KR100925164B1

KR100925164B1 - ｐ형 질화물 반도체층 형성 방법 및 그것을 갖는 발광 소자

Info

Publication number: KR100925164B1
Application number: KR1020070129542A
Authority: KR
Inventors: 최재빈
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-11-05
Also published as: KR20090062348A

Abstract

금속유기화학기상성장법을 사용하여 Mg이 도핑된 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법이 개시된다. 이 방법은 반응기 내에 기판을 로딩하고, 상기 반응기 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스, Mg 소스 가스를 포함하는 소스 가스들을 공급하여 상기 기판 상에 제1의 Mg 도핑된 질화물 반도체층을 성장시키고, 상기 반응기 내로 공급되는 Ga 소스 가스 및 Mg 소스 가스의 공급을 중단하여 질화물 반도체층의 성장을 중단시키되, NH₃ 가스를 공급하고, 상기 반응기 내로 In 소스 가스 및 NH₃ 가스를 공급하여 상기 제1의 질화물 반도체층에 In을 도핑하는 것을 포함한다. 이에 따라, p형 질화물 반도체층의 전기전도성 및 결정성을 향상시킬 수 있다.

발광 다이오드, p-GaN 성장, In 도핑, 자발 보상(self-compensation)

Description

ｐ형 질화물 반도체층 형성 방법 및 그것을 갖는 발광 소자{METHOD OF FORMING P-TYPE NITRIDE SEMICONDUCTOR LAYER AND LIGHT EMITTING DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 질화물계 발광소자의 제조방법 및 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 p형 질화물 반도체층 형성 방법 및 그것을 갖는 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물계 반도체는 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신기기의 광원으로 청/녹색 발광 다이오드(light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(laser diode)에 널리 이용되고 있다. 이러한 질화물계 발광 소자는 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치한 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하며, 상기 활성층에서 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 발생시킨다.

이러한 질화물 반도체층들은 주로, 반응기 내에 기판을 배치한 후, III족 금속의 유기물 소스를 이용한 소스 가스들을 반응기 내로 공급함으로써 상기 기판 상에 질화물 반도체층을 성장시키는 금속유기화학 기상성장법을 사용하여 성장된다.

한편, p형 질화물 반도체층은 주로 Mg을 도펀트로 사용하여 형성되는데, 이 때, Mg는 수소와 결합하여 p형 질화물 반도체층의 결정성을 악화시키는 동시에 p형 질화물 반도체층의 전기 전도성에 기여하지 못할 수 있다. Mg의 도핑에 따른 이러한 문제점은, 발광 소자의 누설전류 증가, 역전압 특성 열화 및 불량한 전류확산을 초래하여, 발광소자의 발광효율 및 휘도를 감소시킨다.

한편, 질화갈륨계 반도체 발광소자의 구동 전압을 낮추고, 그 출력을 향상시키기 위해서는 p형 질화물 반도체층의 전기 전도성을 개선할 필요가 있다. 그러나, Mg의 도핑 농도를 증가시킬 경우, 캐리어 농도가 감소하는 현상, 이른바 자발 보상(self-compensation)이 발생된다.

따라서, Mg 도핑 농도를 충분히 증가시켜 p형 질화물 반도체층의 전기 전도성을 향상시킴과 아울러, p형 질화물반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있는 p형 질화물 반도체층 형성 방법이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기 전도성 및/또는 결정성이 향상된 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기 전도성 및/또는 결정성이 향상된 p형 질화물 반도체층을 갖는 발광 소자를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 Mg이 도핑된 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 p형 질화물 반도체층 형성 방법은 반응기 내에 기판을 로딩하는 것을 포함한다. 상기 반응기 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스, Mg 소스 가스를 포함하는 소스 가스들이 공급되어 상기 기판 상에 제1의 Mg 도핑된 질화물 반도체층이 성장된다. 이어서, 상기 반응기 내로 공급되는 Ga 소스 가스 및 Mg 소스 가스의 공급이 중단되어 질화물 반도체층의 성장이 중단된다. 다만, NH₃ 가스가 공급된다. 그 후, 상기 반응기 내로 In 소스 가스 및 NH₃ 가스가 공급되어 상기 제1의 질화물 반도체층에 In이 도핑된다. 상기 제1의 질화물 반도체층에 도핑된 In은 Mg 도핑에 의해 발생되는 자발 보상을 감소시키어 전기 전도성을 향상시킨다. 또한, 제1의 질화물 반도체층의 성장이 중단된 후에 공급되는 NH₃ 가스는 제1의 질화물 반도체층에 질소 소스를 공급하여 질화물 반도체층에서 N 공공(vacancy)을 감 소시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 In이 도핑된 후, 상기 반응기 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스, Mg 소스 가스를 포함하는 소스 가스들이 공급되어 상기 기판 상에 제2의 Mg 도핑된 질화물 반도체층이 성장될 수 있다.

