KR100289595B1 - 3족질화물반도체발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 자외선 영역의 발광강도를 증가시키는 것으로서, p층(61, 62), n층(4, 3), p층과 n층에 끼여진 발광층(5)을 구비하고, 각층이 3족 질화물 반도체로 이루어지는 발광소자에 있어서, 발광층(5)의 두께를 1 내지 200 nm으로 하였다. 또한, 발광층(5)을 Gao·92In0·08N으로 하고, Si와 Zn을 1×1017내지 5×1018/cm3로 첨가하였다. 380nm의 발광강도는 발광층(5)의 두께가 400 nm인 경우와 비교하여 5배로 증가하였다.

Description

3족 질화물 반도체 발광소자
제1도는 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 도시한 구성도.
제2도는 본 발명 실시예의 발광 다이오드의 제조공정을 도시한 단면도.
제3도는 본 발명 실시예의 발광 다이오드의 제조공정을 도시한 단면도.
제4도는 본 발명 실시예의 발광 다이오드의 제조공정을 도시한 단면도.
제5도는 발광층의 두께를 변화시킨 각종의 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도시한 측정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 발광 다이오드 1 : 사파이어 기판
2 : 버퍼층 3 : 고 캐리어농도 n+층
4 : n층 5 : 발광층
61 : p층 62 : 콘택층
7, 8 : 전극
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명이 밴드단부의 발광 효율을 향상시킨 3족 질화물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것이다.
종래부터, 3족 질화물 반도체를 사용한 밴드단부의 발광에 의한 발광소자로서, 발광층에 In0.08Gao.92N 또는 Si가 첨가된 In0.08Ga0.92N을 사용한 소자가 알려져 있다. 이 소자에서는 Si의 도너 레벨과 가전자대와의 사이 또는 가전자대와 전도대와의 사이에서의 전자·정공(正孔)의 재결합에 의해 파장 380nm의 빛을 발광한다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
그러나, 상기 구조의 발광소자는 발광층에 주입하는 캐리어의 농도가 낮아져, 전자·정공의 재결합이 어렵게 되어, 발광효율이 떨어진다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 3족 질화물 화합물 반도체 발광소자에 있어서 밴드단부의 발광의 발광효율을 향상시키는 것이다.
청구항 1의 발명은 p층, n층, p층과 n층에 끼여진 발광층을 구비하고, 각층이 3족 질화물 반도체로 이루어지는 발광소자에 있어서, 발광층에 도너 불순물과 억셉터 불순물을 동시에 첨가하여, 발광층의 두께를 1 내지 200nm 으로 하고, 출력되는 빛을 도너 불순물 레벨과 가전자대, 전도대와 억셉터 불순물 레벨 사이, 또는 전도대와 가전자대 사이의 전자의 이동(천이)에 의한 발광파장으로 한 것을 특징으로 한다. 발광층의 두께를 1 내지 200 nm 으로 함으로, 주입된 캐리어의 감금 효과(lock effect)가 향상된다. 이 결과, 불순물 레벨의 존재에 따라 도너 불순물 레벨과 가전자대, 전도대와 억셉터 불순물 레벨사이, 전도대와 가전자대 사이의 전자의 이동이 증가하여, 불순물 레벨과 밴드단부사이 또는 밴드사이의 발광강도및 발광효율이 증가된다. 발광층의 두께가 1nm 보다도 얇은 경우에는 결정성이 좋지 않아 바람직하지 않다. 단, 15 nm 보다 얇으면 계면에는 양호한 균일성을 얻는 것이 곤란하기 때문에, 15 nm 이상 두께가 보다 바람직하다.
또한, 발광층의 두께가 200 nm 보다도 두껍게 되면 주입된 캐리어의 감금효과가 저하되어 바람직하지 않다.
또한, 발광층은 4원계, 3원계, 2원계 즉, 일반식 AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표현되는 3족질화물 반도체를 사용하는 것이 가능하다. 조성비는 발광파장과 금제대폭과의 관계및 격자정합(整合)의 관점에서 적절히 선택하면 무방하다. 또한, 적어도 1주기 이상의 양자우물 구조로 하여도 무방하다.
특히, 380 nm 부근의 발광을 얻기 위해서는 발광층을 GaxIn1-xN(0≤x≤1)으로 하는것이 바람직하다.
발광층의 두께를 1 내지 200 nm 으로 하여, 도너 불순물과 억셉터 불순물을 동시에 첨가함으로, 도너 불순물만을 첨가한 경우에 비해, 도너 불순물 레벨과 가전자대 사이의 이동이 보다 커지는 것이 확인되고 있다.
