KR100294345B1 - Double cladding - Fabrication method of gallium nitride-based optical device with double heterostructure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사파이어기판을 이용한 질화갈륨계 이중-이종 접합형 반도체 박막을 다층구조로 적층하여 청색발광소자를 제작하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 청색발광소자의 제작방법에 관한 것으로, 사파이어기판을 사용하여 유기금속화합물 화학 기상증착방법 (MOCVD)으로 완충층위에 p-형 GaN 클래딩층을 성장시키는 제 1 공정과, 상기 클래딩층위에 n-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 2 공정과, 상기 오믹접촉층위에 n-형 AlxGa1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 3 공정과, 상기 클래딩층위에 InxGa1-xN 활성층을 Si, Zn 으로 코도핑하여 성장시키는 제 4 공정과, 상기 활성층위에 p-형 AlxGa1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 5 공정과, 상기 클래딩층위에 p-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 6 공정과, 상기 MOCVD로 성장된층을 갖는 박막을 플라즈마어닐링하는 제 7 공정과, 상기 n-형 GaN 오믹접촉층에 까지 건식식각하는 제 8 공정과 상기 p-형 오믹접촉층위에 투명전극을 형성시키는 제 9 공정과, 상기 투명전극에 최종 p-형 전극을 형성시키는 제 10 공정과 상기 n-형 오믹접촉층위에 n-형전극을 형성시키는 제 11 공정을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.The present invention relates to a method of fabricating a blue light emitting device having a double cladding-double hetero structure for fabricating a blue light emitting device by laminating a gallium nitride based double-heterojunction semiconductor thin film using a sapphire substrate in a multilayer structure, A first step of growing a p-type GaN cladding layer on a buffer layer by an organic metal compound chemical vapor deposition method (MOCVD) using a first cladding layer, a second step of growing an n-type GaN ohmic contact layer on the cladding layer, A third step of growing an n-type Al x Ga 1 -x N cladding layer on the contact layer, a fourth step of growing the In x Ga 1 -xN active layer on the cladding layer by doping with Si and Zn, A fifth step of growing a p-type Al x Ga 1 -x N cladding layer on the active layer, a sixth step of growing a p-type GaN ohmic contact layer on the cladding layer, The thin film was subjected to plasma annealing Type ohmic contact layer, a ninth step of dry-etching the n-type GaN ohmic contact layer to form a transparent electrode on the p-type ohmic contact layer, Type ohmic contact layer and an eleventh step of forming an n-type electrode on the n-type ohmic contact layer.
이상에서와 같이 본 발명은, 질화갈륨계 발광소자의 다층박막구조를 개선함으로써 사파이어 절연기판의 사용으로 인한 절연층에 전하 분포가 칩 조립 공정중에 순간적인 고 부하 전압의 인가로 인해 발생하는 정전 단락현상을 방지하고, 특히 낮은 온도에서 성장하여 취약한 결정구조를 갖는 완충층을 전기적으로 전자가 유입되지 않도록 보호하고, 또한 p-형 GaN 오믹접촉층위에 투명전극을 도입하여 전하를 효율적으로 분산시켜 확산전류밀도를 낮춘 상태에서 균일하게 활성층에 유입되게 함으로써 신뢰성과 양자효율을 향상시키는 효과가 제공된다.As described above, according to the present invention, the multilayer thin film structure of the gallium nitride based light emitting device is improved, so that the charge distribution on the insulating layer due to the use of the sapphire insulating substrate causes a short interruption In particular, the buffer layer having a weak crystal structure is grown so as to grow at a low temperature to protect electrons from the electrons. Further, the transparent electrode is introduced on the p-type GaN ohmic contact layer to efficiently disperse the charges, It is possible to uniformly introduce the electrons into the active layer in a state where the density is lowered, thereby improving the reliability and the quantum efficiency.
Description
본 발명은 더블클래딩(double cladding)-더블헤테로구조The present invention relates to a double cladding double-
(double heterostructure)를 갖는 청색발광소자의 제작방법에 관한 것으로, 특히 사파이어기판을 이용한 질화갈륨계 이중-이종 접합형 반도체 박막을 다층구조로 적층하여 발광소자를 제작하는 그 방법에 관한 것이다.and more particularly, to a method of fabricating a light emitting device by laminating a gallium nitride-based double-heterojunction semiconductor thin film using a sapphire substrate in a multi-layered structure.
최근에 질화갈륨계 반도체의 광전자 소자는 발광다이오드(LED) 및 레이저다이오드(LD) 소자등에 응용되고 있으며, 특히 발광다이오드는 청색 및 녹색 황색 스펙트럼영역에까지 응용되고 있다.Recently, a gallium nitride semiconductor optoelectronic device has been applied to a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD) device. Particularly, a light emitting diode has been applied to blue and green yellow spectrum regions.
일반적으로, 질화물 반도체를 이용한 청색발광소자는 도 1에서와 같이 더블헤테로구조로 고안되어있다. 도 1에서와 같이 절연성의 사파이어기판(1)위에 300∼500 옹그스트롬의 얇은 AlxGa1-xN(1≤ｘ≤1)의 완충층(2)을 520 ℃ 의 낮은 온도에서 성장시킨후, 1100 ℃ 정도의 고온에서 Si원소를 n-형 불순물로 첨가하여 n-형GaN 오믹접촉층(3)을 형성하고, 정공을 접합시키기 위한 장벽을 제공하기 위해 n-AlxGa1-xN(ｘ=0.15) 클래딩층(4)을 0.15 미크론 정도의 두께로 성장하고, 활성층(5)으로 InxGa1-xN(1≤ｘ≤1)층을 500 옹그스트롬 정도로 도너 준위와 억셉터 준위을 갖는 불순물밴드를 형성시킨후 각각 Si, Ge과 Zn, Mg, Mn, Cd등을 도핑한다.In general, a blue light emitting device using a nitride semiconductor is devised as a double hetero structure as shown in Fig. 1, a buffer layer 2 of a thin Al x Ga 1-x N ( 1? X? 1) of 300-500 angstroms is grown on a sapphire substrate 1 having an insulating property at a low temperature of 520 ° C, The Si element is added as an n-type impurity at a high temperature of about 1100 DEG C to form the n-type GaN ohmic contact layer 3, and a n-Al x Ga 1-x N ( x = 0.15) The cladding layer 4 is grown to a thickness of about 0.15 micron and the In x Ga 1-x N ( 1? x? 1 ) layer is grown on the active layer 5 to a donor level of about 500 angstroms and an acceptor level And doped with Si, Ge, Zn, Mg, Mn, and Cd, respectively.
