KR100608929B1 - Ⅲ―ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명은, 전계에 의해 자외선 빛의 발광시 p형 상부 접촉층에서의 자외선 빛의 흡수가 최소화되고 단일 또는 다중양자 우물구조의 전도대에서 p형 상부 접촉층의 억셉터 준위로의 전이되는 손실이 최소화되도록, p형 상부 접촉층 성장공정이 진행됨에 따라 p형 도펀트의 양을 증가시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, p형 질화갈륨 접촉층에서의 광의 흡수를 최소화할 수 있고, 다중양자 우물의 전도대에서 p형 질화갈륨 접촉층내의 억셉터 준위로 전이되는 손실을 최소화함에 따라 고효율의 자외선 발광소자를 제작할 수 있다.

자외선 발광소자, 다중양자 우물구조, p형 상부 접촉층, 도펀트

Description

Ⅲ―Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법{Method for fabricating Ⅲ-Ⅴ nitride compound semiconductor ultraviolet light-emitting device}

도 1은 일반적인 종래의 질화물 자외선 반도체 발광소자를 나타낸 개략도;

도 2는 p형 질화갈륨 접촉층 두께에 따른 발광의 세기를 측정한 그래프;

도 3은 마그네슘을 균일하게 도핑한 종래의 경우와 본 발명에 의한 경우의 온도에 따른 발광의 세기를 측정한 그래프;

도 4는 마그네슘을 균일하게 도핑한 종래의 경우와 본 발명에 의한 경우의 파장별 발광의 세기를 측정한 그래프; 및

도 5는 마그네슘을 균일하게 도핑한 종래의 경우와 본 발명에 의한 경우의 입력 전류별 발광의 세기를 측정한 그래프이다.

본 발명은 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법에 관한 것으 로서, 특히 도펀트의 양을 증가시키면서 p형 상부 접촉층을 형성한 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.

최근에 질화물 반도체를 이용한 조명용 고휘도 백색 발광소자에 많은 관심이 모아지고 있으며 그 경제적 가치 또한 크다.

고휘도 백색 발광소자를 구현하는 방법은 크게 3가지로 나뉘어 진다.

첫째, 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 내는 3개의 발광소자를 조합하여 백색을 구현하는 방법이다. 이 방법으로 하나의 백색 고휘도 발광소자를 만들기 위해서는 3가지 색 발광소자의 온도 수명이나 소자 수명 등 발광 특성을 개별적으로 제어하는 기술이 선행되어야 하므로 백색 광원 구현에 어려움이 있다.

둘째, 청색 발광소자를 광원으로 사용하여 황색 형광체를 여기시킴으로써 백색을 구현하는 방법이다. 이 방법을 이용하면 발광 효율이 우수한 반면, 연색지수(Color Rendering Index, CRI)가 낮으며 또한 전류 밀도에 따라 연색지수가 변하는 특징이 있기 때문에 태양광에 가까운 백색 고휘도 발광소자를 얻는 데 문제가 있다.

마지막으로, 자외선 발광 LED(Light Emitting Diode)를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기시켜 백색을 만드는 방법이다. 이 방법은 발광 특성이 우수하며, 연색지수 특성 또한 우수하여 태양광에 가까운 고휘도 백색 발광소자를 구현할 수 있으므로 가장 실현 가능성이 크다. 이 때, 자외선 발광소자의 효율을 높이는 문제가 가장 중요한 문제로 여겨지고 있다.

도 1은 일반적인 종래의 질화물 자외선 반도체 발광소자를 나타낸 개략도이다.