도너 불순물에는 실리콘(Si), 텔루르(Te), 유황(S) 또는 셀렌(Se)을 사용하며, 억셉터 불순물에는 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 사용할 수 있다. 이들은 발광파장과 금제대폭(禁制帶幅)과의 관계로 선택하면 좋다.
[발명의 구성 및 작용]
[제1실시예]
제1도에 있어서, 발광 다이오드(10)는 사파이어 기판(1)을 구비하고 있고, 그 사파이어 기판(1)상에 500Å의 AIN의 버퍼층(2)이 형성되어 있다. 그 버퍼층(2)상에는 순서대로, 막두께 약 5.0μm, 농도 5×1018/Cm3의 실리콘 도프 GaN으로 구성되는 고 캐리어농도 n층(3), 막두께 약 0.5μm, 농도 5×1017/Cm3의 실리콘 도프의 GaN으로 구성되는 n층(4), 막두께가 약 50 nm로 실리콘과 아연이 각각, 5×1018/Cm3로 도프된 In0.08Ga0.92N으로 구성되는 발광층(5), 막두께 약 0.5μm, 홀 농도 5×1017/Cm3, 농도 5×1020/Cm3로 마그네슘이 도프된 Al0.08Ga0.92N으로 구성되는 p층(61), 막두께 약 1μm, 홀 농도 7×1018/Cm3, 마그네슘 농도 5×1021/Cm3의 마그네슘 도프의 CaN으로 구성되는 콘택층(62)이 형성되어 있다. 그리고, 콘택층(62)상에 콘택층(62)에 접합하는 Ni로 구성되는 전극(7)이 형성되어 있다. 또한, 고 캐리어농도 n+층(3)의 표면의 일부는 노출되어 있고, 그 노출부상에 상기 층(3)에 접합하는 Ni로 구성되는 전극(8)이 형성되어 있다.
다음에, 상기 구조의 발광 다이오드(10)의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기 발광 다이오드(10)는 유기금속 화합물 기상성장법(이하 「MOVPE」라고 함)에 의한 기상성장에 의해 제조되었다.
사용된 가스는 NH3캐리어 가스 H2또는 N2와 트리메틸갈륨(Ca(CH3)3) (이하「TMG」라 함)과 트리메틸 알루미늄(Al(CH3)3)(이하「TMA」라 함)과 트리메틸 인듐(In(CH3)3)(이하「TMI」라 함)과 실란(SiH4)과 시클로펜타제닐 마그네슘(Mg (C5H5)2)(이하「CP2Mg」라 함)과 디에틸 아연(Zn(C2H5)2) (이하,「DEZ」라 함)이다.
우선, 유기세정 및 열처리에 의해 세정된 a면을 주면으로 하는 두께100 내지 400μm의 단결정의 사파이어 기판(1)을 MOVPE 장치의 반응실에 적재된 서셉터에 장착한다. 다음에, 상압에서 H2를 유속 2 liter/분으로 반응실에 흘리면서 온도 1100℃ 에서 사파이어 기판(1)을 기상 에칭하였다.
다음에, 온도를 400℃까지 저하시키고, H2를 20 liter/ 분, NH3를 10 liter/ 분, TMA를 1.8×10-5mol/ 분으로 공급하여 AIN의 버퍼층(2)이 약 500Å의 두께으로 형성되었다. 다음에, 사파이어 기판(1)의 온도를 1150℃로 유지하고, H2를 20 liter/분, NH3를 10 liter/분, TMG 를 1.7×10-4루/ 분, H2가스에 의해 0.86ppm으로 희석된 실란을 200 ml/ 분으로 70분 공급하여, 막두께 약5μm, 농도5×1018/cm3의 실리콘 도프의 GaN으로 이루어지는 고 캐리어농도 n+층(3)을 형성하였다.
다음에, 사파이어 기판(1)의 온도를 1100℃로 유지하고, N2또는 H2를 10 liter/ 분, NH3을 10 liter/ 분, TMG를 1.12×10-4mol/ 분 및 H2가스에 의해 0.86ppm으로 희석된 실란을 10×10-9mol/ 분으로, 30분 공급하여, 막두께 약0. 5μm, 농도 5×1017/Cm3의 실리콘 도프의 CaN 으로 이루어지는 n층(4)을 형성하였다.
