KR100838286B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 적어도 2층 이상의 In_aAl_bGa_{1 -a- b}N(0≤a≤1, 0≤b≤1)으로 이루어진 멀티버퍼층(multi buffer layer); 상기 멀티버퍼층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

질화물, 발광소자, 기판, 멀티버퍼층, 격자상수

Description

질화물 반도체 발광소자{Nitride semiconductor light emitting device}

도 1은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 기판 110: 멀티버퍼층

120: n형 질화물 반도체층 130: 활성층

140: p형 질화물 반도체층 150: p형 콘택층

160: 투명 전극 170: p형 전극

180: n형 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기판과 그 위에 성장하고자 하는 질화물 반도체층 사이에, 다층의 멀티버퍼층을 성장시킴으로써, 상기 기판과 질화물 반도체층간의 격자상수 차이에 의해 발생하는 결함 등 을 억제하여 전기적, 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

근래에 새로운 영상정보를 전달매체로 부각되고 있는 LED(발광소자) 전광판은 초기에는 단순 문자나 숫자정보로 시작하여 현재는 각종 CF 영상물, 그래픽, 비디오 화면 등 동화상을 제공하는 수준까지 이르게 되었다. 색상도 기존 단색의 조잡한 화면 구현에서 적색과 황록색 LED 등으로 제한된 범위의 색상 구현을 했었고, 최근에는 질화물 반도체를 이용한 고휘도 청색 LED가 등장함에 따라 적색, 황록색, 청색을 이용한 총천연색 표시가 비로소 가능하게 되었다. 그러나 황록색 LED가 적색 LED, 청색 LED보다 휘도가 낮고 발광 파장이 565nm 정도로 빛의 삼원색에서 필요한 파장의 녹색이 아니기 때문에 자연스러운 총천연색 표현은 불가능하였으나, 이후, 자연스러운 총천연색 표시에 적합한 파장 525nm 고휘도 순수 녹색 질화물 반도체 LED를 생산함으로써 해결되었다.

이와 같은 질화물 반도체는 Al_xIn_yGa_1-x-yN 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 질화물 반도체 물질을 사용하고 있으며, 특히 질화갈륨(GaN)을 이용한 반도체 발광소자에 대한 연구가 현재 활발하게 진행되고 있다.

통상 질화물 반도체 발광소자에는, GaN 등과 같은 질화물 반도체 물질과 결정구조가 동일하면서 격자정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문에, 절연성 기판인 사파이어 기판이 사용된다. 이 때, 사파이어 기판과, 사파이어 기판 상에 성장되는 GaN층 간에는 격자상수 및 열팽창 계수의 차이가 발생하게 되어 결정 결함이 발생하기 때문에, 이를 방지하기 위해 종래에는 저온 성장되는 GaN 버퍼층을 상기 사파이어 기판 상에 형성하고, 상기 버퍼층 상에 GaN층을 고온 성장시킨다. 이는 사파이어 기판과 GaN층 사이의 격자상수의 차이를 줄이기 위한 것이다.

그러나, 저온에서 성장시킨 GaN 버퍼층은 많은 양의 결정성 결함을 가지며, 결정질이라기 보다는 비정질에 더 가까운 특성을 지닌다. 따라서 저온 성장 버퍼층 위에 GaN층을 바로 고온 성장시키게 되면 많은 양의 결정성 결함이 고온 성장 GaN층으로 전파되어 전위(dislocation)라고 하는 결함이 발생된다.

따라서, 당 기술분야에서는 기판과 GaN 등의 질화물 반도체 물질간의 격자부정합에 의해 발생하는 전위와 같은 결함을 방지하고 이를 통해 전기적, 광학적 특성이 우수한 질화물 반도체 발광소자가 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 기판과 그 위에 성장하고자 하는 질화물 반도체층 사이에, 다층의 멀티버퍼층을 성장시킴으로써, 상기 기판과 질화물 반도체층간의 격자상수 차이에 의해 발생하는 결함을 억제하여 전기적, 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 적어도 2층 이상의 In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤1, 0≤b≤1)으로 이루어진 멀티버퍼층(multi buffer layer); 상기 멀티버퍼층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;을 포함한다.