상기 제1 질화물 반도체층의 성장 중단 및 상기 In 도핑에 의해 상기 제1 질화물 반도체층 내에 형성된 결정 결함, 예컨대 전위(dislocation)들이 상기 제2 질화물 반도체층으로 성장하는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있다.

상기 제2의 Mg 도핑된 질화물 반도체층을 성장시키는 동안, In 소스 가스의 공급은 중단될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제1의 Mg 도핑된 질화물 반도체층 및/또는 상기 제2의 Mg 도핑된 질화물 반도체층은 p-GaN층일 수 있다.

이에 더하여, 상기 N 소스 가스는 NH₃를 포함할 수 있다. 상기 NH₃는 제1의 질화물 반도체층 성장, 성장 중단 및 In 도핑과정에서 연속적으로 반응기 내로 공급될 수 있다. 상기 NH₃는 또한 제2의 질화물 반도체층 성장 동안에도 연속적으로 공급될 수 있다.

상기 제1의 Mg 도핑된 질화물 반도체층 성장, 질화물 반도체층의 성장 중단, In 도핑 단계들은 적어도 2회 반복될 수 있다. 이에 따라 자발 보상을 감소시키어 전기 전도성이 향상됨과 아울러 결정성이 개선된 p형 질화물 반도체층이 형성될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은 Mg 도핑된 p형 질화물 반도체층을 갖는 발광 소자를 제공한다. 이 발광 소자는 기판, n형 질화물 반도체층, Mg 및 In이 도핑된 p형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 이때, 상기 p형 질화물 반도체층 내에 도핑된 In은 상기 p형 질화물 반도체층의 두께 방향으로 동일한 높이에 농도 피크를 갖는다.

본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 In의 농도 피크는 상기 p형 질화물 반도체층의 두께 방향으로 적어도 2개의 높이 위치들에서 나타날 수 있다.

또한, 상기 p형 질화물 반도체층은 GaN일 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, Mg 도핑된 p형 질화물 반도체층 성장시에 일정간격으로 NH₃ 분위기에서 Ga과 Mg의 소스 공급을 중단하고, NH₃ 분위기에서 In 소스를 공급하여 성장된 질화물 반도체층에 In을 도핑함으로써, Mg 도핑에 기인하여 발생되는 자발 보상을 감소시키어 전기 전도성을 향상시킬 수 있으며, 또한 결정 결함 밀도 예컨대 전위 밀도를 감소시키어 p형 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 구동전압이 낮고 발광 효율 및 발광 출력이 향상된 발광 소자를 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 발광 소자는 n형 질화물 반도체층(25), 활성층(27), p형 질화물 반도체층(29)을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는 기판(21), 버퍼층(23), 투명전극층(31), n-전극(33) 및 p-전극(35)을 포함할 수 있다.

상기 기판(21)은 질화물계 발광소자를 제작하기 위한 웨이퍼를 지칭하는 것으로, 주로 사파이어(Al₂O₃) 또는 실리콘카바이드(SiC)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 질화물 반도체층을 성장시키기에 적합한 이종기판, 예컨대 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 스피넬 등의 이종기판 또는 GaN와 같은 동종기판일 수 있다.

버퍼층(23)은 기판(21) 상에 질화물 반도체층의 성장시 기판(21)과 질화물 반도체층 간의 격자 부정합을 완화하기 위한 것으로, InAlGaN 계열이나 SiC 또는 ZnO계열의 재료로 형성될 수 있다.

