KR100853851B1

KR100853851B1 - 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100853851B1
Application number: KR1020060105772A
Authority: KR
Inventors: 심현욱; 강중서; 전동민
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-08-22
Also published as: JP2011040783A; US8203170B2; KR20080038628A; JP2008112983A; US20080099782A1

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상의 일부분에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, p형 불순물이 1×10²⁰/㎤ 이상 도핑되어 있는 p형 콘택층; 상기 p형 콘택층 상에 형성된 투명 산화전극; 상기 투명 산화전극 상에 형성된 p형 전극; 및 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

질화물 반도체 발광소자, 투명 산화전극, 오믹 콘택, 동작 전압, 발광 효율

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: 버퍼층

120: n형 질화물 반도체층 130: 활성층

140: p형 질화물 반도체층 150: p형 콘택층

160: 투명 산화전극 170: p형 전극

180: n형 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, p형 콘택층에 불순물 밴드를 많이 발생시킴으로써, 상기 p형 콘택층이 투과도가 우수한 n형의 ITO 등과 같은 투명 산화전극과 오믹 콘택을 이루도록 하여 접촉 저항을 낮추 어 전류 확산 효과를 높이고, 이를 통해 동작 전압을 낮추고 발광 효율을 높일 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 화합물 반도체를 사용한 소자는 그 용도가 여러 분야로 넓어지게 되어 발광 다이오드, 레이저 다이오드 등의 발광소자, 태양전지, 광센서 등의 수광소자, 또는 트랜지스터 및 파워 디바이스 등의 전자 디바이스에서도 연구되어 사용되고 있다. 이들 물질을 이용한 LD 및 LED는 총 천연색 전광판, 교통 신호등, 이미지 스캐너 광원 등의 각종 광원과 고밀도 광기록 매체의 개발 등을 위해서 필수적이라고 할 수 있다.

이들 질화물 반도체의 LED 소자는 기본적으로 사파이어 기판 상에 버퍼층과, Si 도핑된 GaN층으로 이루어지는 n형 질화물 반도체층과, InGaN/GaN의 단일양자우물이나 양자우물로 이루어진 활성층과, Mg 도핑된 p-AlGaN으로 이루어진 클래드층과 Mg 도핑된 p-GaN층으로 이루어진 p형 질화물 반도체층이 차례로 적층되는 구조를 가지고 있다.

이와 같이 일반적인 질화물 반도체의 LED는 이미 실용화가 되어 널리 상용되고 있고, LD에서도 상용되는 시점에 이르렀으나 LED를 예를 들면 조명용광원, 직사 일광이 쬐는 옥외 디스플레이 등으로 사용하기 위해서는 더 출력 향상이 필요하고 LD에서는 문턱값을 저하시켜서 수명을 연장하고, 광픽업, DVD 등의 안정적인 광원으로 실용화하기 위해서는 더 많은 개량이 필요하다.

LED 소자에 있어서는 동작 전압을 더 낮추는 것에 의해 발열량이 적어져서 신뢰성 및 수명을 향상시키는데 있어서 매우 중요하다. p-클래딩(cladding)의 효과를 높이기 위해 p-AlGaN층을 성장하여 광추출 효율을 높이고 있으나, 이로 인해 압전 필드(piezo electric field)가 강하게 작용하여 블루 시프트(blue shift)가 증가하게 되고 동작 전압도 높아질 수 있다. 이에 따라 동작 전압을 낮추기 위해 p형 질화물 반도체층 상에 p+GaN으로 이루어진 p형 콘택층을 성장하여 오믹 특성을 향상시켜 동작 전압을 낮추는 작업을 진행하고 있다.

