KR100795547B1 - 질화물 반도체 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 기판과 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 스트레스를 완화하기 위한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 기판상에 버퍼층 및 물질막이 형성되고, 상기 물질막 상에 질화갈륨계 화합물 반도체층이 형성되는 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 버퍼층은 Al_xGa_1-xN(단, 0 ＜ x ≤ 1 )를 포함하며, 상기 물질막은 Al_yGa_1-yN (단, 0 ≤ y ≤ 1, x≠y )를 포함하고, 상기 버퍼층과 상기 물질막은 적어도 한층이상 교대로 적층 되는 것을 특징으로 한다.

발광소자, 발광 다이오드, 버퍼, 격자 결함, 격자 상수, 열팽창 계수.

Description

질화물 반도체 발광 소자{A LIGHT EMITTING DEVICE OF A NITRIDE CONPOUND SENICONDUCTOR}

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이고,

도 2는, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 개략 단면도이고,

도 3은, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 개략 단면도이다.

< 본 발명의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

21 .......... 기판

23 .......... 버퍼

25 .......... 물질막

27 .......... 반도체층

본 발명은 질화 갈륨계 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 기판상에 성장되는 반도체층의 결정결함을 감소시키고 신뢰성을 확보할 수 있는 질화갈륨계 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로, 발광소자는 제 1 도전형 반도체층과 제 2 도전형 반도체층 및 이들 반도체층 사이에 개재된 활성층을 갖는 발광 다이오드를 구비한다. 활성층에서 전자와 정공의 재결합에 의해 광이 발생되어 외부로 방출된다.

특히, 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광 다이오드용 물질로 많은 각광을 받고 있다.

질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 다이오드는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다. 이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 등의 공정을 통해 성장된다.

그러나, III족 원소의 질화물 반도체층이 이종기판 상에 형성될 경우, 반도체층과 기판 사이의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여 반도체층 내에 크랙(crack) 또는 뒤틀림(warpage)이 발생하고, 전위(dislocation)가 생성된다. 이러한 반도체층 내의 크랙, 뒤틀림 및 전위는 발광 다이오드의 특성을 악화시키게 된다. 따라서, 기판과 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 스트레스를 완화하기 위해 버퍼층이 일반적으로 사용된다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(11) 상에 버퍼층(13)이 형성된다. 버퍼층(13)은 일반적으로 Al_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1)로 MOCVD 공정 등을 사용하여 형성된다. 이어서, 버퍼층(13) 상에 n형 GaN층(15)이 형성되고, 그 위에 활성층(17) 및 p형 GaN층이 형성된다.

종래기술에 따르면, n형 GaN층(15)과 기판(11) 사이에 버퍼층(13)을 형성하여, 기판(11)과 반도체층(15) 사이의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 크랙 및 전위 등의 발생을 감소시킬 수 있다.

그러나, 버퍼층(13)의 채택에도 불구하고, 활성층 내의 결정결함밀도는 여전히 높은 편이다. 이러한 활성층 내의 결정결함은 n형 GaN층(15)의 결정결함이 전사되어 생성되며, 이러한 결정결함은 발광 효율을 감소시키는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기판상에 성장되는 반도체층의 결정결함밀도차에 의한 결함을 줄이고, 불순물이 적은 고품질의 반도체층을 형성하기 위한 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 기판상에 버퍼층 및 물질막이 형성되고, 상기 물질막 상에 질화갈륨계 화합물 반도체층이 형성되는 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 버퍼층은 Al_xGa_1-xN(단, 0 ＜ x ≤ 1 )를 포함하며, 상기 물질막은 Al_yGa_1-yN (단, 0 ≤ y ≤ 1, x≠y )를 포함하고, 상기 버퍼층과 상기 물질막은 적어도 한층이상 교대로 적층 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자가 제공된다.

또한, 상기 버퍼층은 AlN, AlN/GaN 초격자 구조, AlN/Al_xGa_1-xN (단, 0 < x < 1 ) 초격자 구조, Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1)물질막 / Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1)물질막의 초격자 구조 중에 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 버퍼층은,300 ~ 900 ℃의 온도에서 20Å ~ 150nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 물질막은, 500 ~ 1500℃의 온도에서 10Å ~ 50000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공 되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 개략 단면도이다.

도 2 에 의한 질화물 반도체 발광소자는, 기판(21)과, 상기 기판(21)상에 형성되는 버퍼층(23)과, 상기 버퍼층(23)상에 형성되는 물질막(25)과, 상기 물질막(25)상에 형성된 반도체층(27)으로 형성된다.

상기 기판(21)은, 사파이어, 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 산화리튬알루미늄(LiAlO2) 또는 산화리튬갈륨(LiGaO2) 등일 수 있으며, 바람직하게는 사파이어 또는 SiC 기판일 수 있다.

상기 기판(21) 상에 버퍼층(23)을 형성한다. 상기 버퍼층(23)은, Al_xGa_1-xN(단, 0 ＜ x ≤ 1 )물질막으로 형성된다. 또한, 상기 버퍼층(23)은, AlN 버퍼층 , AlN/GaN 초격자 구조, AlN/Al_xGa_1-xN (단, 0 < x <1 ) 초격자 구조, Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1)물질막 / Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1)물질막의 초격자 구조 중에 어느 하나의 형태로 형성된다. 바람직하게는 AlN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층(23)은 MOCVD 또는 MBE 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 버퍼층(23)은 300~900℃의 챔버내에 소오스 가스로 TMA, TMI, TMG, TEA 및/또는 TEG를 공급하고, 반응가스로 암모니아 및/또는 디메틸 하이드라진(이하, DMHy)을 공급하여 기판(21) 상에 20Å ~ 150nm 의 두께로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(23)을 AlN으로 형성하는 경우, 소오스 가스로 TMA 또는 TEA가 사용될 수 있으며, 버퍼 층을 AlGaN로 형성하는 경우, 소오스 가스로 TMG 또는 TEG가 사용될 수 있다.

