が形成される。

前記第１導電型の上側窒化物半導体層６上には、第１電極９が形成され、前記第２導電型の窒化物半導体層８上には、第２電極１０が形成される。

図１〜図３を参照すれば、前記基板１は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉのうちの何れか１つで形成されることができる。

前記バッファ層２は、前記基板１と前記第１導電型の下側窒化物半導体層４との間の格子定数差を減らるためのものであって、ＡｌＩｎＮ構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ積層構造、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ、ｙ}Ｎ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮの積層構造の中から選択されて形成されることができる。

前記アンドープ窒化物層３は、アンドープＧａＮ層で形成されることができる。

前記第１導電型の下側窒化物半導体層４は、ｎ型ドーパントが含まれたｎ−ＧａＮ層で形成されることができ、前記ｎ−ＧａＮ層には、駆動電圧を下げるために、Ｓｉがドーピングされることができる。

前記電流拡散層５は、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）で形成されることができる。また、前記電流拡散層５は、Ｃｏ、Ｗ、Ｆｅのうち、少なくとも何れか１つが含まれた層で形成されることができる。

前記電流拡散層５は、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４及び前記第１導電型の上側窒化物半導体層６に印加される電流の流れを円滑にするためのものであって、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４及び前記第１導電型の上側窒化物半導体層６より抵抗が低いから、電子の流れを増大させることができる。

前記第１導電型の上側窒化物半導体層６は、ｎ型ドーパントが含まれたｎ−ＧａＮ層で形成されることができる。

前記活性層７は、電子と正孔との結合により光が発生できるように、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で形成されることができ、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層及びＩｎＧａＮバリア層の構造で形成されることができる。

前記第２導電型の窒化物半導体層８は、ｐ型ドーパントが含まれたｐ−ＧａＮ層で形成されることができ、前記ｐ−ＧａＮ層には、マグネシウムがドーピングされ得る。

前記第１電極９は、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４、電流拡散層５、第１導電型の上側窒化物半導体層６のうち、少なくとも何れか１つと電気的に接続して電源を印加し、前記第２電極は、前記第２導電型の窒化物半導体層８と電気的に接続して電源を印加する。

図４Ａ〜図４Ｃは、第４の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する図である。

図４Ａ〜図４Ｃに示すように、前記基板１上に前記バッファ層２を形成する。前記バッファ層２は、複数の層で形成されることができる。

例えば、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバー又はＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）チャンバーに前記基板１を装着し、５００〜６００℃の温度及びシランガス（ＳｉＨ_４）雰囲気で前記基板１上にシリコンを約１０Åに成長させて、シリコン層を形成する。そして、前記シリコン層の上部にＩｎＮ層を形成する。

そして、前記ＩｎＮ層上に約１０００℃の温度でＴＭＡｌ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｌｕｍｉｎｉｕｍ）とアンモニア（ＮＨ_３）を利用して、所定の割合でＡｌとＮが含有されたＡｌＮ層を成長させる。

したがって、前記バッファ層２は、シリコン層、ＩｎＮ層及びＡｌＮ層を含む複数の層で形成される。

そして、前記バッファ層２上に前記アンドープ窒化物層３を形成する。

前記アンドープ窒化物層３は、前記バッファ層２上に１５００℃の成長温度でＮＨ_３とトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を供給して、ドーパントを含まない所定の厚さのアンドープ−ＧａＮ層を形成する。

次に、前記アンドープ窒化物層３上に前記第１導電型の下側窒化物半導体層４を形成する。

前記第１導電型の下側窒化物半導体層４は、ＮＨ_３、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びＳｉのようなｎ型ドーパントを含むシランガスを供給して、ｎ−ＧａＮ層を所定の厚さに成長させる。

そして、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４上に、前記電流拡散層５を形成する。

前記電流拡散層５は、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）で約１〜１０００００Åの厚さに形成されることができ、Ｃｏ、Ｗ、Ｆｅのうち、少なくとも何れか１つが含まれた層で約１〜１０００００Åの厚さに形成されることができる。

前記電流拡散層５は、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）装備、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）装備、スパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒ）装備及び電子ビーム（Ｅ−ｂｅａｍ）装備のうちの何れか１つを利用して成長させる。

例えば、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４は、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）装備を利用して形成でき、前記電流拡散層５は、ＭＢＥ装備、スパッタ装備及び電子ビーム装備のうちの何れか１つを利用して形成できる。

前記電流拡散層５は、約１０００℃以上の高温で形成されるため、ＩＴＯの結合が壊れて、前記電流拡散層５の表面に位置したインジウム及びスズが前記第１導電型の上側窒化物半導体層６の形成過程において、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６の不純物として含有される。

前記インジウム及びスズが前記第１導電型の上側窒化物半導体層６に不純物として含有されることにより、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６に転位が伝播されることを遮断する。

