KR100609117B1 - 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, n형 전극과, 상기 n형 전극에 접하게 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 언도프된 GaN층과, 상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스층을 제공하는 AlGaN층과, 상기 AlGaN층 상에 형성되어 있는 반사층과, 상기 반사층을 둘러싸는 형상으로 형성되어 있는 장벽층 및 상기 장벽층 상에 형성되어 있는 p형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.
질화물계 반도체 발광소자, 2차원 전자가스(2DEG)층, 반사층, 누설

Description

질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대 도시한 사진.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 질화물계 반도체 발광소자에 채용된 이종접합밴드구조를 나타낸 에너지밴드다이어그램.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 사파이어 기판 120 : n형 질화물 반도체층
130 : 활성층 140 : p형 질화물 반도체층
150 : 반사층 170 : p형 전극
180 : n형 전극 210 : 언도프된 GaN층
220 : AlGaN층 300 : 장벽층
본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동작 전압을 낮추고 전류분산 효과를 향상시키는 동시에 은과 같은 반사물질로 인해 전류가 누설되는 현상을 최소화할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물계 반도체는 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 물질(예; GaN 반도체의 경우, 약 3.4eV)로서 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하기 위한 광소자에 적극적으로 채용되고 있다. 이러한 질화물계 반도체로는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질이 널리 사용되고 있다
하지만, 상기 질화물계 반도체는 비교적 큰 에너지 밴드갭을 가지므로, 전극과 오믹접촉을 형성하는데 어려움이 있다. 특히, p형 질화물 반도체층은 보다 큰 에너지 밴드갭을 가지므로, p형 전극과 접촉부위에서 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작전압이 커져 발열량이 증가되는 문제가 있다. 또한, p형 질화물 반도체층은 질화물계 반도체 발광소자를 형성하기 위한 공정 중 식각 공정의 하나인 ICP-RIE 공정에 의해 저항이 더욱 높아지는 문제가 있다.
따라서, 질화물계 반도체 발광소자는 p형 전극 형성 시에 오믹접촉을 개선하는 방안이 요구된다.
또한, 최근에는 질화물계 반도체 발광소자의 휘도를 증가시키기 위해 반사층 소재로 각광 받고 있는 은(Ag) 등의 금속을 후면 반사층으로 채용하여 전면과는 반대면으로 방출되는 빛을 후면 반사층을 통해 앞쪽으로 반사시키고 이전의 p형 전극의 낮은 투과율로 인해 감소되고 있는 빛을 살려 광 추출 효율을 향상시키고 있다.
하지만, 상기 후면 반사층을 이루는 은(Ag) 등의 반사물질은 확산 현상이 심하므로, 누설 전류를 유발하여 발광소자의 수율 및 신뢰성을 저하시키는 문제가 있다.
따라서, 질화물계 반도체 발광소자는 후면 반사층을 이루는 반사물질의 확산을 차단하는 방안이 요구된다.
이러한 질화물계 반도체 발광소자는 크게 플립칩 발광소자(fiip chip light emitting diodes)와 수직형 발광소자(vertically structured light emitting diodes)로 분류되는데, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 상기와 같은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 문제점에 대하여 질화물계 반도체 발광소자 중 플립칩 발광소자를 예를 들어 상세히 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대 도시한 사진이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는 사파이어 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(120), 다중우물구조인 GaN/InGaN 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)을 포함하며, 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 GaN/InGaN 활성층(130)은 일부 식각(mesa etching)공정에 의하여 그 일부영역이 제거되는 바, n형 질화물 반도체층(120)의 일부상면을 노출한 구조를 갖는다.
상기 n형 질화물 반도체층(120) 상에는 n형 전극(180)이 형성되어 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 Ni/Au로 이루어진 p형 전극(170)이 형성되어 있다.
이러한 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 보다 큰 에너지밴드갭을 가지므로, p형 전극(170)과 접촉하게 되면, 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작전압이 커져 발열량이 증가되는 문제가 있다.