그리고 소자의 발광파장은 자외선영역에서 빨강색에 이르기까지 In 의 성분비나 적절한 불순물을 도핑하여 변화시키고, 다시 제 1의 p-형 AlxGa1-xN 클래딩층(6)을 전자를 구속하는 장벽을 제공하기 위해 성장하고, 그 위에 p-형 GaN 오믹접촉층(7)을 적층하는 구조로 성장한다.Then, the emission wavelength of the device is changed by doping a proportion of In or an appropriate impurity from the ultraviolet ray region to the red color, and restraining electrons in the first p-type Al x Ga 1 -xN cladding layer 6 Grown to provide a barrier, and grown on the p-type GaN ohmic contact layer 7 thereon.
그러나, 이러한 더블헤테로구조를 통한 발광다이오드소자의 제작은 실현되었지만, 기판을 질화갈륨 단결정으로 사용하지 않는 경우에는 절연성 사파이어기판으로 인해 상부면에 두개의 서로 다른 전극을 형성하여야 한다.However, when the substrate is not used as a gallium nitride single crystal, two different electrodes must be formed on the upper surface due to the insulating sapphire substrate.
이러한 두개의 상부 전극을 절연기판위에 형성하여 야기되는 정전기적 충격이 일어날 수 있으며, 특히 절연기판의 용량성으로 인한 사파이어기판과 질화갈륨 박막층사이의 격자부정합에 따른 결정특성 및 전기적 특성의 취약성을 갖는 계면에 전자의 충전현상은 칩 조립시의 불량 모드를 만드는 문제점이 있다.Electrostatic shocks may occur due to the formation of these two upper electrodes on an insulating substrate. Particularly, due to the lattice mismatch between the sapphire substrate and the gallium nitride thin film layer due to capacitance of the insulating substrate, Electron charging phenomenon at the interface has a problem of making a bad mode at the time of chip assembly.
또한, 도 5는 종래의 질화갈륨계 더블헤테로구조를 갖는 발광소자의 바이어스 인가시에 전자와 정공이 이동하는 궤적을 나타낸 개략 구조도로서, 특히 전자가 n-형 전극(61)으로부터 발생하여 이동할 때 기하학적으로 상부면에 두개 전극(60),(61)을 형성함으로 인해 이동방향이 휘어지는 형태를 갖고 있어 완충층(54)위에 접촉되고, 많은 격자 부정합에 의한 격자결함을 내포하는 완충층(54)에 전자가 유입되어 유전체인 사파이어 표면전자밀도를 증가시킴으로써 전자를 소진및 충전시키는 등 신뢰성에 많은 영향을 초래하게 된다.5 is a schematic structural view showing a trajectory in which electrons and holes move when a bias of a conventional gallium nitride double hetero structure is applied. Especially when electrons are generated from the n-type electrode 61 and move The two electrodes 60 and 61 are formed on the upper surface of the buffer layer 54 so that the buffer layer 54 is deformed in the moving direction and contacts the buffer layer 54. The buffer layer 54 containing many lattice defects due to lattice mismatching Is increased to increase the surface electron density of the sapphire, which is a dielectric, thereby causing the electrons to be exhausted and filled.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하고자 이루어진 것으로서, 그 목적은 질화갈륨계 발광소자의 다층박막구조를 개선함으로써 사파이어 절연기판의 사용으로 인한 절연층에 전하 분포가 칩 조립 공정중에 순간적인 고 부하 전압의 인가로 인해 발생하는 정전 단락현상을 방지할 수 있게 하고, 특히 낮은 온도에서 성장하여 취약한 결정구조를 갖는 완충층을 전기적으로 전자가 유입되지 않도록 보호하고, 또한 p-형 GaN 오믹접촉층위에 투명전극을 도입하여 전하를 효율적으로 분산시켜 확산전류밀도를 낮춘 상태에서 균일하게 활성층에 유입되게 함으로써 신뢰성과 양자효율을 향상시키도록 하고, 또한 Si와 Zn 의 도너와 억셉터를 코도핑한 상태로 InｘGa1-ｘN 활성층의 두께를 엑시톤이 구속상태에서 놓이도록 매우 좁게 함으로써 외부 양자 효율을 증대시키고, 고 휘도의 광전자소자를 지향할 수 있게 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the above-mentioned conventional problems, and it is an object of the present invention to improve a multilayer thin film structure of a gallium nitride based light emitting device so that charge distribution in an insulating layer due to use of a sapphire insulating substrate can be instantaneously It is possible to prevent electrostatic short-circuiting caused by application of a high load voltage. In particular, the buffer layer having a weak crystal structure grows at a low temperature to protect electrons from being electrically charged, The transparent electrode is introduced on the transparent electrode to efficiently distribute the charge to uniformly flow into the active layer in a state where the diffusion current density is lowered so as to improve the reliability and quantum efficiency and also to improve the reliability and the quantum efficiency by doping donors and acceptors of Si and Zn The thickness of the InxGa 1- xN active layer is made very narrow so that the exciton is placed in the confined state, And a method for fabricating a gallium nitride-based light emitting device having a double-cladding-double hetero structure which can increase the quantum efficiency and direct a high-luminance optoelectronic device.