한편, n형 질화물 반도체층(25)은 주로 GaN로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, (Al, In, Ga)N 계열의 2원계 내지 4원계 질화물 반도체로 형성될 수 있다. 또한, n형 질화물 반도체층(25)은 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있으며, 초격자층을 포함할 수 있다.

활성층(27)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있으며, 다중 양자우물 구조의 경우, 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 2회 이상 10 회 이하로 반복되어 형성될 수 있다. 상기 활성층은 요구되는 발광 파장에 따라 그 조성이 결정되며, 청색 내지 녹색 계열의 가시광선을 방출하기 위해 InGaN이 활성층(양자우물층)으로 적합하다. 양자장벽층은 상기 양자우물층에 비해 밴드갭이 큰 질화물로 형성되며, 예컨대, GaN 또는 InGaN으로 형성될 수 있다.

p형 질화물 반도체층(29)은 주로 GaN로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, (Al, In, Ga)N 계열의 2원계 내지 4원계 질화물 반도체로 형성될 수 있다. 또한, p형 질화물 반도체층(29)은 Mg를 도펀트로 사용하여 형성되며, 그 내부에 In을 함유하고 있다. In은 p형 질화물 반도체층(29) 내에 균일하게 분포하기보다는 p형 질화물 반도체층(29)의 두께 방향으로 동일한 높이에서 피크 분포를 갖도록 불균일하게 분포한다. 상기 In이 피크 분포를 갖는 높이를 기준으로, 상기 p형 질화물 반도체층은 제1의 p형 질화물 반도체층(29a)과 제2의 p형 질화물 반도체층(29b)으로 구분될 수 있다. 상기 제1의 p형 질화물 반도체층(29a)과 제2의 p형 질화물 반도체층(29b)은 동일한 조성의 질화물 반도체층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 조성이 서로 다를 수 있다. 이에 더하여, p형 질화물 반도체층(29) 내에서 In이 피크 분포를 갖는 높이는 적어도 하나 이상 있을 수 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(29) 상에 투명전극층(31)이 위치하며, 투명전극층(31)은 Ni/Au와 같은 투명 금속층 또는 ITO와 같은 전도성 산화물로 형성될 수 있다.

한편, n형 반도체층(25)에 n-전극(33)이 형성될 수 있으며, 투명전극층(31) 상에 p-전극이 형성될 수 있다. n-전극 및 p-전극은 Ti/Al 등 다양한 금속 재료로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층, n형 질화물 반도체층, 활성층은 금속유기화학 기상성장법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular BeamEpitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등 다양한 기술을 사용하여 형성될 수 있으나, 현재로서는 금속유기화학 기상성장법이 주로 사용되고 있다. 따라서, 이하에서는 금속유기화학 기상성장법을 사용하여 상기 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.

도 2를 참조하면, 우선 기판(21)이 준비된다(S01). 상기 기판(21)은 그 위에 버퍼층(23), n형 질화물 반도체층(25) 및 활성층(27)을 가질 수 있다. 이러한 기판(21)은 반응기 내에 기판(21)을 로딩하고, 상기 반응기 내로 소스 가스들을 공급하여 버퍼층(23), n형 질화물 반도체층(25) 및 활성층(27)을 증착시킴으로써 준비될 수 있다.

상기 버퍼층(23)은 질화물로 형성될 수 있으며, 버퍼층의 형성 방법 및 재료에 대해서는 이미 잘 알려져 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.

상기 n형 질화물계반도체층(25)은 일반적으로 Si를 도펀트로 사용하여 형성될 수 있으며, 상기 Si의 소스로서 SiH₄나 Si₂H₄ 등의 불활성 가스 또는 DTBSi와 같 은 금속 유기물 소스를 사용할 수 있다. 상기 Si 농도는 1×10¹⁷/㎤~5×10¹⁹/㎤의 범위일 수 있으며, n형 질화물 반도체층은 1.0~5.0㎛의 두께로 형성될 수 있다.

