KR100765004B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, AlGaN/n-GaN 또는 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자 구조의 제 1 질화물 반도체층; 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 활성층 위에 형성된 제 2 질화물 반도체층; 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 AlGaN/n-GaN 또는 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자 구조의 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 제 2 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 활성층 위에 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 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 신뢰성 테스트 결과를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 2 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201... 기판 203... 버퍼층
205... In-doped GaN층 207... AlGaN/n-GaN 초격자층
209... low mole In-doped GaN층 211... 활성층
213... p-GaN층 215... n-InGaN층
407... AlGaN/GaN/n-GaN 초격자층
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 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 이용되는 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.
또한, 제 1 전극 접촉층으로 사용되는 상기 n-GaN층(105)은 비정질의 결정성을 갖는 상기 버퍼층(103)보다 일반적으로 성장온도가 높고 그 두께가 두꺼운 단결정 구조로 구성된다.
종래의 p-/n- 접합 발광소자 구조에서 제 1 전극 접촉층으로 사용되는 상기 n-GaN층(105)은 1018/㎤ ~1019/㎤ 범위의 실리콘이 도핑된 구조이며, 저온의 비정질의 결정성을 포함하는 다결정질의 GaN/AlN계 상기 버퍼층(103)보다 두꺼운 5㎛ 이내의 두께로 성장하여 결정성을 제어하고 있다. 제 1 전극 접촉층으로 사용되는 상기 n-GaN층(105)은 전기 전도성(electrical conductivity)의 특성을 가지고 있고 실리콘 도핑 농도의 증가에 따라서 선형적으로 저항이 감소되어 순방향 바이어스 인가시 동작전압이 감소되는 특성이 있다. 그러나, 이와 반대로 역방향 바이어스 인가시에 파괴전압(breakdown voltage, Vbr)이 감소되어 결국 누설전류가 증가되어 시간이 지남에 따라 광 출력이 저하되어 발광소자의 수명(life time)에 영향을 미치게 되는 단점이 있다. 또한 그 도핑 농도를 조절함에 있어, 2㎛, 1019/㎤ 이상으로 도핑시켰을 경우(heavily doping), 극한의 스트레인(strain)이 형성되어 결국 상기 n-GaN층(105) 자체에서 깨짐 현상이 발생된다. 그리고 실리콘 도핑 농도가 증가할수록 상기 n-GaN층(105) 표면에 점 결함(point defect)이 증가하게 된다. 이에 따라, 이어서 성장되는 빛을 발광하는 발광층인 상기 활성층(107)에도 영향을 미치게 되며, 결국 순방향 및 역방향 바이어스 인가시 전류 흐름통로(current pathway)로 작용하여 누설전류를 증가시키는 원인으로 작용한다. 이러한 성능을 갖는 발광소자는 결국 신뢰성을 제한받게 된다.
또한 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 사파이어 기판에서 발생되어 표면까지 전파되는 'threading dislocation'과, 'screw dislocation', 'line dislocation', 'point defect', 'mixture' 등과 같은 결정결함을 가지고 있다. 특히 'threading dislocation'은 사파이어 기판에서 발광소자의 표면까지 전파되며, 이와 같은 전파과정에서 빛을 방출하는 활성층을 투과하게 된다. 이는, 향후 누설 전류 등의 전류통로(current path)가 되어 ESD(ElectroStatic Discharge) 등과 같은 고전압이 순간적으로 인가될 때, 활성층이 파괴되거나 광출력 저하와 같은 신뢰성에 막대한 영향을 미치는 근본적인 원인을 제공하게 되는 문제점이 있다.
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, AlGaN/n-GaN 또는 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자 구조의 제 1 질화물 반도체층; 상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2 질화물 반 도체층; 상기 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 AlGaN/n-GaN 또는 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자 구조의 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 2 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 기판(201), 버퍼층(203), In-doped GaN층(205), AlGaN/n-GaN 초격자층(207), low-mole In-doped GaN층(209), 활성층(211), p-GaN층(213), n-InGaN층(215)을 포함하여 구성된다.
