KR100708935B1

KR100708935B1 - 질화물계 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100708935B1
Application number: KR1020050093282A
Authority: KR
Inventors: 김지열; 전동민; 최인석; 이봉일; 강필근
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2007-04-17
Also published as: KR20070038219A

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 제1 접촉저항 완충층과, 상기 제1 접촉저항 완충층 상에 형성된 투명 전극과, 상기 투명 전극 상에 형성된 p형 전극과, 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 n형 전극과, 상기 n형 전극이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체 상에 형성된 제2 접촉저항 완충층 및 상기 제2 접촉저항 완충층 상에 형성된 전류확산층을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

질화물계, 발광소자, 발광면적, 동작전압, 접촉저항

Description

질화물계 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도 1은 종래 기술에 따른 수평형 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 절단하여 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 도면으로써, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 도면으로써, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 기판 120 : n형 질화물 반도체층

130 : 활성층 140 : p형 질화물 반도체층

150 : 투명 전극 160 : p형 전극

170 : n형 전극 190 : 전류확산층

200 : 제1 접촉저항 완충층 210 : 제2 접촉저항 완충층

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 발광효율 및 낮은 동작전압을 구현할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자에 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 Al_xIn_yGa_(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 밴드를 가지므로, 전극과 오믹접촉을 형성하는데 어려움이 있다. 특히, n형 질화물 반도체층은 보다 큰 에너지 밴드를 가지므로, n형 전극과 접촉부위에서 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작전압이 커져 발열량이 증가되는 문제가 있다.

이에 따라, 질화물계 반도체 발광소자는 질화물 반도체층의 높은 에너지 밴드로 인해 소자의 동작전압이 커지는 것을 방지하기 위해, 최근 다양한 연구들이 진행되고 있다.

그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 상기와 같은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 수평형 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 절단하여 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 수평형 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 Au/Cr로 이루어진 n형 전극(170)이 형성되어 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 ITO로 이루어진 투명 전극(150)과 Cr/Au로 이루어진 p형 전극(160)이 형성되어 있다.

이때, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 보다 큰 에너지밴드를 가지므로, n형 전극(170)과 접촉하게 되면, 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작전압이 커져 발열량이 증가되는 문제가 있다.

따라서, 종래에는 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 일부 식각(mesa etching)노출된 n형 질화물 반도체층(120) 중 n형 전극(170)이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층(120) 상에 Cr/Au로 이루어진 전류확산층(190)을 구비하여 n형 질화물 반도체층(120)의 전류확산 효과를 증가시켜 소자의 동작전압을 감소시켰다.

그러나, 상기와 같은 전류확산층(190)과 투명 전극(150)은 n형 질화물 반도체층(120) 및 p형 질화물 반도체층(140)의 전류확산 효과를 증가시켜 소자의 동작전압을 감소시키는 장점은 있었지만, 상기 n형 질화물 반도체층(120) 및 p형 질화 물 반도체층(140)의 높은 에너지밴드로 인하여, n형 질화물 반도체층(120) 및 p형 질화물 반도체층(140)과 접촉시, 여전히 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작전압 또한 커지게 되어 발열량이 증가되는 문제가 있다.

따라서, 상기 질화물 반도체층의 높은 에너지밴드로 인해 접촉저항이 증가하는 것을 방지하여 동작전압을 감소시킬 수 있는 질화물계 반도체 발광소자 관련 기술의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전류확산 효과를 향상시켜 발광 효율을 향상시키는 동시에, 질화물 반도체층의 접촉저항을 최소화시켜 동작전압을 감소시킬 수 있는 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 제1 접촉저항 완충층과, 상기 제1 접촉저항 완충층 상에 형성된 투명 전극과, 상기 투명 전극 상에 형성된 p형 전극과, 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 n형 전극과, 상기 n형 전극이 형성되지 않은 n형 질 화물 반도체 상에 형성된 제2 접촉저항 완충층 및 상기 제2 접촉저항 완충층 상에 형성된 전류확산층;을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 제1 및 제2 접촉저항 완충층은, 접착층과 투명층이 순차 적층되어 있는 이중층으로 이루어지거나, 접착층과 투명층 및 열화방지층이 순차적층되어 있는 삼중층으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 접착층은, Ni와 Ti 및 Al으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 투명층은, Au 및 백금족 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열화방지층은, Au 및 백금족 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어지되, 상기 투명층과 다른 원소의 조합으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 접착층과 투명층 및 열화방지층은, 두께가 증가할수록 투과율이 감소하므로, 각각 1Å 내지 100Å의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

