KR100662191B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 제 1 질화물 반도체층; 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 활성층 위에 형성된 delta doped 제 2 질화물 반도체층; 을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 예는, 제 1 질화물 반도체층; 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 활성층 위에 형성된 delta doped 제 2 질화물 반도체층; delta doped 제 2 질화물 반도체층 위에 형성된 제 3 질화물 반도체층; 을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계; 버퍼층 위에 인듐 도핑된 제 1 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 제 1 질화물 반도체층 위에 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 제 2 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 활성층 위에 delta doped 제 3 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 질화물 반도체 발광소자를 이루는 활성층의 결정성을 향상시키고, 광출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride semiconductor LED and fabrication method thereof}
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 종래 질화물 반도체 발광소자 제조방법에 따른 과정에서, Mg-doped p-GaN층의 단면구조 및 활성화 공정 후의 Mg 분포 특성을 설명하기 위한 도면.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법에 있어서, Mg-delta doped p-GaN층의 Cp2Mg 델타 도핑 프로세스 및 특성을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 2 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
401... 기판 403... 버퍼층
405... In-doped GaN층 407... n-GaN층
409... low mole In-doped GaN층 411... 활성층
413... Mg-delta doped p-GaN층 515... n-InGaN층
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래 질화물 반도체 발광소자의 개략적인 적층 구조 및 그 제조방법에 대하여 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
종래 질화물 반도체 발광소자는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 기판(101), 버퍼층(103), n-GaN층(105), 활성층(107) 및 p-GaN층(109)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 기판(101) 예컨대 사파이어 기판과 상기 n-GaN층(105)의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 의해서 발생하는 결정결함을 최소화시키기 위해서 저온에서 비정질의 결정상을 갖는 GaN계 또는 AlN계 질화물을 버퍼층(103)으로 형성한다. 그리고, 실리콘이 1018/㎤ 정도의 도핑농도로 도핑된 상기 n-GaN층(105)을 고온에서 제 1전극 접촉층으로 형성한다. 이후, 다시 성장온도를 낮추어 상기 활성층(107)을 형성하고, 성장온도를 다시 증가시켜 마그네슘(Mg)이 도핑된 0.1~0.5㎛의 두께 범위를 갖는 상기 p-GaN층(109)을 형성한다.
이와 같은 적층 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자는, 제 1 전극 접촉층으로 상기 n-GaN층(105)이 이용되며, 제 2 전극 접촉층으로 상기 p-GaN층(109)이 이 용되는 p-/n-접합 발광소자 구조로 구성된다.
그리고 상기 제 2 전극 접촉층의 도핑 형태에 따라 그 상부에 형성되는 제 2 전극 물질이 제한된다. 종래의 제 2 전극 물질은 높은 저항성분을 갖는 p-GaN층(109)과의 접촉저항을 감소시키고 전류 퍼짐(current spreading)을 향상시키기 위해 Ni/Au 합금 형태의 얇은 투과성 저항성 금속이 사용된다.
종래의 질화물 반도체를 이용한 p-/n- 접합 발광소자는 제 2 전극 접촉층으로 사용되는 상기 p-GaN층(109)을 형성하기 위해서 Cp2Mg 또는 DMZn 도핑원을 사용하는데, DMZn 도핑원을 사용할 경우 Zn 가 상기 p-GaN층(109) 내에 'deep energy level'로 활성화에너지가 매우 높기 때문에 바이어스 인가시 캐리어로 작용하는 홀(hole) 캐리어 농도가 1x1017/㎤ 정도로 제한되어 일반적으로 활성화 에너지 낮은 Cp2Mg MO(metal organic) 소오스를 도핑원으로 사용한다. Cp2Mg 도핑원을 사용하여 0.1~0.5㎛ 두께를 갖는 Mg-doped p-GaN층(109)을 직접 또는 Cp2Mg 유량을 순차적으로 변화시켜 성장시킬 경우, p-GaN층(109) 내에 NH3 캐리어 가스 및 도핑원에서 분리된 수소(H) 가스가 결합되어 Mg-H 복합체(complex)를 형성함으로써 ~106Ω 이상의 고저항의 절연체 특성이 나타나게 된다.