본 발명에서는, 상기 기판(201) 예컨대 사파이어 기판 위에 저온의 성장온도에서(500~600℃) 상기 버퍼층(203)을 성장시켰다. 여기서, 상기 버퍼층(203)은 AlInN/GaN 적층구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InxGa1-xN/GaN 적층구조, AlxIn yGa1-(x+y)N/InxGa1-xN/GaN의 적층구조 중에서 선택되어 형성될 수 있다.
그리고, 상기 버퍼층(203)을 고온의 성장온도에서 재 결정화시키고, 동일 온도에서 상기 In-doped GaN층(205)을 2㎛ 이하로 성장시켰다. 이어서, 전체 두께를 2㎛ 이하로 성장시켜 제 1 전극 접촉층으로 사용되는 상기 AlGaN/n-GaN 초격자층(207)을 형성하였다.
여기서 상기 AlGaN/n-GaN 초격자층(207)은, 도핑이 되지 않은 100Å 이하로 성장되고 Al 조성은 20%을 갖는 AlGaN층과, 실리콘이 도핑되며 300Å 이하의 두께를 갖는 n-GaN층의 초격자 구조로 형성된다. 또한, 상기 AlGaN/n-GaN 초격자층(207)은 AlGaN층과 n-GaN층으로 구성되는 한 주기를 400Å 이하로 성장시키고, 그 주기로 반복적으로 성장시켜 전체 두께가 2㎛ 이하로 형성되도록 한다. 또한, AlGaN/n-GaN 초격자층(207)은, 상대적으로 저온에서 형성된 상기 버퍼층(203)보다 각각의 AlGaN층과 n-GaN층의 두께가 작으며 n-GaN층에만 실리콘 도핑을 하는 구조로 형성된다.
또한, 본 발명에서는 상기 활성층(211)의 내부양자효율(internal quantum efficiency)을 증가시키기 위해서 상기 활성층(211) 성장 전, 상기 활성층(211)의 스트레인(strain)을 제어할 수 있도록 인듐 함량이 낮은 low-mole In-doped GaN층(209)를 성장시켰다. 여기서 상기 low-mole In-doped GaN층(209)을 성장시킴에 있어서, 도핑되는 인듐의 함량은 5% 미만이 되도록 조절하였다. 또한, 상기 low-mole In-doped GaN층(209)을 성장시킴에 있어서 그 두께는 100~300Å 범위 내에서 형성되도록 하였다.
그리고, 원하는 파장 대역의 빛을 방출하는 상기 활성층(211)으로는, 우물층/장벽층을 한 주기로 하는 InxGa1-xN(15~35%)/InyGa1-yN(5%미만) 구조의 단일양자우물층(single quantum well) 또는 다중양자우물층(multi quantum well)을 성장시켰다. 여기서, 도면으로 도시하지는 아니 하였으나, 상기 우물층과 장벽층 사이에는 SiNx 클러스터층이 더 형성되도록 할 수 있으며, 이는 원자척도로 형성되며 상기 활성층(211)의 발광효율을 증진시키는 역할을 수행하게 된다.
이후 성장온도를 증가시켜 상기 p-GaN층(213)을 성장시켰다. 이어서, 제 2 전극 접촉층으로 사용되는 상기 n-InGaN층(215)을 성장시켰으며, 이때 상기 n-InGaN층(215)은 인듐 함량을 순차적으로 제어한 수퍼그레이딩(super grading) 구조로 성장시킬 수 있다.
상기와 같은 적층구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 상기 AlGaN/n-GaN 초격자층(207)은 계면 상에서 2차원적인 전자우물층을 형성하여 인가된 바이어스 하에서 균일한 전류를 흐름을 갖게 된다. 이에 따라, 본원 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 균일한 동작전압(forward voltage, VF)을 나타내며 또한 사파이어 기판에서 형성되는 'threading dislocation'을 억제하여 그 결정성을 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그리고, 본원 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 외부 환경에 ESD(electro static discharge, human body mode)의 고전압 인가시, 형성된 2차원적인 전자우물층에 의해서 효과적으로 전류 퍼짐(current spreading) 됨으로써 고 내정전압을 갖는 장점이 있다.