계속해서, 온도를 850℃로 유지하고, N2또는 H2를 20 liter/ 분, NH3를 10 liter/ 분, TMG를 1.53×10-4mol/분 및 TMI를 0.02×10-4mol/ 분, H2가스에 의해 0.86 ppm으로 희석된 실란을 10×10-8mol/ 분으로, DEZ 를 2×10-4mol/ 분으로 15분간 공급하여 두께 50 nm의 실리콘과 아연이 각각, 5×1018/Cm3로 도프된 In0.08Ga0.92N 으로 구성되는 활성층(5)을 형성하였다.
계속해서, 온도를 1100℃로 유지하고, N2또는 H2를 20 liter/분, NH3를 10 liter/분, TMG 을 1.12×10-4mol/ 분 및 TMA 를 0.47×10-4mol/ 분 및 CP2Mg 를 2×10-4mol/분으로 30분간 도입하고, 막두께 약 0.5μm의 마그네슘(Mg) 도프의 Al0.08Ga0.92N 으로 구성되는 p층(61)을 형성하였다. p층(61)의 마그네슘의 농도는 5×1020/cm3이다. 이 상태에서는 p층(61)은 아직, 저항율 108Ωcm 이상의 절연체이다.
계속해서, 온도를 1100℃로 유지하고, N2또는 H2를 20 liter/분, NH3를 10 liter/분, TMG 을 1.12×10-4mol/ 분 및 CP2Mg 를 4×10-3mol/ 분의 비율로 4분간 도입하고, 막두께 약 1μm의 마그네슘(Mg) 도프의 GaN 으로 구성되는 콘택층(62)을 형성하였다. 콘택층(62)의 마그네슘의 농도는 5×1021/cm3이다. 이 상태에서는 콘택층(62)은 아직, 저항율 108Ωcm 이상의 절연체이다.
이렇게하여 얻어진 웨이퍼에 반사 전자선 회절장치를 사용하여 전자선을 조사하였다. 전자선 조사조건은 가속전압 10 kv, 시료전류 1 μA, 비임의 이동속도 0.2 mm/sec, 비임직경 60μmØ, 진공도 2.1×10-5Torr 이다. 이 전자선 조사에 의해, 콘택층(62), p층(61)은 각각, 홀 농도 7×1017/cm3, 5×1017/cm3, 저항율 2Ωcm, 0.8Ωcm 의 p전도형 반도체로 되었다. 상기와 같이 하여 다층구조의 웨이퍼를 얻었다.
다음에, 제2도에 나타낸 바와 같이, 콘택층(62)상에, 스퍼터링에 의해 SiO2층(9)을 2000Å의 두께로 형성하여, 그 SiO2층(9)상에 포토레지스트(10)를 도포하였다. 그리고, 포트리소그래프에 의해, 제2도에 나타낸 바와 같이, 콘택층(62)상에 있어서, 고 캐리어농도 n+층(3)에 대한 전극 형성부의(A′)의 포토레지스트(10)를 제거하였다. 다음에 제3도에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트(10)에 의해 덮혀지지 않은 SiO2층(9)을 불화수소산계 에칭액으로 제거하였다.
다음에, 포토 레지스트(10)및 SiO2층(9)에 의해 덮혀지지 않은 부위의 콘택층(62), p층(61), 발광층(5), n층(4)을 진공도 0.04 Torr, 고주파전력 0.44 W/cm2, BCl3가스를 10 ml/분의 비율로 공급하여 드라이 에칭한 후, Ar로 드라이 에칭하였다. 이 공정에서, 제4도에 나타낸 바와 같이, 고 캐리어농도 n+층(3)에 대한 전극 추출을 위한 구멍(A)이 형성되었다.
다음에, 시료의 상부 전체면에, 동일하게 Ni를 증착하여, 포토레지스트의 도포, 포토리소그래피 공정, 에칭 공정을 통해 제1도에 나타낸 바와 같이, 고 캐리어농도 n+층(3)및 콘택층(62)에 대한 전극(8, 7)을 형성하였다. 그후, 상기와 같이 처리된 웨이퍼를 각 칩으로 절단하여 발광 다이오드 칩을 얻었다.
이렇게하여 얻어진 발광소자는 구동전류 20 mA 로 발광피크 파장 380 nm, 발광강도 2 mW 이었다. 이 발광효율은 3% 이고, 종래구성과 비교하여 10배로 향상되었다.
또한, 상기와 같이 제조된 발광 다이오드(10)의 발광 스펙트럼을 측정하였다. 제5도의 곡선 X1 으로 나타냈다. 380 nm 의 피크파장을 얻게 됨을 알 수 있다. 한편, Si 도너 준위와 Zn 억셉터 준위 사이의 발광에 상당하는 440 nm 부근에도 발광이 보이지만, 380 nm 의 발광강도는 440 nm 의 발광강도와 비교하여 약 5 배 정도 크다.