따라서, 상기 활성층(107)에서 홀과 전자의 재결합 과정(recombination process)에서 빛을 방출하기 위해서는 Mg-doped p-GaN층(109) 자체가 고저항체이므로 그대로 사용할 수 가 없어 반드시 Mg-H 복합체 결합을 깨기 위한 활성화 공정 (activation process)이 요구된다. 이러한 활성화 공정은 600~800℃ 범위 내에서 N2, N2/O2 분위기에서 열처리 공정(annealing process)을 통해서 이루어지지만, 상기 p-GaN층(109) 내에 존재하는 Mg 활성화 효율이 낮기 때문에 활성화가 진행되더라도 제 1 전극 접촉층으로 사용되는 상기 n-GaN층(105) 보다 상대적으로 매우 높은 저항 값을 갖게 된다. 실제 활성화 이후에 상기 p-GaN층(109) 내에 Mg 아토믹 농도(atomic concentration)는 1019/㎤~1020/㎤ 정도이고, 순수 캐리어 전도도(carrier conductivity)에 기여하는 홀 캐리어 농도는 1017/㎤~1018/㎤ 범위로 최대 103/㎤ 정도의 차이를 보이고 홀 이동도(hall mobility) 또한 10㎠/vsec로 매우 낮은 것으로 보고되고 있다(도 2 참조. 도 2는 종래 질화물 반도체 발광소자 제조방법에 따른 과정에서, Mg-doped p-GaN층의 단면구조 및 활성화 공정 후의 Mg 분포 특성을 설명하기 위한 도면이다).
그리고, 상기 p-GaN층(109) 내에 활성화가 완전하게 이루어지지 않고 남아 있는 Mg 아토믹 농도(atomic concentration)에 의해서 활성층에서 표면 쪽으로 발광하는 빛이 포획(trap)되거나, 고전류 인가시 상대적으로 높은 저항 값에 의해서 열을 발생시키는 원인이 되고 결국 발광소자의 수명을 단축시키게 되어 신뢰성에 치명적인 영향을 미친다. 특히, 플립칩(flip chip) 기술을 이용한 1㎜ x 1㎜ 크기의 대면적/고출력 발광소자인 경우, 기존의 20㎃ 보다 매우 높은 350㎃의 고전류가 인가되므로 그에 따라 p-/n- 접합면에서 100℃ 이상의 접합온도(junction temperature)를 발생시켜 소자의 신뢰성에 치명적인 영향을 미치고 향후 적용 제품에 한계를 갖게 하는 결과를 초래한다. 이러한 높은 열을 발생하는 원인은 기존에 제 2 전극 접촉층으로 사용되는 p-GaN층(109) 내에 캐리어(carrier)로 활성화되지 않고 남아 있는 Mg 아토믹 농도(atomic concentration)에 의한 저항 성분이 증가에 기인하고 그에 따른 거친 표면 특성에 기인하는 것이다.
종래의 p-/n- 접합 발광소자에서, 제 1 전극 접촉층으로 사용되는 상기 n-GaN층(105)은, SiH4 또는 Si2H6 유량 증가에 따른 실리콘의 도핑농도에 비례하여 결정성이 보장되는 임계 두께 내에서 5~6x1018/㎤ 범위 내에서 쉽게 제어가 가능하나, 상대적으로 제 2 전극 접촉층으로 사용되는 상기 p-GaN층(109)은 Cp2Mg 유량을 증가시켜 최대 ~1020/㎤ 이상의 Mg 원자를 도핑하더라도 실제 순수하게 캐리어로 기여하는 홀 농도(hall concentration)는 1x1017/㎤~9x1017/㎤ 범위 내에서 제한되어 비대칭적인 도핑 분포를 갖는 p-/n-접합 발광소자의 구조를 갖게 된다. 이와 같이 제 2 전극 접촉층으로 사용되는 상기 p-GaN층(109)의 낮은 캐리어 농도 및 높은 저항성분은 발광 효율을 감소시키는 결과를 초래한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 투과도, 접촉저항이 낮은 Ni/Au TM(transparent thin metal)을 적용하여 광 출력을 증가시키는 방법을 제공하고 있지만 대면적/고출력 발광소자 적용시, 신뢰성에 막대한 영향을 미치는 단점을 안고 있다. 이러한 문제점은 현재 GaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 해결하지 못한 과제로 남아 있는 실정이다.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자를 이루는 활성층의 결정성을 향상시키고, 광출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 제 1 질화물 반도체층; 상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 delta doped 제 2 질화물 반도체층; 을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 예는, 제 1 질화물 반도체층; 상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 delta doped 제 2 질화물 반도체층; 상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층 위에 