KR100809226B1 - 질화물 반도체 발광 소자 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법에 관한 것이며, 본 발명의 일 측면은, 전기적 전도성을 갖는 질화물 단결정 성장용 기판과, 상기 질화물 단결정 성장용 기판 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층 되어 이루어진 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층 및 상기 질화물 단결정 성장용 기판 하면과 상기 n형 질화물 반도체층 상면에 각각 형성된 p측 및 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 본 발명의 다른 측면은 상기한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.
질화물, 발광소자, p형 기판, 결정성, 광학특성, LED

Description

질화물 반도체 발광 소자 및 제조방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
도1a 내지 도1c는 종래의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 측단면도이다.
도2a, 도2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.
도3a 내지 도3f는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 측단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
21: 기판 22: p형 질화물 반도체층
23: 활성층 23a`: 언도프된(undoped) GaN층
24: n형 질화물 반도체층 25: 반사금속층
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 p형 질화물 반도 체층의 고온 성장을 보장하여 결정성 및 광학적 특성을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 III족 질화물 반도체는 가시광 전체영역뿐만 아니라 자외선 영역에 이르는 넓은 범위의 빛을 발할 수 있다는 특성 때문에, 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD) 형태의 가시광 및 자외선 LED 와 청록색 광소자를 제조하는 물질로 각광을 받고 있다. 하지만, 질화물 반도체는 그 격자상수 및 열팽창계수에 적합한 기판이 보편적이지 않은 문제가 있다.
종래에 주로 사용되는 질화물 반도체 성장방법으로는 이종 기판인 사파이어(Al2O3) 기판 상에 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 및 분자빔 에피택시법(MBE) 등을 이용하여 헤테로-에피택시(heteroepitaxy)법에 의해 성장시키는 방법이 있으나, 사파이어 기판과 질화물층의 격자상수 및 열팽창계수의 차이로 인하여 저온의 핵생성층을 도입하여도 질화물 단결정은 약 109 ~ 1010 ㎝-2의 결정결함을 갖는 것으로 알려져 있다.
최근에는 이러한 질화물 반도체의 결정결함을 낮추기 위한 방안으로 GaN 기판을 사용하여 동종접합구조의 질화물 반도체 성장방법이 활용되고 있다. 일반적으로 사용되는 GaN 기판을 이용한 질화물 반도체 성장방법은 도1a 내지 도1c에 예시되어 있다.
우선, 도1a와 같이 MOCVD법을 사용하여 n형 GaN 기판(11) 상에 n형 GaN 층(12), InGaN 활성층(13), p형 AlGaN 층(14) 등을 순차적으로 성장시킨다. 이어 p형 도펀트를 활성화하기 위한 열처리를 한 후, 도1b와 같이 상기 p형 AlGaN 층(14)에 반사금속층(15)을 증착시키고, 이어, 도1c와 같이 n-전극(16), p-전극(17)을 각각 증착시킨다.
하지만, 이와 같이 n형 GaN 기판(11)을 사용하는 방법은, 상기 p형 AlGaN 층(14)의 성장온도가 높을 경우, 상기 InGaN 활성층(13)으로 도펀트(dopent) 원자들이 이동하게 되는 문제가 있다. 따라서, 950℃ 이하의 낮은 성장온도가 요구되며, 이 경우, p형 AlGaN 층의 950℃ 이하의 저온 성장으로 인하여, 결정성과 광학적 특성이 저하된다. 이에 따라, 질화물 반도체 발광소자의 성능이 떨어지는 문제가 있다.
