KR100978572B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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본 발명은 p형 질화물 반도체의 결정 품질이 높고, 활성층의 열적 열화가 적은 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물 반도체 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판 상면의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층; 상기 마스크층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 마스크층의 개구부에 의해 노출된 상기 기판 상면 영역 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층의 측면과 접하는 활성층;및 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p측 전극과, 상기 기판 하면에 형성된 n측 전극;을 포함한다.
질화물 반도체, LED

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법{Nitride Semiconductor Light Emitting Device and Method of Manufacturing the Same}
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 p형 질화물 반도체층의 결정성과 홀 농도(hole concentration)가 향상되고 활성층의 열적 열화(thermal degradation)가 감소된 고효율 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광 소자(예컨대, 3족 질화물계 화합물 반도체 LED, LD 등)가 개발된 후, 디스플레이용 백라이트, 카메라용 플래쉬, 조명 등 다양한 분야에서 질화물 반도체 발광 소자가 기존의 형광등이나 백열 전구 등 광원을 대체할 차세대의 주요 광원으로 주목받고 있다. 질화물 반도체 발광 소자의 적용 분야가 확대됨에 따라, 휘도와 발광 효율을 증대시키기 위한 노력이 진행되고 있다. GaN과 관련된 백색 발광 다이오드의 경우 광효율 측면에서 기존의 형광등 및 백열 전구를 추월한 상태이고, 수명과 신뢰성 측면에서 훨씬 우수한 특성들을 보여주고 있다. 그러나, 이러한 장점에도 불구하고 질화물 반도체 발광 소자의 응용분야를 더 확대하 기 위해서는 고효율 질화물계 화합물 반도체의 성장에 대한 연구가 필요하다. 이를 위해서는 LED의 구조와 내부 양자효율 등의 근본적인 특성 향상을 위한 방안이 이루어져야 한다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자의 단면도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광 소자(10)를 제조하기 위해, 예컨대 MOCVD 방법을 사용하여 사파이어 기판(11) 위에 언도프 GaN층(12), n형 GaN층(13), InGaN/GaN 다중 양자우물(MQW) 구조의 활성층(14), 및 p형 (Al)GaN층(15)을 순차적으로 성장시킬 수 있다. P형 (Al)GaN층(15) 상에는 투명 전극층(16)을 형성할 수 있다. 이러한 질화물 반도체 발광 소자(10)의 기본 동작 원리는, 발광 소자의 p-전극(전극 패드)(17) 및 n-전극(18)에 전류를 인가하면 활성층(14)에 전자와 정공이 주입되어 전자-정공의 재결합(recombination)을 통해 빛을 방출하게 하는 것이다.
그러나, 활성층(14) 형성후 p형 GaN과 같은 p형 질화물 반도체층(15)을 성장시킬 경우, p형 질화물 반도체 성장시 InGaN/GaN MQW 활성층(14)이 열적으로 열화되어 내부 양자 효율이 저감되는 문제가 있다. 특히, 광효율을 높이기 위해서는 p형 질화물 반도체층(예컨대, p형 GaN층)의 결정성을 향상시키고 p형 질화물 반도체층 내의 홀 농도(hole)를 증가시킬 필요가 있는데, 이를 증가시키기 위해서는 고온에서 p형 질화물 반도체층을 성장시킬 필요가 있다. 그러나 고온에서의 p형 질화물 반도체층(15)을 성장시킬 경우 활성층(14)이 열적으로 열화되어 오히려 광효율이 떨어지게 될 수 있다.
상술한 바와 같이 고온에서의 p형 질화물 반도체 성장으로 인한 활성층의 열적 열화를 방지하기 위해, 먼저, p형 질화물 반도체층을 성장시키고 그 위에 활성층을 성장시키는 방안이 제시될 수 있으나, 이 경우, p형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층의 결정성이 나쁘고 p형 질화물 반도체 자체의 결정성도 좋지 않아서 이 역시 높은 내부 양자 효율을 얻기 힘들다.