여기서, 상기 기판과 상기 멀티버퍼층의 최하부층 간의 격자상수 차이는, 상기 기판과 상기 n형 질화물 반도체층 간의 격자상수 차이보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한 상기 멀티버퍼층의 최상부층과 상기 n형 질화물 반도체층 간의 격자상수 차이는, 상기 기판과 상기 n형 질화물 반도체층 간의 격자상수 차이보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한 상기 멀티버퍼층을 이루는 각 층간의 격자상수 차이는, 상기 기판과 상기 n형 질화물 반도체층 간의 격자상수 차이보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한 상기 멀티버퍼층은, 각 층을 이루는 In, Al 및 Ga의 구성비가 서로 다르게 비규칙적으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 멀티버퍼층은, 각 층을 이루는 In, Al 및 Ga의 구성비가 2층 이상의 주기로 서로 같게 규칙적으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 멀티버퍼층은, In, Al 및 Ga의 구성비가 서로 다르게 비규칙적으로 형성된 부분과, 상기 구성비가 2층 이상의 주기로 서로 같게 규칙적으로 형성된 부분으로 나눌 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 멀티버퍼층은 100㎚ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 기판은 사파이어, SiC, Si, AlN, ZnO 및 GaN로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 기판은 상면이 평평한 기판, 또는 패턴드(patterned) 기판인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 멀티버퍼층, n형 질화물 반도체층, 활성층, 및 p형 질화물 반도체층은 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth: ELOG)법에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.

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.

이제 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대하여 도 1을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 도 1에 도시한 바와 같이, 광투과성 기판(100) 상에 멀티버퍼층(multi buffer layer, 110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), 및 p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층된 구조를 갖는다.

상기 p형 질화물 반도체층(140)과 활성층(130)은 일부 메사 식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거된 바, n형 질화물 반도체층(120)의 일부 상면이 노출되어 있다. 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(120)의 상면에는 n형 전극(180)이 형성되어 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 p형 전극(170)이 형성되어 있다.

여기서, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 상기 p형 전극(170)이 형성되기 전에, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 오믹특성 향상을 위한 p형 콘택층(150), 및 전류 확산효과의 향상을 위한 투명 전극(160)이 순차로 형성될 수도 있다. 이 때, 상기 투명 전극(160)은 주로 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진다.

상기 기판(100)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게는 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며, 상기 사파이어 이외에도, 상기 기판(100)은 SiC, Si, AlN, ZnO 또는 GaN 등으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 기판(100)은 도면에 도시된 바와 같이 패턴이 형성되지 않은 일반적인 기판, 즉 상면이 평평한 기판일 수도 있지만, 기판과 그 위에 성장되는 질화물 반도체 박막간의 격자상수 및 열팽창 계수의 불일치로 인해 발생하는 전위와 같은 격자결함을 감소시킬 수 있는 패턴드(patterned) 기판일 수도 있다.

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(120, 140), 및 상기 활성층(130)은, In_XAl_YGa_1-X-YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1임)을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층 등으로 형성될 수 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층 등으로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(130)은 다중양자우물(MQW) 구조의 In_xAl_yGa_1-x-yN/In_aAl_bGa_1-a-bN(x≤1, y≤1, a≤1, b≤1), 예컨대 InGaN/GaN층 등으로 형성될 수 있다.

특히, 본 발명에서 상기 멀티버퍼층(110)은, 상기 기판(100)과 그 위에 성장되는 질화물 반도체 박막간의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 의해 발생하는 격자결함 및 스트레스 등을 억제하기 위한 층으로, 적어도 2층 이상의 In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤1, 0≤b≤1)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

예컨대, 상기 기판(100)이 사파이어(Al₂O₃)로 이루어지고 상기 n형 질화물 반도체층(120)이 GaN으로 이루어질 경우, 상기 멀티버퍼층(110)은 AlN/InN/AlInGaN/AlGaN/GaN 등의 적층구조로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 기판(100)과 그 위에 성장되는 질화물 반도체 물질의 종류에 따라 상기 멀티버퍼층(110)을 이루는 각 층들의 In, Al 및 Ga의 구성비는 다양하게 변형될 수 있다.

즉, 통상적으로 사용되는 질화물 반도체 발광소자의 기판들은 질화물 반도체 물질과는 격자상수와 열팽창 계수의 차이로 인해 성장시 또는 성장 후 내부적으로 많은 스트레스를 받게 되고 결함이 발생하게 되는데, 이를 극복하기 위해 본 발명에서는 기판(100)의 격자상수와 그 위에 성장하고자 하는 질화물 반도체층의 격자상수를 고려하여, 적어도 2층 이상의 In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤1, 0≤b≤1)으로 이루어진 멀티버퍼층(110)을 성장시켜 두 물질간의 격자상수 차이와 열팽창 계수의 차이를 줄여 박막성장시 발생되는 결함과 스트레스를 최소화하는 것이다.

따라서, 상기 기판(100)과 상기 멀티버퍼층(110)의 최하부층 간의 격자상수 차이는 상기 기판(100)과 상기 n형 질화물 반도체층(120) 간의 격자상수 차이보다 작은 것이 바람직하다. 그리고 상기 멀티버퍼층(110)의 최상부층과 상기 n형 질화물 반도체층(120) 간의 격자상수 차이 역시, 상기 기판(100)과 상기 n형 질화물 반도체층(120) 간의 격자상수 차이보다 작은 것이 바람직하며, 아울러 상기 멀티버퍼층(110)을 이루는 각 층간의 격자상수 차이도, 상기 기판(100)과 상기 n형 질화물 반도체층(120) 간의 격자상수 차이보다 작은 것이 바람직하다.