상기의 목적을 달성하고자 본 발명은 질화갈륨 반도체 더블헤테로 다층구조를 갖는 발광소자의 제조공정에 있어서, 사파이어기판을 사용하여 유기금속화합물 화학 기상증착방법(MOCVD)으로 완충층위에 p-형 GaN 클래딩층을 성장시키는 제 1 공정과, 상기 클래딩층위에 n-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 2 공정과, 상기 오믹접촉층위에 n-형 AlxGa1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 3 공정과, 상기 클래딩층위에 InxGa1-xN 활성층을 Si, Zn 으로 코도핑하여 성장시키는 제 4 공정과, 상기 활성층위에 p-형 AlxGa1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 5 공정과, 상기 클래딩층위에 p-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 6 공정과, 상기 MOCVD로 성장된층을 갖는 박막을 플라즈마어닐링하는 제 7 공정과, 상기 n-형 GaN 오믹접촉층에 까지 건식식각하는 제 8 공정과 상기 p-형 오믹접촉층위에 투명전극을 형성시키는 제 9 공정과, 상기 투명전극에 최종 p-형 전극을 형성시키는 제 10 공정과 상기 n-형 오믹접촉층위에 n-형전극을 형성시키는 제 11 공정을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of manufacturing a light emitting device having a gallium nitride semiconductor double hetero layer structure, comprising the steps of: forming a p-type GaN cladding layer on a buffer layer by an organic metal compound chemical vapor deposition (MOCVD) A second step of growing an n-type GaN ohmic contact layer on the cladding layer, a third step of growing an n-type Al x Ga 1-x N cladding layer on the ohmic contact layer, A fourth step of doping the cladding layer with an In x Ga 1 -xN active layer doped with Si and Zn; and a fifth step of growing a p-type Al x Ga 1 -xN cladding layer on the active layer A sixth step of growing a p-type GaN ohmic contact layer on the cladding layer, a seventh step of plasma annealing the thin film having the layer grown by MOCVD, An eighth step of etching and the p-type ohmic A ninth step of forming an n-type electrode on the n-type ohmic contact layer; and a ninth step of forming an n-type ohmic contact layer on the n- It is characterized by.
바람직하게, 상기 p-형 전극은 Ni/Au로 증착시키고, n-형 전극은 Ti/Au로 증착시키는 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the p-type electrode is deposited with Ni / Au and the n-type electrode is deposited with Ti / Au.
또한, 바람직하게, 상기 AlN 과 GaN 의 두 완충층을 각 15 nm 높이로 520 ℃ 의 온도에서 성장시키는 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the two buffer layers of AlN and GaN are grown at a temperature of 520 DEG C at a height of 15 nm each.
또한, 바람직하게, 전기적 완충층인 상기 p-형 클래딩층을 GaN, AlN, InxGa1-xN (1≤x≤1), AlxGa1-xN(1≤x≤1) 층을 선택할 수 있게 한 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the p-type cladding layer which is an electrical buffer layer is made of GaN, AlN, In x Ga 1-x N ( 1? X? 1 ), Al x Ga 1-x N ( 1? And the like.
또한, 바람직하게, 상기 전기적 완충층은 n-형 클래딩층으로 하여 정공이 취약한 완충층으로 유입을 방지하도록 한 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the electric buffer layer is an n-type cladding layer and prevents the holes from flowing into the buffer layer having a weak hole.
또한, 바람직하게, 상기 InxGa1-xN(1≤x≤1) 활성층의 두께를 엑시톤의 보어반경인 30 옹그스트롬에 해당하는 영역에서 매우 얇은 활성층에 Si 와 Zn을 도핑하여 도너와 엑셉터를 형성한 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the thickness of the active layer of In x Ga 1-x N ( 1? X? 1 ) is doped with Si and Zn to a very thin active layer in a region corresponding to 30 Angstroms of the exciton bore radius, Thereby forming a susceptor.
또한, 바람직하게, 상기 InxGa1-xN (1≤x≤1) 활성층의 In 성분비 x를 증가시켜 460 nm 의 파장대를 갖는 청색은 ｘ=0.02-0.1의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the In component ratio x of the In x Ga 1-x N ( 1? X? 1 ) active layer is increased so that blue having a wavelength band of 460 nm is codoped with Si and Zn in the region of x = 0.02-0.1 Which is characterized by the fact.
또한, 바람직하게, 상기 InxGa1-xN 활성층의 In 성분비 x를 증가시켜 550 nm 의 파장대를 갖는 녹색은 ｘ=0.2-0.25의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the In x ratio of the In x Ga 1-x N active layer is increased so that the green having a wavelength band of 550 nm is codoped with Si and Zn in the region of x = 0.2-0.25.
또한, 바람직하게, 상기 InxGa1-xN 활성층의 In 성분비 x를 증가시켜 590 nm 의 파장대를 갖는 황색은 ｘ=0.28-0.32의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the In x ratio of the In x Ga 1-x N active layer is increased so that the yellow color having a wavelength band of 590 nm is co-doped with Si and Zn in the region of x = 0.28 to 0.32.
또한, 바람직하게, 상기 InxGa1-xN 활성층의 In 성분비 x를 증가시켜 660 nm 의 파장대를 갖는 빨강색은 ｘ=0.4-0.45의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 그 특징으로 한다.Preferably, the red component having a wavelength band of 660 nm is increased by increasing the In component ratio x of the In x Ga 1-x N active layer and is characterized in that it is codoped with Si and Zn in the region of x = 0.4-0.45 .
도 1은 종래의 질화갈륨계 더블헤테로 다층박막 발광소자의 개략 구조도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic structural view of a conventional gallium nitride-based double hetero layer multilayer thin film light-emitting device. FIG.
도 2는 본 발명을 위한 질화갈륨계 더블헤테로 다층박막 발광소자의 개략 구조도.2 is a schematic structural view of a gallium nitride-based double hetero layer multilayer thin film light-emitting device for the present invention.
도 3은 본 발명에서 더블헤테로구조의 평형상태에서 전자에너지 밴드다이어그램을 나타낸 개략 구조도.3 is a schematic structural view showing an electron energy band diagram in an equilibrium state of a double hetero structure in the present invention.