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 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

실시예 1

먼저, 도 3과 앞서 설명한 도 1을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 도면으로써, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는, 기판(110) 상에 버퍼층(도시하지 않음), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층되어 있다.

상기 기판(110)은 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층(도시하지 않음)은 GaN로 형성되며, 생략 가능하다.

상기 n형 또는 p형 질화물 반도체층(120, 140)은 각 도전형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성되며, 상기 활성층(130)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성된다.

한편, 상기 활성층(130)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 활성층(130)은 이를 구성하고 있는 인듐(In)의 양으로 다이오드가 녹색 발광소자인지 청색 발광소자인지를 결정한다. 보다 상세하게는 청색빛을 갖는 발광소자에 대해서는, 약 22% 범위의 인듐이 사용되며, 녹색빛을 갖는 발광소자에 대해서는, 약 40% 범위의 인듐이 사용된다. 즉, 상기 활성층(130)을 형성하는데 사용되는 인듐의 양은 필요로 하는 청색 또는 녹색 파장에 따라 변한다.

상기 활성층(130)과 p형 질화물 반도체층(140)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 n형 질화물 반도체층(120)의 일부를 노출하고 있다.

상기 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상의 소정 부분에는 반사 역할 및 전극 역할을 동시에 하는 n형 전극(170)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 n형 전극(170)이 Cr/Au으로 이루어져 있다.

그리고, 상기 n형 전극(170)이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층(120) 상에 Cr/Au으로 이루어진 전류확산층(190)이 형성되어 있다. 이때, 상기 전류확산층(190)은 전류확산 효과를 증가시켜 높은 에너지밴드를 가지는 n형 질화물 반도체층(120)과 n형 전극(170)의 접촉시, 높아지는 접촉저항으로부터 동작전압이 증가되는 것을 최소화하는 역할을 한다.

또한, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에도 전류확산 효과를 증대시키기 위한 투명 전극(150)이 형성되어 있다. 이때, 상기 투명 전극(150)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전성 금속산화물만이 아니라, 발광소자의 발광 파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택 저항이 낮은 금속박막으로도 이루어질 수 있다.

상기 투명 전극(150) 상에는 Cr/Au 등으로 이루어진 p형 전극(160)이 형성되어 있다.

그러나, 상기 전류확산층(190) 및 투명전극(150)은 높은 에너지밴드를 가지는 질화물 반도체층 즉, n형 및 p형 질화물 반도체층(120, 140)과 각각 접촉하고 있기 때문에, n형 및 p형 질화물 반도체층(120, 140)의 높은 에너지밴드로 인해 여전히 접촉저항이 높아지게 되므로, 소자의 동작전압을 감소시키는 점에 있어서, 한계가 있었다.

이에 따라서, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 상기 전류확산층(190) 및 투명전극(150)과 접촉하는 질화물 반도체층 상에 접촉저항 완충층을 구비하여, 질화물 반도체층의 큰 에너지밴드로 인해 증가하는 접촉저항을 최소화한다.

보다 상세하게, 상기 전류확산층(190)과 n형 질화물 반도체층(120) 사이의 계면에 제1 접촉저항 완충층(200)이 형성되어 있고, 상기 투명전극(150)과 p형 질화물 반도체층(140) 사이의 계면에 제2 접촉저항 완충층(210)이 형성되어 있다.