또한, 본원 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n-/p-/n- 접합 구조의 발광소자를 형성하게 된다. 그리고, 상기 n-InGaN층(215) 상에 형성되는 제 2 전극 물질은 상기 n-InGaN층(215)의 도핑상 또는 에너지 밴드갭 차이에 의해서 결정된다. 그런데, 상기 n-InGaN층(215)은 전류 주입 효과(current spreading effect)를 증가시키기 위해서 인듐 함량을 선형적으로 변화시켜 에너지 밴드갭을 제어한 수퍼그레이딩(super grading) 구조이므로 제 2 전극 물질은 투과성 금속 산화물과 투과성 저항성 금속이 사용될 수 있다. 그 구체적인 예로는 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 등과 같은 물질이 사용될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 발광소자는 종래기술에 의한 발광소자에 비하여 광 출력을 30~50% 이상 향상시킬 수 있으며, 신뢰성 또한 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
이하에서는 본원 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대하여 좀 더 상세하게 그 실시 예를 설명해 보기로 한다.
먼저, 본원 발명에서는 사파이어 기판 위에 고온에서 수소(H2) 캐리어 가스만을 공급하여 사파이어 기판 자체를 세정(cleaning)하였다. 이후, 성장 온도를 540℃로 감소시키는 과정에서 NH3 소오스 가스를 주입하여 사파이어 기판 자체를 질 화처리(nitridation) 하였으며, 이때 예로서 그 처리시간은 7분으로 할 수 있다.
이어서, 1st AlInN/1st GaN/2nd AlInN/2nd GaN 구조로 구성되는 버퍼층을 약 500Å 정도로 성장하였다. 그리고 성장온도를 6분 동안 1060℃까지 증가시키고, 다시 2분 동안 저온의 버퍼층을 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 단결정 GaN층을 성장하였다.
그리고 성장온도를 1030℃로 감소시킨 후, 도핑하지 않은 50Å의 두께로, Al 함량을 약 10% 정도로 포함하는 AlGaN층과, 실리콘이 다량 도핑된(heavily doped) 250Å 두께를 갖는 n-GaN층을 성장시켰다(이때, 상기 Al 함량은 0.05~0.3(1기준)이 되도록 할 수 있으며, 그 두께는 10~200Å 범위 내에서 형성할 수 있다). 이와 같이 300Å 두께의 한 주기로 구성되는 AlGaN/n-GaN 초격자 구조를 40주기로 적층 형성하여 1㎛로 AlGaN/n-GaN 초격자층을 성장시켜 제 1 전극 접촉층으로 사용하였다.
상기 AlGaN/n-GaN 초격자 구조를 갖는 제 1 전극 접촉층의 홀(Hall) 이동도(mobility) 및 농도는 각각 450㎠/Vsec, 2x1018/㎤ 정도로 기존의 동일 두께에 같은 실리콘 도핑 농도를 갖는 n-GaN층 보다 1.5 ~ 2배의 높은 값을 갖는 것으로 조사되었다.
또한, 상기 활성층의 스트레인을 조절하기 위해서 인듐(indium) 함량이 5%(파장 480㎚)를 갖는 low-mole In-doped GaN층을 750℃에서 300Å 정도로 성장시켰다. 상기 low-mole In-doped GaN층은 2인치 사파이어 기판 위에 균일한 분포를 갖 는 'spiral growth mode'로 인위적으로 제어하였다. 그리고 동일 성장온도에서, 실리콘이 도핑되지 않은 InGaN/InGaN 구조의 단일양자우물층(single quantum well, SQW)의 활성층을 성장하였으며, 장벽층의 인듐 함량은 5% 미만이고 200Å 정도의 두께를 갖도록 하였다.