도 4는 본 발명에서 더블헤테로구조의 순방향 바이어스가 인가된 상태에서 전자에너지 밴드다이어그램을 나타낸 개략 구조도.4 is a schematic structural view showing an electron energy band diagram in a state where a forward bias of a double hetero structure is applied in the present invention.
도 5는 종래의 더블헤테로구조의 발광소자에 회로가 구성된 상태에서 전자의 이송통로의 궤적을 나타낸 개략 구조도.5 is a schematic structural view showing the trajectory of an electron transfer path in a state where a circuit is formed in a conventional double hetero structure light emitting device.
도 6은 본 발명에서 더블헤테로구조의 발광소자에 회로가 구성된 상태에서 전자의 이송통로의 궤적을 나타낸 개략 구조도.6 is a schematic structural view showing the trajectory of an electron transfer path in a state where a circuit is formed in a light emitting device having a double hetero structure in the present invention.
도 7은 본 발명에서 더블헤테로구조의 상부면에 두개의 서로 다른 전극으로 형성된 전계에 의한 전자이동 궤적을 나타낸 개략 구조도.7 is a schematic structural view showing an electron movement locus by an electric field formed by two different electrodes on the upper surface of a double hetero structure in the present invention.
도 8a,b는 질화갈륨계 더블헤테로구조의 발광소자의 일렉트로루미네슨스 세기를 각각 나타낸 특성도로서,8A and 8B are characteristic diagrams each showing electroluminescence intensity of a gallium nitride double hetero structure light emitting device,
a는 종래의 질화갈륨계 더블헤테로구조의 발광소자의 일렉트로루미네슨스 세기를 나타낸 특성도이고.a is a characteristic diagram showing the electroluminescence intensity of a conventional gallium nitride double hetero structure light emitting device.
b는 본 발명에 의한 질화갈륨계 더블 클래딩-더블헤테로구조의 발광소자의 일렉트로루미네슨스 세기를 종래와 비교하여 나타낸 특성도이다.b is a characteristic diagram showing the electroluminescence intensity of the gallium nitride double cladding double hetero structure light emitting device according to the present invention compared with the conventional one.
*도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명*Description of the symbols used in the main parts of the drawings
1,10,21,34,53,63:사파이어기판1, 10, 21, 34, 53, 63: sapphire substrate
2,11,22,35,54,64:GaN 완충층2, 11, 22, 35, 54, 64: GaN buffer layer
3,13,25,42,55,66,75:n-형 GaN 오믹접촉층3, 13, 25, 42, 55, 66, 75: n-type GaN ohmic contact layer
4,14,26,43,56,67:n-형 AlGaN 클래딩층4, 14, 26, 43, 56, 67: n-type AlGaN cladding layer
5,15,27,44,57,68:InGaN 활성층5, 15, 27, 44, 57, 68: InGaN active layer
6,16,30,49,58,69:제 1의 p-형 AlGaN 클래딩층6, 16, 30, 49, 58, 69: the first p-type AlGaN cladding layer
7,17,31,50,59,70,76:p-형 GaN 오믹접촉층7, 17, 31, 50, 59, 70, 76: p-type GaN ohmic contact layer
8,19,32,51,60,72,78:p-형 전극8, 19, 32, 51, 60, 72, 78:
9,20,24,37,61,73,80:n-형 전극9, 20, 24, 37, 61, 73, 80: n-
12,23,36,65:제 2의 p-형 AlGaN 클래딩층12, 23, 36, 65: the second p-type AlGaN cladding layer
18,71,77:투명전극 28,45:도너준위18, 71, 77: transparent electrode 28, 45: donor level
29,46:억셉터준위 33,40,52:페르미준위29,46: acceptor level 33,40,52: Fermi level
38:순방향 바이어스 전압 39:전자이동방향38: Forward bias voltage 39: Electron transfer direction
41,34:전자 35,47:정공41,34: electrons 35,47: holes
48:정공이동방향 62,74,79:전자이동궤적48: direction of hole movement 62, 74, 79: electron movement locus
이 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.And it is to be understood that the objects, features and advantages of the present invention can be better understood through the preferred embodiments.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 청색발광소자의 제작방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of a method of manufacturing a blue light emitting device having a double cladding-double hetero structure according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명을 위한 질화갈륨계 더블헤테로 다층박막 발광소자의 개략 구조도로서, 도 2에 도시한 바와 같이 사파이어기판(10)을 사용하여 유기금속화합물 화학 기상증착방법으로 완충층(11)위에 p-형 GaN 클래딩층(12)을 성장시키고, 상기 클래딩층(12)위에 n-형 GaN 오믹접촉층(13)을 성장시킨다. 그리고 상기 오믹접촉층(13)위에 n-형 AlxGa1-xN 클래딩층(14)을 성장시킨후 클래딩층(14)위에 InxGa1-xN 활성층(15)을 Si, Zn 으로 코도핑하여 성장시킨다. 또한 상기 활성층(15)위에 p-형 AlxGa1-xN 클래딩층(16)을 성장하고, 상기 클래딩층(16)위에 p-형 GaN 오믹접촉층(17)을 성장시킨후 상기 오믹접촉층(17)위에 투명전극 ITO (18)을 형성시키고, 상기 투명전극(18)에 최종 p-형 전극(19)을 형성시켜서 구성된다.2 is a schematic structural view of a gallium nitride double hetero layer multilayer thin film light emitting device according to the present invention. As shown in FIG. 2, a sapphire substrate 10 is used to form a buffer layer 11 on a buffer layer 11 by an organometallic compound chemical vapor deposition -Type GaN cladding layer 12 is grown and an n-type GaN ohmic contact layer 13 is grown on the cladding layer 12. Then, Then, an n-type Al x Ga 1 -x N cladding layer 14 is grown on the ohmic contact layer 13, and an In x Ga 1 -xN active layer 15 is grown on the cladding layer 14 with Si and Zn Co-doped and grown. A p-type Al x Ga 1 -x N cladding layer 16 is grown on the active layer 15 to grow a p-type GaN ohmic contact layer 17 on the cladding layer 16, A transparent electrode ITO 18 is formed on the layer 17 and a final p-type electrode 19 is formed on the transparent electrode 18.