형성된 제 3 질화물 반도체층; 을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 위에 인듐 도핑된 제 1 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 1 질화물 반도체층 위에 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 2 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 delta doped 제 3 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 질화물 반도체 발광소자를 이루는 활성층의 결정성을 향상시키고, 광출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서는, 종래의 제 2 전극 접촉층으로 사용되는 Mg-doped p-GaN층의 낮은 홀 캐리어 농도(hall carrier concentration)와 이동도(mobility) 그리고 p-GaN층 내에 활성화가 완전하게 이루지지 않고 남아 있는 Mg 아토믹 농도(Mg atomic concentration, Mg-H 복합체 포함)에 의한 높은 저항 성분에 의해서 발생되는 문제점을 극복하고, 질화물 반도체 발광소자의 광출력(optical power) 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
또한, 종래의 기술에서 p-GaN층 성장시 도핑원으로 사용되는 Mg 및 Zn의 도핑시 p-GaN층의 표면 거칠기(surface roughness)를 제어할 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 특히, "V" 피트 결함(pit defect)을 포함하는 활성층과 p-GaN층 초기 계면에서 "V" 피트 결함(pit defect) 내로 Mg, Zn의 내부확산에 의한 캐리어의 트랩 현상과 그에 따른 내부양자효율(internal quantum efficiency) 감소에 의한 광출력 저하 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
그리고, 본원 발명에 따른 Cp2Mg 델타 도핑(delta doping)에 의하면, 종래의 기술보다 상대적으로 매우 적은 양의 반복된 주기에 의해서 균일하게 도핑되므로 이후, p-GaN층 자체에 대한 활성화 공정의 최적화 진행으로 내부에 존재하는 Mg, Mg-H 복합체 등의 아토믹 농도(atomic concentration)를 감소시켜 저항 성분을 최 대한 억제할 수 있다. 즉, 본원 발명에 의하면 순수하게 전기 전도도(electric conductivity)에 기여하는 홀 캐리어 농도(hall carrier concentration)를 증가시켜 전자와의 재결합 확률을 증가시켜 결국 광출력을 효과적으로 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 저항 성분의 감소에 의해서 발광소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 하이 레벨(high level) 결정성장 기술을 제공하고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 제조방법에서 제시하는 p-GaN층을 성장하기 위한 Cp2Mg 델타 도핑(delta doping) 공정을 도 3a 내지 도 3c에 나타내었다.
도 3a는 성장시간에 따른 Cp2Mg 델타 도핑 플로우 레이트(delta doping flow rate)를 나타낸 것으로서, 빛을 발광하는 활성층 성장 이후 활성층 성장에서 형성된 "V" 피트 결함(pit defect)을 보호하기 위해서 200Å 미만의 도핑되지 않은 undoped GaN층을 성장하고, Cp2Mg 만을 0cc에서 1000cc로 10~200Å 두께 범위 내에서 제어하여 delta doped GaN층을 형성하였고, 상기 undoped GaN/delta doped GaN층을 한 주기로 하여 연속적으로 그 주기를 반복하여 성장된 Mg-delta doped GaN층을 나타낸 것이다. 상기 결정성장 방법에서 성장온도 및 조건은 Cp2Mg 플로우 레이트(flow rate)만을 변화시키고 결정성을 유지하기 위해서 1000℃ 및 기타조건을 고정하였다.
여기서, 상기 Mg-delta doped GaN층을 성장함에 있어, undoped GaN/delta doped GaN층으로 이루어지는 주기의 각 두께에 변화를 줄 수도 있으며, 또한 undoped GaN/delta doped GaN층으로 이루어지는 주기를 성장함에 있어 각 주기별로 도핑량에 변화를 줄 수도 있다. 이때, undoped GaN/delta doped GaN층으로 이루어지는 각 주기의 두께는 10~300Å의 범위 내에서 성장되도록 조절할 수 있다.