다시 성장 온도를 1000℃까지 증가시켜 NH3 소오스 가스와 H2 캐리어 가스가 혼합된 분위기 하에서 Mg-doped p-GaN 층을 1000Å 두께로 성장시켰다. 이어서, 다시 성장온도를 800℃로 감소시켜 NH3 소오스 가스와 N2 캐리어 가스 혼합분위기 하에서 실리콘이 도핑된 50Å의 두께를 갖는 n-InGaN층을 성장하였다. 상기 n-InGaN층은 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.
상기 AlGaN/n-GaN(Si) 초격자층으로 구성되는 제 1 전극 접촉층과 n-InGaN층을 제 2 전극 접촉층으로 사용하는 SQW's npn-SG LED 소자를 AlGaN/n-GaN(Si) 초격자 구조까지 표면을 약 6000Å 로 메사(MESA) 식각을 수행하여 330㎛ x 305㎛ 크기의 발광소자를 제작하여 전기적 특성 및 ESD와 같은 신뢰성 성능 분석을 수행/평가하였다.
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 신뢰성 테스트 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 실제 제작된 청색 발광소자의 신뢰성과 관련된 ESD level(Human body mode, HBM)을 2인치 사파이어 기판 전체에 대해서 LED chip die 상태가 아닌 웨이퍼(wafer) 상태에서 측정한 결과를 나타낸 것이다. 전체적으로 'human body mode'에서, 2 인치 웨이퍼(wafer) 내에 ESD level은 사파이어 기판 위 편평(Flat) 면으로부터 라운드 에지(Round edge) 방향으로 최소에서 최대 범위가 (-)1000V ~ (-)4000V 범위 내에서 균일하고 우수한 전기적 특성을 갖는 SQW's npn-SG LED 소자를 구현되었음을 확인할 수 있었다.
ESD level의 신뢰성을 평가하기 위해서, 측정 단계는 (-)1000V를 최소값으로 설정한 후, (-)1000V, (-)2000V, (-)3000V, (-)4000V, (-)5000V로 각 (-)1000V 단계로 선형적으로 증가시켜 정확도를 수행하였다. 또한, 최소 ESD level를 검증하기 위해서 위와 같은 단계별 전압 증가 없이, 직접적으로 (-)1000V 인가하여 최소값을 검증하였다. 이와 같이, 단계별 전압 증가 또는 직접적으로 전압 인가시, 최소 (-)1000V 정도의 값을 유지하는 우수한 특성을 갖는 청색 발광소자를 제작 및 구현 하였음을 검증하였다. 또한 이때 20㎃, 순방향 바이어스 하에서, 동작전압(VF)은 3.3V ~ 3.4V 범위 내에서 균일한 특성을 유지하였다. 그리고, 광출력은 460㎚ 파장 대역에서, Ni/Au 투과 전극을 적용시, 4㎽ ~ 4.5㎽, ITO 투과 산화물 전극 적용시, 약 6.2㎽ ~ 6.5㎽ 까지 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.
이와 같은 본원 발명은, 저온에서 형성된 버퍼층보다 그 두께를 얇게 성장한 AlGaN/n-GaN(Si) 초격자층의 전체 두께를 1~2㎛까지 성장하여 그 자체를 제 1 전극 접촉층으로 적용한 것으로서, 기존의 성장 방식과 달리 상대적으로 낮은 실리콘 도핑 농도에 의해서도 높은 2차원적 전자우물층에 의해서 전자 이동도를 효과적으로 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 본원 발명에 따른 AlGaN/n-GaN(Si) 초격자층은 그 자체에 의해서 사파이어 기판에서 발광소자의 표면까지 전파되는 'threading dislocation'과 같은 결정결함을 억제하는 차단층(blocking layer) 역할까지 수행하게 된다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 2 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 2 실시 예는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 기판(201), 버퍼층(203), In-doped GaN층(205), AlGaN/GaN/n-GaN 초격자층(407), low-mole In-doped GaN층(209), 활성층(211), p-GaN층(213), n-InGaN층(215)을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 제 2 실시 예에서는, 상기 설명된 제 1 실시 예에 비하여 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자층(407)에만 차이가 있으므로, 여기서는 이에 대해서만 설명을 추가하기로 한다.