또한, 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 p형 전극(170) 사이에는 질화물계 반도체 발광소자의 휘도를 증가시키기 위한 후면 반사층(150)이 위치하며, 이는 그 위에 위치하는 Cr/Ni 또는 TiW 등과 같은 금속 물질로 이루어진 장벽층(160)에 의해 차단되어 있다.
그런데, 상기와 같이 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 도 2에 도시한 바와 같이, 은(Ag) 등과 같은 물질을 이용하여 후면 반사층(150)을 형성할 때, 즉, 후면 반사층 형성을 위한 리프트-오프(lift-off) 공정을 진행 시, 리프트-오프 공정에 의해 후면 반사층(150)의 끝부분에서 두께 편차가 발생한다.
그러나, 상기와 같이 후면 반사층(150)의 끝부분에서 두께 편차가 발생하게 되면, 후면 반사층(150)을 이루는 은(Ag) 등의 반사물질이 두께 편차를 이루고 있는 후면 반사층(150)과 인접한 장벽층(160)을 통해 확산되게 되며, 이는 발광소자의 누설전류를 증가시키는 요인으로 작용하는 문제가 있다.
또한, 상기 장벽층(160)은 후면 반사층(150)을 완전히 덮어서 반사물질이 외부로 확산되는 것을 방지하기 위해 p형 질화물 반도체층(140)과 접촉하고 있으나, 이는 장벽층(160)을 이루는 Cr/Ni 또는 TiW 등과 같은 금속 물질과 p형 질화물 반도체층(140)을 이루는 반도체 간의 접촉 불량으로 인하여 발광소자의 누설 전류를 더욱 증가시키는 문제가 있다. 따라서, 질화물계 반도체 발광소자의 특성 및 신뢰성이 낮아질 뿐만 아니라 수율 또한 낮아지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 동작 전압을 낮추고 전류분산 효과를 향상시키는 동시에 은과 같은 반사물질로 인해 전류가 누설되는 현상을 최소화할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 n형 전극과, 상기 n형 전극에 접하게 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 언도프된 GaN층과, 상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스층을 제공하는 AlGaN층과, 상기 AlGaN층 상에 형성되어 있는 반사층과, 상기 반사층을 둘러싸는 형상으로 형성되어 있는 장벽층 및 상기 장벽층 상에 형성되어 있는 p형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
여기서, 상기 장벽층은 상기 AlGaN층 상에 형성되어 있으며, 상기 반사층의 두께보다 높은 두께를 가지는 제1 장벽층과, 상기 제1 장벽층의 측벽 및 상기 반사층 상에 형성되어 있는 제2 장벽층으로 이루어는 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 반사층을 둘러싸고 있는 장벽층 중 상기 제1 장벽층은 언도프된 GaN과 SiO2 및 SiNx으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 구성되며, 상기 제2 장벽층은 Cr/Ni 또는 TiW로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제1 장벽층과 상기 AlGaN층과의 접착성을 우수하게 하여 접착 불량으로 인한 반사층의 반사물질 확산을 방지하기 위함이다.
또한, 상기 언도프된 GaN층은 50~500Å의 두께를 가지며, 상기 AlGaN층은 결 정성측면을 고려하여 Al의 함량이 10~50% 범위가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 AlGaN층은 2차원 전자가스층의 형성을 위해서, 50~500Å의 두께를 갖도록 형성한다.
또한, 상기 AlGaN층은 언도프된 AlGaN층 또는 Si와 같은 n형 불순물로 도핑된 AlGaN층인 것이 바람직하다.
