KR100665301B1

KR100665301B1 - 고효율 발광소자

Info

Publication number: KR100665301B1
Application number: KR1020050058315A
Authority: KR
Inventors: 이재호; 김홍산
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-04

Abstract

본 발명은 SiN와 GaN계의 혼합상이 평면적으로 동시에 실장된 버퍼층을 특징으로 하는 발광소자에 관한 것이다. 본 발명의 발광소자는 기판과; 상기 기판의 일측에 형성된 버퍼층과; 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물반도체층과, p형 질화물반도체층과; 상기 p형 질화물반도체층 상에 형성된 p-전극과, 상기 p형 질화물반도체층과 활성층의 일부를 식각하고 노출된 n형 질화물반도체층 상에 형성된 n-전극을 포함하고, 상기 버퍼층은 x는 1 내지 5인 SiN(x)가 복수개의 입자 형태로 이루어진 상태와, 상기 입자들 사이에 형성되고 GaN계를 포함하는 2종의 혼합상 구조로 되어 있다. 본 발명에 따른 발광소자는 상기와 같은 버퍼층을 사용함으로써 전위 밀도를 감소시켜 고휘도용 구조로 적합하다.

발광소자, 버퍼층, 질화물반도체, 투명전극, 본딩패드

Description

고효율 발광소자{LIGHT-EMITTING DIODE WITH HIGH EFFICIENCY}

도 1은 종래 기술에 따른 발광소자의 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자의 단면도.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판 20: 버퍼층

30: n형 질화물반도체층 32: n-전극

40: 활성층 50: p형 질화물반도체층

52: p-전극

본 발명은 발광소자에 관한 것으로서, 자세하게는 기판과 반도체층 간의 격자 부정합으로 인해 발생하는 전위밀도를 감소시키기 위해 SiN(x)와 GaN의 혼합상 을 버퍼층으로 사용하는 발광소자에 대한 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 발광소자의 단면도로서, 종래의 발광소자는 사파이어 기판(100) 상에 GaN 또는 AlN로 된 버퍼층(120)을 형성한다. 상기 버퍼층(120) 상에는 n형 질화물 반도체층(140), 활성층(160), p형 질화물반도체층(180)을 순차적으로 형성한다. 또한, p형 질화물반도체(180)의 일부를 제거하여 n형 질화물반도체층(140)을 노출시키고, p형 질화물반도체층(180)의 표면부에는 오믹성 투명전극(182)을 증착시킨 후 열처리를 한다. 열처리 후 상부의 일부 영역에 Au계의 금속층으로 본딩패드(184)를 형성하고, 노출된 n형 질화물반도체층(140)의 일부에 n형 오믹접촉성 금속층(142)을 도포하여 본딩패드를 형성한다.

상기 n형 질화물반도체층(140)은 GaN 또는 AlGaN 또는 InGaN층 등 단일층이거나 또는 이들 각 층의 조합이 초격자의 형태로 적층된 구조로 구성되어 있고, 상기 p형 질화물반도체층(180)은 GaN 또는 AlGaN 또는 InGaN층 등 단일층이거나 또는 이들 각 층의 조합이 초격자의 형태로 적층된 구조로 구성되어 있다.

상기 활성층(160)은 InGaN층 또는 In을 포함한 질화물반도체층이 이중접합구조(Double heterostructure, DH) 또는 양자우물구조(Quantum well, QW)로 n형 질화물반도체층(140)과 p형 질화물반도체층(180) 사이에 형성되어 있다.

상기 투명전극(182)은 Ni 또는 Au 또는 그 합금으로 구성되어 있으며 열처리를 하여 형성하고, 본딩패드(184) 금속층(142)에 대해 위치는 대각선 상에 형성한다.