이와 같이 유기금속 화학 기상증착방법(MOCVD)으로 사파이어기판(10)위에 성장시킨 질화갈륨계 다층구조는 먼저 340 미크론의 두께를 갖는 c 축 방향으로 절단된 사파이어기판(Al203)을 화학적으로 크리닝을 한 후 Mg을 도핑한 AlN 과 GaN 두 완충층(11)을 각각 15 nm 높이로 유기금속원과 암모니아가스를 열화학 반응시켜 520 ℃에서 성장한 다음, Mg가 도핑된 GaN 박막을 1120 ℃ 의 고온에서 0.1∼0.5 미크론 (㎛)의 두께로 성장한다.The gallium nitride-based multilayer structure grown on the sapphire substrate 10 by the MOCVD method is prepared by first chemically laminating a sapphire substrate (Al 2 O 3 ) cut in the c-axis direction having a thickness of 340 microns After cleaning, the two buffer layers of AlN and GaN doped with Mg are thermally chemically reacted with an organometallic source and ammonia gas at a height of 15 nm, respectively, and grown at 520 ° C. Then, the Mg-doped GaN thin film is annealed at a high temperature of 1120 ° C. To a thickness of 0.1 to 0.5 microns (占 퐉).
그리고 GaN 대신에 AlxGa1-xN 또는 InxGa1-xN 의 클래딩층도 가능하다.A cladding layer of Al x Ga 1-x N or In x Ga 1-x N instead of GaN is also possible.
한편, 유기금속원으로는 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸갈륨(TMGa)과 바이스사이크로 펜타디에닐마그네슘((C5H5)2Mg:Cp2Mg)을 각각 AlN, GaN 메트릭스와 도핑원으로 사용하고, 반송가스는 수소가스를 메트릭스원에는 60 sccm 과 도핑원에는 18 sccm을 사용하고, 반응기의 주흐름에 암모니아가스를 4 slm 과 질소가스를 6 slm 을 통과시킨다.On the other hand, as an organic metal source trimethyl aluminum (TMAl), trimethyl gallium (TMGa) and vice sayikeu to pentadienyl magnesium: a ((C 5 H 5) 2 Mg Cp 2 Mg) for each AlN, GaN matrix and doped source The flow rate of hydrogen gas is 60 sccm for the source of the hydrogen and 18 sccm for the source of the dopant. Ammonia gas is passed through the slurry at 4 slm and nitrogen gas is passed through the slurry at 6 slm.
이렇게 성장된 p-형 GaN 박막위에 n-형 GaN 오믹접촉층(13)을 2.5∼4 미크론의 두께로 성장하고, 이때 Si 불순물을 SiH4가스를 이용하여 박막에 첨가시킴으로써 전자운반자 농도를 약 3×1018/cm3정도로 갖는다. 그 위에 AlxGa1-xN 클래딩층(14)을 가능한 한 최대 5×1018/cm3정도의 농도로 Si 을 도핑하였다. 여기서 Al 성분비는 x=0.15 이고 두께는 0.15∼0.5 미크론이다.The n-type GaN ohmic contact layer 13 is grown to a thickness of 2.5 to 4 microns on the grown p-type GaN thin film, and Si impurity is added to the thin film by the SiH 4 gas, X 10 < 18 > / cm < 3 & gt ;. And the Al x Ga 1 -xN cladding layer 14 was doped with Si to a concentration of about 5 x 10 18 / cm 3 at the maximum. Where the Al component ratio is x = 0.15 and the thickness is 0.15 to 0.5 microns.
또한 InxGa1-xN 활성층(15)의 In 성분비는 x=0.1 로 에너지 갭이 3.18 eV(390 nm)을 갖으며 Si 와 Zn을 코도핑함으로써 도너와 억셉터 준위를 형성시키면 발광파장이 460 nm 를 이고, 두께는 20∼1000 옹그스트롬이고 바람직한 실시예는 30 옹그스트롬의 두께를 성장하였다.The In x Ga 1-x N active layer 15 has an In composition ratio of x = 0.1 and an energy gap of 3.18 eV (390 nm). When the donor and acceptor states are formed by co-doping Si and Zn, 460 nm, the thickness is 20-1000 Angstroms and the preferred embodiment has a thickness of 30 Angstroms.
먼저 도핑하지 않은 InxGa1-xN 은 결정성장시 자연적으로 발생되는 열적 화학반응의 무질서의 정도에 따라 도너의 소수운반자농도가 대략 5×1018/cm3으로 높은 상태이며 410 nm 파장의 발광성 깊은 준위를 가전자대로부터 0.16 eV 위에 형성한다. 이 준위는 Zn 을 도핑하면 억셉터 준위가 가전자대로부터 0.32 eV 위에 형성되며 전자와 정공의 보상효과에 따라 도너의 소수운반자 농도가 9×1017/cm3으로 상대적으로 낮아진다.First, the undoped In x Ga 1 -x N is grown at a density of about 5 × 10 18 / cm 3 at a donor carrier concentration of about 5 × 10 18 / cm 3 depending on the degree of disorder of the thermal chemical reaction naturally occurring during crystal growth. The luminescent deep level is formed on the 0.16 eV from the valence band. When Zn is doped, the acceptor level is formed at 0.32 eV from the valence band, and the carrier concentration of the donor is relatively low at 9 × 10 17 / cm 3 depending on the compensation effect of electrons and holes.