본 발명의 일 과제는 상술한 문제점을 해결하는 것으로서, p형 질화물 반도체층의 결정성과 홀 농도가 향상되고 활성층의 열적 열화가 감소된 고효율 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, p형 질화물 반도체층의 결정성과 홀 농도를 향상시킬 수 있고, 활성층의 열적 열화를 억제할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물 반도체 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판 상면의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층; 상기 마스크층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 마스크층의 개구부에 의해 노출된 상기 기판 상면 영역 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층의 측면과 접하는 활성층; 및 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p측 전극과 상기 기판 하면에 형성된 n측 전극;을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 마스크층은 상기 기판 상면의 가운데 부분을 노출시키는 개구부를 갖도록 상기 기판 상면의 양측에 형성될 수 있다. 또한 상기 활성층은 상기 개구부에 의해 노출된 상기 기판 상면의 가운데 영역 상에 형 성될 수 있다. 상기 활성층은 양 측면에서 상기 p형 질화물 반도체층과 접할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 활성층은 InGaN 양자우물층과, AlGaN/GaN 양자장벽층을 포함할 수 있다. 특히, 상기 AlGaN/GaN 양자장벽은 AlGaN/GaN 이종 접합의 계면에 인접한 GaN측에 형성된 2차원 전자가스(2-DEC)를 가질 수 있다. 상기 활성층은 다수의 InGaN 양자우물층과 AlGaN/GaN 양자장벽층이 교대로 적층된 다중 양자우물 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 p형 질화물 반도체층은 ELO(epitaxial lateral overgrowth: 에피택셜 측방향 과성장) 성장된 p형 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 상기 p형 질화물 반도체층은 p형 GaN이고, 상기 n형 질화물 반도체 기판은 n형 GaN 기판일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 질화물 반도체 발광 소자는 상기 기판 하면의 반대쪽으로 빛이 출사되는 에피-업(epi-up) 발광 소자일 수 있다. 이와 달리, 상기 질화물 반도체 발광 소자는 상기 기판 하면 쪽으로 빛이 출사되는 에피-다운(epi-down) 발광 소자일 수도 있다. 이 경우 상기 질화물 반도체 발광 소자는, 상기 활성층 상에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 반사층과 활성층 사이에 형성된 절연체층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, n형 질화물 반도체 기판 상에 상기 기판 상면의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층을 형성하는 단계; 상기 마스크층의 개구부에 의해 노출된 상기 기판 상면 영역에서 p형 질화물 반도체를 ELO(epitaxial lateral overgrowth: 에피택셜 측방향 과성장)로 성장시켜 상기 마스크층 및 개구부를 덮는 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 개구부의 상기 기판 상면 영역을 노출시키도록 상기 p형 질화물 반도체층을 선택적으로 식각하는 단계; 상기 식각에 의해 노출된 상기 기판 상면 영역 상에 활성층을 성장시켜 상기 활성층을 상기 p형 질화물 반도체층의 측면과 접촉시키는 단계; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 p측 전극을 형성하고, 상기 기판 하면에 n측 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 활성층 형성 단계는, InGaN 양자우물층을 형성하는 단계와, AlGaN/GaN 양자장벽층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 상기 AlGaN/GaN 양자장벽을 형성하는 단계에서, AlGaN/GaN 이종 접합의 계면에 인접한 GaN측에 2차원 전자가스(2-DEC)가 형성될 수 있다. 