KR100748709B1

KR100748709B1 - 발광 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100748709B1
Application number: KR1020060090228A
Authority: KR
Inventors: 이상준; 오덕환
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2006-09-18
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2007-08-13

Abstract

본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, P형 클래드층과 P형 반도체층 사이에 언도프트 반도체층을 형성하되, P형 클래드층을 형성한 후 P형 반도체층을 형성하는 과정에서 갈륨 소오스 및 질소 소오스만을 유입시켜 형성함으로써 P형 클래드층내의 마그네슘과 암모니아(NH₃)로부터 분해된 수소가 결합하여 형성되는 Mg-H 결합체의 양을 줄일 수 있어 전기적 특성 및 발광 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법이 제시된다.

LED, Mg-H complex, 언도프트 반도체층

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{Light emitting device and method of manufacturing the same}

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 레시피도.

도 3은 종래의 발광 소자의 P형 클래드층과 P형 반도체층의 깊이에 따른 수소 및 알루미늄의 농도 및 세기를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 P형 클래드층과 P형 반도체층의 깊이에 따른 수소 및 알루미늄의 농도 및 세기를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판 20 : 버퍼층

30 : N형 반도체층 40 : 활성층

50 : P형 클래드층 60 : 언도프트 반도체층

70 : P형 반도체층 80 : 투명 전극

90 : N형 전극 100 : P형 전극

본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 P형 클래드층과 P형 반도체층 사이에 언도프트 반도체층을 형성함으로써 P형 클래드층의 Mg-H 결합체(complex)의 양을 줄여 발광 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

대표적인 질화물계 반도체인 GaN은 에너지 밴드갭이 상온에서 3.4eV로 매우 크기 때문에 고온 고출력 소자에 사용될 수 있다. 또한, GaN은 InN, AlN 같은 물질과 조합하여 1.9eV(InN)에서 3.4eV(GaN), 6.2eV(AlN)까지의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있어 가시광에서부터 자외선 영역까지 넓은 파장 영역을 갖게 되고, 이로 인해 광소자의 응용 가능성이 매우 큰 물질이다.

GaN을 이용한 발광 소자는 일반적으로 기판 상부에 N형 GaN층, 활성층, P형 클래드층, P형 GaN층 및 투명 전극이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 구조에서 투명 전극, P형 GaN층, P형 클래드층 및 활성층의 소정 영역이 식각되어 N형 GaN층의 일부가 노출된 후 N형 GaN층 상부에 N형 전극이 형성되고, 투명 전극의 소정 영역이 식각된 후 노출된 P형 GaN층에 P형 전극이 형성된다. 이때, 투명 전극으로는 ITO(indium tin oxide), Ni/Au 등이 주로 이용된다.

GaN층을 형성하기 위해서는 갈륨 전구체와 질소 전구체로서 암모니아(NH₃)를 이용하고 수소(H₂)를 캐리어 가스로 공급한다. 그리고, P형 GaN층을 형성하기 위해 불순물로서 마그네슘(Mg)을 도핑하게 된다. 그런데, MOCVD 장비를 이용하는 경우 각 성장층, 즉 버퍼층, N형 GaN층, 활성층, P형 클래드층, P형 GaN층을 성장한 후 다음 성장을 위한 성장 준비 단계를 필요로 한다. 이러한 성장 준비 단계는 실제 GaN이 성장되기 위하여 여러가지 조건의 변화가 일어나는 단계로 실제 GaN의 성장은 이루어지지 않는다. 이와 같은 이유로 인해 P형 클래드층을 형성한 후 P형 GaN층을 형성하기 전에 성장 중단 기간이 생기게 된다. 성장 중단 기간은 P형 클래드층을 형성한 후 P형 GaN층을 형성하기 위한 준비 기간으로, 이 기간에는 암모니아(NH₃)의 유입 상태는 유지하지만 다른 가스, 예를들어 GaN층을 형성하기 위해 필요한 갈륨(Ga) 가스는 유입시키지 않으며, 약 30초 내지 10분 가량 유지하게 된다. 이때, 반응기는 800∼1200℃의 압력과 10∼800Torr의 압력을 유지하게 된다. 그런데, 이 기간 동안에 반응기의 온도가 800∼1200℃로 유지되기 때문에 공급되는 암모니아(NH₃)가 분해되고, 그 부산물로서 다량의 수소(H)를 방출하게 되며, 방출된 수소(H)는 P형 클래드층에 도핑된 마그네슘(Mg)과 결합되어 전기적으로 절연 특성을 나타내는 Mg-H 결합체(complex)가 형성된다. 이와 같이 수소와 결합되는 마그네슘(Mg)은 활성화되지 않아 정공을 발생시키지 못해 N형 반도체층에서 발생된 전자와 활성층에서 재결합되지 못하게 된다. 이에 따라 정공과 전자와의 재결합율이 감소하여 그만큼 발광 효율이 저하되게 된다. 또한, Mg-H 결합체가 수 ㏁ 이상의 고 저항을 띠게 되므로 소정의 발광 효율을 내기 위해서는 구동 전압이 보다 크게 인가되게 되어야 하기 때문에 그 만큼 소비 전력이 증가하게 되는 문제점도 있다.