또한, 상기 AlGaN층은 불순물로서 실리콘 또는 산소를 포함한다. 상기 산소는 Si와 같은 도너로서 작용할 수 있으며, 이러한 산소는 자연산화에 의해 함유될 수 있으나, 고의적으로 AlGaN층을 산소분위기에서 어닐링함으로써 충분한 산소함량을 확보하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 AlGaN층과 상기 반사층 사이에 접촉층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 n형 전극은 상기 활성층이 형성된 상기 n형 질화물 반도체층의 후면에 형성되어 수직형 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자를 구현하거나, 상기 n형 전극은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 상기 활성층과 일정 간격 이격되어 형성되어 있으며, 상기 활성층 및 상기 n형 전극이 형성된 상기 n형 질화물 반도체층의 후면에 형성되어 있는 기판을 더 포함하여 플립칩 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자를 구현하는 것이 가능하다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 p형 질화물 반도 체층 상에 언도프된 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스층이 형성되도록 상기 언도프된 GaN층 상에 AlGaN층을 형성하는 단계와, 상기 AlGaN층 상에 반사층과 이를 둘러싸는 형상을 가지는 장벽층을 형성하는 단계와 상기 장벽층 상에 p형 전극을 형성하는 단계 및 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 AlGaN층 상에 반사층과 이를 둘러싸는 형상을 가지는 장벽층을 형성하는 방법은 상기 AlGaN층 상에 반사층 형성 영역을 정의하는 제1 장벽층을 패터닝하는 단계와, 상기 제1 장벽층에 의해 정의된 상기 AlGaN층 상에 반사층을 형성하되, 상기 제1 장벽층의 높이보다 낮게 형성하는 단계 및 상기 제1 장벽층 및 상기 반사층 상에 제2 장벽층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 바람직하다.
또한, 상기 제1 장벽층을 패터닝하는 방법은 상기 AlGaN층 상에 언도프된 GaN층을 소정 두께 성장시키는 단계와 상기 성장된 언도프된 GaN층을 반사층 형성 영역이 정의되도록 선택식각하는 단계를 포함하거나, 상기 AlGaN층 상에 소정 두께를 가지는 실리콘 계열의 절연막을 형성하는 단계와 상기 실리콘 계열의 절연막을 반사층 형성 영역이 정의되도록 선택식각하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명은 p형 질화물 반도체층의 접촉저항을 낮추기 위해서 p형 질화물 반도체층 상에 2차원 전자가스(2DEG)층 구조를 채용한다. 특히, 2DEG 구조의 전자이동도는 매우 높으므로, 전류분산효과를 크게 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 반사층의 확산을 방지하기 위해서 측벽 장벽층과 상면 장벽 층을 구비하여 반사층을 완전하게 둘러싸서 차단하는 구조를 채용한다. 특히, 측면 장벽층은 언도프된 GaN 또는 실리콘 계열의 질화물로 이루어져 있어 하부 AlGaN층과의 접촉성이 우수하여 접촉 불량으로 인한 반사층의 확산을 방지할 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 질화물계 반도체 발광소자에 채용된 이종접합밴드구조를 나타낸 에너지밴드다이어그램이다.
도 3에 도시한 바와 같이, n형 전극(180) 상에 n형 질화물 반도체층(120)과, 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층되어 있다.
상기 n형 또는 p형 질화물 반도체층(120, 140)은 각 도전형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층일 수 있으며, 상기 활성층(130)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중우물 구조(Multi-Quantum Well)일 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 이종물질인 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)이 순차적층되어 있는 2차원 전자가스(2DEG)층(230) 구조가 형성되어 있다. 이는 p형 질화물 반도체층의 접촉저항을 낮추고 전류분산효과를 향상시키기 위한 것이다.
그러면, 이하, 도 4를 참조하여 상기와 같이, 이종물질인 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)이 순차적층되어 있는 2차원 전자가스(2DEG)층(230) 구조에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 4를 참조하면, 상기 언도프된 GaN층(210)은 AlGaN층(220)과의 에너지밴드 불연속성에 의해 그 계면에 2차원 전자가스층(230)을 갖게 된다. 따라서, 전압인가시에 상기 2차원 전자가스층(230)을 통해 n+-p+접합으로 터널링 현상이 발생되어 접촉저항을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 2차원 전자가스층(230)에서는 높은 캐리어 이동도(약 1500㎠/Vs)가 보장되므로, 전류분산효과를 보다 크게 개선시킬 수 있다.
