KR100586975B1 - 질화물 반도체 소자 및 제조방법 - Google Patents

질화물 반도체 소자 및 제조방법 Download PDF

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KR100586975B1 KR1020040050151A KR20040050151A KR100586975B1 KR 100586975 B1 KR100586975 B1 KR 100586975B1 KR 1020040050151 A KR1020040050151 A KR 1020040050151A KR 20040050151 A KR20040050151 A KR 20040050151A KR 100586975 B1 KR100586975 B1 KR 100586975B1
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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 질화물 반도체 성장을 위한 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, In을 함유한 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어진 양자우물구조를 갖는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하며, 상기 In을 함유한 양자우물층 하부에 형성된 InN층을 포함한 질화물 반도체 소자를 제공한다.
질화물(nitride), 인듐(indium), 다중양자우물(multi quantum well), 발광소자(light emitting diode)

Description

질화물 반도체 소자 및 제조방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
도1a는 종래의 질화물 반도체 소자 구조를 나타내는 측단면도이다.
도1b는 도1a에 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층에 대한 에너지밴드갭을 나타낸다.
도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 소자 구조를 나타내는 측단면도이다.
도3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 제조방법의 활성층 성장공정에 적용되는 셔터시퀀스의 일예이다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 InGaN/GaN 다중양자우물구조 활성층의 X선 회절측정결과를 나타내는 그래프이다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 InGaN/GaN 다중양자우물구조 활성층의 포토루미네센스(PL)강도측정결과를 나타내는 그래프이다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 발광소자의 전압-전류특성을 나타내는 그래프이다.
도7은 본 발명에 따른 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자 구조를 나타내는 측단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11,21,31: 사파이어기판 13,23,33: n형 질화물 반도체층
15,25,35: 활성층 15a,25a,35a: 양자장벽층
15b,25b,35b: 양자우물층 26,36a,36b: InN층
17,27,37: p형 질화물 반도체층
본 발명은 질화물 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 활성층에서 In함량의 불균일도를 개선하여 발광효율을 증가시키는 질화물 반도체 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광통신기기에 광원으로 제공되는 녹색 또는 청색 발광 다이오드(light emitting diode:LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode: LD)에 널리 사용되고 있다. 이러한 질화물 반도체 소자는 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 활성층에서 빛을 생성하여 방출시킨다.
상기 활성층은 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW)구조와 약 100Å보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(muti quantum well: MQW)구조가 있다. 이 중에서, 특히 다중양자우물구조의 활성층은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 적극적으로 활용되고 있다.
도1a은 종래의 다중양자우물구조를 갖는 질화물 반도체 소자의 구조를 나타내는 측단면도이다.
도1a와 같이, GaN계 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11), n형 GaN로 이루어진 제1 질화물 반도체층(13), 다중양자우물구조인 활성층(15) 및, p형 AlGaN 또는 p형 GaN로 이루어진 제2 질화물 반도체층(17)을 포함한다. 메사에칭된 제2 질화물 반도체층(17) 상면에는 n형 전극(19a)이 형성되며, 상기 제1 질화물 반도체층(13) 상면에는 투명전극층(18)과 p형 전극(19b)이 차례로 형성된다.
여기서, 다중 양자 우물구조로 이루어진 활성층(15)은 일반적으로 언도프된 GaN 장벽층(15a)과 언도프된 InGaN 양자우물층(15b)이 교대로 적층된 구조로 이루어진다. 상기 다중양자우물구조의 활성층(15)은 도1b에 도시된 에너지밴드갭(Eg)분포와 같이, 밴드갭이 큰 GaN 장벽층으로 양면에 형성된 복수개의 InGaN 양자우물층을 갖는 구조로 설명될 수 있다.
이와 같이, 다중양자우물구조를 구성하기 위해서, 활성층(특히, 양자우물층)은 인듐(In)을 포함하며, 최근에 컬러디스플레이응용에 사용되는 505㎚ 및 525㎚파장의 LED에서는 보다 장파장영역을 얻기 위해서 In 함량이 20%이상인 활성층이 요 구된다.
