KR100638662B1

KR100638662B1 - 질화물계 반도체 발광소자 및 제조방법

Info

Publication number: KR100638662B1
Application number: KR20040087214A
Authority: KR
Inventors: 조동현
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-10-30
Also published as: KR20060038066A

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며 비정질 또는 다결정질의 질화물로 이루어진 중간층과, 상기 중간층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함한 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기한 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

질화물계 반도체(nitride based semiconductor), 발광소자(light emitting diode: LED), GaN(gallium nitride)

Description

질화물계 반도체 발광소자 및 제조방법{NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}

도1은 종래의 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11,21: 사파이어 기판 12,22: 버퍼층

13,23: n형 질화물 반도체층 15,25: 활성층

26: 비정질 또는 다결정 중간층 17,27; p형 질화물 반도체층

19a,29a: n측 전극 19b,29b: p측 전극

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 p형 클래층의 결정성을 향상시킴으로써 활성층으로의 정공주입효율을 개선한 우수한 발광효율을 갖는 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하여 풀컬러 구현을 가능하게 한 고출력 광소자로서, 관련 기술분야에서 크게 각광을 받고 있다.

질화물계 반도체 발광소자에 구성하는 물질은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 단결정이며, 이러한 반도체 단결정은 유기화학기상증착법(MOCVD)등의 결정성장방식을 이용하여 사파이어, SiC와 같은 기판 상에서 성장될 수 있다. 질화물계 반도체 발광소자는 p형 및 n형 질화물반도체층과 그 사이에 형성된 활성층으로 이루어진다. 종래의 질화물계 반도체 발광소자의 일형태가 도1에 도시되어 있다.

도1을 참조하면, 종래의 질화물계 반도체 발광소자(10)는, 사파이어 기판(11)과 그 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(12), n형 질화물 반도체층(13), 언도프된 활성층(15) 및 p형 질화물 반도체층(17)을 포함한다. 또한, 상기 발광소자(10)는 상기 n형 질화물 반도체층(13)과 상기 p형 질화물 반도체층(17)에 각각 접속된 n측 및 p측 전극(19a,19b)을 포함한다. 상기 활성층(15)은 GaN인 양자장벽층과 InGaN인 양자우물층을 복수회 교대로 적층한 다중양자우물구조일 수 있다.

각 전극(19a,19b)에 소정의 전류가 인가되면, n형 질화물 반도체층(13)으로부터 제공되는 전자와 p형 질화물 반도체층(17)으로부터 제공되는 정공이 다중양자 우물구조의 활성층(15)에서 재결합되어, 녹색 또는 청색에 해당하는 단파장광을 방출하게 된다.

상기 GaN/InGaN 활성층(15)은 AlGaN 또는 GaN인 p형 질화물반도체층(17)과의 격자상수 차이에 의한 스트레스가 발생되고, 압전필드가 발생되어 재결합효율을 낮아지는 문제가 있다.

또한, 상기 사파이어기판(11)과 질화물반도체는 그 격자상수의 차이가 크므로, 사파이어기판(11) 상에 버퍼층(12)을 형성하더라도, 많은 결정결함이 발생된다. 특히, 이러한 결정결함을 성장방향에 따라 증가하는 경향을 가지므로, 일반적으로 p형 질화물 반도체층(17)은 가장 취약한 결정성을 갖는다. 특히, 정공이동도(hole mobility)가 전자이동도(electron mobility)보다 낮다는 사실을 감안할 때에, p형 질화물 반도체층(17)의 결정성 저하로 인한 정공의 주입효율이 저하문제를 심각하며, 결과적으로 재결합효율이 크게 감소되어 소자의 광효율에 상당히 낮아지게 된다.

따라서, 당 기술분야에서는 p형 질화물 반도체층과 활성층 사이의 계면을 개선하여 활성층의 분극현상을 저감시키는 동시에 정공의 주입효율을 향상시킬 수 있는 고효율의 질화물계 반도체 발광소자가 요구되어 왔다.

본 발명은 상술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 p형 질화물 반도체층과 활성층 사이에 비정질 또는 다결정성의 중간층을 형성함으 로써 계면스트레스에 의한 분극현상이 감소되고 p형 질화물 반도체층의 결정성이 향상된 개선한 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,

기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며 비정질 또는 다결정질의 질화물로 이루어진 중간층과, 상기 중간층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함한 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

바람직하게, 상기 중간층의 두께는 0.5∼4㎚며, 보다 바람직하게는 상기 중간층은 1∼3㎚일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 상기 중간층은 상대적으로 높은 저항을 갖는, 언도프된 질화물층일 수 있다. 따라서, 상기 중간층은 전류확산효과를 향상시키는 기능을 추가적으로 기대할 수 있다.