이러한 2차원 전자가스층(230)의 바람직한 형성 조건은 상기 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)의 각 두께(t1, t2 도 5b 참조)와, 상기 AlGaN층(220)의 Al함량으로 설명될 수 있다.
보다 상세하게, 상기 언도프된 GaN층(210)의 두께(t1)는 상기 2차원 전자가 스층(230)의 터널링 현상을 고려하여 약 50~500Å 범위인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 80~200Å의 두께를 가지도록 형성하고 있다.
하다. 또한, 상기 AlGaN층(220)의 두께(t2)는 Al의 함량에 따라 변경될 수 있으나, Al 함량이 많은 경우에는 결정성이 저하될 우려가 있으므로, 상기 AlGaN층(220)의 Al 함량은 10~50%로 한정하는 것이 바람직하며, 이러한 Al 함량 조건에서, 상기 AlGaN층(220)의 두께는 약 50~500Å 범위인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 50~350Å의 두께를 가지도록 형성하고 있다.
또한, 본 발명에서 2차원 전자가스층(230)의 형성을 위한 AlGaN층(220)으로는 n형 AlGaN층뿐만 아니라, 언도프된 AlGaN층도 채용될 수 있다. 이때, n형 AlGaN층을 형성하는 경우에는, n형 불순물로서 Si를 사용할 수 있다.
또한, 상기 GaN/AlGaN층 구조에 의한 2차원 전자가스층(230)은 비교적 높은 시트캐리어농도(약 1013/㎠)가 보장되지만, 보다 높은 캐리어농도를 위해서 추가적으로 산소를 불순물로 채용할 수 있다. 상기 AlGaN층(220)에 도입된 산소는 Si와 같은 도너로 작용하므로, 도핑 농도를 증가시키고 페르미준위를 고정시키게 되어 터널링 현상을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 2차원 전자가스층(230)으로 공급되는 캐리어를 증가시켜 캐리어농도를 보다 높일 수 있으므로, 접촉저항을 한층 더 개선시킬 수 있다.
여기서, 상기 AlGaN층(220)에 도너로서 작용할 산소를 도입하는 방법은 AlGaN 물질이 산소와 반응성이 크므로, 별도의 추가적인 공정 없이 전극형성공정 등에서 자연산화에 의해 실현될 수 있다. 하지만, 충분한 산소의 도입이 필요한 경우, 예를 들어 언도프된 AlGaN층을 형성하는 경우에는, 고의적으로 별도의 산소 도입공정을 실행하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에서는 p형 질화물 반도체층(140) 상에 GaN/AlGaN 이종접합구조를 채용함으로써 2차원 전자가스층(230)을 이용한 터널링효과를 통해 접촉저항 문제를 크게 개선할 수 있다. 또한, 이러한 방안은 투과율이 낮은 Ni/Au과 같은 투명전극을 더 추가 형성하거나 p형 질화물 반도체층(140)의 불순물 농도를 과도하게 높이지 않으면서, 접촉저항과 전류주입효율을 개선시킬 수 있다.
그리고, 본 발명은, 상기 2차원 전자가스층(230) 구조를 이루는 AlGaN층(220) 상에, 질화물계 반도체 발광소자의 휘도를 높이기 위하여 은(Ag) 등의 반사물질로 이루어진 반사층(150)을 구비한다.
이때, 상기 반사층(150)은 상기 AlGaN층(220) 상에 형성되어 있으며, 장벽층(300)에 의해 둘러싸여 있는 형상을 가진다.