그리고, 도 3b는 Cp2Mg delta doped p-GaN층에 대한 결정 성장 후, 후속 활성화 공정(activation process) 전후에 대한 Mg 도핑 분포(doping profile)를 나타낸 것으로서, 후속 활성화 공전 전에 균일한 양의 Cp2Mg 델타 도핑(delta doping)을 일정한 주기로 반복적으로 진행할 경우 도핑이 되지 않은 undoped GaN층과의 경계면에서 샤프(sharp)한 Mg 도핑 분포(doping profile)를 갖게 된다. 이후 후속 활성화 공정이 진행되면서 도핑이 되지 않은 undoped GaN층 양쪽으로 Mg의 상호확산이 진행되어 Mg이 넓게 분포한 도핑 분포(doping profile)를 갖게 된다. 이러한 후속 활성화 공정을 통해서 p-GaN층 전체적으로 균일한 Mg 도핑 분포(doping profile)를 갖게 되는데, 일반적으로 undoped GaN층 적용시, 순방향 바이어스 인가시 동작전압(operating voltage)이 증가하는 경향이 있지만, 본원 발명에서는 Cp2Mg 델타 도핑(delta doping)된 p-GaN층과 undoped GaN층의 두께 제어를 통해서 효과적으로 동작전압을 3.5V 이하(20㎃)로 낮추면서 그에 따른 발광소자의 광출력을 증가시킬 수 있다.
또한, 도 3c는 Cp2Mg 델타 도핑(delta doping)된 p-GaN층의 후속 활성화 공정이후, 층내의 전기장(electric field) 분포를 나타낸 것으로서, 주기 반복으로 Cp2Mg 델타 도핑(delta doping)된 영역 내에서 상대적으로 많은 양의 홀 캐리어 농도가 분포되는 것을 볼 수 있다. 그리고, 그에 따른 포텐셜(potential)이 증가되어 전기장(electric field)이 형성되는데 이는 마치 에너지 밴드갭의 차이(AlGaN/GaN 접합)를 이용한 고속 스위칭 소자인 HEMT 구조의 2DEG(2차원 전자우물층) 처럼 포텐셜(potential) 우물이 형성됨으로써, 전자의 2차원적인 흐름을 효과적으로 제어하는 것과 마찬가지로 홀의 흐름을 균일하고 효과적으로 제어할 수 있게 된다.
또한 종래의 기술을 적용하여 성장된 p-GaN층은 자체의 높은 저항성분에 의해서 순방향 바이어스 인가시, 전극이 접촉된 면에서 부터 표면까지의 거리에 반비례하여 전류의 흐름이 급격하게 감소되는 문제점을 가지고 있지만, 본원 발명에서는 균일한 포텐셜(potential) 우물층에 의해서 보다 효과적으로 전류밀도(current density)를 증가시켜 발광 다이오드 소자의 광 출력을 향상시킬 수 있게 된다.
그러면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 실시 예를 도 4 및 도 5를 참조하여 설명해 보기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 2 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 기판(401), 버퍼층(403), In-doped GaN층(405), n-GaN층(407), low mole In-doped GaN층(409), 활성층(411), Mg-delta doped p-GaN층(413)을 포함 하여 구성된다.
먼저, 본원 발명에서는 사파이어 기판(401) 위에 고온에서 수소(H2) 캐리어 가스만을 공급하여 사파이어 기판(401) 자체를 세정(cleaning)하였다. 이후, 성장 온도를 540℃로 감소시키는 과정에서 NH3 소오스 가스를 주입하여 사파이어 기판(401) 자체를 질화처리(nitridation) 하였으며, 이때 예로서 그 처리시간은 7분으로 할 수 있다.
이어서, 1st AlInN/1st GaN/2nd AlInN/2nd GaN 구조로 구성되는 버퍼층(403)을 약 500Å 정도로 성장하였다. 여기서, 상기 버퍼층(203)은 AlInN/GaN 적층구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InxGa1-xN/GaN 적층구조, AlxInyGa 1-(x+y)N/InxGa1-xN/GaN의 적층구조 중에서 선택되어 형성될 수 있다.
그리고 성장온도를 6분 동안 1060℃까지 증가시키고, 다시 2분 동안 저온의 버퍼층(403)을 NH3 소오스 가스 및 수소(H2) 캐리어 가스가 혼합된 분위기 하에서 재결정화(re-crystallization) 하고, 동일한 성장온도에서 약 2㎛ 두께를 갖는 인듐(indium)이 도핑된 In-doped GaN층(405)을 단결정으로 성장하였다.