또한, p형 도펀트를 활성화하기 위해 열처리 시 별도의 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비를 이용해야 하므로, 전체 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 일 목적은 질화물 결정을 고온에서 성장할 수 있도록 하여 높은 결정성과 광학적 특성을 얻을 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 p형 질화물 반도체층의 열처리 공정을 단순화하고, 더 나아가 n형 질화물 반도체층을 얇게 성장시킴으로써 공정시간을 줄일 수 있는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,
전기적 전도성을 갖는 질화물 단결정 성장용 기판과, 상기 질화물 단결정 성장용 기판 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층되어 이루어진 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층 및 상기 질화물 단결정 성장용 기판 하면과 상기 n형 질화물 반도체층 상면에 각각 형성된 p측 및 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
바람직하게는, 상기 기판은 p형 GaN기판일 수 있으며, 이 경우에, 충분한 전도성을 얻기 위한 상기 p형 GaN기판의 불순물 농도는 1×1017 ∼ 9×1019/㎤ 이 될 수 있다. 또한, 상기 기판은 연마공정 등을 통하여 약 50 ~ 100㎚의 두께가 되도록 형성될 수 있는데, 이를 통하여 전기적 저항을 줄일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 p형 질화물 반도체층은 상기 기판 상에 형성되어 상기 활성층과 접하는 계면을 갖는 p형 AlGaN층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 p형 질화물 반도체층은 상기 기판의 상면과 접하는 계면에 형성된 p형 GaN층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 활성층의 양자장벽층 중 상기 p형 AlGaN층과 접하는 계면을 갖는 양자장벽층은 언도프된 GaN층으로 이루어진 것일 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 상기 언도프된 GaN층의 두께는 2 ∼ 10㎚ 일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 n형 질화물 반도체층은 n형 GaN으로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 바람직하게는, 상기 n형 질화물 반도체층의 두께는 전기적 저항과 터널링(tunneling)효과를 고려하였을 때, 2 ~ 500㎚ 일 수 있다.
추가적으로, 상기 질화물 단결정 성장용 기판 하면과 p측 전극 사이에 형성된 반사금속층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 전기적 전도성을 갖는 질화물 단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 질화물 단결정 성장용 기판 상에 p형 질화물 반도체층을 성장시키는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층을 교대로 적층되어 이루어진 활성층을 성장시키는 단계와, 상기 활성층 상에 n형 질화물 반도체층을 성장시키는 단계 및 상기 질화물 단결정 성장용 기판 하면과 상기 n형 질화물 반도체층 상면에 각각 p측 및 n측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
상기 p형 질화물 반도체층은 950℃ 이상, 바람직하게는, 1000 ~ 1200℃ 에서 성장될 수 있으므로, 우수한 결정성을 보장할 수 있다. 또한, 상기 언도프된 GaN층 역시 950℃ 이상에서 성장될 수 있다.
추가적으로, 상기 p형 질화물 반도체층은 반응기 내에서 직접 열처리 될 수 있어, 열처리 공정을 단순화할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태의 일 예를 따르면, 상기 기판은 모든 층의 성장이 완료된 후 연마공정을 통해 두께를 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 연마공정을 통해 두께를 감소시키는 단계는, n측 전극이 형성된 후 p측 전극을 형성하는 단계 전에 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다.
도2a 와 도2b는 본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 측단면도이다.
도2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(20)는, 전기적 전도성을 갖는 질화물 단결정 성장용 기판(21), 상기 기판 상에 형성된 p형 질화물 반도체층(22), 상기 p형 질화물 반도체층(22) 상에 형성되며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층 되어 이루어진 활성층(23), 상기 활성층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층(24), 상기 질화물 단결정 성장용 기판(21) 하면과 상기 n형 질화물 반도체층(24) 상면에 각각 형성된 p측(27) 및 n측 전극(26)을 포함하는 구조를 갖는다.
이 경우, 상기 p형 질화물 반도체층(22)은 바람직한 실시 형태로서, 상기 기판 상(21)에 형성되어 상기 활성층(23)과 접하는 계면을 갖는 p형 AlGaN층(22b)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 p형 질화물 반도체층(22)은 상기 기판(21)과의 접촉 저항을 낮추기 위해, 상기 기판(21)의 상면과 접하는 계면을 갖는 p형 GaN층(22a)을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태의 일 예로서, 상기 n형 질화물 반도체층(24)은 n형 GaN으로 이루어진 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 n형 질화물 반도체층(24)의 두께(t1)는 2 ~ 500㎚ 일 수 있다. 따라서, 상기 n형 질화물 반도체층(24)의 두께를 수 ㎚ 정도로 얇게 함으로써, 공정시간을 줄일 수 있다.
추가적으로, 바람직하게는, 상기 질화물 단결정 성장용 기판(21)과 상기 p측 전극(27) 사이에는 반사금속층(25)이 포함될 수 있다.