따라서, 활성층에서 전자와 정공이 재결합(recombination) 과정에 의해 광을 방출하기 위해서는 반드시 Mg-H 결합을 깨기 위한 활성화(activation) 공정을 실시해야만 한다. 활성화 공정은 600∼800℃의 온도와 N₂, N₂/O₂ 분위기에서 실시하는 열처리 공정이다. 그러나, P형 클래드층 내에 존재하는 마그네슘(Mg)의 활성화 효율이 낮기 때문에 활성화가 진행되더라도 N형 GaN층보다 상대적으로 매우 높은 저항을 갖게 된다. 또한, 활성화 후라도 P형 클래드층 내에 활성화가 완전하게 이루어지지 않고 남아 있는 마그네슘(Mg)이 활성층에서 표면 쪽으로 발광하는 빛을 포획(trap)하거나 고전류 인가시 상대적으로 높은 저항에 의해서 열을 발생시키는 원인이 된다. 따라서, 발광 소자의 수명을 단축시키게 되고, 신뢰성에 치명적인 영향을 미치게 된다.

본 발명의 목적은 P형 클래드층의 Mg-H 결합체를 감소시켜 상기한 문제점을 해결할 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 P형 클래드층을 형성한 후 P형 반도체층을 형성하는 과정의 성장 중단 기간에 언도프트 반도체층을 형성함으로써 P형 클래드층의 Mg-H 결합체를 감소시켜 상기한 문제점을 해결할 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 기판 상부 형성된 N형 반도체층;

상기 N형 반도체층 상부에 형성된 활성층; 상기 활성층 상부에 형성된 P형 클래드층; 상기 P형 클래드층 상부에 형성된 언도프트 반도체층; 및 상기 언도프트 반도체층 상부에 형성된 P형 반도체층을 포함한다.

상기 언도프트 반도체층은 상기 P형 반도체층과 동일 물질로 형성되되, 불순물이 도핑되지 않는다.

상기 P형 클래드층은 AlGaN층으로 형성하고 상기 언도프트 반도체층 및 P형 반도체층은 GaN층을 형성하되, 상기 P형 클래드층 및 상기 P형 반도체층은 불순물이 도핑되고, 상기 언도프트 반도체층은 불순물이 도핑되지 않는다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법은 기판 상부에 N형 반도체층을 형성한 후 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상부에 P형 클래드층을 형성하는 단계; 및 상기 P형 클래드층 상부에 언도프트 반도체층 및 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 언도프트 반도체층은 상기 P형 클래드층을 형성한 후 상기 P형 반도체층을 형성하기 전에 상기 P형 클래드층 형성시 유입되는 소오스의 일부 및 불순물의 유입을 중단하여 형성한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 기판(10) 상부에 버퍼층(20), N형 반도체층(30), 활성층(40), P형 클래드층(50), 언도프트 반도체층(60), P형 반도체층(70) 및 투명 전극(80)이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 구조에서 투명 전극(80), P형 반도체층(70), 언도프트 반도체층(60), P형 클래드층(50) 및 활성층(40)의 소정 영역이 식각되어 N형 반도체층(30)의 일부가 노출된 후 N형 반도체층(30) 상부에 N형 전극(90)이 형성되고, 투명 전극(80)의 소정 영역이 식각된 후 노출된 P형 반도체층(70)에 P형 전극(100)이 형성된다. 여기서, P형 반도체층(100)은 투명 전극(80) 상부에 형성될 수 있고, 경우에 따라 P형 전극(100)은 형성하지 않을 수 있다.