상기한 구조의 발광소자는 GaN 또는 AlN로 된 버퍼층을 사용하여 사파이어 기판과의 격자 부정합의 영향을 크게 받아 상당히 많은 양의 전위가 발생하여 n형 질화물반도체층까지 확장되어 활성층의 결함밀도를 상승시킨다. 또한, In을 포함하거나 InGaN만으로 형성된 활성층은 하부층에서 확장되어 올라온 고밀도의 전위결함으로부터 보호받지 못하고 내부발광효율을 저하시키는 원인이 되고, Ni계의 투명전극은 광흡수율이 높아 외부발광효율을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 질화실리콘이 혼합된 버퍼층을 사용하여 기판과 반도체층 간에 발생하는 전위 밀도를 크게 감소시키고, 활성층에서의 전위밀도도 효과적으로 감소시켜 내부발광효율을 향상시킬 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판 상에 형성되는 화합물반도체의 버퍼층으로서, 상기 버퍼층은 복수의 고립된 섬영역의 SiN(x)를 포함하는 영역과, 상기 섬영역 사이의 부분을 채우는 GaN계를 포함하는 혼합상 버퍼층을 포함하고, 상기 x는 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 버퍼층을 제공한다.

또한, 기판 상에 형성되는 화합물반도체의 버퍼층으로서, 상기 버퍼층은 복수의 고립된 섬영역의 SiN(x)를 포함하는 영역과, 상기 섬영역을 덮는 GaN계를 포함하는 혼합상 버퍼층을 포함하고, 상기 x는 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 버퍼층을 제공한다.

기판과; 상기 기판의 일측에 형성된 복수의 고립된 섬영역의 SiN(x)를 포함 하는 영역과, 상기 섬영역 사이의 부분을 채우는 GaN계를 포함하는 혼합상 버퍼층과; 상기 버퍼층 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물반도체층과, p형 질화물반도체층과; 상기 p형 질화물반도체층 상에 형성된 p-전극과, 상기 p형 질화물반도체층의 일부를 식각하고 노출된 n형 질화물반도체층 상에 형성된 n-전극을 포함한다.

기판과; 상기 기판의 일측에 형성된 복수의 고립된 섬영역의 SiN(x)를 포함하는 영역과, 상기 섬영역을 덮는 GaN계를 포함하는 혼합상 버퍼층과; 상기 버퍼층 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물반도체층과, p형 질화물반도체층과; 상기 p형 질화물반도체층 상에 형성된 p-전극과, 상기 p형 질화물반도체층의 일부를 식각하고 노출된 n형 질화물반도체층 상에 형성된 n-전극을 포함한다.

상기 n형 질화물반도체층은 기저층인 InN층과 Al(x)Ga(1-x)N층을 겹쳐 형성하거나, 기저층인 InN와 AlGaN층을 초격자층의 형태로 형성하고, 상기 x는 0≤x＜1이다.

상기 n형 질화물반도체층과 p형 질화물반도체층 사이에는, Al(1-x-y)Ga(x)NP(y) 또는 Al(1-x-y)Ga(x)NAs(y)층과 질화갈륨층을 1회 이상 반복 적층하고, 상기 x는 0≤x＜1이고, 상기 y는 0≤y＜1인 활성층을 개재한다.

상기 활성층 상에는 InN층을 도핑되지 않은 형태로 두께 2 ~ 20㎚로 하여 형성하고, 그 위에 InGaN층과 InN층을 형성하여 초격자층의 구조로 2회 이상 반복하여 초격자 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 p형 GaN을 형성하되, 상기 p형 질화물반도체층은 p형 GaN의 성장 중 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 1×10¹⁶~ 9× 10²⁰/㎤로 도핑한다.