다시 Si 를 코도핑하면 InxGa1-xN 전도대 아래 얇은 도너준위를 형성함으로써 발광센터의 증가로 발광효율이 상승된다. 그리고 활성층이 비교적 두꺼운 더블헤테로구조의 경우 In 성분비와 에너지밴드갭〔수학식1〕, Si,Zn 코도핑에 의한 발광에너지〔수학식2〕 및 발광파장과의 관계식〔수학식3〕으로 각각 나타난다.When the Si is doped again, a thin donor level is formed below the In x Ga 1 -xN conduction band, thereby increasing the luminous efficiency by increasing the emission center. In the case of a double heterostructure having a relatively thick active layer, an In composition ratio and an energy band gap (Equation 1), a light emission energy due to Si, Zn codoping (Equation 2) .
〔수학식1〕[Equation 1]
Eg(x)= x Eg(InN)+(1-x)Eg(GaN)-x(1-x)E g (x) = x E g (InN) + (1-x) E g (GaN)
= 1.96 x + 3.4 (1-x) - x(1-x)= 1.96 x + 3.4 (1-x) - x (1-x)
= 3.4 - 2.44 x + x2 = 3.4 - 2.44 x + x 2
〔수학식2〕&Quot; (2) "
EOPT(x)= Eg(x)-Ed(Si)-Ea(Zn)E OPT (x) = E g (x) -E d (Si) -E a (Zn)
= 3.4 - 2.44 x + x2- 0.16 - 0.32= 3.4 - 2.44 x + x 2 - 0.16 - 0.32
= 2.92 - 2.44 x + x2 = 2.92 - 2.44 x + x 2
〔수학식3〕&Quot; (3) "
λ(㎛)=1.239854/(Eopt(eV))이다.? (占 퐉) = 1.239854 / (E opt (eV)).
여기에서 Eg(InN)은 InN 밴드갭 에너지로 1.96 eV 이고 Eg(GaN)는 GaN 의 밴드갭 에너지 3.4 eV 이며, Ed(Si)은 InxGa1-xN 의 ｘ=0.1 에서의 Si 도너준위의 전도대로부터의 에너지 차이 0.16 eV 이며, Ea(Zn)은 Zn 억셉터준위의 가전자대로부터의 에너지 차이가 0.32 eV 이다.Where E g (InN) is 1.96 eV for the InN band gap energy and E g (GaN) is the band gap energy of 3.4 eV for GaN and E d (Si) is the band gap energy at x = 0.1 of In x Ga 1-x N The energy difference from the conduction band of the Si donor level is 0.16 eV and E a (Zn) is the energy difference from the valence band of the Zn acceptor level is 0.32 eV.
한편 활성층의 두께를 엑시톤의 보어반경주위의 30 옹그스트롬정도의 전자-정공쌍의 구속상태영역으로 성장함에 따라 양자적 구속현상이 수반되고 외부양자효율을 증가시킬 수 있다. 또한 Si, Zn 을 코도핑한 활성층의 In 성분비를 바꾸어 증가시킴에 따라 장파장대의 녹색(550nm),황색(590nm), 빨강색(660nm)을 발광하는 광소자의 제작이 가능하다. 청색의 경우 In 의 성분비는 x=0.02∼0.1, 녹색의 경우는 x=0.2∼0.25, 황색의 경우는 x=0.28∼0.32, 그리고 빨강색의 경우는 x=0.4∼0.45 의 영역을 갖는다.Meanwhile, the quantum confinement phenomenon is accompanied by the growth of the thickness of the active layer into the confinement region of electron-hole pairs of about 30 angstroms around the bore radius of the exciton, and the external quantum efficiency can be increased. It is also possible to fabricate an optical device that emits green (550 nm), yellow (590 nm), and red (660 nm) wavelengths of long wavelength band by increasing the In composition ratio of the active layer doped with Si and Zn. In the case of blue, the composition ratio of In is x = 0.02 to 0.1, x = 0.2 to 0.25 in green, x = 0.28 to 0.32 in yellow, and x = 0.4 to 0.45 in red.
한편 제 2 의 p-형 AlxGa1-xN 클래딩층(12)의 Mg 도핑을 최대한으로 하여 5×1018/cm3농도로 형성하고, Al 성분비를 x=0.15 가 되게 한 후 두께를 0.15∼0.5 미크론으로 주흐름 가스를 질소분위기에서 성장하였다.On the other hand, the Mg doping of the second p-type Al x Ga 1 -x N cladding layer 12 is maximized to a concentration of 5 × 10 18 / cm 3 , and after the Al component ratio becomes x = 0.15, The main flow gas was grown in a nitrogen atmosphere at 0.15 to 0.5 microns.
또한 p-형 GaN 오믹접촉층(17)을 0.5 미크론정도로 성장한다. 이와 같이 MOCVD(유기금속 화학 기상증착방법)장비에서의 다층구조를 성장한 후 시료를 꺼내어 플라즈마 진공챔버에 넣어 Mg 불순물이 성장중에 Mg-H 복합체를 형성함에 따라 수소원자가 탈착되도록 플라즈마 어닐링하고, 정공운반자 농도가 5×1018/cm3으로 활성화시킨다.And the p-type GaN ohmic contact layer 17 is grown to about 0.5 micron. After the multilayer structure of the MOCVD (Organometallic Chemical Vapor Deposition) apparatus is grown as described above, the sample is taken out and placed in a plasma vacuum chamber to plasma-anneal so that hydrogen atoms are desorbed as the Mg impurity forms Mg-H complex during growth, The concentration is activated to 5 x 10 18 / cm 3 .
그리고 도 2 의 n-형 면에 전극을 형성하기 위해 질화갈륨계 박막층을 건식식각을 수행하고, 고밀도 플라즈마를 발생시키는 유도결합형 플라즈마 건식식각(inductively coupled plasma etching) 공정을 Cl2나 BCl3의 염소계 화합물을 이용한다. 다시 박막표면에 인듐주석산화물(ITO)의 투명전극을 0.2∼0.5 미크론으로 증착하여 p-형 면에만 남기고 제거한다.In order to form an electrode on the n-type surface in FIG. 2, an inductively coupled plasma etching process in which a gallium nitride thin film layer is dry-etched and a high-density plasma is generated is performed using Cl 2 or BCl 3 Chlorine compounds are used. Then, a transparent electrode of indium tin oxide (ITO) is deposited on the surface of the thin film at a thickness of 0.2 to 0.5 microns and removed by leaving only on the p-type surface.