하지만, InN은 GaN보다 높은 증기압을 가지므로, 높은 In함량을 보장하면서 고품질의 결정성장을 얻는 것은 매우 어려운 문제로 인식되어 왔다. 특히, InGaN 양자우물층 내에 In성분은 표면으로 부유하는 성질과 편석되는 경향이 있으므로, 성장방향에 따라 In함량이 증가되는 분포를 갖게 된다. 따라서, InGaN 양자우물층은 수직방향으로 불균일한 In함량분포(상부측 In함량 > 하부측 In함량)를 가지며, 이로 인해 계면특성의 열화 및 포텐셜의 불균일도가 증가한다. 그 결과, LED소자 또는 LD소자에 적용시에, 발광이 변하거나, 발광효율이 저하되는 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제는 In함량이 높은 장파장을 위한 활성층에서 보다 심각한 문제로 제기되고 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 In을 함유한 양자우물층 또는 양자장벽층 중 적어도 일 층의 하부에 In웨이팅층 또는 InN층을 형성함으로써 그 상부에 배치된 양자우물층 또는 양자장벽층의 인듐분포를 균일하게 유지하면서도 결정성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,
질화물 반도체 성장을 위한 기판과, 상기 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, In을 함유한 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어진 양자우물구조를 갖는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하며, 상기 In을 함유한 양자우물층 하부에 형성된 InN층을 포함한 질화물 반도체 소자를 제공한다.
바람직하게는, 상기 InN층 또는 상기 In웨이팅층의 두께는 적어도 1 원자층(ML) 두께이상이며, 약 50Å이하의 범위를 갖도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태는 상기 활성층은 복수개의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 형성된 다중양자우물구조를 가지며, 이 경우에, 상기 InN층 또는 상기 In웨이팅층은 상기 복수의 양자우물층 중 적어도 하나의 양자우물층 하부에 형성된다. 또한, 상기 InN층은 상기 복수의 양자우물층 중 최하부의 양자우물층 하부에 형성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 InN층 또는 상기 In웨이팅층은 상기 복수의 양자우물층 하부에 모두 형성된다.
또한, 상기 양자장벽층은 In을 함유한 경우에는, 상기 InN층은 상기 양자장벽층의 하부에 추가적으로 형성될 수 있다.
나아가, 본 발명은, 기상증착법을 이용하여 질화물 반도체 소자 제조방법을 제공한다. 상기 방법은, 질화물 반도체 성장을 위한 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 In을 함유한 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어진 양자우물구조를 갖는 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층 상에 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 활성층을 형성하는 단계는, 적어도 In을 함유한 양자우물층을 형성하기 전에 다른 원료가스공급을 중단하고, In원료가스만 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 소자 구조를 나타내는 측단면도이다.
도2에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자(20)는 사파이어 기판(21), n형 GaN로 이루어진 제1 질화물 반도체층(23), 다중양자우물구조인 활성층(25) 및, p형 AlGaN 또는 p형 GaN로 이루어진 제2 질화물 반도체층(27)을 포함한다. 메사에칭된 제2 질화물 반도체층(27) 상면에는 n형 전극(29a)이 형성되며, 상기 제1 질화물 반도체층(23) 상면에는 투명전극층(28)과 p형 전극(29b)이 차례로 형성된다. 상기 기판(21)은 사파이어기판에 한정되지 않으며, 동종인 GaN기판 또는 SiC기판과 같은 공지된 질화물 단결정 성장용 기판을 사용할 수 있다.
상기 다중 양자 우물구조로 이루어진 활성층(25)은 언도프된 GaN 장벽층(25a)과 언도프된 InGaN 양자우물층(25b)이 교대로 적층된 구조를 가지며, 각각의 InGaN 양자우물층(25b) 하부에는 InN층(26)이 제공된다.