また、前記電流拡散層５は、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４及び前記第１導電型の上側窒化物半導体層６に電流の拡散を円滑にすることにより、キャリア濃度（ｃａｒｒｉｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）を増大させて動作電圧を下げる。したがって、発光素子の寿命を増大させることができ、信頼性を向上させることができる。

また、前記電流拡散層５は、ＥＳＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｄｉｓｃｈａｒｇｅ）特性を強化することができる。すなわち、前記電流拡散層５は、高い逆電圧が印加された場合、逆電圧を速く拡散して、逆電圧により前記活性層７が破壊されることを防止できる。

次に、前記電流拡散層５上に前記第１導電型の上側窒化物半導体層６を形成する。

前記第１導電型の上側窒化物半導体層６には、前記電流拡散層５の表面に位置したインジウム及びスズが不純物として含有され得る。

前記第１導電型の上側窒化物半導体層６は、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４と同様に、ＮＨ_３、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びＳｉのようなｎ型ドーパントを含むシランガスを供給して、ｎ−ＧａＮ層を１〜１００００Åの厚さに成長させて形成できる。

一方、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６は、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４と抵抗、キャリア運動性、キャリア濃度が異なるように成長させることもできる。

例えば、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６は、部分的に異なるドーピング濃度を有するようにＳｉをドーピングすることができる。また、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６は、線形的に変化されるドーピング濃度を有するように、Ｓｉをドーピングすることができる。

すなわち、前記電流拡散層５に隣接した部分の前記第１導電型の上側窒化物半導体層６には、前記Ｓｉを１×１０^１９ｉｏｎｓ／ｃｍ^３以上のキャリア濃度を有するようにドーピングし、上側部分へ行くほどドーピング濃度を線形的に減少させる途中で、前記活性層７に隣接した部分の前記第１導電型の上側窒化物半導体層６には、前記Ｓｉを３×１０^１８ｉｏｎｓ／ｃｍ^３以下のキャリア濃度を有するようにドーピングする。

このように、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６は、ドーピング濃度が変化して形成されることにによって、局所的転位の発生が防止され、電流及び電圧の変化に応じる電子拡散の動的抵抗が減少する。また、電子流れに対するしきいエネルギーが減少して、電力効率が向上するという結果が出てくる。

また、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６は、成長速度を多段階で制御して形成できる。

前記ｎ−ＧａＮ層は、最初は、１００〜８００℃の範囲の温度で０．００１〜１μｍ／ｈｏｕｒの成長速度で形成させた後、８００〜１１００℃の範囲の温度で１〜３μｍ／ｈｏｕｒの成長速度で形成させることができる。

次に、前記活性層７は、ＩｎＧａＮで形成されることができる。

前記活性層７は、７８０℃の温度で窒素をキャリアガスとして使用して、ＮＨ_３、ＴＭＧａ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給して、１２０Å〜１２００Åの範囲の厚さのＩｎＧａＮ層を形成する。

このとき、前記活性層７は、ＩｎＧａＮの各元素成分のモル比に差をおいて成長させた複数の積層構造で形成されることができる。

また、前記活性層７にはバリア層が形成されることができ、前記活性層７と前記第２導電型の窒化物半導体層８との間にキャリア制限（ｃａｒｒｉｅｒｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）のためのｐタイプクラッディング層が形成されることができる。

そして、前記活性層７上に前記第２導電型の窒化物半導体層８を形成する。

前記第２導電型の窒化物半導体層８は、ｐ型ドーパントを含有したｐ−ＧａＮ層で形成されることができる。

前記ｐ−ＧａＮ層には、マグネシウムが不純物として含有されることができ、前記ｐ−ＧａＮ層の形成後、５００〜９００℃の温度で熱処理を行って、ｐ−ＧａＮ層の正孔濃度が最大になるようにする。

一方、前記のような半導体層が形成された後、図４Ｂに示すように、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４の一部、電流拡散層５、第１導電型の上側窒化物半導体層６、活性層７及び第２導電型の窒化物半導体層８を選択的に除去して、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４が露出するようにする。

そして、図４Ｃに示すように、前記第１導電型の下側窒化物半導体層４に第１電極９を形成し、前記第２導電型の窒化物半導体層８に第２電極１０を形成する。

一方、図２に示す実施の形態において、前記第１電極９は、前記第２導電型の窒化物半導体層８から前記電流拡散層５の一部まで選択的に除去して、前記電流拡散層５が露出するようにして、前記電流拡散層５に形成されるようにすることができる。

また、図３に示す実施の形態において、前記第１電極９は、前記第２導電型の窒化物半導体層８から前記第２導電型の上側窒化物半導体層６の一部まで選択的に除去して、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６が露出するようにして、前記第１導電型の上側窒化物半導体層６に形成されるようにすることができる。