이후 성장온도를 1050℃로 감소시킨 후, 상기 In-doped GaN층(405) 위에 동일 성장온도에서 실리콘과 인듐이 동시 도핑된 2㎛ 두께를 갖는 n-GaN층(407)을 성장하였다. 상기 n-GaN층(407)은 제 1 전극 접촉층으로 이용된다.
또한, 상기 활성층(411)의 스트레인을 조절하기 위해서 인듐(indium) 함량이 5%(파장 480㎚)를 갖는 low-mole In-doped GaN층(409)을 750℃에서 300Å 정도로 성장시켰다(여기서 상기 인듐 함량은 1~5% 범위 내에서 조절될 수 있다). 상기 low-mole In-doped GaN층(409)은 균일한 분포를 갖는 'spiral growth mode'로 인위적으로 제어하였다. 여기서, 상기 low-mole In-doped GaN층(409)은 인위적으로 제어된 'spiral density'가 증가할수록 활성층(411)의 면적이 증가되어 발광 효율을 증가시킬 수 있는 역할도 수행하게 된다.
그리고 동일 성장온도에서, 실리콘이 도핑되지 않은 InGaN/InGaN 구조의 단일양자우물층(single quantum well, SQW)의 활성층(411)을 성장하였으며, 장벽층의 인듐 함량은 5% 미만이고 250Å 정도의 두께를 갖도록 하였다. 이때, 상기 활성층(411)은 다중양자우물층으로 형성되도록 할 수도 있다.
다시 성장온도를 1000℃까지 증가시켜 전체 두께 및 TMGa 유량은 0.1㎛ 고정하고, Cp2Mg 유량만을 0cc와 1000cc로 ON/OFF 시켜 델타 도핑(delta doping) 공정을 수행하였다. Cp2Mg 델타 도핑(delta doping)을 효과적으로 수행하기 위해서 빛을 발광하는 상기 활성층(411) 성장 후에 10~300Å 범위 내에서 도핑이 되지 않은 undoped GaN층을 먼저 성장하여 상기 활성층(411)의 표면에 형성된 "V" 피트(pit) 결정에 Mg 원자가 내부확산되지 않도록 완전하게 보호하고 10~300Å 범위 내에서 Cp2Mg 델타 도핑(delta doping) 공정을 수행하였다. 상기 Cp2Mg 델타 도핑(delta doping) 공정은 undoped GaN/delta doped GaN 구조를 한 주기로 설정하고 활성화 이후의 Mg 아토믹 농도(atomic concentration, Mg atomic과 Mg-H complex 포함)에 의한 저항성분의 감소 및 균일한 홀 캐리어 농도를 갖기 위해서 그 주기를 0.1㎛의 전체 두께 범위 내에서 연속적으로 반복하여 제 2 전극 접촉층을 갖는 p-/n- 접합구조의 발광소자를 성장하였다.
한편, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 2 실시 예는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 기판(401), 버퍼층(403), In-doped GaN층(405), n-GaN층(407), low mole In-doped GaN층(409), 활성층(411), Mg-delta doped p-GaN층(413), n-InGaN층(515)을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 제 2 실시 예에서는, 상기 설명된 제 1 실시 예에 비하여 n-InGaN층(515)이 더 형성된 점에만 차이가 있으므로, 여기서는 이에 대해서만 설명을 추가하기로 한다.
즉, 본 발명에 따른 제 2 실시 예는, 제 1 실시 예에서 설명된 p-/n- 접합구조의 발광소자를 기본으로 하여, n-/p-/n- 접합구조의 발광소자를 제조하기 위해서 상기 Mg-delta doped p-GaN층(413)을 성장한 후, 상기 n-InGaN층(515)을 성장하여 제 2 전극 접촉층으로 사용하였다.
여기서, 제 2 전극 접촉층으로 사용되는 상기 n-InGaN층(515)은, 성장온도를 800℃로 감소시켜 NH3 소오스 가스와 N2 캐리어 가스 혼합 분위기 하에서 실리콘이 도핑된 50Å의 두께를 갖도록 성장하였다. 이때, 상기 n-InGaN층(515)은 제 2 전극 접촉층으로 사용되며 인듐 함량을 제어하여 전체적으로 그에 따른 에너지 밴드갭(energy bandgap,Eg) 분포를 제어한 수퍼 그레이딩(super grading, SG) 구조를 갖도록 설계하였다.