상기 장벽층(300)은 상기 반사층(150)의 두께보다 높은 두께를 가지는 제1 장벽층(310)과, 상기 제1 장벽층(310)의 측벽 및 상기 반사층(150) 위에 덮혀있는 제2 장벽층(320)으로 이루어져 있다. 이는 상기 반사층(150)을 이루는 은(Ag)등의 반사물질이 외부로 확산되어 누설전류를 증가시키는 것을 방지하기 위함이다. 이때, 상기 제1 장벽층(310)은 상기 AlGaN층(220) 상에 위치하기 때문에 상기 AlGaN층(220)과 접착성이 우수한 언도프된 GaN 또는 실리콘 계열의 절연물(예를 들어, SiO2 및 SiNx)로 이루어지는 것이 바람직하며, 제2 장벽층은 Cr/Ni 또는 TiW 등과 같은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명은, 상기 반사층(150)을 이루는 반사물질이 종래와 같이, 장벽층을 통해 외부로 확산되어 누설전류를 증가시키는 문제를 제거하여 질화물계 반도체 발광소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기 AlGaN층(220)과 반사층(150) 사이의 계면에는 AlGaN층(220)과 반사층(150)의 접착성을 좋게 하기 위한 접착층(도시하지 않음)이 위치하는 것이 바람직하며, 이러한, 접착층은 p형 질화물 반도체층의 실효 캐리어농도를 높일 수 있으므로, p형 질화물 반도체층을 이루고 있는 화합물 중 질소 이외의 성분과 우선적으로 반응성이 좋은 금속으로 이루지는 것이 바람직하다. 이러한 접착층으로는 예를 들어, Cr/Au, Ti/Al/Ti/Au, Ti/Al, TiW 등이 있다.
또한, 상기 AlGaN층(220)과 상기 반사층(150) 사이 또는 본 실시형태와 같이, 접착층이 있을 경우, 접착층(도시하지 않음)과 상기 반사층(150) 사이에 상대적으로 높은 투과율을 갖는 ITO 전극(도시하지 않음)을 더 포함하여, 외부방출효율을 보장하는 동시에 접촉저항을 크게 개선시킬 수 있다.
그러면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 대하여 도 5a 내지 5f와 앞서의 도 3 및 도 4를 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.
우선, 도 5a에 도시한 바와 같이, 기판(110) 상에 n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)을 순차적으로 형성한다. 상기 p형 및 n형 질화물 반도체층(120, 140) 및 활성층(130)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 물질일 수 있으며, MOCVD 및 MBE 공정과 같은 공지의 질화물 증착공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 기판(110)은 질화물반도체단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 사파이어 기판 및 실리콘카바네이트(SiC) 기판과 같은 이종 기판 또는 질화물 기판과 같은 동종 기판일 수 있다.
이어, 도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)으로 구성된 이종접합구조를 형성한다.
상기 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)은 앞서 설명한 질화물층의 증착공정이 실시되는 챔버 내에서 연속적으로 실시될 수 있다. 또한, 2차원 전자가스층(230)에 의한 터널링현상을 보장하기 위해서 언도프된 GaN층(210)의 두께(t1)는 10~100Å 범위로 하며, 상기 AlGaN층(220)은 바람직한 Al함량을 고려하여 50~250Å 범위로 하는 것이 바람직하다. 상기 AlGaN층(220)은 바람직한 Al함량을 고려하여 과도한 Al함량에 의한 결정성 저하를 방지하고자 10~50% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.
추가적으로, 상기 AlGaN층(220)은 n형 불순물인 Si가 도프된 n형 AlGaN 물질일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며 언도프된 AlGaN층을 사용할 수도 있다.
다음으로, 상기 AlGaN층(220)에 대한 어닐링 공정을 산소(O2) 분위기에서 실시할 수 있다. 본 공정은 필요에 따라 선택적으로 실행될 수 있는 공정으로, 도너로 작용하는 산소의 양을 고의적으로 증가시키는 방안으로 사용된다. 앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 결정성 향상을 위해 어닐링공정이 채용되므로, 본 발명에 따른 어닐링공정은 분위기가스를 산소로 설정함으로써 용이하게 실현될 수 있다.