또한 p-형 전극은 깊은 준위의 Mg 억셉터가 형성됨으로써 정공의 터널링을 이용할 수 있는 Ni/Au 금속을 사용하고 접촉저항을 감소시키기 위해 Be,Mg,Zn 과 같은 p-형 물질을 금속 증착시 1∼5 % 정도 첨가하였다. 가장 바람직한 원소는 Be 이다. 또한 n-형 전극을 형성하기 위해 쇼트키(Schottky) 형 금속인 Ti,Cr 등을 이용하고, 와이어 본딩을 위해 Al 이나 Au를 적층증착후 350 ℃ 이상에서 어닐링하여 합금화한다. 가장 바람직한 경우는 Ti/Au 이며 오믹접촉 저항을 감소시키기 위해 Au 금속에 Ge 을 2∼10 % 정도 첨가한다.In addition, the p-type electrode uses a Ni / Au metal that can utilize hole tunneling by forming a Mg acceptor with a deep level, and a p-type material such as Be, Mg, About 1 to 5%. The most preferred element is Be. In order to form an n-type electrode, Schottky-type metals such as Ti and Cr are used. For wire bonding, Al or Au is laminated and annealed at 350 ° C or higher for alloying. The most preferable case is Ti / Au, and Ge is added to the Au metal by 2 to 10% in order to reduce ohmic contact resistance.
한편, 도 3은 질화갈륨계 더블클래딩-더블헤테로구조로 된 발광소자의 열평형 상태하에서 에너지밴드 다이어그램을 나타내는 개략도로서, 도 3에 도시한 바와 같이 페르미(Fermi) 에너지준위에 대해 n-형 GaN 오믹접촉층(25)과 n-형 AlGaN 클래딩층(26)은 상대적으로 전자의 준위가 높고, 제 1의 p-형 AlGaN 클래딩층(30)과 p-형 GaN 오믹접촉층(31)은 전자의 준위가 낮다.On the other hand, FIG. 3 is a schematic view showing an energy band diagram of a light emitting device made of a gallium nitride double cladding-double hetero-structure under a thermal equilibrium state. As shown in FIG. 3, The ohmic contact layer 25 and the n-type AlGaN cladding layer 26 have relatively high electron levels and the first p-type AlGaN cladding layer 30 and the p-type GaN ohmic contact layer 31 are electron Is low.
한편 도 4는 순방향 바이어스가 인가된 상태에서 전자에너지 밴드다이어그램을 나타낸 개략 구조도로서, 도 4에 도시한 바와 같이 n-형쪽의 페르미 에너지준위(40),(52)가 바이어스에 의해 상승되어 여기된 전자(41)가 GaN 완충층(35)위의 p-형 클래딩층(36)에 의해 반대방향의 활성층으로 향하게 되고 다시 p-형쪽의 클래딩층에 부딪쳐 활성층에 모이게 된다.On the other hand, FIG. 4 is a schematic structural view showing an electron energy band diagram in a state where forward bias is applied. As shown in FIG. 4, the Fermi energy levels 40 and 52 of the n- The electrons 41 are directed to the active layer in the opposite direction by the p-type cladding layer 36 on the GaN buffer layer 35, and again hit the cladding layer of the p-type to collect in the active layer.
이는 다시 전자(41)가 InxGa1-xN 활성층(44)의 Si 도너(45)의 얇은 준위에 유입되고 Zn 억셉터가 깊은 준위에 위치한 정공(47)과 발광성 재결합을 이르키게 된다. 정공(47)은 p-형쪽의 페르미 준위(52)가 상대적으로 낮아져, 전자(41)가 아닌 정공(47)의 분포가 형성되고 활성층에 유입되어진다.This again causes the electrons 41 to flow into the thin level of the Si donor 45 of the In x Ga 1-x N active layer 44 and cause the Zn acceptor to recombine with the hole 47 located at a deep level. The Fermi level 52 of the p-type is relatively lowered in the hole 47, and the distribution of the holes 47, not the electrons 41, is formed and introduced into the active layer.
한편 도 6은 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 발광소자에서의 전자와 정공의 이동궤적을 표시한 개략 구조도로서, GaN 완충층(64)위 제 2의 p-형 AlxGa1-xN 클래딩층(65)을 도입함으로써 InxGa1-xN 활성층(68)에 이르러 발광재결합 되기 전에 소멸되는 전자를 효율적으로 줄일 수 있어 발광효율을 향상시킨다.On the other hand, FIG. 6 is a schematic structural view showing movement trajectories of electrons and holes in a light emitting device having a double cladding-double hetero structure, in which a second p-type Al x Ga 1 -x N cladding layer (65), electrons that reach the In x Ga 1 -xN active layer (68) and disappear before light is recombined can be efficiently reduced, thereby improving the luminous efficiency.