또한, 본 발명은 기판 상에 SiN(x)가 복수의 고립된 섬영역을 이루고, 상기 섬영역 사이의 부분을 채우는 GaN계를 포함한 혼합상 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 x는 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 버퍼층의 제조 방법과,

상기 혼합상 버퍼층을 형성하는 단계는 기판 상에 실란(SiH₄) 또는 이염화실란(SiH₂Cl₂)과, 아산화질소(N₂O) 또는 암모늄(NH₄)으로 SiN(x)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버퍼층의 제조 방법과,

상기 혼합상 버퍼층을 형성하는 단계는 기판 상에 실란(SiH₄) 또는 이염화실란(SiH₂Cl₂)과, 아산화질소(N₂O) 또는 암모늄(NH₄)으로 SiN(x)층을 형성하는 단계를 포함하고 계속해서 그 위에 트리메틸갈륨 가스를 혼입하여 혼합상 버퍼층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버퍼층의 제조 방법과,

상기 혼합상 버퍼층을 형성하는 단계는 유기금속 화학증착법 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 버퍼층의 제조 방법을 제공한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

기판은 발광 다이오드를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로서, 사파이어 또는 Si 또는 SiC 또는 실리콘ㆍ사파이어와 같은 기판 중 적어도 하나를 사용할 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 사파이어로 구성된 결정 성장 기판을 예로서 설명한다.

반도체의 증착 및 성장 방법으로는 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 화학 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition, PCVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE) 등을 포함한 다양한 방법이 있으나, 본 발명의 실시예에서는 유기금속 화학 증착법을 사용한다. 상기 유기금속 화학 증착법은 유기금속 원료물질을 사용하고, 화학 반응을 이용하여 기판 상에 금속 산화막을 형성하는 박막 형성법으로서, 진공으로 된 챔버 안에서 가열된 기판에 증기압이 높은 금속의 유기 화합물 증기를 보내어 그 금속의 막을 기판에 성장시킨다. 특정 조건에서는 화합물 반도체의 결정을 에피택셜(epitaxial)층으로 성장시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자는 기판(10)과, 상기 기판 상에 형성된 버퍼층(20)과, 상기 버퍼층(20) 상에 형성된 n형 질화물반도체층(30)과, 상기 n형 질화물반도체층(30)에 형성된 활성층(40)과, 상기 활성층(40) 상에 형성된 p형 질화물반도체층(50)과, 상기 p형 질화물반도체층(50) 상에 형성된 p-전극(52)과, 상기 p형 질화물반도체층(50)과 활성층(40)의 일부를 식각하고, n형 질화물반도체층(30) 상에 형성된 n-전극(32)을 포함한다. 또한, 상기 p-전극(52) 상에 본딩패드용 전극물질(54)을 더 포함한다.

상기 버퍼층(20)은 기판(10)상에 질화물반도체의 형성을 용이하게 하기 위한 것으로서, 혼합상 버퍼층(20)으로 구성되며, SiN(x)(도면부호 20a)가 복수의 고립된 섬영역의 형태로 이루어져있고, 버퍼층(20)의 섬영역 사이의 부분을 채우는 GaN계(20b)를 포함한다.

상기 n형 질화물반도체층(30)은 기저층인 InN층과 x는 0≤x＜1인 Al(x)Ga(1-x)N층을 겹쳐 형성하거나, 기저층인 InN와 AlGaN을 초격자층의 형태로 형성한다.

상기 활성층(40)은 x는 0≤x＜1이고 y는 0≤y＜1인 Al(1-x-y)Ga(x)NP(y) 또는 Al(1-x-y)Ga(x)NAs(y)층과 GaN층으로 형성되어 활성층(40)에서 발생하는 전위 밀도를 낮출 수 있어 내부발광효율을 상승시킬 수 있다.

상기 p형 질화물반도체층(50)은 InN층을 도핑되지 않은 형태로 두께 2 ~ 20㎚로 하여 적층하고, 그 위에 InGaN층과 InN층을 적층하여 초격자층의 구조로 2회이상 적층하고, 그 위에 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)이 도핑된 p형 GaN(50b)를 적층하여 형성된다.

상기 p형 질화물반도체(50) 상에 형성되는 p-전극(52)은 투명 전도성 박막(Indium Tin Oxide, ITO)으로서, 상기 ITO 상의 일정 위치에 크롬(Cr) 및 금(Au) 또는 이들의 합금을 도포하여 본딩패드용 전극물질(54)을 형성한다.