한편, 본원 발명에 따른 Mg-delta doped p-GaN층(413)이 적용된 p-/n- 접합구조의 발광소자(제 1 실시 예) 및 n-/p-/n- 접합구조의 발광소자(제 2 실시 예)에 대하여, ICP 식각 장비를 이용하여 메사(mesa) 식각을 수행하고 330㎛ x 205㎛ 면적의 발광소자를 제작하여 Mg-delta doped p-GaN층의 전기적 특성 변화를 분석/조사하여 성능을 검증하였다.
그 결과, 순방향 바이어스에서 동작전압(20㎃)은 3.4V 이하로 기존과 동일한 수준이지만 50~100%의 광 출력이 증가하는 특성을 나타내었다. 이와 같이 광 출력이 증가되는 원인은 빛을 발광하는 활성층의 표면에 형성된 "V" 피트 결함(pit defect) 내로 Mg의 내부 확산을 억제하고, 상대적으로 종래보다 낮은 Mg 도핑 분포(doping profile)에 의해서 후속 활성화 공정 후에 층내에 남아 있는 Mg atomic(Mg-H complex 포함) 절대량이 감소되는 반면에 그에 따른 전기 전도도(electric conductivity)에 기여하는 홀 캐리어 농도가 증가하기 때문인 것으로 해석된다.
그리고, 상기 n-InGaN층(515) 위에는 투명 전극이 더 형성되며, 상기 투명 전극은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, Ni/IrOx /Au/ITO 중의 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 실시 예에서는 제 2 전극 접촉층으로 n-InGaN층(515)이 형성되는 경우를 예로 설명하였으나, 제 2 전극 접촉층으로는 n-InGaN/InGaN 초격자 구조로 형성될 수도 있다. 그리고, 상기 n-InGaN/InGaN 초격자층과 상기 Mg-delta doped p-GaN층(413) 사이에는 Si-doped GaN층이 더 형성되도록 할 수도 있다.
한편, 상기 제 1 실시 예 및 제 2 실시 예에서는 델타 도핑(delta doping) 공정에서 Mg이 델타 도핑되는 경우를 예로 설명하였다. 그러나, 유사한 방법을 통하여 Mg 뿐만 아니라, Mg-Al, Mg-Al-In 등의 물질도 델타 도핑 공정을 통하여 도핑이 수행될 수 있다. 이때, 도핑원으로는 TMAl, TMIn MO(metal organic) 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 delta doped p-GaN층은 undoped AlGaN/delta doped p-GaN 구조를 한 주기로 하여 형성될 수 있으며, 그 주기로 복수회 반복하여 성장될 수 있고, 상기 undoped AlGaN층의 두께는 10~300Å 범위 내에서 성장되며, 그 Al의 조성은 0.01~0.02 범위 내에서 성장되도록 할 수 있다.
또한, 상기 delta doped p-GaN층은 undoped InGaN/delta doped p-GaN 구조를 한 주기로 하여 형성될 수 있으며, 그 주기로 복수회 반복하여 성장될 수 있고, 상기 undoped InGaN층의 두께는 10~300Å 범위 내에서 성장되며, 그 In의 조성은 0.01~0.1 범위 내에서 성장되도록 할 수 있다.
또한, 상기 delta doped p-GaN층은 undoped GaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN 구조를 한 주기로 하여 형성될 수 있으며, 그 주기로 복수회 반복하여 성장될 수 있고, 상기 undoped AlGaN cap층은 5~200Å 범위 내의 두께로 성장되며, 그 Al 조성은 0.01~0.02의 범위 내에서 성장되도록 할 수 있다.
또한, 상기 delta doped p-GaN층은 undoped InGaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN 구조를 한 주기로 하여 형성될 수 있으며, 그 주기로 복수회 반복하여 성장될 수 있고, 상기 undoped AlGaN cap층은 5~200Å 범위 내의 두께로 성장되며, 그 Al 조성은 0.01~0.02의 범위 내에서 성장되도록 할 수 있다.