기판(10)은 발광 소자를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, Al₂O₃, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl₂O₃, BN, AlN 및 GaN 중 어느 하나를 이용한다.

버퍼층(20)은 결정 성장시 기판(10)과 이후 형성되는 층, 즉 N형 반도체층(30)과의 격자 부정합을 줄이기 위해 형성되며, 반도체 재료인 GaN 또는 AlN를 이용하여 형성한다.

N형 반도체층(30)은 전자가 생성되는 층으로서, N형 불순물이 주입된 GaN층 을 사용하는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다. 즉, GaN, InN, AlN(Ⅲ-Ⅴ족) 등과 같은 질화물과 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 화합물이 사용될 수 있다. 또한, N형 반도체층(30)은 다층막으로 형성할 수도 있다. 한편, N형 반도체층(30) 상부에 N형 클래드층(미도시)이 더 형성될 수 있는데, N형 클래드층은 GaN, AlGaN 또는 InGaN를 이용하여 형성한다.

활성층(40)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 바람직하게는 InGaN을 이용하여 형성한다. 이때, 활성층(40)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 전공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 활성층(40)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다.

또한, P형 클래드층(50)은 광유도(light-guiding)층으로 기능하며, Al 및 Ga를 함유하는 P형 질화물 반도체로 형성한다. 특히 AlGaN로 형성하는 것이 바람직한데, 그 이유는 AlGaN층이 캐리어 농도가 높은 P형층으로 용이하게 형성될 수 있으며, 이와 동시에 InGaN 활성층(40)에 상대적으로 밴드 오프셋(band offset) 또는 굴절률의 차를 증가시키기에 적합하기 때문이다. 또한, P형 AlGaN층은 이의 성장시에 다른 질화물 반도체층보다 덜 분해되므로, 예를 들어 MOVPE 방법으로 성장될 때 활성층(40)을 이루는 InGaN의 분해를 억제시키는 효과가 있다. 이러한 이유 때문에, 결정화도가 우수한 활성층(40)을 얻을 수 있으므로, 출력을 개선시킬 수 있다. 따라서, P형 클래드층(50)은 AlGaN으로 형성하는 것이 가장 바람직하다.

언도프트 반도체층(60)은 바람직하게는 GaN층으로 형성되며, P형 클래드 층(50)에서 P형 반도체층(70)을 형성하는 과정의 성장 중지 기간동안 형성되고, 불순물이 도핑되지 않은 반도체층으로 형성된다.

P형 반도체층(70)은 정공이 생성되는 층으로서, P형 불순물이 주입된 GaN층을 이용하는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능한데, 예를들어 InGaN을 이용할 수 있다. 또한, N형 반도체층(30) 및 P형 반도체층(70)은 다층막으로 형성할 수도 있다.

한편, 상술한 물질층들은 금속 유기 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 등을 포함한 다양한 증착 또는 성장 방법을 이용하여 형성된다.