도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(20), 도핑되지 않은 중간층(30), 균일하게 도핑된 n형 접촉층(40), n형 클래드층(50), 활성층, p형 클래드층(70), p형 접촉층(80)이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 이 때, n형 접촉층(40)은 GaN으로, n형 클래드층(50)은 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)으로 이루어지며, 활성층은 Ga_1-x-yIn _xAl_yN(0≤x, y≤1, x+y<1)의 장벽층(61)과 Ga_1-x-yIn_xAl_yN(0≤x, y≤1, x+y<1)의 우물층(62)으로 구성된다. 그리고, p형 클래드층(70)은 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)으로, p형 접촉층(80)은 GaN으로 이루어진다. 이 때, Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)으로 이루어진 n형 클래드층(50) 및 p형 클래드층(70)은 생략되기도 한다. 또한, AlGaN으로 된 n형 클래드층(50)과 p형 클래드층(70)은 GaN과 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)으로 구성된 초격자층을 이용하기도 한다. 그리고, 기판으로는 GaN, SiC, GaAs, Si, ZnO 등을 사용할 수 있지만, 사파이어 위에 성장한 GaN 박막이 결정성이 양호하고 경제적이기 때문에 일반적으로 사파이어가 주로 사용되고 있다.

이 때, 일반적인 발광소자의 다중양자 우물구조에서 전기적 특성을 향상시키기 위해서는 높은 홀(hole) 농도를 갖는 p형 질화갈륨 접촉층(80)이 필수적이다. 일반적으로 자외선 발광소자의 다중양자 우물구조에서 좋은 전기적 특성을 위해서는 10¹⁸ 이상의 홀농도가 요구되고, 그 때의 깊은 준위의 도너와 억셉터에 의한 에 너지 준위는 약 2.8∼2.6eV 정도가 된다. 이것은, 자외선 발광소자의 다중양자 우물구조에서 발생하는 광의 에너지가 3eV 이상인 점을 고려하면 다중양자 우물구조에서 발생한 광이 p형 질화갈륨 접촉층을 통해 밖으로 나올 때 깊은 준위의 도너와 억셉터에 의한 준위에 의해 광의 흡수가 발생함을 의미한다.

또한, 10¹⁸ 이상의 홀농도를 갖는 p형 질화갈륨 접촉층에서 억셉터 준위가 일반적으로 자외선 발광을 하는 다중양자 우물구조의 가전자대보다 높다. 따라서 다중양자 우물구조에서 빛은 전자와 정공의 재결합에 의하여 발생하는데, 이 때 억셉터 준위가 다중양자 우물구조의 가전자대 보다 높기 때문에 일부 전자와 정공의 재결합 전에 억셉터 준위와의 재결합하게 되고, 이 현상으로 인해 자외선 광의 발광 효율도 감소하게 된다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다중양자 우물구조의 전도대에서 p형 질화갈륨 접촉층내의 억셉터 준위로의 전이와 p형 질화갈륨 접촉층에서의 광의 흡수를 감소시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법은: n형 Al_xGa_yIn_ZN(0≤x, y, z≤1)으로 이루어지는 하부 접촉층과 p형 Al_xGa_yIn_ZN(0≤x, y, z≤1)으로 이루어지는 상부 접촉층 사이에 개재되되, Al_xGa_yIn_ZN(0≤x, y, z≤1) 장벽층과 Al_xGa_y In_ZN(0≤x, y, z≤1) 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 활성층을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 자외선 발광소자의 제조방법에 있어서,

전계에 의해 자외선 빛의 발광시 상기 p형 상부 접촉층에서의 상기 자외선 빛의 흡수가 최소화되고 상기 단일 또는 다중양자 우물구조의 전도대에서 p형 상부 접촉층의 억셉터 준위로의 전이되는 손실이 최소화되도록, 온도, 압력 및 유속 중에서 선택된 적어도 하나를 조절하여 상기 p형 상부 접촉층 성장공정이 진행됨에 따라 p형 도펀트의 양을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 자외선 발광소자와 종래기술의 도시된 발광소자는 구조가 동일하므로 본 발명의 실시예에 따른 제조방법을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면 먼저, 1030℃ 이상의 고온에서 10분간 10000sccm의 수소가스를 성장장비내로 유입하여 기판(10)으로 사용된 사파이어(0001)면에 잔존하는 유기물을 제거한다. 그리고, 94마이크로몰/분의 유량으로 트리메틸갈륨을, 13000sccm의 유량으로 암모니아를 각각 유입하여 0.9분 동안 25nm 두께의 질화갈륨(GaN) 버 퍼층(20)을 기판(10) 상에 성장시킨다. 이 때의 공정온도는 550℃이며, 시간은 0.9분이다.