이어, 도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 AlGaN층(220) 상에 반사층 형성 영역(R)을 정의하는 제1 장벽층(310)을 형성한다. 상기 제1 장벽층(310)은 언도프된 GaN 또는 실리콘 계열의 절연물을 이용하여 형성한다.
우선, 언도프된 GaN을 이용하여 형성할 경우에는, 상기 AlGaN층(220) 상에 언도프된 GaN을 성장시킨 다음, 반사층 형성 영역(R)이 정의되도록 성장된 언도프된 GaN(도시하지 않음)을 선택적식각하여 제1 장벽층(310)을 형성한다. 이때, 선택적식각 공정은, 습식 또는 건식 식각방법 모두 가능하다. 이때, 성장시킨 언도프된 GaN(도시하지 않음)은 후술하는 반사층의 두께보다 높은 두께를 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 실리콘 계열의 절연물을 이용하여 형성할 경우에는, 상기 AlGaN층(220) 상에 실리콘 계열의 절연물(예를 들어, SiO2 및 SiNx ; 도시하지 않음)을 소정 두께 형성한 다음, 반사층 형성 영역(R)이 정의되도록 실리콘 계열의 절연물을 선택적식각하여 제1 장벽층(310)을 형성한다. 이때, 역시 상기와 마찬가지로 선택적식각 공정은, 습식 또는 건식 식각방법 모두 가능하며, 실리콘 계열의 절연물(도 시하지 않음)은 후술하는 반사층의 두께보다 높은 두께를 가지는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 제1 장벽층(310)에 의해 정의된 상기 AlGaN층(220) 상에 은(Ag) 등의 반사물질을 이용하여 반사층(150)을 형성한다.
이때, 도시하지는 않았지만, 상기 반사층(150)을 형성하기 전에, 상기 AlGaN층(220)과 반사층(150)의 접착력을 우수하게 하기 위해 접착층(도시하지 않음)을 추가적으로 형성할 수도 있다.
또한, 상기 접착층을 형성할 경우, 접착층(도시하지 않음)과 상기 반사층(150) 사이에 상대적으로 높은 투과율을 갖는 ITO 전극(도시하지 않음)을 더 추가적으로 형성하여, 외부방출효율을 보장하는 동시에 접촉저항을 크게 개선시킬 수 있다.
이어, 도 5e에 도시한 바와 같이, 상기 제1 장벽층(310)의 측벽 및 상기 반사층(150)의 상면에 제2 장벽층(320)을 형성한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 상기 제1 장벽층(310) 및 제2 장벽층(320)으로 이루어진 장벽층(300)은 상기 반사층(150)을 외부와 완전히 차단하여 종래의 반사층(150)을 이루는 반사물질이 외부로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 상기 제2 장벽층(320)은 Cr/Ni 또는 TiW 등의 금속으로 형성하는 것이 바람직하다.
그 다음, 도 5f에 도시한 바와 같이, 상기 금속으로 이루어진 제2 장벽층(320) 상에 p형 전극(170)을 형성한다.
그리고, LLO 공정을 통하여 상기 사파이어 기판(110)을 제거한 다음, 상기 사파이어 기판(110)이 제거된 n형 질화물 반도체층(120) 상에 n형 전극(180)을 형성하여 수직형 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자를 형성한다(도 3 참조).
한편, 상술한 제1 실시예에서는 상기 AlGaN층 상에 반사층과 이를 둘러싸는 형상을 가지는 장벽층을 형성하는 방법으로, 반사층 형성 영역을 정의하는 제1 장벽층을 패터닝한 다음, 반사층을 형성하고, 이를 덮는 제2 장벽층을 형성하였으나, 본 변형예에서는 포토레지스트 등의 광반응 폴리머를 사용하여 반사층을 먼저 형성한 다음, 장벽층을 형성하는 것이 가능하다.
