KR100489039B1 - 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드의 제조방법은, 기판 위에 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층(여기서, 0 ≤x ≤1)을 적층 구조로 성장시키는 단계와; 성장된 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층 위에 n-GaN 막의 제 1 전극층을 성장시키는 단계와; 제 1 전극층 위에 다중양자우물 구조의 활성층을 성장시키는 단계와; 활성층 위에 p-GaN 막의 제 2 전극층을 성장시키는 단계; 를 포함하여 구성되며, undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, undoped GaN 완충층의 성장 온도를 x℃라 하고, In_xGa_1-xN 완충층의 성장 온도를 y℃라 할 때, 성장 온도 x, y는 2x ≤y의 관계를 갖는 점에 그 특징이 있다.

여기서 본 발명에 의하면, undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층은 1층 내지 50층 사이의 적층 구조로 성장되며, undoped GaN 완충층은 300~800℃에서 1~1000Å의 두께로으로 성장되고, In_xGa_1-xN 완충층은 1000~1600℃에서 1~1000Å의 두께로 성장되는 점에 그 특징이 있다.

Description

질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드 제조방법{Fabrication method for GaN semiconductor LED}

본 발명은 질화 갈륨계 반도체에 관한 것으로서, 특히 성장되는 GaN계 단결정층의 결정결함을 감소시키고 결정성을 향상시킴으로써, 그 성능을 향상시키고 신뢰성을 확보할 수 있는 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드(LED) 제조방법에 관한 것이다.

질화 갈륨계 반도체(GaN) 소자는 청색 발광 다이오드, 청색 레이저 다이오드 (LD) 또는 태양전지 등의 재료로서 최근 크게 주목받고 있다. 그 중 기존의 800~830nm 파장 영역의 AlGaAs LED 및 LD에 대해 400nm 파장 대의 단파장 청색 발광 다이오드는 정보 기록밀도를 4배 이상 증가시키는 것이 가능해 짐으로써, CD 1장에 영화 1편을 기록할 수 있는 DVD(Digital Video Disc) 시대의 도래를 예고하고 있다. 특히, 적색, 녹색 및 청색 LED에 의한 천연색(full-color) 디스플레이 영역의 시장은 실로 방대하다고 하겠다.

한편, 도 1은 종래 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 종래의 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드는 주로 사파이어 기판 또는 SiC 기판 위에서 성장된다. 그리고, 저온의 성장 온도에서 사파이어 기판 또는 SiC 기판 위에 Al_xGa_1-xN의 다결정 박막을 완충층(buffer layer)으로 성장시키고, 이후 고온에서 상기 완충층 위에 도핑되지 않은 GaN 층 또는 1 ×10 ¹⁷ /㎤ 이상의 실리콘이 도핑된 n-GaN 층 또는 상기 구조의 혼합된 구조로 성장시켜 n-GaN 층을 제 1 전극층으로, Mg이 도핑된 AlGaN 클래딩(cladding) 층 상부에 Mg이 도핑된 GaN 층을 제 2 전극층으로 하여 질화물 반도체 발광 다이오드가 제조된다. 또한, 발광층(다중양자우물 활성층)은 상기 n-GaN 제 1 전극층과 Mg doped AlGaN/Mg doped GaN 제 2 전극층 사이에 샌드위치 구조로 형성된다.

그런데, 이와 같은 구조를 구비하는 질화물 반도체 발광 다이오드는 기판과 완충층 계면에서 발생되는 결정결함이 약 10⁸/㎤ 정도로 매우 높은 값을 가지며, 그에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드의 전기적 특성 특히, 역바이어스 조건 하에서 누설전류가 증가하게 됨으로써, 소자의 신뢰성에 치명적인 영향을 미치는 문제점이 있다. 또한, 이러한 완충층과 기판 사이의 계면에서 발생되는 결정결함은 발광층의 결정성에 대해서도 저하시키게 됨으로써, 질화물 반도체 발광 다이오드의 발광효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

본 발명은, 성장되는 GaN계 단결정층의 결정결함을 감소시키고 결정성을 향상시킴으로써, 그 성능을 향상시키고 신뢰성을 확보할 수 있는 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

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상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드의 제조방법은,

기판 위에 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층(여기서, 0 ≤x ≤1)을 적층 구조로 성장시키는 단계와;

상기 성장된 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층 위에 n-GaN 막의 제 1 전극층을 성장시키는 단계와;

상기 제 1 전극층 위에 다중양자우물 구조의 활성층을 성장시키는 단계와;

상기 활성층 위에 p-GaN 막의 제 2 전극층을 성장시키는 단계; 를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서 본 발명에 의하면, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층은 1층 내지 50층 사이의 적층 구조로 성장되는 점에 그 특징이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN 완충층은 상대적으로 낮은 온도에서 성장되며, 상기 In_xGa_1-xN 완충층은 상대적으로 높은 온도에서 성장되는 점에 그 특징이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN 완충층은 300~800℃에서 성장되며, 그 성장 두께는 1~1000Å으로 성장되는 점에 그 특징이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 In_xGa_1-xN 완충층은 1000~1600℃에서 성장되며, 그 성장 두께는 1~1000Å으로 성장되는 점에 그 특징이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN 완충층의 성장 온도를 x℃라 하고, 상기 In_xGa_1-xN 완충층의 성장 온도를 y℃라 할 때, 상기 성장 온도 x, y는 2x ≤y의 관계를 갖는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 성장되는 GaN계 단결정층의 결정결함을 감소시키고 결정성을 향상시킴으로써, 그 성능을 향상시키고 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드는 기판(예컨대 사파이어 기판 또는 SiC 기판)과; 상기 기판 위에 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 층(여기서, 0 ≤x ≤1)이 적층 구조로 형성된 완충층과; 상기 완충층 위에 형성된 n-GaN 단결정막의 제 1 전극층과; 상기 제 1 전극층 위에 형성된 다중양자우물 구조의 단결정 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 p-GaN 단결정막의 제 2 전극층; 을 포함한다.