前記のような方法で形成された窒化物半導体発光素子は、前記第１電極９及び第２電極１０に電源を印加すると、前記活性層７で電子と正孔との再結合が発生して、光が放出される。

図５Ａ及び図５Ｂは、第５の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を説明する図である。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、電流拡散層５の上側面は、凹凸（ｕｎｅｖｅｎｎｅｓｓ）タイプで形成されることができる。

図５Ａに示す断面では、長方形状の溝が形成されたことが示されているが、半円形、台形、凹状、凸状に形成されることができる。

図５Ａにおいて、長方形状の溝は、ストライプ状に長く伸びて形成され、図５Ｂにおいて点線は、前記電流拡散層５の最上端を示す。

前記電流拡散層５の上側面は、化学的に除去されて形成され、例えば、前記電流拡散層５の上側にマスクを形成した後、選択的にエッチングすることにより、凹凸タイプの上側面が形成されることができる。

このように、前記電流拡散層５の上側面が凹凸タイプで形成されることにより、上述の電流拡散層５による効果は、さらに向上することができる。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を説明する図である。第２の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を説明する図である。第３の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を説明する図である。第４の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する図である。第４の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する図である。第４の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する図である。第５の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を説明する図である。第５の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を説明する図である。

Claims

第１導電型の下側半導体層と、
前記第１導電型の下側半導体層上に電流拡散層と、
前記電流拡散層上に第１導電型の上側半導体層と、
前記第１導電型の上側半導体層上に活性層と、
前記活性層上に第２導電型の半導体層と、
が含まれる発光素子。
前記電流拡散層は、ＩＴＯ、Ｃｏ、Ｗ及びＦｅのうち、少なくとも何れか１つが含まれたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第１導電型の下側半導体層、前記電流拡散層、前記第１導電型の上側半導体層のうち、いずれか１つの層上に第１電極と、
前記第２導電型の半導体層上に第２電極と、
が含まれたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記電流拡散層は、凹凸（ｕｎｅｖｅｎｎｅｓｓ）タイプで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記凹凸（ｕｎｅｖｅｎｎｅｓｓ）タイプは、長方形、半円形、台形、凹状、凸状のうち、何れか１つの形状に形成されることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
前記第１導電型の上側半導体層には、インジウム及びスズが不純物として含有されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第１導電型の上側半導体層は、前記第１導電型の下側半導体層とキャリア濃度が異なることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第１導電型の上側半導体層は、位置によって不純物ドーピング濃度が異なることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第１導電型の上側半導体層は、不純物ドーピング濃度が次第に変化することを特徴とする請求項８に記載の発光素子。
前記第１導電型の下側半導体層の下には、基板が形成され、前記基板と第１導電型の下側半導体層との間には、バッファ層及びアンドープ窒化物層のうち、少なくとも何れか１つが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
基板と、
前記基板上に第１導電型の下側半導体層と、
前記第１導電型の下側半導体層上に電流拡散層と、
前記電流拡散層上に第１導電型の上側半導体層と、
前記第１導電型の上側半導体層上に活性層と、
前記活性層上に第２導電型の半導体層と、が含まれる発光素子。
前記第１導電型の下側半導体層、前記電流拡散層、前記第１導電型の上側半導体層のうち、何れか１つの層上に第１電極が形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
前記第２導電型の半導体層上に第２電極が形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
前記電流拡散層は、ＩＴＯ、Ｃｏ、Ｗ及びＦｅのうち、少なくとも何れか１つが含まれることを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
前記電流拡散層は、凹凸タイプで形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
前記基板と第１導電型の下側半導体層との間には、バッファ層及びアンドープ窒化物層が形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
基板上に第１導電型の下側半導体層を形成するステップと、
前記第１導電型の下側半導体層上に電流拡散層を形成するステップと、
前記電流拡散層上に第１導電型の上側半導体層を形成するステップと、
前記第１導電型の上側半導体層上に活性層を形成するステップと、
前記活性層上に第２導電型の半導体層を形成するステップと、が含まれる発光素子の製造方法。
前記電流拡散層は、上側面の一部を化学的に除去して、上側面を凹凸タイプで形成することを特徴とする請求項１７に記載の発光素子の製造方法。
前記第１導電型の下側半導体層、前記電流拡散層、前記第１導電型の上側半導体層のうち、何れか１つの層上に第１電極を形成するステップと、
前記第２導電型の半導体層上に第２電極を形成するステップと、が含まれたことを特徴とする請求項１７に記載の発光素子の製造方法。
前記電流拡散層は、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法、ＭＢＥ法、スパッタ法及び電子ビーム法のうち、何れか１つを利用して、ＩＴＯ、Ｃｏ、Ｗ、Ｆｅのうち、少なくとも何れか１つが含まれた層であって、約１〜１０００００Åの厚さに約１０００℃以上の高温で成長されることを特徴とする請求項１７に記載の発光素子の製造方法。