보다 상세하게 도시하지는 않았지만, 먼저, 상기 AlGaN층 상에 반사층을 형성한 다음, 상기 반사층 상에 제1 장벽층 형성 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴을 형성한 다음, 이를 식각 마스크로 상기 반사층을 식각하여 제1 장벽층 형성 영역에 해당하는 상기 AlGaN층을 드러낸다.
이어, 상기 드러난 AlGaN층 상에 상기 반사층의 높이보다 높은 높이를 가지는 제1 장벽층을 패터닝한 다음, 상기 제1 장벽층 및 상기 반사층 상에 제2 장벽층을 형성한다. 이때, 상기 제1 장벽층은 드러난 언도프된 GaN층을 소정 두께 성장시켜 형성할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참고로, 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명하기로 한다. 다만, 제2 실시예의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, n형 전극(180)이 활성층이 형성된 n형 질화물 반도체층(120)의 후면에 형성된 것이 아니라, 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140), 언도프된 GaN층(210) 및 AlGaN층(220) 등의 일부분이 제거되어 드러난 즉, 활성층이 형성된 n형 질화물 반도체층(120) 상에 n형 전극(180)이 형성되어 있으며, 그 후면에는 n형 질화물 반도체층과 접하는 사파이어 기판(110)을 더 포함한다.
즉, 제1 실시예는 수직형 발광소자(vertically structured light emitting diodes)를 예시한 것이며, 제2 실시예는 플립칩 발광소자(fiip chip light emitting diodes)를 예시한 것으로서, 이러한 제2 실시예는 제1 실시예에서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.
그러면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법에 대하여 도 7a 내지 7c와 앞서의 도 6 및 도 5a 내지 도 5f를 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.
우선, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 기판(110) 상에 n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)을 순차적으로 형성한 다음, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)으로 구성된 이종접합구조(2DEG)를 형성한다.
이어, 도 7c에 도시한 바와 같이, 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부영역이 노출되도록 상기 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)으로 구성된 이종접합구조 및 상기 p형 질화물 반도체층(140)와 활성층(130)의 일부영역을 제거하는 메사에칭(mesa etching)공정을 실시하고, 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 노출된 상면에 n형 전극(180)을 형성한다. 이는 질화물계 반도체 발광소자 중 풀립칩 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자를 형성하기 위함이다.
그 다음, 상기 n형 전극(180)의 형성 공정 이후의 Fab 공정들은 상술한 제1 실시예 및 제1 실시예의 변형예에서와 동일하게 진행되며, 단지, 제2 실시예에서는 n형 전극이 도 7c에 도시된 바와 같이 이미 형성되었기 때문에 제1 실시예와 같이 n형 전극을 형성하기 위한 상기 사파이어 기판(110)을 제거하는 LLO 공정을 생략하고, 사파이어 기판(110)은 그대로 잔존하게 한다(도 6 참조).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 p형 질화물 반도체층 상부에 언도프된 GaN/AlGaN의 이종접합구조를 채용하여 2차원 전자가스층에 의한 터널링현상을 통해 p형 질화물 반도체층의 저항은 최소화하여 질화물계 반도체 발광소자의 동작 전압을 낮추고 전류분산 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 2차원 전자가스층에 의해 높은 캐리어이동도와 캐리어농도를 보장할 수 있기 때문에 전류주입효율측면에서 탁월한 효과를 창출한다.