상기 활성층(27)은 질소 분위기에서 In_xGa1₁ _-xN(0.1<x<1) 양자우물층과 In_yGa_1-yN(0<y<0.5) 양자장벽층이 2회 이상 10회 이하로 반복된 다중양자우물구조로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 각 양자우물층은 1~4nm 두께 및 In 함량(0.1<x<0.4)로 형성될 수 있으며, 각 양자장벽층은 5~20nm 두께 및 In 함량 (0<y<0.2)로 형성될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 반응기 내로 Ga소스, N 소스 가스, Mg 소스 가스들을 공급하여 Mg 도핑된 제1의 p형 질화물 반도체층(29a)을 성장시킨다(S03). 소스 가스들의 공급은 T1 시간 동안 이루어진다.

Ga 소스로는 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에틸갈륨(TEGa)을 사용할 수 있고, N 소스 가스로는 암모니아(NH₃) 또는 디메틸히드라진(DMHy)을 사용할 수 있고, Mg 소스로는 CP₂Mg 혹은 DMZn을 사용할 수 있다. 상기 제1의 p형 질화물 반도체층(29a) 내의 Mg 도핑 농도는 3~8×10¹⁷/㎤의 범위 내에 있을 수 있으며, 5-50nm 두께로 형성될 수 있다. 상기 T1 시간은 요구되는 두께의 제1의 p형 질화물 반도체층을 형성하는 데 필요한 시간으로 설정된다.

그 후, 상기 반응기 내로 공급되는 Ga 소스 가스 및 Mg 소스 가스의 공급을 중단하여 질화물 반도체층의 성장을 중단시킨다(S05). 상기 성장 중단은 T2 시간 동안 이루어진다.

반응기에는 배기펌프가 장착되어 반응기 내의 가스들을 배출시킴으로, 상기 소스 가스들의 공급이 중단된 후 시간이 지남에 따라 상기 반응기 내에 잔류하는 Ga 소스 가스 및 Mg 소스 가스는 대부분 외부로 배출된다. 상기 T2 시간은 상기 Ga 소스 가스 및 Mg 소스 가스를 배출하기 위한 시간으로 1 내지 60초일 수 있다.

상대적으로 고온 상태에서 성장을 중단시키면, 기판 상에 성장된 질화물 반도체층에서 질소 원자들이 해리되어 질소 공공들을 형성할 수 있다. 따라서, 질화물 반도체층의 성장 중단 동안에 NH₃ 가스를 공급하여 N 원자들을 공급할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 N 소스 가스가 NH₃를 포함하는 경우, Ga 소스 가스 및 Mg 소스 가스의 공급을 중단하고 NH₃를 계속 공급할 수 있다. 이와 달리, 상기 N 소스 가스가 NH₃를 포함하지 않은 경우, 상기 성장 중단 단계(S05)에서 NH₃를 별도로 공급할 수 있다.

그 후, 상기 반응기 내로 In 소스 가스 및 NH₃ 가스를 공급하여 상기 제1의 질화물 반도체층에 In을 도핑한다(S07). 상기 In 도핑은 T3 시간 동안 이루어지며, T3는 1 내지 60초의 범위 내에 있을 수 있다.

MOCVD를 사용하여 질화물 반도체층들을 성장시킬 경우, 동일한 반응기 내에서 n형 질화물 반도체층(25), 활성층(27) 및 p형 질화물 반도체층(29)이 성장될 수 있다. 따라서, 상기 In 소스의 유량은 활성층(27)의 성장시 사용되는 In 소스의 유 량 범위 내에 있는 것이 공정 안정성에서 바람직하다.

In이 도핑된 후, 다시 반응기 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스 및 Mg 소스 가스를 공급하여 제2의 Mg 도핑된 p형 질화물 반도체층(29b)을 성장시킨다(S09). 상기 제2의 질화물 반도체층(29b)은 T4 시간 동안 성장될 수 있으며, T4는 T1과 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 제2의 질화물 반도체층(29b)은 제1의 질화물 반도체층(29a)과 동일한 조성으로 성장될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 조성일 수 있다.