다음에, 105.5마이크로몰/분의 유량으로 트리메틸갈륨을, 7600sccm의 유량으로 암모니아를 각각 유입하여 도핑되지 않은 중간층(30)을 2∼3㎛ 두께로 질화갈륨(GaN) 버퍼층(20) 상에 성장시킨다. 이 때의 공정온도는 1020℃이며 성장 시간은 1시간이다.

그 다음에, 1∼2㎛ 두께의 n형 질화갈륨 접촉층(40) 형성시킨다. 이때 도펀트로서 수소가스에 10부피%로 희석된 사수소화실리콘(SiH₄)을 10∼30sccm의 유량으로 흘려준다. 이것은 n형 질화갈륨의 홀측정(hall measurement) 농도 3x10¹⁸∼7x10¹⁸/cm³에 해당한다.

본 실시예의 발광소자에서는 n형 클래드층과 p형 클래드층이 생략된 구조를 이용하였다. 또한 본 실시예에서 비교할 종래의 발광소자에서도 n형 클래드층과 p형 클래드층이 생략된 구조이다.

이어서, 25.4마이크로몰/분의 유량으로 트리메틸갈륨을, 4400sccm의 유량으로 암모니아를 각각 유입하여 n형 질화갈륨 접촉층(40) 상에 질화갈륨(GaN) 장벽층(61)을 성장시킨다.

계속해서, 10.8마이크로몰/분의 유량으로 트리메틸갈륨을, 11.08마이크로몰/분의 유량으로 트리메틸인듐을, 4400sccm의 유량으로 암모니아를 각각 유입하여 장벽층(61) 위에 2nm 두께의 질화인듐(InGaN) 우물층(62)을 성장시킨다. 이 때의 공 정온도는 800℃이다.

우물층(62)상에 장벽층(61)을 다시 형성한다.

본 실시예에서는 장벽층과 우물층을 5번 주기적으로 반복되었다.

그리고, 105.5마이크로몰/분의 유량으로 트리메틸 갈륨을, 7600smm의 유량으로 암모니아를, 그리고, 비시사이클로펜다이에닐 마그네슘을 유입하여 상기 다중양자 우물구조 위에 0.1㎛ 두께의 p형 질화갈륨 접촉층(80)을 유기금속화학기상증착법 또는 분자선 에피탁시를 이용하여 성장시킨다. 이 때 공정시간은 5분인데, 비시사이클로펜다이에닐 마그네슘의 양은 0 에서부터 분당 0.35마이크로몰씩 선형 또는 계단형으로 증가시킨다. 한편, 비시사이클로펜다이에닐 마그네슘의 양을 지수함수적 또는 불연속적으로 증가시킬 수도 있다. 비시사이클로펜다이에닐 마그네슘의 양을 증가시키는 방법은 일반적인 공정조건인 온도, 압력 및 유속 중에서 선택된 적어도 하나를 조절함으로써 할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 p형 질화갈륨 접촉층(80)을 0.1㎛ 두께로 성장시켰지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니고, 0.1~0.3㎛ 두께로 성장시킬 수 있다.

도 2는 p형 질화갈륨 접촉층 두께에 따른 발광의 세기를 측정한 그래프이다.

도 2를 참조하면, 발광 파장은 385nm로서 자외선 영역임을 알 수 있다. 그리고, p형 질화갈륨 접촉층의 두께가 0.25㎛에서 0.1㎛로 줄어드는 동안 다중양자 우물구조에서 발생한 광의 세기가 현저히 증가하며, p형 질화갈륨 접촉층의 두께가 0.1㎛로 되었을 때 비로소 파장이 385nm인 자외선 영역의 피크가 두드러지는 것을 알 수 있다. 이것은 p형 질화갈륨 접촉층의 두께가 줄어듦에 따라 p형 질화갈륨 접촉층내의 깊은 준위 도너와 억셉터의 에너지 준위에 의해 형성된 에너지밴드에 의해 광의 흡수가 현저히 줄어들기 때문이다. 즉, p형 질화갈륨 접촉층내의 깊은 준위 도너와 억셉터의 에너지 준위가 다중양자 우물구조에서 발생된 빛의 흡수층으로 작용하는 데, 본 발명과 같이 도펀트의 양을 점차 증가시키면서 p형 질화갈륨 접촉 층을 성장시키면 광의 흡수를 감소시킬 수 있는 것이다.