또한, 본 발명은 고휘도 질화물계 반도체 발광소자를 구현하기 위해 구비된 반사층의 반사물질이 외부로 확산되는 것을 방지하여 누설전류를 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명은 질화물계 반도체 발광소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에 수율 또한 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (25)

  1. n형 전극;
    상기 n형 전극에 접하게 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 언도프된 GaN층;
    상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스층을 제공하는 AlGaN층;
    상기 AlGaN층 상에 형성되어 있는 반사층;
    상기 반사층을 둘러싸는 형상으로 형성되어 있는 장벽층; 및
    상기 장벽층 상에 형성되어 있는 p형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장벽층은, 상기 AlGaN층 상에 형성되어 있으며, 상기 반사층의 두께보다 높은 두께를 가지는 제1 장벽층과, 상기 제1 장벽층의 측벽에 접하면서 상기 반사층 상에 형성되어 있는 제2 장벽층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 장벽층은 언도프된 GaN과 SiO2 및 SiNx으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 막으로 구성됨을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 장벽층은 Cr/Ni 또는 TiW로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 AlGaN층과 상기 반사층 사이에 ITO 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 AlGaN층과 상기 반사층 사이의 계면에 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 언도프된 GaN층은 50~500Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 AlGaN층의 Al 함량은 10~50%인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 AlGaN층은 50~500Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 AlGaN층은 언도프된 AlGaN층인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 AlGaN층은 n형 불순물이 도핑된 AlGaN층인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 AlGaN층은 불순물로서 실리콘 또는 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 n형 전극은 상기 활성층이 형성된 상기 n형 질화물 반도체층의 후면에 형성되어 수직형 발광소자인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 n형 전극은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 상기 활성층과 일정 간격 이격되어 형성되어 있고, 상기 활성층 및 상기 n형 전극이 형성된 상기 n형 질화물 반도체층의 후면에 형성되어 있는 기판을 더 포함하여 플립칩 발광소자인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  15. 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 언도프된 GaN층을 형성하는 단계;
    상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스층이 형성되도록 상기 언도프된 GaN층 상에 AlGaN층을 형성하는 단계;
    상기 AlGaN층 상에 반사층과 이를 둘러싸는 형상을 가지는 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 장벽층 상에 p형 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 AlGaN층 상에 반사층과 이를 둘러싸는 형상을 가지는 장벽층을 형성하는 방법은,
    상기 AlGaN층 상에 반사층 형성 영역을 정의하는 제1 장벽층을 패터닝하는 단계;
    상기 제1 장벽층에 의해 정의된 상기 AlGaN층 상에 반사층을 형성하되, 상기 제1 장벽층의 높이보다 낮게 형성하는 단계;
    상기 제1 장벽층 및 상기 반사층 상에 제2 장벽층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 장벽층을 패터닝하는 방법은, 상기 AlGaN층 상에 언도프된 GaN층을 소정 두께 성장시키는 단계와 상기 성장된 언도프된 GaN층을 반사층 형성 영역이 정의되도록 선택식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 장벽층을 패터닝하는 방법은, 상기 AlGaN층 상에 소정 두께를 가지는 실리콘 계열의 절연막을 형성하는 단계와 상기 실리콘 계열의 절연막을 반사층 형성 영역이 정의되도록 선택식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 AlGaN층 상에 반사층과 이를 둘러싸는 형상을 가지는 장벽층을 형성하는 방법은,
    상기 AlGaN층 상에 반사층을 형성하는 단계; 상기 반사층의 끝단부의 일정 영역을 제거하는 단계; 상기 반사층이 제거된 AlGaN층 상에 상기 반사층의 높이보다 높은 높이를 가지는 제1 장벽층을 패터닝하는 단계; 및 상기 제1 장벽층 및 상기 반사층 상에 제2 장벽층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 장벽층은 상기 반사층이 제거된 AlGaN층 상에 언도프된 GaN층을 소정 두께 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 AlGaN층과 상기 반사층 사이의 계면에 접착층을 형성하는 단계를 더 포 함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 AlGaN층을 형성하는 단계 후에, 산소분위기에서 상기 AlGaN층을 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 반사층 형성 전에, 상기 AlGaN층과 상기 반사층 사이에 ITO 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법
  24. 제15항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 n형 전극을 형성하는 방법은 상기 p형 질화물 반도체층 상에 언도프된 GaN층을 형성하기 전에 상기 활성층 및 상기 p형 질화물 반도체층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계와 상기 드러난 n형 질화물 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 n형 전극을 형성하는 방법은 상기 n형 질화물 반도체층에 접하는 상기 기판을 제거하는 단계와, 상기 기판이 제거된 n형 질화물 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
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