상기 버퍼층(23)상에는, 물질막(25)이 상기 버퍼층(23)과 한층이상 교대로 적층되어 형성된다.

상기 물질막(25)은, Al_xGa_1-xN (단, 0 ≤ x ≤ 1 )물질막으로 형성된다. 이러한 물질막(25)은 버퍼층(23)과 같이, MOCVD 또는 MBE 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 500~1500℃의 챔버내에 소오스 가스로 TMA, TMI, TMG, TEA, TMAA, DMEAA 및/또는 TEG를 공급하고, 반응가스로 암모니아 및/또는 DMHy를 공급하여 형성될 수 있으며, 10Å ~ 50000Å의 두께로 형성될 수 있다.

상기 물질막(25)의 소오스 가스 중 적어도 하나는 상기 버퍼층(23)의 소오스 가스와 동일할 수 있다. 따라서, 상기 버퍼층(23)을 형성한 후, 소오스 가스를 계속 공급하면서, 반응가스 및 다른 소오스 가스들을 공급하여 연속적으로 물질막(25)을 형성할 수 있다.

이러한 물질막으로 도핑되지 않은 Al_xGa_{1 - x}N (단, 0 ≤ x ≤ 1 ) 물질막(25)이 사용되는 것은 우선 결정성이 도핑된 물질막에 비해 우수하기 때문에 그 위에 성장되는 반도체층(27) 등의 특성이 좋게 된다.

또한, 도핑을 하기 위해서는 Al_xGa_{1 - x}N (단, 0 ≤ x ≤ 1 )물질막(25)에 불순물을 첨가하여야 하는 데 불순물이 첨가되면 결정성이 떨어지게 되고 결정성이 떨어진 물질막 위에 반도체층 등을 성장하게 되면 성장된 반도체층 등은 결정성이 떨어지게 된다.

Al_xGa_1-xN (단, 0 ≤ x ≤ 1 ) 물질막(25)이 없이 버퍼층(23)상에 바로 n-GaN이 형성되면 전위 결함밀도가 10⁹개/㎝²정도 되는 반면에 버퍼층(23)상에 u-GaN을 성장한 경우에는 전위 결함밀도가 10⁸ 개/㎝² 로 전위 결함 밀도가 10배 가까이 좋아지게 된다.

상기와 같이 전위 결함밀도가 중요한 것은 전위 결함이 발광 다이오드 발광시 광자(Photon)를 포획하는 비 발광 센터(non-radiative center)로 작용하기 때문이다. 따라서 버퍼층(23)상에 도핑되지 않은 Al_xGa_{1 - x}N (단, 0 ≤ x ≤ 1 )물질막(25)을 성장하게 되면 전위 결함 밀도를 줄일 수 있어 상기 물질막(25)상에 성장되는 반도체층(27) 등의 전위 결함 밀도를 줄일 수 있어서 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 이러한 물질막(25)은, 상기 버퍼층(23)과 적어도 한층이상 교대로 적층되어 형성되므로 상기 물질막(25)상에 고품질의 반도체층(27)을 형성할 수 있다.

상기 반도체층(27)은 n형 또는 p형의 반도체층일 수 있으며, 바람직하게는 n형의 질화물 반도체층일 수 있다.

상기 버퍼층(23)과 물질막(25)은, 결정결함을 최적화할 수 있는 범위내에서 한층이상 교대로 적층되거나, 상기 버퍼층(23)이 수층이상 적층된 후에 물질막(25)이 한층이상 적층되어 형성될 수 있다.

이상의 본 발명은 상기한 기술된 실시예에 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이는 다음의 특허청구범위에 정의되는 발명의 취지와 범위에 포함하는 것이다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 종래기술에 비해 결정결함이 적은 버퍼층을 구비한 질화물 발광소자를 제공할 수 있다. 또한, 종래기술에 비해, 그 위에 형성될 반도체층의 결정결함 밀도를 감소시킬 수 있는, 결정결함이 적은 버퍼층을 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 기판상에 버퍼층 및 물질막이 형성되고, 상기 물질막 상에 질화갈륨계 화합물 반도체층이 형성되는 질화물 반도체 발광 소자에 있어서,

   상기 버퍼층은 Al_xGa_1-xN(단, 0 ＜ x ≤ 1 )를 포함하며, 상기 물질막은 Al_yGa_1-yN (단, 0 ≤ y ≤ 1, x≠y )를 포함하고, 상기 버퍼층과 상기 물질막은 적어도 한층이상 교대로 적층 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 버퍼층은,

   AlN, AlN/GaN 초격자 구조, AlN/Al_xGa_1-xN (단, 0 < x < 1 ) 초격자 구조, Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1)물질막 / Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(단, 0≤X,Y≤1 및 0≤X+Y≤1)물질막의 초격자 구조 중에 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 버퍼층은, 300 ~ 900 ℃의 온도에서 20Å ~ 150nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 물질막은, 500 ~ 1500℃의 온도에서 10Å ~ 50000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

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