또한, 종래에는 오믹 콘택을 형성하기 위한 ITO와 같은 투명 산화전극이 일반적으로 사용되고 있는데, 상기 ITO는 n형 물질이기 때문에 p형 콘택층과 쇼트키형 접합이 되어 전류가 균일하게 흐르지 않게 되고, 오히려 접촉 저항 및 동작 전압이 높아지게 된다. 접촉 저항을 낮추기 위해 CIO, ZnO 계열, MgZnO 등의 다른 종류의 투명 전극을 사용하여 동작 전압을 낮추어 사용하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 ITO 한 층으로 형성된 투명 전극보다 투과도가 떨어지게 되고 공정도 여러종류의 접촉을 위한 두께가 얇은 투명 전극을 형성하기 때문에 공정 시간이나 관리에 쉽지 않은 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, p형 콘택층에 불순물 밴드를 많이 발생시킴으로써, 상기 p형 콘택층이 투과도가 우수한 n형의 ITO 등과 같은 투명 산화전극과 오믹 콘택을 이루도록 하여 접촉 저항을 낮추어 전류 확산 효과를 높이고, 이를 통해 동작 전압을 낮추고 발광 효율을 높일 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상의 일부분에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, p형 불순물이 1×10²⁰/㎤ 이상 도핑되어 있는 p형 콘택층; 상기 p형 콘택층 상에 형성된 투명 산화전극; 상기 투명 산화전극 상에 형성된 p형 전극; 및 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함한다.

여기서 상기 투명 산화전극은, n형 특성을 갖는 ITO, ZnO, AZO, CuInO₂, Zn_1-xAl_xO, Zn_1-xMg_xO, SnO₂, RuO₂, PdO, Bi₂Ru₂O₇ 및 Bi₂Ir₂O₇으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기 투명 산화전극은, 적어도 1층 이상으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 투명 산화전극은, n형 또는 p형 도전성 불순물이 도핑된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 다른 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반 도체층 상의 일부분에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, p형 불순물로 도핑되고 상기 p형 불순물의 도핑 농도보다 낮은 도핑농도로 n형 불순물이 도핑되어 있는 p형 콘택층; 상기 p형 콘택층 상에 형성된 투명 산화전극; 상기 투명 산화전극 상에 형성된 p형 전극; 및 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함한다.

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 버퍼층(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 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.

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(120,140)과 활성층(130)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 물질일 수 있으며, MOCVD 및 MBE 공정과 같은 공지의 질화물 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 n형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층 등으로 이루어질 수 있으며, n형 불순물로는 Si 등을 사용하고, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층 등으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 Mg 등을 사용할 수 있다. 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.

상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 오믹 콘택을 위한 p형 콘택층(150), 및 전류 확산효과의 향상을 위한 n형의 투명 산화전극(160)이 순차로 형성되어 있다.

여기서, 상기 투명 산화전극(160)은 ITO로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 투명 산화전극(160)은 상기한 ITO 외에도, ZnO, AZO, CuInO₂, Zn_1-xAl_xO, Zn_1-xMg_xO, SnO₂, RuO₂, PdO, Bi₂Ru₂O₇ 및 Bi₂Ir₂O₇등으로 이루어질 수 있다. 이러한 투명 산화전극(160)은 투과도가 우수하고, 접촉 저항이 낮으므로 동작 전압을 낮추고 발광 효율을 높일 수 있다.

상기 투명 산화전극(160)은, 목적에 따라 2층 이상으로 구성할 수 있으나, 이럴 경우 계면에 의해 산란되어 투과도가 저하될 수 있으므로 단일층으로 구성하는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명에 따른 상기 투명 산화전극(160)은, n형 또는 p형 도전성 불순물이 도핑되어 콘택 특성 및 전도성을 향상시킬 수 있다.

상기 투명 산화전극(160) 상에는 p형 전극(170)이 형성되어 있고, 상기 메사 식각 공정에 의해 노출된 상기 n형 질화물 반도체층(120) 상에는 n형 전극(180)이 형성되어 있다.