이와 같은 구조를 갖는 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드에서의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층의 제조방법에 대하여 도 3을 참조하여 설명해 보기로 한다. 도 3은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드에 있어서, 완충층의 구성 예를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드에 구비되는 완충층에 대해서 부연하여 설명하면, 먼저 기판(예컨대 사파이어 기판 또는 SiC 기판) 위에 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층(여기서, 0 ≤x ≤1)을 적층 구조로 성장시킨다.

여기서 본 발명에 의하면, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN 완충층은 상대적으로 낮은 온도에서 성장되며, 상기 In_xGa_1-xN 완충층은 상대적으로 높은 온도에서 성장된다. 이때, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN 완충층의 성장 온도를 x℃라 하고, 상기 In_xGa_1-xN 완충층의 성장 온도를 y℃라 할 때, 상기 성장 온도 x, y는 2x ≤y의 관계를 갖도록 한다.

예컨대, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN 완충층은 300~800℃에서 성장되며, 그 성장 두께는 1~1000Å으로 성장된다. 이때, undoped GaN 완충층의 성장에 사용되는 재료는 TMGa, NH₃가 있으며 이들을 화학기상증착법에 의하여 기판 상에 성장시킨다.

또한, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 In_xGa_1-xN 완충층은 1000~1600℃에서 상기 undoped GaN 완충층 위에 성장되며, 그 성장 두께는 1~1000Å으로 성장된다. 이때, In_xGa_1-xN 완충층의 성장은 TMGa, TNIn, NH₃를 이용하여 화학기상증착법에 의하여 상기 undoped GaN 완충층 위에 성장시킨다.

그리고, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 이상에서 설명된 바와 같이 성장된 In_xGa_1-xN 완충층 위에 undoped GaN 완충층을 서로 반복적으로 성장시키게 되며, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층은 1층 내지 50층 사이의 적층 구조로 성장되게 된다.

이와 같은 저온, 고온에서의 반복적인 완충층 성장 공정을 통하여, 첫째 층과 둘째 층의 병합을 유도하며, 각 층의 적층 시 전위(dislocation)의 감소 효과가 발생되게 된다. 이와 같은 완충층의 성장을 통하여, 최종 성장되는 완충층 상에 적층되는 고온의 반도체 결정층은 매우 좋은 결정 특성을 나타낼 수 있게 된다.

그리고, 상기 성장된 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층 위에 n-GaN 막의 제 1 전극층을 성장시키는 단계와; 상기 제 1 전극층 위에 다중양자우물 구조의 활성층을 성장시키는 단계와; 상기 활성층 위에 p-GaN 막의 제 2 전극층을 성장시키는 단계; 를 순차적으로 수행함으로써 양질의 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드를 제조할 수 있게 된다.

이와 같이 제조된 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드는 종래 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드에 비하여 2배 정도의 높은 신뢰성과 광도를 가질 수 있게 된다. 이에 따라 본 발명에 의하여 제조된 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드는, 현재 대면적 발광 다이오드를 이용하여 제작하는 분야나 옥외용 전광판에 들어가는 발광 다이오드에 유용하게 이용될 수 있을 것이며, 고광도 조명용 반도체 발광 램프의 제작이 가능하게 될 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드 제조방법에 의하면, 성장되는 GaN계 단결정층의 결정결함을 감소시키고 결정성을 향상시킴으로써, 그 성능을 향상시키고 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드에 있어서, 완충층의 구성 예를 나타낸 도면.

Claims (7)

1. 삭제
2. 기판 위에 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층(여기서, 0 ≤x ≤1)을 적층 구조로 성장시키는 단계와;

   상기 성장된 복수의 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층 위에 n-GaN 막의 제 1 전극층을 성장시키는 단계와;

   상기 제 1 전극층 위에 다중양자우물 구조의 활성층을 성장시키는 단계와;

   상기 활성층 위에 p-GaN 막의 제 2 전극층을 성장시키는 단계; 를 포함하여 구성되며,

   상기 undoped GaN/In _x Ga _1-x N 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN 완충층의 성장 온도를 x℃라 하고, 상기 In _x Ga _1-x N 완충층의 성장 온도를 y℃라 할 때, 상기 성장 온도 x, y는 2x ≤y의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층은 1층 내지 50층 사이의 적층 구조로 성장되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
4. 삭제
5. 제 2항에 있어서,

   상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 undoped GaN 완충층은 300~800℃에서 성장되며, 그 성장 두께는 1~1000Å으로 성장되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제조방법.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 undoped GaN/In_xGa_1-xN 완충층이 적층 구조로 성장됨에 있어, 상기 In_xGa_1-xN 완충층은 1000~1600℃에서 성장되며, 그 성장 두께는 1~1000Å으로 성장되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제조방법.
7. 삭제