한편, 상기 제2의 질화물 반도체층(29b)을 성장시키는 동안, In 소스 가스의 공급은 중단될 수 있다. 이 경우, In 소스 가스를 중단하고 소정 시간 경과한 후, 상기 제2의 질화물 반도체층(29b)이 성장되도록 할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제1 질화물 반도체층(29a) 및 제2 질화물 반도체층(29b)에 의해 p형 질화물 반도체층(29)이 형성된 것으로 도시 및 설명하였으나, 질화물 반도체층의 성장, 성장 중단, In 도핑 단계들을 여러 번 반복하여 실시할 수 있다. 이때, 성장되는 각 p형 질화물 반도체층들은 5-50nm 두께로 형성될 수 있으며, 전체 상기 p형 질화물 반도체층은 0.1-5um의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

그 후, 상기 기판(21) 상에 형성된 p형 질화물 반도체층(29) 및 활성층(27)을 패터닝하고, 투명전극층(31), n-전극(33) 및 p-전극(35)을 형성함으로써 도 1의 발광소자가 완성된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, Mg 도핑된 p형 질화물 반도체층(29)의 성장 도중에 성장을 중단하고, NH3 가스를 공급하고 또한 In을 도핑함으로써 자발 보 상(self-compensation)을 감소시키어 p형 질화물 반도체층(29)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 또한, p형 질화물 반도체층(29)의 성장 도중에 In을 도핑함으로써 그 위에 성장되는 질화물 반도체층으로 전위가 성장되는 것을 차단할 수 있어 p형 질화물 반도체층(29)의 결정성을 향상시킬 수 있다.

본 실시예의 p형 질화물 반도체층 형성 방법은 발광 다이오드뿐만 아니라 다른 질화물계 광소자, 예컨대 레이저 다이오드를 제조하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명에 대해서 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 많은 수정과 변형이 가능함을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.

Claims

Mg이 도핑된 p형 질화물 반도체층을 형성하는 방법에 있어서,

반응기 내에 기판을 로딩하고,

상기 반응기 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스, Mg 소스 가스를 포함하는 소스 가스들을 공급하여 상기 기판 상에 제1의 Mg 도핑된 질화물 반도체층을 성장시키고,

상기 반응기 내로 공급되는 Ga 소스 가스 및 Mg 소스 가스의 공급을 중단하여 질화물 반도체층의 성장을 중단시키되, NH₃ 가스를 공급하고,

상기 반응기 내로 In 소스 가스 및 NH₃ 가스를 공급하여 상기 제1의 질화물 반도체층에 In을 도핑하는 것을 포함하는 p형 질화물 반도체층 형성 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 In이 도핑된 후, 상기 반응기 내로 Ga 소스 가스, N 소스 가스, Mg 소스 가스를 포함하는 소스 가스들을 공급하여 상기 기판 상에 제2의 Mg 도핑된 질화물 반도체층을 성장시키는 것을 포함하는 p형 질화물 반도체층 형성 방법.
청구항 2에 있어서,

상기 제2의 Mg 도핑된 질화물 반도체층을 성장시키는 동안, In 소스 가스의 공급은 중단되는 p형 질화물 반도체층 형성 방법.
청구항 2에 있어서,

상기 제1의 Mg 도핑된 질화물 반도체층 및 상기 제2의 Mg 도핑된 질화물 반도체층은 p-GaN층인 p형 질화물 반도체층 형성 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 N 소스 가스는 NH₃를 포함하는 p형 질화물 반도체층 형성 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제1의 Mg 도핑된 질화물 반도체층 성장, 질화물 반도체층의 성장 중단, In 도핑 단계들을 적어도 2회 반복하는 p형 질화물 반도체층 형성 방법.
기판;

n형 질화물 반도체층;

Mg 및 In이 도핑된 p형 질화물 반도체층; 및

상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하고,

상기 p형 질화물 반도체층 내에 도핑된 In은 상기 p형 질화물 반도체층의 두 께 방향으로 동일한 높이에 농도 피크를 갖도록 분포된 발광 소자.
청구항 7에 있어서,

상기 In의 농도 피크는 상기 p형 질화물 반도체층의 두께 방향으로 적어도 2개의 높이 위치들에서 나타나는 발광 소자.
청구항 7에 있어서,

상기 p형 질화물 반도체층은 GaN인 발광 소자.