KR100468320B1 - 3족질화물반도체발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 3족 질화물 화합물 반도체를 이용한 자외선 발광소자의 발광효율을 향상시키는 것이다. 사파이어 기판(1)위에 500Å의 AlN의 버퍼층(2)에 이어서, 막두께 약 5.0㎛, 농도 5×1018/㎤의 실리콘 도프 GaN으로 구성되는 고캐리어 농도 n+층(3), 막두께 약 0.5㎛, 농도 5×1017/㎤의 실리콘 도프 GaN으로 구성되는 n층(4), 막두께 약 0.5㎛의 In0.07Ga0.93N으로 구성되는 발광층(5), 막두께 약 0.5㎛, 홀농도 5×1017/㎤, 농도 5×1020/㎤으로 마그네슘이 도프된 Al0.08Ga0.92N으로 구성되는 p층(61), 막두께 약 1㎛, 홀농도 7×1018/㎤, 마그네슘 농도 5×1021/㎤의 마그네슘 도프의 GaN으로 구성되는 콘택트층(62)이 형성되어 있다. 그리고 콘택트층(62)과 고캐리어 농도 n+층(3)에 접합하는 Ni로 구성되는 전극(7, 8)이 형성되어 있다.
Description
본 발명은 자외선 발광의 효율을 향상시킨 3족 질화물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것이다.
종래기술
종래부터, 3족 질화물 반도체를 사용한 자외선 발광소자에 있어서는 n+층에 GaN, n층에 Al0.08Ga0.92N, 발광층에 In0.08Ga0.92N, p층에 Al0.08Ga0.92N을 이용하였다. 상기 구조의 발광 다이오드에서 벤드간 천이(遷移)에 의해 파장 380nm 이하의 자외선이 얻어지고 있다.
그러나, 상기 구조의 발광소자는 아직 발광효율이 낮다는 문제가 있다. 그 원인으로서 발광층 In0.08Ga0.92N의 결정성이 불량한 것을 들 수 있다. 발광층의 결정성이 낮은 이유로, n+층, n층, 발광층의 3개층 결정의 격자정수의 상이에 의한 미스피트 전위(轉位)가 발생하여 발광층에 격자결함을 유발하는 것을 생각할 수 있다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 3족 질화물 화합물 반도체 발광소자를 사용하여 자외선 발광소자의 발광효율을 향상시키는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명의 일 특징은, p전도형의 p층과 n전도형의 n층으로 발광층을 낀 구조로 3족 질화물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서, 발광층을 Alx1Gay1In1-x1-y1N 반도체로 정공의 확산 길이보다 두껍게 구성하며, n층을 발광층과 격자정수가 거의 같게 되도록, 도너(donor) 불순물이 첨가된 Alx2Gay2In1-x2-y2N의 반도체로 구성하며, p층을 발광층에 주입한 전자를 밀폐하는데 충분할 만큼 상기 발광층보다도 금제대폭(禁制帶幅)이 큰, 억셉터(acceptor) 불순물이 첨가된 Alx3Gay3In1-x3-y3N의 반도체로 구성하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은 발광층을 Gay2In1-y2N(0.92≤ y2≤1)으로 구성하며, n층을 도너 불순물이 첨가된 GaN으로 구성한 것이며, 본 발명의 또 다른 특징은 층에 n층에 접합하는 하층으로서 n층보다도 고농도로 도너 불순물이 첨가된 GaN으로 구성된 n+층을 마련한 것이며, 본 발명의 또 다른 특징은 도너 불순물을 실리콘으로 하는 것이며, 본 발명의 또 다른 특징은 발광층에 실리콘을 첨가한 것이다.