상기 활성층 형성 단계는, 다수의 InGaN 양자우물층과 AlGaN/GaN 양자장벽층이 교대로 적층된 다중 양자우물 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 상기 활성층 상에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 질 화물 반도체 발광 소자의 제조 방법은 상기 활성층 형성 단계와 상기 반사층 형성 단계 사이에 상기 활성층 상에 절연체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, p형 질화물 반도체층 내의 결정성이 향상되고 홀 농도가 증가될 수 있다. 또한, ELO 성장된 p형 질화물 반도체의 측부만을 최종 발광 구조물 내의 p형 질화물 반도체층으로 이용함으로써, p형 질화물 반도체내의 전위 결함(dislocation) 등 결정 결함이 효과적으로 감소될 수 있다. 이에 더하여, 활성층보다 먼저 p형 질화물 반도체층을 성장시키고 그 후에 n형 질화물 반도체의 노출면 상에 직접 활성층을 형성하여 p형 질화물 반도체층의 측면과 활성층을 접촉시킴으로써, p형 반도체의 고온 성장을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 p형 반도체의 고온 성장으로 인한 활성층의 열적 열화를 방지할 수 있다. 결과적으로, 질화물 반도체 발광 소자의 내부 양자 효율이 향상된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광 소자(100)는 n형 GaN 등의 n형 질화물 반도체 기판(103)과, 그 위에 형성된 활성층(105) 및 p형 GaN 등의 p형 질화물 반도체층(107)을 포함한다. 기판(103)에 포함된 n형 질화물 반도체와 활성층(105)과 p형 질화물 반도체(107)는 발광 구조물을 이룬다. 여기서, n형 질화물 반도체 기판(103)은 기판 자체가 n형 질화물 반도체로 이루어진 경우 뿐만 아니라, SiC 등 전도성 기판 상에 n형 GaN층 등의 n형 질 화물 반도체층이 형성된 경우도 포함한다. 즉, 적어도 상부가 n형 질화물 반도체로 된 전도성 기판이면 된다. p형 질화물 반도체층(107) 상에는 p측 전극(110)이 배치되고, 기판(103) 하면에는 n측 전극(120)이 배치되어 있다. 따라서, 본 실시형태의 발광 소자(100)는 양측 전극(110, 120)이 대향하여 배치된 일종의 수직 구조 발광 소자에 해당한다. 또한, 본 실시형태의 발광 소자(100)는 기판(103) 하면의 반대쪽으로(도 2에서 볼 때 발광 소자 윗쪽으로) 빛이 출사되는 에피-업(epi-up) 발광 소자에 해당할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기판(103) 상에는, 기판 상면의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층(140)이 형성되어 있으며, 이 마스크층(104) 상에 선택적으로 p형 질화물 반도체층(107)이 형성되어 있다. 또한 마스크층(104)의 개구부에 의해 노출된 기판(103) 상면 영역 상에는 활성층(105)이 형성되어 p형 질화물 반도체층(107)의 측면과 접하고 있다. 특히, 본 실시형태에서는, 마스크층(140)은 기판(103) 상의 양측에 형성되어 기판 상면의 가운데 부분을 노출시키는 개구부를 형성하고, p형 질화물 반도체층(107)은 양측의 마스크층(140) 상에 형성되어 있다. 또한, 활성층(105)은 개구부에 의해 노출된 기판 상면의 가운데 영역 상에 형성되고 활성층(105)의 양 측면에서 p형 질화물 반도체층(107)의 측면과 접하여 있다. 그러나, 본 발명이 도 2의 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 마스크층은 기판 상의 일측에 형성되고 기판 상의 타측의 개구부 상에 활성층이 형성될 수도 있다. 발광 소자의 양쪽 전극(110, 120)에 동작 전압을 인가하면, 전류는 p측 전극(110)으로부터 p형 질화물 반도체층(107)과 활성층(105)을 거쳐서 n형 질화물 반도체 기판(103)을 통해 흘러가게 된다. 전자의 흐름은 전류의 흐름과 반대방향으로 흐른다는 것을 예상할 수 있다.
상기 n형 질화물 반도체 기판(103)으로는 예컨대 상부가 n형 GaN으로 된 전도성 기판을 사용할 수 있다. p형 질화물 반도체층(107)으로는 예컨대 p형 GaN 물질을 사용할 수 있다. 마스크층(140)은 p형 질화물 반도체의 선택적 성장을 위한 것으로서, 예컨대 SiO2 또는 SiNx 등의 산화물 또는 질화물 등 절연체로 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 기판 상에서의 선택적 성장을 위해 p형 질화물 반도체의 성장을 차단(blocking)할 수 있는 물질이면 족하다.