본 발명의 일실시형태에서, 상기 p형 및 n형 질화물반도체층과 상기 활성층은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0 ≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0 ≤x+y≤1)을 만족하는 질화물층으로 이루어지며, 상기 중간층은 Al_x1In_y1Ga_(1-x1-y1)N(0 ≤x₁≤1, 0 ≤y₁≤1, 0 ≤x₁+y₁≤1)일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층 상에 비정질 또는 다결정질의 질화물로 이루어진 중간층을 형성하는 단계와, 상기 중간층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 제공한다.

바람직하게, 상기 중간층을 형성하는 단계는 550∼700℃의 온도에서 실시된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도2와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자(20)는, 버퍼층(22)이 형성된 사파이어 기판(21)과 그 사파이어 기판(21)의 버퍼층(22) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(23), 언도프된 활성층(25) 및 p형 질 화물반도체층(27)을 포함한다. 상기 반도체 발광소자(20)는 상기 n형 질화물반도체층(23)과 상기 p형 질화물 반도체층(27)에 각각 접속된 n측 및 p측 전극(29a,29b)을 포함한다.

본 발명에 따른 발광소자(20)는 상기 활성층(25)과 상기 p형 질화물 반도체층(27) 사이에 비정질 또는 다결정질의 질화물로 이루어진 중간층(26)을 포함한다. 상기 중간층(26)은 상기 활성층(25)까지 전파된 전위나 결정결함의 추가적인 전파를 차단하고 표면모폴로지를 개선함으로써, 보다 양질의 p형 질화물 반도체층(27)이 성장할 수 있는 조건을 제공한다. 또한, 상기 중간층(26)은 p형 질화물 반도체층(27)과 활성층(25)의 격자상수 차이에 의한 스트레스를 완화시켜 압전필드(piezoelectric field)에 의한 분극현상을 저감시킬 수 있다.

본 발명에서 채용하는 중간층(26)은 질화물 반도체로 이루어진 비정질 또는 다결정층이며, 상기 중간층(26)의 두께(t)는 약 0.5∼4㎚범위인 것이 바람직하다. 0.5㎚미만일 경우에는 그 효과가 미약하며, 4㎚를 초과하는 경우에는 상기 중간층(26)의 비결정성으로 인해 오히려 p형 질화물 반도체층(27)의 결정성을 저해할 우려가 있다. 보다 바람직하게, 상기 중간층(22)의 두께는 약 1∼3㎚범위일 수 있다.

상기 중간층(26)은 MOCVD와 같은 질화물성장공정을 이용하여 활성층(약 1100℃의 성장온도)을 형성한 후에 성장온도를 낮춘 상태에서 성장공정을 지속함으로써 원하는 비정질 또는 다결정으로 형성될 수 있다. 본 발명의 중간층(26)을 형성되는 바람직한 온도는 약 550∼700℃의 범위일 수 있다.

상기 발광소자(20)를 구성하는 질화물 반도체층, 즉 p형 및 n형 질화물 반도체층(27,23)과 활성층(25)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0 ≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0 ≤x+y≤1)을 만족하는 질화물일 수 있으며, 특히 상기 활성층(25)은 GaN인 양자장벽층과 InGaN인 양자우물층을 복수회 교대로 적층한 다중양자우물구조일 수 있다.

이 경우에, 상기 중간층(26)은 이와 유사하게, Al_x1In_y1Ga_(1-x1-y1)N(0 ≤x₁≤1, 0 ≤y₁≤1, 0 ≤x₁+y₁≤1)일 수 있다.

또한, 본 발명에 채용한 중간층(26)은 상기 p형 질화물 반도체층(27)과 동일한 불순물로 도핑될 수 있으나, 바람직하게는 보다 높은 저항을 갖도록 언도프된 질화물층이다. 이러한 고저항성인 중간층(26)은 정공이 주입되는 면에 걸쳐 균일한 분산효과를 실현함으로써 오히려 동작전압을 낮추는 효과를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 본 발명에 따른 작용과 효과를 보다 상세히 설명한다.

(실시예)

본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 특성향상을 확인하기 위해서, 도2에 도시된 구조와 같이 5개의 질화물계 반도체 발광소자를 제조하였다.