상기와 같이 n층은 발광층과 격자정수가 거의 동일하도록 Alx2Gay2In1-x2-y2N의 조성비 x2, y2가 결정되며, p층은 발광층에 대하여 n층으로부터 주입된 전자를 충분히 밀폐할 만큼 금제대폭이 크게 되도록 Alx3Gay3In1-x3-y3N의 조성비 x3, y3이 결정된다. 이와 같이 n층을 결정하는 것으로 n층과 발광층과의 격자정수의 상이에 의한 미스피트가 적고, 발광층의 결정성이 향상된다.
n층과 발광층과의 접합에 의한 장벽은 p층으호부터 발광층에 주입된 정공을 밀폐하는 작용을 한다. 그렇지만, 정공의 확산길이는 수 1000Å이며, 발광층은 그 확산길이보다도 두껍게 구성되어 있다. 따라서 n층과 발광층과의 접합에 의한 장벽은 정공의 발광층내에서의 밀폐에 유효하게 기여하지 않는다. 그러므로, n층과 발광층 사이의 장벽은 작아도 좋기 때문에 n층은 발광층에 대하여 격자정수가 거의 동일하도록 Alx2Gay2In1-x2-y2N 의 조성비 x2, y2를 결정하는 것으로 n층과 발광층과의 사이의 격자 부정합을 매우 작게할 수 있으며, 발광층의 결정성을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 자외선의 발광효율이 향상된다.
자외선을 발광하기 위해 발광층을 Gay2In1-y2N(0.92≤y2≤ 1)으로 구성한 경우에는 n층을 GaN으로 함으로써, 격자 부정합을 작게 할 수 있다.
상기 발광 다이오드에서, 사파이어 기판위에 버퍼층이 형성되고, 그 위에 n층에 대한 전류의 리드로서 기능하는 고농도로 실리콘이 첨가된 GaN으로 이루어지는 n+ 층이 형성되어 있다. 이 경우에는 n층을 GaN으로 구성하는 것으로 n+층과 n층과의 격자정수는 완전하게 일치하며, 미스피트 전위는 발생하지 않는다. 따라서, 발광층의 결정성이 보다 향상된다.
제1실시예
도 1에 있어서. 발광 다이오드(10)는 사파이어 기판(1)을 구비하고 있고, 그 사파이어 기판(1)위에 500Å의 AlN의 버퍼층(2)이 형성되어 있다. 그 버퍼층(2) 위에는 순서대로, 막두께 약 5.0㎛, 농도 5×1018/㎤의 실리콘 도프 GaN으로 구성되는 고캐리어 농도 n+층(3), 막두께 약 0.5㎛, 농도 5×1017/㎤의 실리콘 도프의 GaN으로 구성되는 n층(4), 막두께 약 0.5㎛의 In0.07Ga0.93N로 구성되는 발광층(5), 막두께 약 0.5㎛, 홀농도 5×1017/㎤, 농도 5×1020/㎤으로 마그네슘이 도포된 Al0.08Ga0.92N으로 구성되는 p층(61), 막두께 약 1㎛, 홀농도 7×1018/㎤, 마그네슘 농도 5×1021/㎤의 마그네슘 도포의 GaN으로 구성되는 콘택트층(62)이 형성되어 있다. 그리고, 콘택트층(62)위에 콘택트층(62)에 접합하는 Ni로 구성되는 전극(7)이 형성되어 있다. 또한, 고캐리어 농도 n+층(3)의 표면의 일부는 노출되어 있고, 그 노출부 위에 그 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 기재함)에 의한 기상성장에 의해 제조되었다.
사용된 가스는 NH3와 캐리어 가스 H2 또는 N2와 트리메틸 갈륨(Ga(CH3)3)(이하 「TMG」로 기재함)과 트리메틸 알루미늄(Al(CH3)3)(이하 「TMA」로 기재함)과 트리메틸 인듐(In(CH3)3)(이하 「TMI」로 기재함)과 실란(SiH4)과 시클로펜타제닐 마그네슘(Mg(C5H5)2)(이하, 「CP2Mg」로 기재함)이다.