상기 n형 질화물반도체(30) 상에 형성되는 n-전극(32)은 오믹성 금속으로서, 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 및 금(Au) 또는 이들의 합금을 도포하여 형성한다.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 내지 도 3g를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자는 우선 기판(10)을 준비하고(도 3a), 상기 기판(10) 상에 유기 금속 화학 증착법으로 실란(SiH₄) 또는 이염화실란(SiH₂Cl₂) 및 아산화질소(N₂O) 또는 암모늄(NH₄) 가스를 주입하여 기판의 표면에 x가 1 내지 5인 SiN(x)를 복수의 고립된 섬영역의 형태로 형성하고, 트리메틸갈륨(trimethyl gallium, TMG) 가스를 혼입하여 상기 섬영역 사이의 부분을 채우는 혼합상 버퍼층(20)을 형성하여, x가 1 내지 5인 SiN(x)(도면부호 20a)와 GaN계 층(20b)의 혼합상이 평면적으로 동시에 성장된 버퍼층(20)으로 형성한다(도 3b). 상기 버퍼층(20) 형성 후 InN층을 기저층으로 하고 상기 InN층 상에 AlGaN층을 형성하거나, InN와 AlGaN층을 초격자층의 형태로 n형 질화물반도체층(30)을 형성한다(도 3c). 상기 n형 질화물반도체층(30) 상에 AlGaNP 또는 AlGaNAs층과 GaN층을 1회이상 반복 적층하여 양자우물구조의 활성층(40)을 형성 한다(도 3d). 상기 활성층(40) 상에는 InN층을 도핑되지 않은 형태로 두께 2 ~ 20㎚로 형성하고, 상기 InN층 상에 InGaN층과 InN층을 형성하여 초격자층의 구조로 2회 이상 반복하여 초격자 버퍼층(50a)을 형성하고, 상기 초격자 버퍼층 상에 p형 GaN(50b)층을 적층하되 성장 중에 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn) 도핑을 1×10¹⁶~ 9×10²⁰/㎤으로 실시하여 p형 질화물반도체층(50)을 형성한다(도 3e).

상기와 같이 성장된 p형 질화물반도체층(50)과 활성층(40)의 일부를 식각하 여 n형 질화물반도체층(30)을 노출시키고(도 3f), 상기 노출된 n형 질화물반도체(30) 상에는 오믹성 금속 물질(32)을 도포하고, p형 질화물반도체층(50)의 타부에는 투명 전도성 박막(Indium Tin Oxide, ITO)으로 된 투명전극(52)을 도포하고, 상기 투명전극(52) 상의 일정 위치에 본딩패드용 전극 물질(54)을 형성한다(도 3g).

이뿐만 아니라 본 발명의 버퍼층은 GaN가 섬형태의 SiN를 덮는 형태로도 형성될 수 있다. 이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 하기 실시예에서는 앞서 설명한 일실시예와 중복되는 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자는 버퍼층(20)으로서 x가 1 내지 5인 SiN(x)가 복수의 고립된 섬영역의 형태로 이루어진 영역(20a)과, 이 섬영역을 덮는 GaN계(20b)를 포함하는 혼합상을 버퍼층(20)으로 한다.