특히, 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 제1 접촉저항 완충층(200)과 제2 접촉저항 완충층(210)은 접착층(200a, 210a)과 투명층(200b, 210b)이 순차 적층되어 있는 다층 구조로 이루어져 있다.

상기 접착층(200a, 210a)은, Ni와 Ti 및 Al으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어져 있다. 이때, 상기 접착층(200a, 210a)은, 오믹접촉 저항 및 접착력을 우수하게 하기 위해 최소 1Å 이상의 두께를 가지며, 투과율이 감소하는 것을 최소화하기 위해선 100Å 이하의 두께를 가져야 하므로, 바람직하게 1Å 내지 100Å 범위의 두께를 가진다.

또한, 상기 투명층(200b, 210b)은, Au 및 백금족 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어져 있으며, 투과막의 역할 및 전류확산 효과를 향상시키는 역할을 한다. 따라서, 상기 투명층(200b, 210b)은, 전류확산 효과를 최대화하는 동시에 투과율이 감소하는 것을 방지하기 위하여 1Å 내지 100Å의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

실시예 2

도 4를 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 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, 제1 및 제2 접촉저항 완충층(200, 210)이 접착층(200a, 210a)과 투명층(200b, 210b)이 순차 적층된 이중층 구조로 형성되어 있지 않고, 투명층(200b, 210b) 상에 열화방지층(200c, 210c)이 더 형성된 삼중층 구조로 형성되어 있다는 점에서만 제1 실시예와 다르다.

따라서, 제2 실시예 또한, 제1 실시예와 마찬가지로, 접착층과 투명층을 포함하고 있기 때문에 제1 실시예서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

또한, 제2 실시예는, 투명층 상에 형성되어 있는 열화방지층을 통해 투명층이 열 공정 등에 의해 열화되는 것을 제1 실시예에 비해 안전하게 방지할 수 있는 이점이 있다.

여기서, 상기 열화방지층(200c, 210c)은, Au 및 백금족 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어지되, 상기 투명층과 다른 원소의 조합으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열화방지층(200c, 210c)은, 1Å 이하의 두께를 가지게 되면 열화방지 역할을 할 수 없고, 100Å 이상의 두께를 가지게 되면 두꺼운 두께로 인해 투과율이 감소하므로, 1Å 내지 100Å 범위의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

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 질화물 반도체층 상에 투명전극 및 전류확산층을 구비하여 소자의 전체적인 발광 면적을 최대화시키므로, 전류확산 효과를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 질화물 반도체층과 접하는 투명전극 및 전류확산층의 계면에 접촉저항 완충층을 구비하여 질화물 반도체층의 큰 에너지밴드로 인해 높아지는 접촉저항을 최소화하므로, 구동 전압을 감소시켜 발열량이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명은 고휘도 질화물계 반도체 발광소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 제1 접촉저항 완충층;

상기 제1 접촉저항 완충층 상에 형성된 투명 전극;

상기 투명 전극 상에 형성된 p형 전극;

상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 n형 전극;

상기 n형 전극이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체 상에 형성된 제2 접촉저항 완충층; 및

상기 제2 접촉저항 완충층 상에 형성된 전류확산층;

을 포함하여 이루어지고, 상기 제1 및 제2 접촉저항 완충층은 접착층과 투명층이 순차 적층되어 있는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 접촉저항 완충층은 상기 투명층 상에 적층되는 열화방지층을 더 포함하는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 접착층은 Ni와 Ti 및 Al으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 접착층은 1Å 내지 100Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 투명층은 Au 및 백금족 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,

상기 투명층은 1Å 내지 100Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 열화방지층은 Au 및 백금족 원소 또는 이들이 첨가된 화합물로 이루어지되, 상기 투명층과 다른 원소의 조합으로 이루어진 것을 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 열화방지층은 1Å 내지 100Å 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
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