우선, 유기세정 및 열처리에 의해 세정된 a 면을 주면으로 하는 두께 100∼400㎛의 단결정의 사파이어 기판(1)을 MOVPE 장치의 반응실에 적재된 서셉터(susceptor)에 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 1.8×10-5 mol/분으로 공급하여 AlN의 버퍼층(2)을 약 500Å의 두께로 형성하였다. 다음에, 사파이어 기판(1)의 온도를 1150℃로 유지하고, H2를 20 liter/분, NH3를 10 liter/분, TMG를 1.7×10-4mol/분 H2가스에 의해 0.86ppm으로 희석된 실란을 200ml/분으로 30분 공급하여, 막두께 약 2.2㎛, 농도 2×1018/㎤의 실리콘 도프의 GaN으로 이루어진 고캐리어 농도 n+층(3)을 형성하였다.
다음에, 사파이어 기판(1)의 온도를 1100℃로 유지하고, N2 또는 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 약 0.5㎛, 농도 5×1017/㎤의 실리콘 도프의 GaN으로 이루어지는 n층(4)을 형성하였다.
계속해서, 온도를 850℃를 유지하고, N2 또는 H2를 20 liter/분, NH3를 10 liter/분, TMG를 1.53×10-4mol/분 및 TMI를 0.02×10-4mol/분으로 60분간 공급하여, 0.5㎛의 In0.07Ga0.93N으로 구성되는 발광층(5)을 형성하였다.
계속해서, 온도를 1100℃로 유지하고, N2 또는 H2를 20 liter/분, NH3를 10 liter/분, TMG를 1.12×10-4mol/분, TMA를 0.47×10-4mol/분 및 CP2Mg를 2×10-4mol/분으로 60분간 도입하여, 막두께 약 1.0㎛의 마그네슘(Mg) 도프의 Al0.08Ga0.92N으로 구성되는 p층(61)을 형성하였다. p형(61)의 마그네슘의 농도는 1×1020/㎤이다. 이 상태에서는 p층(61)은 아직, 저항율 108Ω cm 이상의 절연체이다.
계속해서, 온도를 1100℃로 유지하고, N2 또는 H2를 20 liter/분, NH3를 10 liter/분, TMG를 1.12×10-4mol/분 및 CP2Mg을 4×10-4mol/분의 비율로 4분간 도입하여, 막두께 약 0.2㎛의 마그네슘(Mg) 도프의 GaN으로 구성되는 콘택트층(62)을 형성하였다. 콘택트층(62)의 마그네슘의 농도는 2×1020/㎤이다. 이 상태에서는 콘택트층(62)은 아직, 저항율 108Ω cm 이상의 절연체이다.
이렇게 하여, 도 2에 나타낸 단면구조의 웨이퍼를 얻었다. 이어서 상기 웨이퍼를 450℃에서 45분간 열처리하였다. 상기 열처리에 의해 콘택트층(62). p층(61)은 각각 홀농도 7×1017/㎤, 5×1017/㎤, 저항율 2Ω cm, 0.8Ω cm의 p전도형 반도체로 되었다. 상기와 같이 하여 다층구조의 웨이퍼를 얻었다.
다음에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 콘택트층(62)상에, 스퍼터링에 의해 SiO2 층(9)을 2000Å의 두께로 형성하여, 그 SiO2 층(9)상에 포토레지스트(10)를 도포하였다. 그리고, 포토리소그래프에 의해, 도 3에 나타낸 바와 같이, 콘택트층(62)위에 있어서, 고캐리어 농도 n+층(3)에 대한 전극형성부위(A')의 포토레지스트(10)를 제거하였다. 다음에, 도 4에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트(10)에 의해 덮혀져 있지 않는 SiO2층(9)을 불화수소산계 에칭액으로 제거하였다.
다음에, 포토레지스트(10) 및 SiO2층(9)에 의해 덮혀져 있지 않은 부위의 콘택트층(62), p층(61), 발광층(5), n층(4)을 진공도 0.04Torr, 고주파전력 0.44W/㎠, BCl3 가스를 10ml/분의 비율로 공급하여 드라이 에칭(dry etching)한 후, Ar로 드라이 에칭하였다. 이 공정에서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 고캐리어 농도 n+층(3)에 대한 전극추출을 위한 구멍(A)가 형성되었다.