상기 InN층(26)은 InGaN로 이루어진 양자우물층(25b)의 In조성의 불균일도를 완화하고, 계면의 결정성을 향상시키는 역할을 한다. 즉, InGaN 양자우물층(25b)은 성장시에 In성분의 부유현상으로 인해 In함량이 하부에서 낮아지만, 본 발명에서는 InGaN 양자우물층(25b)의 하부에 위치한 InN층(26)의 In성분이 각 양자우물층(25b)의 하부 결함부분에 편석되어 In함량의 불균일도를 개선한다. 추가적으로 상기 InN층(26)은 양자우물층 성장전에 성장면(예, 양자장벽층)에 발생된 결함부분에 In이 편석되어 계면의 결정성을 향상시킴으로써 보다 우수한 결정성을 갖는 양자우물층(25b)을 형성할 수 있다.
본 발명에 채용되는 InN층(26)의 두께는 1원자층(ML)두께이상으로 형성하되, 50Å이하로 형성한 것이 바람직하다. 상기 InN층(26)의 두께가 1ML보다 작은 경우에는 In의 고의적 편석을 통한 양자우물층(25b)의 충분한 개선효과를 기대하기 어려우며, 50Å보다 두꺼운 경우에는 활성층의 특성을 저하시킬 우려가 있다.
본 실시형태에서는, 바람직한 예로서 상기 InN층(26)을 모든 양자우물층(25b)의 하부에 배치된 형태를 예시하였으나, 일부의 양자우물층(25b)의 하부에만 선택적으로 배치할 수도 있다. 다만, 하나의 양자우물층(25b) 하부에 배치하는 경우에는 결정성향상측면에서, 최하부의 양자우물층(25b)에만 배치하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 질화물 반도체는 MOCVD 또는 MBE와 같은 기상증착법을 이용하여 성장되며, 이 경우에 반응기 내로 유입되는 소스가스에 대한 셔터의 개폐를 조정함으로써 본 발명에서 채용되는 InN층을 용이하게 형성할 수 있다.
도3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 제조방법의 활성층 성장공정에 적용되는 셔터시퀀스의 일예이다.
도3과 같이, InGaN인 양자우물층과 GaN인 양자장벽층으로 구성된 활성층을 형성할 때에, 암모니아(NH3)분위기가 유지되는 반응기 내에서 일정시간(tp)동안 트리메틸갈륨(TMG)을 공급하지 않고 트리메틸인듐(TMI)을 제공함으로써 본 발명에 따른 InN층을 형성하고, 이어 트리메틸인듐과 함께 트리메틸갈륨을 제공함으로써 InGaN 양자우물층을 형성한다. 다음으로 ti시간동안 성장을 중단한 후에, 다시 트리메틸인듐의 공급을 중단하고, 트리메틸갈륨만을 공급함으로써 GaN 우물층을 형성한다. 이와 같은 공정을 반복함으로써 도2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다중양자우물구조의 활성층을 제조할 수 있다.
또한, 도3에 예시된 시퀀스와 달리, In 소스가스만 공급하여 In 웨이팅층을 형성함으로써 유사한 효과를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해, 본 발명의 작용과 효과를 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예)
본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 결정성 및 발광효율 향상을 확인하기 위해서, 본 발명에 따라 질화물 반도체 소자를 암모니아분위기의 반응기내에서 MOCVD법으로 제조하였다.
우선, 사파이어기판에 GaN 저온핵성장층을 형성한 후에, n형 GaN층을 형성하였다. 이어, 상기 n형 GaN층 상에 활성층을 형성하였다. 상기 활성층은 서로 교대로 형성된 5쌍의 InGaN 양자우물층과 GaN 양자장벽층로 이루어진 다중양자우물구조로 형성하였다. 여기서, 각 양자우물층은 3분 30초동안 트리메틸갈륨과 트리메틸인듐을 각각 64 μmol/min과 70 μmol/min로 공급하여 6㎚두께의 In0.39Ga0.61N로 형성하였으며, 각 양자장벽층은 11분 30초동안, 트리메틸갈륨을 64 μmol/min로 공급하여 10㎚두께의 GaN로 형성하였다.