도 3은 마그네슘을 균일하게 도핑한 종래의 경우와 본 발명에 의한 경우의 온도에 따른 발광의 세기를 측정한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 종래의 일반적인 경우에는 온도가 올라가게 되면 우물층에 속박되어 있던 전자나 정공이 열적에너지에 의해 우물층에서 밖으로 빠져나가게 되므로 광의 세기가 감소한다. 하지만, 본 발명에 의할 경우에는 종래에 의할 경우 보다 그 감소 폭이 작음을 알 수 있다. 이것은, 다중양자 우물구조에서 열적에너지에 의해 우물층 밖으로 빠져나가는 양이 같다고 볼 때 상기에서 설명한 바와 같이 다중양자 우물구조의 전도대에서 p형 질화갈륨 접촉층내의 억셉터 준위로 전이되는 현상이 본 발명에 의할 경우에는 줄어듦을 입증한다.

도 4는 마그네슘을 균일하게 도핑한 종래의 경우와 본 발명에 의한 경우의 파장별 발광의 세기를 측정한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 의할 경우에 발광소자의 발광의 세기가 크고, 일반적으로 질화갈륨 내에 결함에 의해 발생하는 걸로 알려진 600nm 파장의 황색 발광이 종래보다 줄어들었음을 알 수 있다.

도 5는 마그네슘을 균일하게 도핑한 종래의 경우와 본 발명에 의한 경우의 입력 전류별 발광의 세기를 측정한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 동일한 전류를 입력할 때 본 발명에 의할 경우가 종래의 경우보다 발광의 세기가 큼을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의할 경우에는 종래의 경우보다 광추출 효율이 큰 폭으로 증가하게 됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법에 의하면, p형 질화갈륨 접촉층의 성장시에 도펀트를 증가시키면서 도핑하는 방법을 사용하므로써 광의 흡수를 최소화할 수 있고, 다중양자 우물의 전도대에서 p형 질화갈륨 접촉층내의 억셉터 준위로 전이되는 손실을 최소화함에 따라 고효율의 자외선 발광소자를 제작할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (9)

1. n형 Al_xGa_yIn_ZN(0≤x, y, z≤1)으로 이루어지는 하부 접촉층과 p형 Al_xGa_yIn_ZN(0≤x, y, z≤1)으로 이루어지는 상부 접촉층 사이에 개재되되, Al_xGa_yIn_ZN(0≤x, y, z≤1) 장벽층과 Al_xGa_yIn_ZN(0≤x, y, z≤1) 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 활성층을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 자외선 발광소자의 제조방법에 있어서,

   전계에 의해 자외선 빛의 발광시 상기 p형 상부 접촉층에서의 상기 자외선 빛의 흡수가 최소화되고 상기 단일 또는 다중양자 우물구조의 전도대에서 p형 상부 접촉층의 억셉터 준위로의 전이되는 손실이 최소화되도록, 온도, 압력 및 유속 중에서 선택된 적어도 하나를 조절하여 상기 p형 상부 접촉층 성장공정이 진행됨에 따라 p형 도펀트의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 p형 상부 접촉층은 유기금속화학기상증착법 또는 분자선 에피탁시를 이용하여 성장시키는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 상부 접촉층의 두께는 0.1∼0.3㎛인 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 도펀트는 비시사이클로펜다이에닐 마그네슘인 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 도펀트의 양을 선형적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 도펀트의 양을 계단형으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 도펀트의 양을 지수함수적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 도펀트의 양을 불연속적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.
9. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 5분 동안 상기 p형 상부 접촉층을 0.1㎛의 두께로 성장시키는 경우에, 상기 도펀트의 양을 0에서부터 분당 0.35마이크로몰씩 증가시키는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 질화물계 반도체 자외선 발광소자의 제조방법.

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