다음에, 시료위 전면에, 균일하게 Ni를 증착하고, 포토레지스트의 도포, 포토리소그래피 공정, 에칭 공정을 거쳐서 도 1에 나타낸 바와 같이, 고캐리어 농도 n+층(3) 및 콘택트층(62)에 대한 전극(8, 7)을 형성하였다. 그 후, 상기와 같이 처리된 웨이퍼를 각 칩으로 절단하여 발광 다이오드 칩을 얻었다.
이렇게 하여 얻어진 발광소자는 구동전류 20mA로 발광피크 파장 380nm, 발광 강도 1mW이었다. 이 발광효율은 1.5%이고, 종래의 구성의 것과 비교하여 5배로 향상되었다.
상기 실시예에 있어서 n+층(3)과 n층(4)은 모두 GaN이기 때문에 이들 층간에서 격자 부정합은 존재하지 않는다. 따라서 이 격자 부정합에 의한 미스피트 전위가 발광층(5)에 발생하지 않는다. 또한 GaN과 In0.07Ga0.92N과의 사이의 격자 부정합은 작으며, n층(4)과 발광층(5)과의 격자 부정합에 따른 발광층(5)의 미스피트 전위는 작다. 따라서 발광층(5)의 결정성이 좋게 된다. 또한, 발광층(5)은 두께를 0.5㎛로 하고 있기 때문에 정공의 확산 길이보다 두껍게 되며, n층(4)과 발광층(5)과의 사이의 장벽이 작게 되어도 발광효율이 저하되는 일은 없다. 이상과 같이 종래 구조의 발광 다이오드에 비해서 자외선이 발광효율이 극히 향상되었다.
상기 실시예에서는 더블 헤테로 접합 구조를 이용하였지만 싱글 헤테로 접합 구조라도 좋다. 또한 p층을 형성하는데 열처리를 이용하였지만 전자선 조사에 의해 p형화 하여도 좋다. 상기 실시예에서는 발광층(5)에 불순물을 첨가하고 있지 않지만 실리콘 등의 도너 불순물이나 아연 등의 억셉터 불순물을 첨가하여도 좋다.
상기 실시예는 발광층 다이오드의 예를 나타냈지만, 레이저 다이오드라도 동일하게 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예와 관계되는 발광 다이오드의 구성을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명 실시예의 발광 다이오드의 제조공정을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명 실시예의 발광 다이오드의 제조공정을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명 실시예의 발광 다이오드의 제조공정을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명 실시예의 발광 다이오드의 제조공정을 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 사파이어 기판 2: 버퍼층
3: 고캐리어 농도 n+층 4: n층
5: 발광층 7, 8: 전극
10: 발광 다이오드 61: p층
62: 콘택트층
Claims (4)
- p전도형의 p층과 n전도형의 n층으로 발광층을 낀 구조의 3족 질화물 반도체를 사용한 발광소자에 있어서,상기 발광층을, InGaN층으로, 정공의 확산 길이보다도 두껍게 구성하고,상기 n층을, GaN층으로 구성하며,상기 p층을, 상기 발광층에 주입된 전자를 밀폐하는 데 충분할 만큼 상기 발광층보다도 금제대폭(禁制帶幅)이 크고, 억셉터 불순물이 첨가된 AlGaN층으로 구성하고,상기 n층을 구성하는 상기 GaN층은, 상기 발광층을 구성하는 상기 InGaN층에 접하는 저캐리어 농도의 GaN층과, n전극이 형성되는 고캐리어 농도의 GaN층에 의해 구성되고,상기 저캐리어 농도의 GaN층과 상기 발광층을 구성하는 상기 InGaN층간 격자 부정합은, 상기 발광층에서 격자결함의 유발이 억제되도록 작은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 발광층은 GaXIn1-xN(0.92X1)으로 구성되고, 상기 n층은 도너 불순물이 첨가된 GaN로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도너 불순물은 실리콘인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 발광층에는 실리콘이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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