후술하는 바와 같이, p형 질화물 반도체층(107)은 본래 마스크층(140)의 개구부로부터 성장하여 ELO(에피택셜 측방향 과성장법)에 의해 측방향으로 과성장된 부분에 해당한다. 따라서, 마스크층(140)의 직상에 배치된 상기 p형 질화물 반도체층(107)은 전위(dislocation) 등의 결정 결함이 잘 전파되지 않은 결정 부분에 해당하여 결정 결함이 현저히 감소된 고결정품질을 가질 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 상술한 발광 소자(100) 구조는 p형 질화물 반도체층(107)을 먼저 성장시킨 후 나중에 활성층(105)을 성장시킬 수 있는 구조로 되어 있으므로, 고온 성장에 의한 p형 질화물 반도체층(107)의 결정성 향상과 홀 농도 증가에 특히 유리하며, 고온 성장으로 p형 질화물 반도체층(107)을 성장시키더라도 p형 질화물 반도체의 고온 성장으로 인한 활성층(105)의 열적 열화가 방지된다. 이로써 발광 소자의 내부 양자효율이 향상된다.
도 3은 도 2의 발광 소자의 활성층의 일례를 나타낸 부분 단면도이다. 도 2를 참조하면, 활성층(105)은 InGaN 양자우물층(115)과, AlGaN(125)/GaN(135) 양자장벽층을 포함할 수 있다. 특히, 상기 AlGaN(125)/GaN(135) 양자장벽은 AlGaN와 GaN간의 이종접합을 갖는 것으로서, 그 계면에 인접한 GaN측에서 에너지 밴드갭의 차이로 인한 가파른 협곡(steep canyon) 형태의 좁은 양자우물이 형성되어 고이동도(high mobility)의 2차원 전자가스(2-DEC)층을 형성할 수 있다. 이러한 2차원 전자가스(2-DEG)는 p형 질화물 반도체층(107)에서 주입되는 홀 캐리어 또는 기판(103)으로부터 주입되는 전자 캐리어가 측면 방향으로 높은 이동도로 흐를 수 있게 하여 결과적으로 동작 전압 특성을 개선하고 전체 광효율을 향상시킬 수 있다. 특히 AlGaN(125)/GaN(135)의 계면 근방에 형성되는 2차원 전자가스(2-DEG)는 밴드 갭이 상대적으로 작은 GaN을 언도프로 하고 AlGaN을 n-도프로 형성함으로써 용이하게 얻어질 수 있다.
도 4는 도 2의 발광 소자의 활성층의 다른 예를 나타낸 부분 단면도이다. 도 3에서는 GaN 양자우물이 1개만 있으나(단일 양자우물 구조), 도 4의 실시형태에서는 다수의 InGaN 양자우물층(115)과 AlGaN/GaN 양자장벽층(125/135)이 교대로 적층된 다중 양자우물 구조를 갖는다. 도 4의 실시형태에서는 AlGaN/GaN 양자장벽층(125/135)에서 AlGaN과 GaN 간의 계면 근방에 상술한 2차원 전자가스(2-DEG)가 형성될 수 있으며, 특히 여러개의 양자장벽(125/135)이 배치됨으로써 여러 개의 2차원 전자가스가 형성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, InGaN/AlGaN/GaN(115/125/135)이 교대로 적층됨으로써 복수 개(105a, 105b, 105c)의 양자우물/양자장벽 구조가 형성되어 있고, AlGaN/GaN의 계면에 인접한 GaN층(135) 내에 각각의 2-DEG 구조가 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자(200)의 단면도이다. 도 5의 실시형태에서는, 빛을 기판(103) 하면으로 출사시키기 위해 활성층(105) 상에 반사층(170)이 형성되어 있다. p측 전극(111)은 p형 질화물 반도체층(107)을 포함한 발광 구조물 전면 상에 형성될 수 있다. 발광 소자(200)의 다른 부분들(103, 105, 107, 140, 110)은 도 2 내지 4를 참조하여 설명한 바와 마찬가지이므로 구체적인 설명은 이를 생략한다.