상기 버퍼층(20)은 복수의 고립된 섬영역의 x가 1 내지 5인 SiN(x)(도면부호 20a)와, 상기 SiN를 덮는 GaN계(20b)의 혼합상으로 형성된다. 즉, 기판(10) 상에 유기 금속 화학 증착법으로 실란(SiH₄) 또는 이염화실란(SiH₂Cl₂) 및 아산화질소(N₂O) 또는 암모늄(NH₄) 가스를 주입하여 기판(10)의 표면에 x가 1 내지 5인 SiN(x)를 복수의 고립된 섬영역의 형태로 형성하고, 계속해서 그 위에 트리메틸갈륨(trimethyl gallium, TMG) 가스를 혼입하여 혼합상 버퍼층(20)을 형성하여, x가 1 내지 5인 SiN(x)(도면부호 20a)와 GaN계 층(20b)의 혼합상을 버퍼층(20)으로 형성한다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 발광소자의 버퍼층으로 SiN가 복수의 고립된 섬의 형태로 이루어진 영역과 상기 섬영역 사이의 부분을 채우는 GaN계를 포함하는 혼합상 버퍼층 사용함으로써, 전위 밀도를 감소시키는 효과가 있고, 상기 버퍼층 상의 에피성장을 초격자형으로 함으로써, 스트레인의 감소효과가 있을 뿐만 아니라 저항도 감소시켜 발광소자의 동작 전압도 낮게 유지할 수 있다.

또한, 활성층에 인 또는 비소를 포함하는 성분을 추가함으로써 활성층에서 발생하는 전위밀도를 더 낮출 수 있다. 결국, 내부양자효율을 증대시키는 효과가 있어, 고휘도용 구조로 적합하다.

Claims

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기판과;

상기 기판 상에 형성된 복수의 고립된 섬영역의 SiN(x)를 포함하는 영역과, 상기 섬영역 사이의 부분을 채우는 GaN계를 포함하는 혼합상 버퍼층과;

상기 혼합상 버퍼층 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물반도체층과, p형 질화물반도체층과;

상기 p형 질화물반도체층 상에 형성된 p-전극과, 상기 p형 질화물반도체층의 일부를 식각하고 노출된 n형 질화물반도체층 상에 형성된 n-전극을 포함하고,

상기 x는 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 발광소자.
청구항 3에 있어서, 상기 n형 질화물반도체층은 기저층인 InN층과 Al(x)Ga(1-x)N층을 겹쳐 형성하거나, 기저층인 InN와 AlGaN층을 초격자층의 형태로 형성하고, 상기 x는 0≤x＜1인 것을 특징으로 하는 발광소자.
청구항 3에 있어서, 상기 n형 질화물반도체층과 p형 질화물반도체층 사이에는, Al(1-x-y)Ga(x)NP(y) 또는 Al(1-x-y)Ga(x)NAs(y)층과 질화갈륨층을 1회 이상 반복 적층하고, 상기 x는 0≤x＜1이고, 상기 y는 0≤y＜1인 활성층을 개재하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
청구항 5에 있어서, 상기 활성층 상에는 InN층을 도핑되지 않은 형태로 두께 2 ~ 20㎚로 하여 형성하고, 그 위에 InGaN층과 InN층을 형성하여 초격자층의 구조로 2회 이상 반복하여 초격자 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 p형 GaN을 형성하되, 상기 p형 질화물반도체층은 p형 GaN의 성장 중 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 1×10¹⁶~ 9×10²⁰/㎤로 도핑하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
기판 상에 SiN(x)가 복수의 고립된 섬영역을 이루고, 상기 섬영역 사이의 부분을 채우는 GaN계를 포함한 혼합상 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하고,

상기 x는 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 버퍼층의 제조 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 혼합상 버퍼층을 형성하는 단계는 기판 상에 실란(SiH₄) 또는 이염화실란(SiH₂Cl₂)과, 아산화질소(N₂O) 또는 암모늄(NH₄)으로 SiN(x)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버퍼층의 제조 방법.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 혼합상 버퍼층을 형성하는 단계는 기판 상에 실란(SiH₄) 또는 이염화실란(SiH₂Cl₂)과, 아산화질소(N₂O) 또는 암모늄(NH₄)으로 SiN(x)층을 형성하는 단계를 포함하고 계속해서 그 위에 트리메틸갈륨 가스를 혼입하여 혼합상 버퍼층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버퍼층의 제조 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 혼합상 버퍼층을 형성하는 단계는 유기금속 화학증착법 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 버퍼층의 제조 방법.