도2b는 상기 활성층(23)을 중심으로 확대하여 나타낸 측단면도이다. 도2b를 참조하면, 상기 활성층(23)은 복수의 양자우물층(23b)과 양자장벽층(23a)이 교대로 적층되어 이루어진 구조가 되며, 바람직하게, 상기 활성층의 양자장벽층(23a) 중 상기 p형 AlGaN층(22b)과 접하는 계면을 갖는 양자장벽층은 언도프된 GaN(23a`)층이 포함될 수 있는데, 이는 Al 원자의 이동을 방지하는 기능을 할 수 있다. 이 경우, 바람직하게는, 언도프된 GaN층(23a`)의 두께(t2)는 2 ∼ 10㎚ 이 될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 제조공정의 일 실시형태를 도3a 내지 도3f를 참조하여 설명한다.
우선, 도3a와 같이, 전기적 전도성을 갖는 질화물 단결정 성장용 기판(31) 상에 p형 질화물 반도체층(32)을 형성한다. 일반적으로 상기 기판(31)의 두께(t3)는 수 백 ㎛ 정도가 될 수 있다.
또한, 상기에서 살펴본 바와 같이 p형 질화물 반도체층(32)은 p형 AlGaN층(32b)과 p형 GaN층(32a)을 포함할 수 있다. 이 경우, 고온 성장을 통한 결정성과 광학적 특성의 향상을 위해, 상기 p형 질화물 반도체층(32)의 성장 온도는 950℃ 이상이 될 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 1000 ~ 1200℃ 가 될 수 있다.
이어, 도펀트 원자의 활성화를 위해, 성장된 p형 질화물 반도체층(32)을 열처리한다. 이 경우, 반응기 내에서 직접 열처리를 할 수 있으므로, 기존의 모든 질화물층의 성장이 완료된 후, 별도의 RTA 장비로 열처리하는 방식에 비해 공정이 단순화될 수 있다. 또한, 도3b의 활성층(33) 성장 이전에 열처리를 하게 되므로, 도펀트(dopant) 원자의 상기 활성층(33)으로의 이동을 비롯하여 열에 의한 피해를 줄일 수 있다.
다음으로, 도3b와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(32) 상에 활성층(33)을 형성한다. 상기 활성층(33)은 도2b에서 살펴본 구조가 될 수 있는바, 상기 활성층(33)의 양자장벽층(23a) 중, 상기 p형 AlGaN층(22b)과 접하는 계면을 갖는 양자 장벽층인 언도프된 GaN층(23a)을 성장시킨 후, 그 상면에 복수의 양자우물층(23b)과 양자장벽층(23a)이 적층되는 구조를 형성하는 단계가 포함될 수 있다. 이 경우, 언도프된 GaN층(23a)의 성장 온도는 950℃ 이상이 되는 것이 바람직하며, 이에 따라, 결정성과 광학적 특성이 향상될 수 있다.
이어, 도3c와 같이, 상기 활성층(33) 상에 n형 질화물 반도체층(34)을 형성한다. 바람직하게는, 상기 n형 질화물 반도체층(34)의 두께(t1)는 약 2 ~ 500㎚ 정도일 수 있다. 이는, 기판 상에서 성장시키는 경우와 달리 수 ㎚ 정도의 두께로도 충분한 결정성을 확보할 수 있기 때문이며, 상기 두께 범위는 전기적 저항과 터널링 효과를 고려한 범위이다. 이에 따라 기존의 수㎛ 두께로 n형 질화물 반도체층을 성장시키는 방식에 비하여 공정 시간(예, 약 1000배 이상)을 단축시킬 수 있다.
이어, 도3d와 같이, 모든 질화물층의 성장이 완료된 후, 상기 기판(31)은, 연마공정을 통해 가공되는 단계가 포함될 수 있다. 바람직하게는, 상기 연마공정은 화학적 또는 기계적인 방식일 수 있고, 연마공정을 통하여 상기 기판(31)은 약 50 ~ 100㎚의 두께(t3`)가 되도록 할 수 있다. 이는, 상기 기판(31)과 상기 p형 질화물층(32)의 두께에 따른 반사효과와 전기적 저항효과를 고려한 바람직한 두께가 150 ~ 200㎚ 일 수 있는 점을 고려한 것이다.
이와 같이, 기판의 두께를 얇게 함으로써 기존의 수 백 ㎛ 두께인 경우보다 기판에 의한 전기적 저항을 줄일 수 있다.