다만, 하나의 시편에서는 본 발명에 따른 InN층이 없이 상술된 공정에 따라 종래와 동일한 방식으로 활성층을 형성하였으며, 다른 3개의 시편에 대해서는, 본 발명에 따른 InN층을 형성하되, 양자우물층의 형성 전에 트리메틸인듐만을 공급하는 시간(tp)을 0.1분, 0.3분, 0.5분으로 각각 달리하여 활성층을 형성하였다.
이어, 얻어진 4개의 활성층 상에 각각 p형 GaN층을 형성한 후에, 동일한 방식으로 메사에칭한 후에 p측 및 n측 전극을 형성하였다.
이와 같이 제조된 4개의 질화물 반도체 소자에 대해서, 각 활성층의 결정성 및 PL특성을 측정하였다.
우선, 본 실시예로 얻어진 InGaN/GaN 다중양자우물구조 활성층의 X선 회절측정결과를 도4의 그래프에 도시되어 있다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 InN층을 채용하지 않은 활성층(tp=0)에 비해 양자우물층 형성 전에 InN층을 채용한 실시예(tp=0.1,0.3,0.5)에서 2차 초격자 피크가 보다 뚜렷하게 나타냄을 확인할 수 있다. 특히, InN층 성장시간, 즉 InN층의 두께가 증가할수록 결정성이 보다 향상되었다. 이는 InN층의 In성분이 성장면을 제공하는 층(예, 양자장벽층)에 발생된 결함에 편석되어 전위의 전파를 방지함으로써, 후속 성장되는 양자우물층의 결정성을 향상시킬 수 있다.
도5는 본 실시예에서 제조된 4개의 InGaN/GaN 다중양자우물구조 활성층의 포토루미네센스(PL)강도측정결과를 나타내는 그래프이다.
도5를 참조하면, 본 발명에 따른 InN층을 채용하지 않은 활성층(tp=0)에 비해 양자우물층 형성 전에 InN층을 채용한 실시예(tp=0.1,0.3,0.5)에서 약 500㎚대역에서 보다 강한 피크를 나타냄을 확인할 수 있다. 특히, InN층 성장시간, 즉 InN층의 두께가 증가할수록 PL특성이 보다 향상되었다. 이는 도4에서 설명된 양자우물층의 결정성 향상과 함께, InGaN인 양자우물층 내에 In의 균일한 분포에 의한 것으로 판단된다.
이어, 본 실시예에서 제조된 질화물 반도체 소자 중 3개의 시편(tp= 0, 0.3, 0.5min)에 대해 전압-전류특성을 측정하여 그 결과를 도6의 그래프로 도시하였다.
도6에 도시된 바와 같이, InN층을 채용하지 않은 활성층(tp=0)에 비해 InN층을 채용한 실시예(tp=0.3,0.5)에서 보다 높은 기울기를 갖는 I-V커브를 나타내었다. 이는 보다 낮은 직렬저항을 갖고 있어, 낮은 구동전압을 가질 수 있다는 것을 나타낸다. 특히, InN층의 성장시간, 즉 InN층의 두께가 증가할수록 전압-전류특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따라 양자우물층의 하부에 InN층을 채용함으로써, 양자우물층 내의 In함량분포를 균일하게 유지하면서, 그 계면에 발생된 결함을 InN층으로부터 편석되는 In성분과 결합시킴으로써 전위전파를 억제할 수 있으므로, 양자우물층의 결정성을 개선할 수 있다. 이로써 질화물 반도체 소자의 결정성 및 발광효율의 특성을 향상시킬 수 있다.