즉, 본 발명의 제 2 실시 예에 적용된 제 1 전극 접촉층 구조는 실리콘이 다량 도핑된 n-GaN층과 AlGaN 층의 계면에서 불연속적인 밴드갭 차이를 크게 하기 위해서, 동일한 Al 조성과 두께에서 n-GaN(Si)층 사이에 도핑되지 않은 10~200Å 범의 내의 두께를 갖는 GaN층을 삽입한 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 제 1 전극 접촉층은 100Å 미만의 도핑되지 않은 GaN층이 삽입되므로써 동작전압(20㎃)이 증가되는 경향을 초래할 수도 있다. 이와 같은 원인은 고정된 n-GaN(Si)층이 250Å 정도로 얇기 때문에 실리콘의 도핑 효율이 감소되기 때문이다. 상기 문제를 해결하기 위해서 n-GaN(Si)층의 실리콘 도핑 농도를 증가시키거나 그 두께를 300~500Å 범위 내에서 증가시키는 성장 방법이 제공될 수 있다. 이때, 상기 n-GaN(Si)층에 도핑되는 실리콘의 농도는 1x1018/㎤ ~ 5x1018/㎤ 범위 내에서 형성될 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.
한편, 종래의 질화물 반도체 발광소자에서, 제 1 전극 접촉층인 n-GaN층은 6㎛ 두께 이하로 1x1019/㎤ 이상 다량 도핑을 할 경우(heavily doped), SiH4 또는 Si2H6와 같은 도핑원의 주입 유량에 따라 실리콘 도핑농도가 선형적으로 증가하는 관계를 가지고 있으며, 그에 따라 2㎛ 이상으로 증가될 경우, 도핑된 실리콘에 의해서 막대한 양의 스트레인(strain)을 받아 n-GaN층 자체에 대해서 크랙(crack)이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 또한 n-GaN층의 실리콘 농도가 증가될 수록 표면 자체의 거칠기(roughness), 형태(shape) 및 스트레스가 다르기 때문에 그 위에 형성되는 활성층 또한 영향을 받아 결국 광출력이 감소하는 결과를 초래한다.
그러나, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 제 1 전극 접촉층으로 AlGaN/GaN 초격자층을 형성시킴으로써, 한 주기가 250~500Å 범위 내에서 그 주기를 계속적으로 반복 성장하여 그 전체 두께가 1~2㎛ 범위로 성장되는 경우에도 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에서 채용된 AlGaN/GaN 초격자층은 상대적으로 낮은 도핑농도에 의해서 2차원적 전자우물층의 효과를 이용하여 높은 전자 이동도 및 균일한 전류 퍼짐을 얻을 수 있으며, 또한 AlGaN/GaN 초격자층 자체에 의해서 기판에서 발광소자 표면까지 전파되는 'threading dislocation'과 같은 결정결함을 중간에서 상대적으로 억제하여 그 진행 방향을 바뀌게 하는 차단층으로 작용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 의하면, ITO와 같은 투과성 산화물 전극 적용시, 우수한 전류 퍼짐(current spreading) 및 투과도 특성에 의해서 광출력을 극대화 시킬 수 있으며, ITO 투과 금속 산화물보다 열적, 구조적, 전기적 특성이 우수한 IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO) 등과 같은 ZnO 계열의 물질을 적용시킬 수 있으므로 더욱 향상된 광 출력 및 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

Claims (26)

  1. AlGaN/n-GaN 또는 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자 구조를 갖는 제 1전극접촉층의 제 1 질화물 반도체층;
    상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 제 2 질화물 반도체층;
    상기 제 2 질화물 반도체층 위에 형성된 제 2전극접촉층의 제 3 질화물 반도체층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 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.