한편 도 7은 도 6의 평면도로서, 전기력선에 의해 전자 이동로를 표시한다. 그리고 p-형 전극(78)에 투명전극(77)물질인 ITO(Indium-Tin Oxide)를 삽입하여 전하를 표면에 고르게 퍼지게 함으로써 표면전하밀도를 낮출 수 있으며 p-형 전극(78)에 날개를 달아 유사한 효과를 제공할 수 있다. p-GaN 반도체 표면 포텐셜에너지분포가 세라믹에서와 비슷하여 전극금속의 정공에 대한 오믹접촉이 용이하지 않는데, 세라믹특성을 갖으면서 전도성인 물질인 ITO 가 우수한 오믹접촉특성을 나타낸다. 또한 제 1 전극의 p-면 투명전극(77)이 제 2 전극인 Ni/Au의 p-형 전극물질과 접착력이 우수하다. 투명전극의 표면증착으로 n-면 전극(80)과의 거리는 전기적 단락현상을 이르키는 조건인 3 V/㎛ 을 감안하여 p-GaN 접촉면보다 80 % 의 면적으로 투면전극(77)면적을 형성한다. 바람직한 투명전극(77)과 n-면 전극(80)간 간격은 20 미크론이다.On the other hand, FIG. 7 is a plan view of FIG. 6, showing an electron path by an electric force line. ITO (Indium-Tin Oxide), which is a material of the transparent electrode 77, is inserted into the p-type electrode 78 to uniformly spread the charge on the surface of the p-type electrode 78. The surface charge density can be lowered, And can provide similar effects. The p-GaN semiconductor surface potential energy distribution is similar to that of ceramics, so it is not easy to make ohmic contact with holes of electrode metal. ITO, which is a conductive material, exhibits excellent ohmic contact characteristics while having ceramic characteristics. In addition, the p-side transparent electrode 77 of the first electrode is excellent in adhesion to the p-type electrode material of the second electrode Ni / Au. The distance from the n-plane electrode 80 due to the surface deposition of the transparent electrode is set to be 80% of the area of the p-GaN contact surface in consideration of 3 V / 탆, which is a condition for shorting the electrical short circuit, do. The gap between the transparent electrode 77 and the n-side electrode 80 is preferably 20 microns.
또한 사파이어기판의 두께가 340 미크론으로 다이어몬드 팁을 이용하여 스크라이빙(scribing)하여 브레이킹(breaking)하기가 용이하지 않으므로 사파이어 이면을 80 미크론의 두께로 랩핑(lapping)한다. 그리고 최종적으로 칩 크기가 가로세로 350×350 미크론으로 스크라이빙한 후 브레이킹함으로써 청색발광소자를 제작한다.In addition, since the thickness of the sapphire substrate is 340 microns, it is not easy to scribe and break using a diamond tip, so that the back surface of sapphire is lapped to a thickness of 80 microns. Finally, the blue light emitting device is fabricated by scribing the chip size 350 × 350 micron and then breaking the chip.
한편 도 8a,b는 활성층의 두께가 700 옹그스트롬인 더블헤테로구조의 칩 상태에서 측정한 파장에 따른 발광세기를 나타낸 특성도로서, a는 종래(도 1)의 더블헤테로구조를 갖는 발광다이오드의 일렉트로루미네슨스의 세기를 나타내고, b는 본 발명(도 2)에서 나타낸 GaN 완충층(11)위에 제 2 의 p-형 AlxGa1-xN 클래딩층(12)을 도입한 더블클래딩-더블헤테로구조에서의 일렉트로루미네슨스를 나타냄에 따라 발광효율이 크게 향상되어짐을 알 수 있다.8A and 8B are characteristic diagrams showing emission intensities according to wavelengths measured in a chip state of a double hetero structure in which the thickness of the active layer is 700 angstroms, and a is a characteristic diagram of a light emitting diode having a double hetero structure (B) shows the intensity of the electroluminescence, and b represents the intensity of the double cladding-double (GaN) buffer layer 11 in which the second p-type Al x Ga 1 -x N cladding layer 12 is introduced on the GaN buffer layer 11 shown in the present invention And the electroluminescence in the heterostructure is exhibited, the luminous efficiency is remarkably improved.
이상에서와 같이, 본 실시 예에서는, 사파이어기판을 이용한 질화갈륨계 이중-이종 접합형 반도체 박막을 다층구조로 적층하여 발광소자를 제작하는 것이 가능하다.As described above, in this embodiment, it is possible to fabricate a light emitting device by stacking a gallium nitride-based double-heterojunction semiconductor thin film using a sapphire substrate in a multilayer structure.
또한, 본 발명이 당 업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.In addition, it is obvious that the present invention may be variously modified by a person skilled in the art.
이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.Such modified embodiments should not be understood individually from the technical idea and viewpoint of the present invention, and such modified embodiments should be included in the appended claims of the present invention.
상술한 설명으로부터, 본 발명의 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법에 의하면, 질화갈륨계 발광소자의 다층박막구조를 개선함으로써 사파이어 절연기판의 사용으로 인한 절연층에 전하 분포가 칩 조립 공정중에 순간적인 고 부하 전압의 인가로 인해 발생하는 정전 단락현상을 방지할 수 있다.From the above description, according to the method for fabricating a gallium nitride based light emitting device having a double cladding-double hetero structure of the present invention, the multilayer thin film structure of the gallium nitride based light emitting device is improved, The distribution can prevent an electrostatic short circuit phenomenon caused by the application of the instantaneous high load voltage during the chip assembly process.
또한 낮은 온도에서 성장하여 취약한 결정구조를 갖는 완충층을 전기적으로 전자가 유입되지 않도록 보호하게 된다.And grow at a low temperature to protect the buffer layer having a weak crystal structure from being electrically conducted.
또한 p-형 GaN 오믹접촉층위에 ITO 투명전극을 도입하여 전하를 효율적으로 분산시켜 확산전류밀도를 낮춘 상태에서 균일하게 활성층에 유입되게 함으로써 신뢰성과 양자효율을 향상시키게 된다.In addition, the ITO transparent electrode is introduced on the p-type GaN ohmic contact layer to efficiently distribute the charge, and the diffusion current density is lowered uniformly into the active layer, thereby improving reliability and quantum efficiency.
또한 Si 와 Zn 의 도너와 억셉터를 코도핑한 상태로 InxGa1-xN 활성층의 두께를 엑시톤이 구속상태에서 놓이도록 매우 좁게 함으로써 외부 양자 효율을 증대시키고, 고 휘도의 광전자소자를 지향시키는 효과가 제공된다.In addition, the thickness of the In x Ga 1-x N active layer is extremely narrowed so that the exciton is placed in the constrained state while the donor and the acceptor of Si and Zn are doped with the donor. Thus, the external quantum efficiency is increased and the high- Is provided.
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