또한, 바람직한 실시형태로써, 도시되지는 않았지만, 상기 연마공정을 통해 가공되는 단계는, 도3f의 n측 전극(36)을 형성하는 단계 후, p측 전극(37)을 형성하는 단계 전에 이루어질 수 있다.
다음으로, 도3e와 같이, 상기 질화물 단결정 성장용 기판(31) 하면에 반사금속층(35)을 형성할 수 있다.
마지막으로, 도3f와 같이, 반사금속층(35) 하면과 상기 n형 질화물 반도체층(34) 상면에 각각 p측(37) 및 n측 전극(36)을 형성한다. 이 경우, 도3e의 반사금속층(35) 형성 단계를 거치지 않는 경우라면, 상기 p측 전극(37)은 상기 질화물 단결정 성장용 기판(31) 하면에 직접 형성되게 될 것이다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 활성층의 생성 이전에 p형 질화물 반도체층을 성장시키므로 도펀트 원자들이 활성층으로 이동되는 것을 방지하여 950℃ 이상의 고온에서 열처리가 가능하다. 이에 따라, 결정성 및 광학적 특성이 n형 GaN 기판을 사용한 경우보다 향상된다. 또한, p형 질화물 반도체층을 반응기 내에서 직접 열처리함으로써 열처리 공정을 단순화할 수 있다.
나아가, n형 질화물 반도체층을 약 2 ~ 500㎚ 두께로 얇게 성장시킴으로써 기존의 방식에 비하여 공정시간을 단축할 수 있다.

Claims (28)

  1. 전기적 전도성을 갖는 질화물 단결정 성장용 기판;
    상기 질화물 단결정 성장용 기판 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층이 교대로 적층되어 이루어진 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 및
    상기 질화물 단결정 성장용 기판 하면과 상기 n형 질화물 반도체층 상면에 각각 형성된 p측 및 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 p형 GaN기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 p형 GaN기판은 1×1017 ∼ 9×1019/㎤의 불순물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 p형 GaN 기판은 약 50 ~ 100㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 물 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은,
    상기 기판 상에 형성되어 상기 활성층과 접하는 계면을 갖는 p형 AlGaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은,
    상기 기판의 상면과 접하는 계면에 형성된 p형 GaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 활성층의 양자장벽층 중 상기 p형 AlGaN층과 접하는 계면을 갖는 양자장벽층은 언도프된 GaN층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 언도프된 GaN층은 2 ∼ 10㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은 n형 GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은 2 ~ 500㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 단결정 성장용 기판과 p측 전극 사이에 형성된 반사금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 전기적 전도성을 갖는 질화물 단결정 성장용 기판을 마련하는 단계;
    질화물 단결정 성장용 기판 상에 p형 질화물 반도체층을 성장시키는 단계;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층을 교대로 적층되어 이루어진 활성층을 성장시키는 단계;
    상기 활성층 상에 n형 질화물 반도체층을 성장시키는 단계; 및
    상기 질화물 단결정 성장용 기판 하면과 상기 n형 질화물 반도체층 상면에 각각 p측 및 n측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방 법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기판은 p형 GaN기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 p형 GaN기판은 1×1017 ∼ 9×1019/㎤의 불순물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 p형 GaN 기판은 약 50 ~ 100㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은,
    상기 기판 상에 형성되어 상기 활성층과 접하는 계면을 갖는 p형 AlGaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은,
    상기 기판의 상면과 접하는 계면에 형성된 p형 GaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 활성층의 양자장벽층 중 상기 p형 AlGaN층과 접하는 계면을 갖는 양자장벽층은 언도프된 GaN층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 언도프된 GaN층은 2 ∼ 10㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은 n형 GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은 2 ~ 500㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 질화물 단결정 성장용 기판과 p측 전극 사이에 형성된 반사금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  23. 제12항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 950℃ 이상에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  24. 제12항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 1000 ~ 1200℃ 에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  25. 제12항에 있어서,
    상기 언도프된 GaN층은 950℃ 이상에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  26. 제12항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 반응기 내에서 직접 열처리 되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  27. 제12항에 있어서,
    모든 층의 성장 단계가 완료된 후, 상기 기판은, 연마공정을 통해 가공되는 단계를 더 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 연마공정을 통해 가공되는 단계는, n측 전극을 형성하는 단계 후, p측 전극을 형성하는 단계 전에 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
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