투명 전극(80)은 ITO막, Ni/Au막 등을 이용하여 형성하는데, 스퍼터링(Sputtering), 전자 빔 증착(E-Beam Evaporation), 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 이온 플레이팅(ion-plating) 방법 등을 이용하여 형성한다. 예를들어 스퍼터링을 이용한 ITO막의 형성 방법은 In-Sn 합금 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, In₂O₃-Sn₂O₂ 산화물 타겟을 이용한 스퍼터링등이 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 도 2의 레시피도를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

S10 : 기판(10) 상부에 버퍼층(20)을 형성한다. 버퍼층(20)은 450∼550℃의 온도에서 질소 소오스로서 암모니아(NH₃)와 갈륨(Ga) 소오스로서 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMGa)을 유입시켜 GaN층을 형성함으로써 형성된다. GaN층 대신에 AlN층, GaInN층, AlGaInN층 또는 SiN층 등 여러 물질을 버퍼층으로 형성할 수 있으며, 성장 온도 및 두께는 소자 또는 성장 시스템에 따라 차이가 있을 수 있다. 한편, 기판(10) 상부에 버퍼층(20)을 형성하기 이전에 기판(10)을 열 세정(thermal cleaning)한 후 기판(10) 표면을 질화시킬 수도 있다. 열 세정 공정은 1000∼1050℃의 온도 또는 그보다 약간 높은 온도에서 실시한다. 열 세정을 실시한 후 기판(10) 표면을 질화시키기 위해 700∼1000℃의 온도에서 질소 소오스, 예컨데 암모니아(NH₃)를 유입시킨다. 질화는 질화물 막의 형성을 용이하게 하기 위한 과정으로 시스템 또는 성장 조건등에 따라 선택적으로 실시한다.

S20 : 기판(10) 상부에 N형 반도체층(30)을 형성하는데, N형 반도체층은 N형 불순물이 도핑된 GaN층으로 형성한다. 이를 위해 1000∼1050℃ 정도의 온도에서 갈륨 소오스로서 TMGa, 질소 소오스로서 암모니아(NH₃), 그리고 N형 불순물로서 SiH₄ 또는 SiH₆를 유입시켜 실리콘이 도핑된 GaN층을 형성한다. 한편, N형 반도체층으로 GaN 대신에 InN, AlN등을 형성하기 위해서는 갈륨 소오스 대신에 인듐 소오스와 알루미늄 소오스를 유입시키면 된다.

S30 : N형 반도체층(30) 상부에 활성층(40)을 형성하는데, 활성층(40)은 예 를들어 InGaN층으로 구성된 단일 양자 우물 구조(SQW) 또는 더블 헤테로 구조(DH) 또는 멀티 양자 우물 구조(MQW)로 형성한다. 이를 위해 700∼850℃의 온도에서 인듐 소오스로서 트리메틸인듐(trimethylindium; TMIn) 또는 트리에틸인듐(triethylindium; TEIn)과 갈륨 소오스로서 TMGa 또는 트리에틸갈륨(triethylgallium;TEGa), 그리고 질소 소오스로서 암모니아(NH₃)를 유입시켜 InGaN층을 형성한다.

S40 : 활성층(40) 상부에 P형 클래드층(50)을 바람직하게는 AlGaN층으로 형성하는데, 1000∼1050℃의 온도에서 갈륨 소오스로서 TMGa, 알루미늄 소오스로서 트리메틸알루미늄(trimethyaluminum; TMAl), 질소 소오스로서 암모니아(NH₃)를 유입시키고, P형 불순물로서 마그네슘(Mg)을 도핑하기 위한 비스시클로펜타다이닐마그네슘(biscyclopentadienylmagnesium; Cp₂Mg)을 유입시켜 P형 AlGaN층을 형성한다.

S50 : P형 클래드층(50)을 형성한 후 온도를 1000∼1050℃로 유지한 상태에서 알루미늄 소오스 및 마그네슘 소오스의 유입을 중지시키고, 갈륨 소오스와 질소 소오스를 유입시켜 언도프트 반도체층(60)으로 GaN층을 형성한다. 즉, P형 클래드층(50)을 형성한 후 P형 반도체층(70)을 형성하기 전까지의 성장 중지 기간에 갈륨 소오스와 질소 소오스를 유입시켜 GaN층을 형성하되, 마그네슘 소오스를 유입시키지 않아 언도프트 GaN층(60)이 형성된다. 이렇게 하면 P형 클래드층(50)을 형성한 후 성장 중지 기간에 질소 소오스인 암모니아(NH₃)로부터 수소(H)가 방출되어 P형 클래드층(50)의 마그네슘과 Mg-H 결합체가 형성되는 것을 방지할 수 있다.