반사층(170)으로는 예컨대, Al 등과 같이 반사도가 높은 금속층을 사용할 수 있다. 이와 같이 금속의 반사층(170)을 사용하여 활성층(105)에서 발생된 빛을 기판쪽으로 반사시킬 경우, p측 전극(111)으로부터 활성층(105)을 전기적으로 절연시키도록 반사층(170)과 활성층(105) 사이에 SiO2 등의 절연체층(160)을 형성할 수 있다. 그러나 반사층(170)이 예컨대, 절연체로 된 DBR 구조의 반사층일 경우에는 절연체층(160)이 생략될 수 있다. 반사층(170)이 양호한 오믹 접촉을 제공하는 금속으로 된 경우에는 활성층(105)뿐만 아니라 p형 질화물 반도체층(107) 위로 연장될 수도 있다. 도 5의 발광 소자 구조를 채용함으로써, 기판(103) 하면쪽으로 빛을 출사시키는 에피-다운(epi-down) 발광 소자를 구현할 수 있다.
다음으로, 이하에서 도 6 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시형태들에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명한다.
도 6은 도 2의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저 도 6(a)를 참조하면, n형 GaN 등의 n형 질화물 반도체 기판(103)을 마련한 후, 기판(103) 상에 SiO2 또는 SiNx 등의 마스크용 절연체층(140)을 형성한다. 그 후, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 상기 절연체층(140)을 선택적 식각에 의한 패터닝을 통해 기판(103) 상면의 일부 영역을 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층(140)을 형성한다. 특히 본 실시형태에서는, 기판(103) 상면의 가 운데 영역을 노출시키는 개구부를 갖도록 기판(103) 상면의 양측에 마스크층(140)을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 6(c)에 도시된 바와 같이 마스크층(140)의 개구부에 의해 노출된 기판(103) 상면 영역에서 MOCVD 등의 방법을 이용하여 p형 질화물 반도체를 선택적으로 성장시킨다. 이러한 p형 질화물 반도체 성장시 ELO(에피택셜 측방향 과성장)으로 마스크층(140) 상면으로 넘어서 과성장시켜서 개구부뿐만 아니라 마스크층(14)도 덮는 ELO p형 질화물 반도체층(107)을 형성한다. 이와 같이 선택적 성장에 의해 ELO p형 질화물 반도체층(107)을 성장시키면, 측방향으로 과성장되어 마스크층(140) 위로 넘어온 p형 질화물 반도체 부분은, 전위(dislocation) 등의 결함이 잘 전파되지 않아서 그 부분의 질화물 반도체는 매우 높은 결정 품질을 갖게 된다. 또한, 활성층 성장 전에 미리 n형 질화물 반도체 기판(103) 상면에서 p형 질화물 반도체를 성장시키기 때문에, 결정성 향상과 홀 농도 증대를 위해 고온으로 p형 질화물 반도체를 성장시키더라도(예컨대, 고온으로 p형 GaN을 성장시키더라도), p형 질화물 반도체의 고온 성장으로 인한 활성층의 열적 열화가 방지된다. 이에 따라 p형 질화물 반도체층(107)의 결정성 및 홀농도는 효과적으로 증가될 수 있다.
다음으로, 도 6(d)에 도시된 바와 같이, p형 질화물 반도체층(107)를 선택적으로 부분 식각하여 마스크층(140)의 개구부의 기판(103) 상면 영역을 노출시키고, 마스크층(140)의 직상의 p형 질화물 반도체를 남겨둔다. 이와 같은 p형 질화물 반 도체의 선택적 식각에 의해서 남은 p형 질화물 반도체층(107)은, 측방향으로 과성장된 p형 질화물 반도체 부분에 해당하기 때문에 전위 결함이 적은 매우 높은 결정 품질을 갖는다.