비교를 위해, 발광층(5)에 있어서의 Si 와 Zn의 농도를 상기 실시예와 동일하게 하여 발광층(5)의 두께를 400 nm 으로 한 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과를 제5도의 곡선 X2 에 나타냈다. 이 경우에는 반대로, 440 nm의 발광이 지배적이고, 그 강도는 380 nm의 발광강도와 비교하여 약 5 배 정도 크다. 이 것은 발광층(5)의 두께가 400 nm 인 경우에는 380 nm 의 발광강도를 증가시키는 효과가 없는 것을 의미한다.
또한, 발광층(5)에 Si만을 상기 실시예와 동일 농도로 첨가하여 발광층(5)의 두께를 300 nm 으로 한 발광 다이오드를 제조하여, 그 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과를 제5도의 곡선 X3 로 나타냈다. 이 경우에는, Zn 이 첨가되어 있지 않기 때문에, 440 nm 의 발광은 보이지 않지만, 380 nm 의 발광강도는 발광층(5)에 Si와 Zn 을 동시에 첨가한 경우의 곡선 X2 와 같은 정도로 얻어지고 있다. 이것은 발광층(5)의 두께가 300 nm 에서는 Si 도너 준위와 가전자대 사이의 이동이 아직 작다는 것을 의미한다. 발광층(5)의 두께를 200nm 이하로 하면, 380 nm 의 발광강도가 약 5배 이상 커진다는 사실을 알았다.
주입된 캐리어의 감금 효과를 크게할 수 있는 발광층(5)의 두께는 200 nm 이하 이고, 1nm 보다도 얇게 되면 결정성이 나쁘기 때문에, 반대로 발광효율은 저하된다. 따라서, 발광층(5)의 두께는 1 내지 200 nm 의 범위가 바람직하다. 또한, 계면의 균일성을 향상시키기 위해서는 15 내지 200 nm 의 범위가 보다 바람직하다. 또한, 발광층(5)에 첨가하는 Si와 Zn의 농도는 1×1017내지 5×1018/cm3일때, 380nm 이하의 자외선 영역의 발광강도를 증가시킬 수 있다.
이와같이, 본 발명은 발광층(5)의 두께를 1 내지 200 nm 로 함으로, 도너 불순물 레벨과 가전자대, 전도대와 억셉터 불순물 레벨 사이, 또는 전도대와 가전자대 사이의 전자의 이동을 증가시킴으로써, 발광효율의 향상과 발광파장의 제어를 가능하게 한 것이다.
발광층(5)에 In0.08Ga0.92N을 사용하였지만, Al0.03Ga0.89In0.08N등의 4원계의 3족 질화물 반도체를 이용해도 무방하다. 또한, 첨가하는 불순물은 Si, Zn 이외의 원소도 사용하는 것이 가능하다. 다시말해서, 요구되는 발광파장에 따라, 금제대폭, 첨가하는 불순물의 종류를 고려하여 결정하면 무방하다. 즉, 상기 실시예에서는 발광파장은 자외선 영역이지만, 발광파장을 파랑이나 초록이라고 하는 가시영역이 되도록 금제대폭을 결정하여도 무방하다. 또한, 발광층은 AlxCayIn1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 적어도 1층 이상 적층한 양자우물 구조라도 무방하다. 또한, 발광층(5)은 다른 층(3, 4, 61)등과 격자정합되어 있는것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서는 발광 다이오드에 대하여 나타내었지만, 본 발명을 레이저 다이오드에도 응용할 수 있다.

Claims (6)

  1. p층, n층, p층과 n층으로 끼여진 발광층을 구비하고, 각층이 3족 질화물 반도체로 구성되는 발광소자에 있어서, 상기 발광층에는 도너 불순물과 억셉터 불순물이 함께 첨가되어 있고, 상기 발광층의 두께를 1 내지 200nm 로 하며, 출력되는 광을 도너 불순물 레벨과 가전자대, 전도대와 억셉터 불순물 레벨사이, 또는 전도대와 가전자대 사이의 전자의 천이에 의한 발광파장으로 한 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광층은 AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 적어도 1층 이상 적층한 양자우물 구조인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발광층은 GaxIn1-xN(0≤x≤1)인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 발광층의 두께는 15 내지 200 nm 인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 도너 불순물은 실리콘(Si), 텔루르(Te), 유황(S), 또는, 셀렌(Se)이고, 상기 억셉터 불순물은 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발광층에 첨가되는 불순물의 농도는 1×1017내지 5×1018/cm3인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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