우선, 사파이어기판 상에 버퍼층으로서 AlN 저온핵성장층을 형성한 후에, 4 ×10¹⁸/㎤의 불순물농도를 갖도록 1.2㎛두께의 n형 GaN 질화물 반도체층을 형성하였다. 이어, 상기 n형 클래드층 상에 5개의 In_0.15Ga_0.85N 양자우물층과 5개의 GaN 양자장벽층로 구성된 다중양자우물구조의 활성층을 형성하였다.

이어, 하나의 샘플(A)에 대해서는 상기 활성층 상에는 5 ×10¹⁷/㎤의 불순물농도를 갖는 약 1.2㎛ 두께의 p형 GaN 질화물 반도체층을 형성하였으며, 다른 4개의 샘플(B,C,D,E)에 대해서는, 본 발명에 따른 중간층으로서, 약 57.1Å/min의 성장속도로 언도프된 비정질 GaN물질을 형성하되, 각각 표1에 기재된 바와 같이 다른 성장온도와 두께로 형성한 후에, 상기 샘플(A)와 동일한 p형 질화물 반도체층을 형성하였다.

끝으로, 각 샘플에 대해, 동일한 조건으로 n형 질화물 반도체층의 일부상면이 노출되도록 메사에칭을 실시하고, 동일한 물질로 n측 및 p측 전극을 형성하였다.

본 발명에서 채용한 중간층으로 인한 발광효율의 개선효과와 바람직한 중간층의 조건을 확인하기 위해서, 각 샘플에 대해서 PD피크강도를 측정하였다.

아래의 표1은 각 샘플에 대한 성장조건(성장온도 및 두께)와 그에 따른 피크강도의 측정결과를 나타낸다.

	A	B	C	D	E
성장온도(℃)	520	520	640	640	640
중간층두께(㎚)	0	5	5	3	1
PD피크강도(arb.)	411	405	354	429	430

상기한 표1에 나타난 바와 같이, 종래의 발광소자와 같이 중간층을 채용하지 않은 샘플A에서는 411로 나타났으며, 오히려, 두꺼운 두께로 제공된 샘플B와 C에 서는 오히려 낮아지는 문제가 있으나, 본 발명에서 제시한 바람직한 두께(3㎚,1㎚)와 온도(640℃)로 성장된 중간층을 포함한 발광소자(C,D)는 429,430으로 나타났다. 이는 중간층이 p형 질화물 반도체층의 결정성을 개선하는 동시에 활성층과의 계면에서 분극현상을 완화하여 재결합효율을 향상시키는 결과로 이해될 수 있으며, 본 실시예를 통해 약 5%에 가까운 발광효율개선효과를 기대할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 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 명백할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에 따르면, p형 질화물 반도체층과 활성층 사이에 비정질 또는 다결정성의 질화물 중간층을 형성함으로써 계면스트레스에 의한 분극현상을 감소되고 p형 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 정공주입효율이 개선되는 동시에 재결합효율을 향상시켜 고효율 발광소자를 얻을 수 있다. 나아가, 상기 중간층을 언도프된 고저항성층으로서 제공하여 전류분산효과를 향상시켜 동작전압을 낮추는 효과를 추가적으로 기대할 수 있다.

Claims

기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성되며 비정질 또는 다결정질의 질화물로 이루어진 중간층; 및,

상기 중간층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함한 질화물계 반도체 발광소자．
제1항에 있어서,

상기 중간층의 두께는 0.5∼4㎚인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 중간층의 두께는 1∼3㎚인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 중간층은 언도프된 질화물층인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 p형 및 n형 질화물반도체층과 상기 활성층은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0 ≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0 ≤x+y≤1)을 만족하는 질화물층으로 이루어지며,

상기 중간층은 Al_x1In_y1Ga_(1-x1-y1)N(0 ≤x₁≤1, 0 ≤y₁≤1, 0 ≤x₁+y₁≤1)인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계;

상기 활성층 상에 비정질 또는 다결정질의 질화물로 이루어진 중간층을 형성하는 단계; 및,

상기 중간층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법．
제6항에 있어서,

상기 중간층을 형성하는 단계는 550∼700℃의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 중간층의 두께는 0.5∼4㎚인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 중간층의 두께는 1∼3㎚인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 중간층은 언도프된 질화물층인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 p형 및 n형 질화물반도체층과 상기 활성층은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0 ≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0 ≤x+y≤1)을 만족하는 질화물층으로 이루어지며,

상기 중간층은 Al_x1In_y1Ga_(1-x1-y1)N(0 ≤x₁≤1, 0 ≤y₁≤1, 0 ≤x₁+y₁≤1)인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자 제조방법.