다음으로, 도 6(e)에 도시된 바와 같이, p형 질화물 반도체층(107)의 선택적 식각에 의해 노출된 기판(103) 상면 영역 상에 활성층(105)을 성장시킴으로써, 활성층(105)을 p형 질화물 반도체층(107)의 측면과 접촉시킨다. 본 실시형태에서는, 활성층(105)의 양 측면에서 p형 질화물 반도체층(107)과 접하게 된다.
활성층(105) 성장시, 도 3에서 이미 설명한 바와 같이, InGaN 양자우물층(115)과 AlGaN/GaN 양자장벽층(125/135)을 성장시킬 수 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이 AlGaN/GaN 양자장벽층(125/135)의 AlGaN과 GaN의 이종접합 계면에 인접한 GaN측에 2차원 전자가스(2-DEG)를 형성할 수 있다. 또한 도 4에서 설명한 바와 같이 다수의 InGaN 양자우물층(115)과 AlGaN/GaN 양자장벽층(125/135)이 교대로 적층된 다중 양자우물 구조로 활성층(105)을 성장시킬 수도 있다. 이 경우 AlGaN과 GaN의 이종접합 계면에 인접한 2차원 전자가스(2-DEG)을 여러 층 형성할 수 있다.
다음으로, 도 6(f)에 도시된 바와 같이, p형 질화물 반도체층(107) 상에 p측 전극(110)을 형성하고, n형 질화물 반도체 기판(103)의 하면에 n측 전극(120)을 형성한다. 이로써, 도 2의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하게 된 다. 상술한 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 따르면, 활성층(105) 구조를 p형 질화물 반도체층(107) 성장후에 진행함으로써, 기존의 고온 성장 p-GaN으로 인한 활성층의 열적 열화 영향을 방지할 수 있다.
실험적인 결과에 의하면, InGaN/GaN 활성층 성장 이후에 성장되는 p-GaN의 성장 온도가 증가됨에 따라, InGaN/GaN 활성층의 열적 열화로 인해 PL 세기가 지수 함수 수준으로 급격히 감소한다. 그러나, 본 실시형태에서는 p형 질화물 반도체를 n형 질화물 반도체 상에서 선택적으로 성장시킨 후 활성층을 n형 질화물 반도체 상에서 성장시킴으로써, 상술한 활성층의 열적 열화를 최소화시키면서도 p형 질화물 반도체의 고온 성장으로 높은 결정성과 홀 농도를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 최종적으로 존재하는 p형 질화물 반도체층은 선택적 성장에 의한 ELO를 통해 측방향으로 과성장된 부분에 해당하기 때문에, 전위 등 결정 결함이 현저히 줄어든 고결정 품질을 실현할 수 있다. 결과적으로, 질화물 반도체 발광소자의 내부 양자 효율은 크게 증가된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들로서, 도 5의 발광 소자 제조 공정을 나타낸다. 도 7의 (a) ~ (e) 단계는 상술한 도 6의 (a) ~ (e) 단계와 마찬가지이므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
도 7(f)에 도시된 바와 같이, 도 7(e)의 구조를 제조한 후에, 활성층(105) 상에 SiO2 등의 절연체층(160)과 Al 등의 반사층(170)을 형성한다. 절연체층(160)과 반사층(170)은, 도 7(e)의 구조 전면에 SiO2 등의 절연체와 Al 등의 금속을 순차적으로 증착한 후 선택적인 식각을 통해 얻을 수 있다. 반사층(170)이 절연체 DBR 구조로 되어 있는 경우에는 절연체층(160)의 형성을 생략할 수 있다. 반사층(170)이 금속등의 도전체로 되고 p형 질화물 반도체층(107)과 양호한 오믹 접촉을 형성하는 경우에는 활성층(105)뿐만 아니라 p형 질화물 반도체층(107) 위로 연장되도록 반사층(170)을 형성할 수도 있다.