상기한 실시형태는 활성층 중 양자우물층에 한하여 In을 포함한 예로서 설명되어 있으나, 양자장벽층에도 In성분이 포함되는 경우에, 양자우물층의 하부에 채용되는 InN층과 유사하게, 양자장벽층의 하부에도 InN층을 형성하여 양자장벽층 내의 In분포의 균일도를 향상시키는 동시에 양자장벽층의 결정성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 양자우물층 및 양자장벽층이 모두 In을 포함한 활성층에 본 발명의 InN층을 적용한 실시형태가 도7에 도시되어 있다.
도7을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(30)는 도2와 유사하게 사파이어 기판(31), n형 GaN로 이루어진 제1 질화물 반도체층(33), 다중양자우물구조인 활성층(35) 및, p형 AlGaN 또는 p형 GaN로 이루어진 제2 질화물 반도체층(37)을 포함한다. 메사에칭된 제2 질화물 반도체층(37) 상면에는 n형 전극(39a)이 형성되며, 상기 제1 질화물 반도체층(33) 상면에는 투명전극층(38)과 p형 전극(39b)이 차례로 형성된다.
본 실시형태에서, 상기 활성층(35)은 언도프된 Inx1Ga1-x1N 장벽층(35a)과 언도프된 Inx2Ga1-x2N 양자우물층(35b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조를 갖는다(다만, x1<x2d임), 또한, 상기 양자장벽층(35a)와 상기 양자우물층(35b) 하부에는 각각 InN층(36a,36b)이 제공된다. 상기 InN층(36a,36b)은 양자장벽층(35a)와 양자우물층(35b)의 In조성의 불균일도를 완화하고, 계면의 결정성을 향상시키는 역할을 한다.
또한, 본 실시형태에서는 모든 양자장벽층(35a)과 모든 양자우물층(35b)의 하부에 InN층(36a,36b)이 제공된 형태로 도시되어 설명되어 있으나, 일부 양자장벽층(35a) 또는 일부 양자우물층(35b)에만 선택적으로 배치할 수도 있다. 다만, 양자우물층(35b)이 보다 많은 In함량을 가지고 있어 부유현상에 따른 불균일문제가 심각하므로, 본 발명에 따른 InN층은 양자우물층(35b) 하부에서 보다 큰 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 양자우물층의 하부에 InN층을 채용한 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에 따르면, 양자우물층 내의 In함량분포를 균일하게 유지하는 동시에, 그 계면에 발생된 결함을 InN층으로부터 편석되는 In성분과 결합시켜 이를 통해 전위전파를 억제시킴으로써, 양자우물층의 결정성을 개선할 수 있다. 그 결과, 우수한 결정성과 발광효율특성을 갖는 질화물 반도체 소자를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 질화물 반도체 성장을 위한 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층;
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, In을 함유한 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어진 양자우물구조를 갖는 활성층; 및,
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하며,
    상기 In을 함유한 양자우물층 하부에 형성된 InN층을 포함하며, 상기 InN층의 두께는 적어도 1 원자층(ML) 두께이상이며, 50Å이하의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 복수개의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 형성된 다중양자우물구조이며,
    상기 InN층은 상기 복수의 양자우물층 중 적어도 하나의 양자우물층 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 InN층은 상기 복수의 양자우물층 중 최하부의 양자우물층 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 InN층은 상기 복수의 양자우물층 하부에 모두 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 양자장벽층은 In을 함유하며,
    상기 양자장벽층의 하부에 형성된 InN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.
  7. 기상증착법을 이용하여 질화물 반도체 소자 제조방법에 있어서,
    질화물 반도체 성장을 위한 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 In을 함유한 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어진 양자우물구조를 갖는 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 활성층을 형성하는 단계는, 적어도 In을 함유한 양자우물층을 형성하기 전에 질소소스가스를 제외한 다른 소스가스의 공급을 중단하고, In 소스가스만 공급함으로써 적어도 1 원자층(ML) 두께 이상이며 50Å이하의 범위의 두께를 갖는 InN층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자 제조방법.
  8. 삭제
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