한편, 상기 제 1 실시 예 및 제 2 실시 예에 있어서, 상기 제 1 전극 접촉층인 n-GaN층은 Si-In 동시 도핑되어 형성된 n-GaN층일 수 있으며, 그 도핑농도는 1x1019/㎤~9x1019/㎤의 범위 내에서 형성되고, 그 두께는 1~4㎛ 범위 내에서 형성되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 전극 접촉층은 undoped-AlGaN/doped-GaN 초격자 구조를 한 주기로 하여, 그 주기로 복수회 반복하여 성장되도록 할 수 있으며, 전체 두께는 1~2㎛ 범위 내에서 형성되도록 할 수 있다. 이때, 상기 undoped-AlGaN층은 10~200Å 범위 내의 두께로 형성되며 Al 조성은 0.05~0.3 범위 내에서 형성되고, 상기 doped-GaN층은 200~500Å 범위 내의 두께로 형성되도록 할 수 있다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 질화물 반도체 발광소자를 이루는 활성층의 결정성을 향상시키고, 광출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (39)

  1. 제 1 질화물 반도체층;
    상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 delta doped 제 2 질화물 반도체층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제 1 질화물 반도체층;
    상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 delta doped 제 2 질화물 반도체층;
    상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층 위에 형성된 제 3 질화물 반도체층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층 하부에,
    기판;
    상기 기판 위에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 위에 형성된 인듐 도핑된 질화물 반도체층;
    이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 버퍼층은, AlInN/GaN 적층구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InxGa1-xN/GaN 적층구조, AlxInyGa1-(x+y)N/InxGa1-xN/GaN의 적층구조 중에서 선택되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 인듐 함량이 1~5%인 low mole In-doped GaN층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 활성층은 우물층과 장벽층 구조의 단일양자우물층 또는 다중양자우물층으로 구성되며, 상기 우물층과 장벽층 사이에는 SiNx 클러스터층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층은 10~300Å 범위 내에서 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층은, undoped GaN/delta doped p-GaN, undoped AlGaN/delta doped p-GaN, undoped InGaN/delta doped p-GaN, undoped GaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN, undoped InGaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN 구조 중 어느 하나로 1회 이상 반복하여 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층은, undoped GaN/delta doped p-GaN, undoped AlGaN/delta doped p-GaN, undoped InGaN/delta doped p-GaN, undoped GaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN, undoped InGaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN 구조 중 어느 하나로 한 주기의 두께가 서로 다르게 1회 이상 반복하여 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층은 그 도핑량을 변화시킨 것을 한 주기로 하여 형성되며, 그 주기로 1회 이상 반복하여 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층은 Mg delta doped GaN층, Mg-Al delta doped GaN층 또는 Mg-Al-In delta doped GaN층의 어느 한 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 undoped AlGaN층의 두께는 10~300Å 범위 내에서 성장되며, 그 Al의 조성은 0.01~0.02 범위 내에서 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 undoped InGaN층의 두께는 10~300Å 범위 내에서 성장되며, 그 In의 조성은 0.01~0.1 범위 내에서 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 undoped AlGaN cap층은 5~200Å 범위 내의 두께로 성장되며, 그 Al 조성은 0.01~0.02의 범위 내에서 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  15. 제 8항에 있어서,
    상기 undoped AlGaN cap층은 5~200Å 범위 내의 두께로 성장되며, 그 Al 조성은 0.01~0.02의 범위 내에서 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  16. 제 2항에 있어서,
    상기 제 3 질화물 반도체층은, 인듐 함량이 순차적으로 변화된 슈퍼 그레이딩(super grading, SG) 구조의 n-InGaN층 또는 n-InGaN/InGaN 초격자 구조층으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  17. 제 2항에 있어서,
    상기 제 3 질화물 반도체층과 상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층 사이에 Si-doped GaN층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  18. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층은 Si-In 동시 도핑되어 형성된 n-GaN층이며, 그 도핑농도는 1x1019/㎤~9x1019/㎤의 범위 내에서 형성되며, 그 두께는 1~4㎛ 범위 내에서 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  19. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층은 undoped-AlGaN/doped-GaN 초격자 구조를 한 주기로 하여, 그 주기로 복수회 반복하여 성장되며 전체 두께는 2㎛ 이하에서 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 undoped-AlGaN층은 10~200Å 범위 내의 두께로 형성되며 Al 조성은 0.05~0.3 범위 내에서 형성되고, 상기 doped-GaN층은 200~500Å 범위 내의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  21. 제 2항에 있어서,