특히, 본 발명에 의하면, 상기 p형 콘택층(150)에 오믹 콘택 향상을 위해, Mg와 같은 p형 불순물이 1×10²⁰/㎤ 이상 도핑되어 있거나, 또는 상기 p형 콘택층(150)에 Mg와 같은 p형 불순물이 도핑되되, 상기 p형 불순물의 도핑 농도보다 낮은 도핑농도로 n형 불순물이 도핑되어 있다. 여기서, 상기 p형 콘택층(150)에 도핑되는 n형 불순물로서 Si, C, 또는 O 등을 이용할 수 있다.

여기서, 상기 p형 콘택층(150)에 p형 불순물이 1×10¹⁹/㎤ 보다 낮은 농도로 도핑될 경우, 상기 p형 콘택층(150)이 p형 특성만 갖게되어 불순물 밴드가 적어지고, 이에 따라 본 발명에서 원하는 오믹 콘택 특성을 얻을 수 없으므로, 1×10¹⁹/㎤ 이상의 농도로 p형 불순물이 도핑되는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, p형 콘택층(150)에 소정 농도 이상의 p형 불순물이 도핑되거나, p형 불순물과 함께 n형 불순물이 도핑되면, 상기 p형 콘택층(150)이 p형 특성을 가지나, 불순물 밴드가 다량으로 발생되면서 p형 특성이 약해지는 바, ITO와 같은 n형의 투명 산화전극(160)과의 오믹 콘택 특성이 크게 향상될 수 있다.

기본적으로 p 오믹 콘택에 있어서, p-GaN에 오믹을 이루기 위해 일함수(work function)가 높은 물질이 없으나, 불연속 밴드(discrete band) 발생시 불순물 레벨(level)로의 전자투과에 의해 오믹이 형성되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명에서는 p형 콘택층(150) 형성을 위한 p-GaN 물질 성장시 Si 등과 같은 n형 불순물을 함께 도핑하거나, N-vacancy 또는 Mg-H 컴플렉스(complex) 관련된 불순물 발생을 조절하여 도너 밴드쪽에 더욱 많이 불순물 밴드가 형성될 수 있도록 하여, 상기 p형 콘택층(150)이 n형 물질인 ITO, ZnO 등과 오믹 콘택을 이루게 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 불순물 밴드가 많이 발생된 p형 콘택층(150)과 투명 산화전극(160)은 우수한 오믹 콘택 특성을 보이며, 이에 따라 전류 확산 특성을 향상시킬 수 있는 바, 소자의 동작 전 압을 낮추고 발광 효율을 높일 수 있으며 서지(surge)와 ESD 충격을 완화시킬 있는 효과가 있다.

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, p형 콘택층에 불순물 밴드를 많이 발생시킴으로써, 상기 p형 콘택층이 투과도가 우수한 n형의 ITO 등과 같은 투명 산화전극과 오믹 콘택을 이루도록 하여 접촉 저항을 낮추어 전류 확산 효과를 높일 수 있는 바, 소자의 동작 전압을 낮추고 발광 효율을 높일 수 있으며 서지(surge)와 ESD 충격을 완화시킬 있다.

따라서, 본 발명은 소자의 내구성을 강화시키고, 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

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기판;

상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상의 일부분에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, p형 불순물 및 n형 불순물이 함께 도핑되고, , n형 불순물의 도핑농도가 상기 p형 불순물의 도핑 농도보다 낮은 도핑농도로 n형 불순물이 도핑되어 있는 콘택층;

상기 콘택층 상에 형성된 투명 산화전극;

상기 투명 산화전극 상에 형성된 p형 전극; 및

상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;

을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,

상기 투명 산화전극은, n형 특성을 갖는 ITO, ZnO, AZO, CuInO₂, Zn_1-xAl_xO, Zn_1-xMg_xO, SnO₂, RuO₂, PdO, Bi₂Ru₂O₇ 및 Bi₂Ir₂O₇으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,

상기 투명 산화전극은, 적어도 1층 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,

상기 투명 산화전극은, n형 또는 p형 도전성 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.