다음으로, 도 7(g)에 도시된 바와 같이, 반사층(170)이 형성된 결과물 전면 상에 p측 전극(111)을 형성하고, 기판(103) 하면에 n측 전극(120)을 형성한다. p측 전극(111)은 p형 질화물 반도체층(107) 상에만 선택적으로 형성할 수도 있다. 이와 같이 반사층(170)을 구비한 발광 소자를 제조함으로써 빛을 기판(103) 하면쪽으로 출사시키는 에피-다운 발광 소자를 구현할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 3은 도 2의 발광 소자의 활성층의 일례를 나타낸 부분 단면도이다.
도 4는 도 2의 발광 소자의 활성층의 다른 예를 나타낸 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200: 질화물 반도체 발광소자 103: 기판
140: 마스크층 107: p형 질화물 반도체층
105: 활성층 110, 111: p측 전극
120: n측 전극 160: 절연체층
170: 반사층

Claims (18)

  1. n형 질화물 반도체 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판 상면의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층;
    상기 마스크층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    상기 마스크층의 개구부에 의해 노출된 상기 기판 상면 영역 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층의 측면과 접하는 활성층; 및
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p측 전극과, 상기 기판 하면에 형성된 n측 전극;을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스크층은 상기 기판 상면의 가운데 부분을 노출시키는 개구부를 갖도록 상기 기판 상면의 양측에 형성되고, 상기 활성층은 상기 개구부에 의해 노출된 상기 기판 상면의 가운데 영역 상에 형성되고, 상기 활성층은 양 측면에서 상기 p형 질화물 반도체층과 접한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 InGaN 양자우물층과, AlGaN/GaN 양자장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 양자장벽은 AlGaN/GaN 이종 접합의 계면에 인접한 GaN측에 형성된 2차원 전자가스(2-DEC)를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  5. 제3 또는 제4항에 있어서,
    상기 활성층은 다수의 InGaN 양자우물층과 AlGaN/GaN 양자장벽층이 교대로 적층된 다중 양자우물 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 ELO 성장된 p형 질화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 p형 GaN이고, 상기 n형 질화물 반도체 기판은 n형 GaN 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 발광 소자는 상기 기판 하면의 반대쪽으로 빛이 출사되는 에피-업(epi-up) 발광 소자인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 발광 소자는 상기 기판 하면 쪽으로 빛이 출사되는 에피-다운(epi-down) 발광 소자인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 활성층 상에 형성된 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반사층과 활성층 사이에 형성된 절연체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  12. n형 질화물 반도체 기판 상에 상기 기판 상면의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 마스크층의 개구부에 의해 노출된 상기 기판 상면 영역에서 p형 질화물 반도체를 ELO로 성장시켜 상기 마스크층 및 개구부를 덮는 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 개구부의 상기 기판 상면 영역을 노출시키도록 상기 p형 질화물 반도체층을 선택적으로 식각하는 단계;
    상기 식각에 의해 노출된 상기 기판 상면 영역 상에 활성층을 성장시켜 상기 활성층을 상기 p형 질화물 반도체층의 측면과 접촉시키는 단계;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 p측 전극을 형성하고, 상기 기판 하면에 n측 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 마스크층 형성 단계에서, 상기 기판 상면의 가운데 부분을 노출시키는 개구부를 갖도록 상기 기판 상면의 양측에 마스크층을 형성하고,
    상기 활성층 형성 단계에서, 상기 개구부에 의해 노출된 상기 기판 상면의 가운데 영역 상에 활성층을 형성하여 상기 활성층의 양 측면에서 상기 p형 질화물 반도체층과 접하게 하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 활성층 형성 단계는, InGaN 양자우물층을 형성하는 단계와, AlGaN/GaN 양자장벽층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 양자장벽을 형성하는 단계에서, AlGaN/GaN 이종 접합의 계면에 인접한 GaN측에 2차원 전자가스(2-DEC)가 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 활성층 형성 단계는, 다수의 InGaN 양자우물층과 AlGaN/GaN 양자장벽층이 교대로 적층된 다중 양자우물 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 활성층 상에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 활성층 형성 단계와 상기 반사층 형성 단계 사이에 상기 활성층 상에 절연체층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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