이러한 멀티버퍼층(110)은, 각 층을 이루는 In, Al 및 Ga의 구성비가 서로 다르게 비규칙적으로 형성될 수도 있고, 또는 각 층을 이루는 In, Al 및 Ga의 구성비가 2층 이상의 주기로 서로 같게 규칙적으로 형성될 수도 있다. 또한 상기 멀티버퍼층(110)은, 상기한 바와 같은 In, Al 및 Ga의 구성비가 서로 다르게 비규칙적으로 형성된 부분과, 상기 구성비가 2층 이상의 주기로 서로 같게 규칙적으로 형성된 부분으로 나눌 수 있게 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 멀티버퍼층(110)은 전체적인 소자의 크기를 고려하여 100㎚ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 그 성장온도는 제한없이 낮은 온도와 높은 온도에서 성장이 가능하다.

상술한 바와 같은 멀티버퍼층(110)을 이용하여 성장된 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 기판(100)과 질화물 반도체층간의 격자상수 차이의 최소화를 통해 스트레스를 이완시키고, 이는 양자우물내에서 밴드 벤딩(band bending)을 축소시켜 내부발광효율을 높일 수 있으며 스트레스에 의한 결함들의 확산을 억제할 수 있다.

또한 멀티버퍼층(110)을 사용하여 격자상수 및 열팽창 계수 차이의 최소화를 통해 질화물 반도체 박막 성장시 발생되는 결함을 최소화함으로써, 소자의 동작전압을 낮추고 발광효율을 높일 수 있으며 신뢰성 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.

한편, 상기 멀티버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), 및 p형 질화물 반도체층(140)은 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth: ELOG)법에 의해 형성된 것일 수 있다. 상기 ELOG법은, 앞서의 패턴드 기판을 사용할 때와 같이, 낮은 전위 밀도를 갖는 고품질 에피택셜층의 형성을 보장할 수 있는 기술로서, 질화물 반도체 물질을 측면 방향으로 성장시켜 기판(100)과 질화물 반도체층의 계면에서 형성된 결함이 상층부로 이동하는 것을 억제하는 방법이다.

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 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 기판과 그 위에 성장하고자 하는 질화물 반도체층 사이에, 적어도 2층 이상의 In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤1, 0≤b≤1)으로 이루어진 멀티버퍼층을 성장시킴으로써, 상기 기판과 질화물 반도체층간의 격자상수 및 열팽창 계수 차이를 줄일 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 질화물 반도체층 성장시 발생되는 결함을 최소화할 수 있는 바, 소자의 동작전압을 낮추고 발광효율을 높일 수 있으며, 신뢰성 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성되며, 적어도 2층 이상의 In_aAl_bGa_1-a-bN(0≤a≤1, 0≤b≤1)으로 이루어진 멀티버퍼층(multi buffer layer);

   상기 멀티버퍼층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 및

   상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

   을 포함하여 이루어지며, 상기 멀티버퍼층은, 각 층간의 격자상수 차이가 상기 기판과 상기 n형 질화물 반도체층 간의 격자상수 차이보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기판과 상기 멀티버퍼층의 최하부층 간의 격자상수 차이는, 상기 기판과 상기 n형 질화물 반도체층 간의 격자상수 차이보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 멀티버퍼층의 최상부층과 상기 n형 질화물 반도체층 간의 격자상수 차 이는, 상기 기판과 상기 n형 질화물 반도체층 간의 격자상수 차이보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 멀티버퍼층은, 각 층을 이루는 In, Al 및 Ga의 구성비가 각 층에 대하여 서로 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 멀티버퍼층은, 각 층을 이루는 In, Al 및 Ga의 구성비가 2층 이상의 주기로 서로 같게 규칙적으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 멀티버퍼층은, In, Al 및 Ga의 구성비가 각 층에 대하여 서로 다르게 형성된 제1멀티버퍼층과, 상기 구성비가 2층 이상의 주기로 서로 같게 형성된 제2멀티버퍼층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
8. 제1항에 있어서,

   상기 멀티버퍼층은 100㎚ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어, SiC, Si, AlN, ZnO 및 GaN로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
10. 제1항에 있어서,

    상기 기판은 상면이 평평한 기판, 또는 패턴드(patterned) 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
11. 제1항에 있어서,

    상기 멀티버퍼층, n형 질화물 반도체층, 활성층, 및 p형 질화물 반도체층은 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth: ELOG)법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

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