  3. 제 2항에 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.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층은 AlGaN/n-GaN 또는 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자 구조로 반복 적층되어 형성되며, 그 전체 두께는 500Å~2㎛ 이하에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층을 이루는 AlGaN층과 n-GaN층 각각은 상기 버퍼층의 두께보다 얇으며, 상기 AlGaN층과 n-GaN층이 이루는 초격자 구조의 한 주기 두께는 250~500Å 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층을 이루는 AlGaN층은 불순물 도핑이 없는 층이며, Al 조성은 0.05~0.3(1 기준)으로 형성되고, 그 두께는 10~200Å 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 질화물 반도체층은 p형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층을 이루는 AlGaN층, GaN층과 n-GaN층 각각의 두께는 상기 버퍼층의 두께보다 얇으며, 상기 AlGaN층, GaN층과 n-GaN층이 이루는 초격자 구조의 한 주기 두께는 300~550Å 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층을 이루는 GaN층은 불순물 도핑이 없는 층이며, 그 두께는 10~200Å 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층을 이루는 n-GaN층은 실리콘 또는 실리콘-인듐이 동시 도핑되어 형성될 수 있으며, 그 두께는 200~500Å 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층을 이루는 n-GaN층에 도핑되는 실리콘 농도는 1x1018/㎤ ~ 5x1018/㎤ 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제 1항에 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.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은 우물층과 장벽층 구조의 단일양자우물층 또는 다중양자우물층으로 구성되며, 상기 우물층과 장벽층 사이에는 SiNx 클러스터층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 질화물 반도체층은 n-InGaN층으로 형성되며, 인듐 함량이 순차적으로 변화된 슈퍼 그레이딩(super grading, SG) 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 질화물 반도체층 위에는 투명 전극이 더 형성된 것을 특징으로 하 는 질화물 반도체 발광소자.
  16. 제 15항에 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.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 질화물 반도체층은 제 1 전극 접촉층으로 이용되고, 상기 제 3 질화물 반도체층은 제 2 전극 접촉층으로 이용되어, n-/p-/n- 형의 접합 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  18. 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 위에 인듐 도핑된 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 질화물 반도체층 위에 AlGaN/n-GaN 또는 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자 구조를 갖는 제 1전극접촉층의 제 1질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 1질화물 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 제 2질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 2질화물 반도체층 위에 제 2전극접촉층의 제 3질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    를 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 삭제
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 제 1질화물 반도체층은 AlGaN/n-GaN 또는 AlGaN/GaN/n-GaN 초격자 구조로 반복 적층되어 형성되며, 그 전체 두께는 0.5~2㎛ 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  21. 제 18에 있어서,
    상기 제 1질화물 반도체층을 이루는 AlGaN층은 불순물 도핑이 없는 층이며, Al 조성은 0.05~0.3(1 기준)으로 형성되고, 그 두께는 10~200Å 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  22. 제 18항에 있어서,
    상기 제 1질화물 반도체층을 이루는 GaN층은 불순물 도핑이 없는 층이며, 그 두께는 10~200Å 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  23. 제 18항에 있어서,
    상기 제 1질화물 반도체층을 이루는 n-GaN층에 도핑되는 실리콘 농도는 1x1018/㎤ ~ 5x1018/㎤ 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  24. 제 18항에 있어서,
    상기 제 1질화물 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.
  25. 제 18항에 있어서,
    상기 활성층은 우물층과 장벽층 구조의 단일양자우물층 또는 다중양자우물층으로 구성되며, 상기 우물층과 장벽층 사이에는 SiNx 클러스터층이 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  26. 제 18항에 있어서,
    상기 제 3질화물 반도체층은 n-InGaN층으로 형성되며, 인듐 함량이 순차적으로 변화된 슈퍼 그레이딩(super grading, SG) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
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