S60 : 갈륨 소오스와 질소 소오스가 유입되는 상태에서 마그네슘 소오스를 다시 유입시켜 P형 반도체층(70)으로 P형 GaN층을 형성한다.

한편, Ga의 소오스로는 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMGa) 이외에 트리에틸갈륨(triethylgallium; TEGa)를 사용할 수 있고, Al을 위한 소오스 가스로는 트리메틸알루미늄(trimethyaluminum; TMAl) 이외에 트리에틸알루미늄(triethylaluminum; TEAl), 트리메틸아민알루미늄(trimethylaminealuminum; TMAAl) 또는 디메틸에틸아민알루미늄(dimethylethylaminealuminum; DMEAAl)을 사용할 수 있다. 그리고, 질소 소오스로는 암모니아(NH₃) 이외에 모노메틸히드라진(monomethylhydrazine; MMHy), 디메틸히드라진(dimethylhydrazine; DMHy)을 사용할 수 있다.

도 3은 종래의 발광 소자의 P형 클래드층과 P형 반도체층의 수소(A) 및 알루미늄(B)의 농도 및 세기를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 P형 클래드층, 언도프트 반도체층 및 P형 반도체층의 수소(A) 및 알루미늄(B)의 농도 및 세기를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 종래에 비해 본 발명의 수소(A) 농도 및 세기가 상당히 줄어들었음을 알 수 있다. 본 발명에 따른 발광 소자의 수소 농도가 종래에 비해 줄어들기 때문에 Mg-H 결합체도 줄어들게 된다. 따라서, 마그네슘(Mg)의 도핑 농도도 줄일 수 있는데, 종래에는 1∼2×10²⁰atoms/cc의 농도로 도핑하였으나, 본 발명에서는 4∼6×10¹⁹ atoms/cc의 농도로 도핑한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 P형 클래드층을 형성한 후 P형 반도체층을 형성하는 과정에서 갈륨 소오스 및 질소 소오스만을 유입시켜 언도프트 반도체층을 형성함으로써 P형 클래드층내의 마그네슘과 질소 소오스인 암모니아(NH₃)로부터 분해된 수소가 결합하여 형성되는 Mg-H 결합체의 양을 줄일 수 있다. 이에 따라 전기적 특성 및 발광 특성을 향상시킬 수 있고, P형 분술물의 도핑 농도를 줄이면서 충분한 양의 활성화된 마그네슘(Mg)를 확보할 수 있다.

Claims

기판 상부 형성된 N형 반도체층;

상기 N형 반도체층 상부에 형성된 활성층;

상기 활성층 상부에 형성된 P형 클래드층;

상기 P형 클래드층 상부에 형성된 언도프트 반도체층; 및

상기 언도프트 반도체층 상부에 형성된 P형 반도체층을 포함하는 발광 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 언도프트 반도체층은 상기 P형 반도체층과 동일 물질로 형성되되, 불순물이 도핑되지 않은 발광 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 P형 클래드층은 AlGaN층으로 형성하고 상기 언도프트 반도체층 및 P형 반도체층은 GaN층을 형성하되, 상기 P형 클래드층 및 상기 P형 반도체층은 불순물이 도핑되고, 상기 언도프트 반도체층은 불순물이 도핑되지 않은 발광 소자.
기판 상부에 N형 반도체층을 형성한 후 활성층을 형성하는 단계;

상기 활성층 상부에 P형 클래드층을 형성하는 단계; 및

상기 P형 클래드층 상부에 언도프트 반도체층 및 P형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 언도프트 반도체층은 상기 P형 클래드층을 형성한 후 상기 P형 반도체층을 형성하기 전에 상기 P형 클래드층 형성시 유입되는 소오스의 일부 및 불순물의 유입을 중단하여 형성하는 발광 소자의 제조 방법.