    상기 제 3 질화물 반도체층 위에는 투명 전극이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 투명 전극은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, Ni/IrOx/Au/ITO 중의 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  23. 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 위에 인듐 도핑된 제 1 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 질화물 반도체층 위에 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 delta doped 제 3 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 제 3 질화물 반도체층 위에 제 4 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 버퍼층은, AlInN/GaN 적층구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InxGa1-xN/GaN 적층구조, AlxInyGa1-(x+y)N/InxGa1-xN/GaN의 적층구조 중에서 선택되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  26. 제 23항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 인듐 함량이 1~5%인 low mole In-doped GaN층이 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  27. 제 23항에 있어서,
    상기 활성층은 우물층과 장벽층 구조의 단일양자우물층 또는 다중양자우물층 으로 구성되며, 상기 우물층과 장벽층 사이에는 SiNx 클러스터층이 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 SiNx 클러스터층은 Si-delta doping 방법에 의하여 SiH4 또는 Si2H6 도핑원만을 주입하여 형성하며, 그 주입량은 상기 제 1 질화물 반도체층으로 n-GaN층을 형성하는 경우보다 2배 이상 더 공급하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  29. 제 23항에 있어서,
    상기 delta doped 제 3 질화물 반도체층은 10~300Å 범위 내에서 성장되며, Cp2Mg 또는 DMZn MO(metal organic) 소오스가 사용되어 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  30. 제 23항에 있어서,
    상기 delta doped 제 3 질화물 반도체층은, undoped GaN/delta doped p-GaN, undoped AlGaN/delta doped p-GaN, undoped InGaN/delta doped p-GaN, undoped GaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN, undoped InGaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN 구조 중 어느 하나로 1회 이상 반복하여 성장되는 것을 특 징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  31. 제 23항에 있어서,
    상기 delta doped 제 3 질화물 반도체층은 undoped GaN/delta doped p-GaN, undoped AlGaN/delta doped p-GaN, undoped InGaN/delta doped p-GaN, undoped GaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN, undoped InGaN/undoped AlGaN cap/delta doped p-GaN 구조 중 어느 하나로 한 주기의 두께가 서로 다르게 1회 이상 반복하여 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  32. 제 23항에 있어서,
    상기 delta doped 제 3 질화물 반도체층은 그 도핑량을 변화시킨 것을 한 주기로 하여 형성되며, 그 주기로 1회 이상 반복하여 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  33. 제 23항에 있어서,
    상기 delta doped 제 3 질화물 반도체층은 Mg delta doped GaN층, Mg-Al delta doped GaN층 또는 Mg-Al-In delta doped GaN층의 어느 한 층을 포함하여 형성되며, 그 도핑원으로는 Cp2Mg, DMZn MO(metal organic), TMAl, TMIn MO(metal organic) 중에서 하나 이상 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  34. 제 30항에 있어서,
    상기 undoped AlGaN층의 두께는 10~300Å 범위 내에서 성장되며, 그 Al의 조성은 0.01~0.02 범위 내에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  35. 제 30항에 있어서,
    상기 undoped InGaN층의 두께는 10~300Å 범위 내에서 성장되며, 그 In의 조성은 0.01~0.1 범위 내에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  36. 제 30항에 있어서,
    상기 undoped AlGaN cap층은 5~200Å 범위 내의 두께로 성장되며, 그 Al 조성은 0.01~0.02의 범위 내에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  37. 제 24항에 있어서,
    상기 제 4 질화물 반도체층은, 인듐 함량이 순차적으로 변화된 슈퍼 그레이딩(super grading, SG) 구조의 n-InGaN층 또는 n-InGaN/InGaN 초격자 구조층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  38. 제 24항에 있어서,
    상기 제 4 질화물 반도체층과 상기 delta doped 제 3 질화물 반도체층 사이에 Si-doped GaN층이 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  39. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 delta doped 제 2 질화물 반도체층 아래에 undoped 질화물 반도체층을 형성하고, 상기 undoped/delta doped 질화물 반도체층을 한 주기로 하여, 1회 이상 반복 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
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