KR100998234B1 - 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들 사이에 개재된 활성층을 포함하되, 상기 제1 도전형 반도체층은, 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x-y}N(0≤x＜1, 0＜y≤1, 0＜x+y≤1)로 표현되고 N형 불순물 도핑된 반도체층의 제1 영역과, 언도핑된 GaN층의 제2 영역을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자가 제공된다.

발광다이오드, LED, 언도프트층, 변조도핑, 발광소자, 적층

Description

질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체층의 결정질을 향상시킨 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

질화물 발광 소자는 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치한 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하며, 상기 활성층에서 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 발생시킨다.

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

일반적으로 n형 반도체층은 질화물 반도체에 Si을 도핑하여 이루어진다. 그러나, Si가 도핑됨에 따라 n형 반도체층의 결정질(crystal quality)이 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 개선된 결정질을 가지는 n형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

이러한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상부에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하되, 상기 제1 도전형 반도체층은, 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x-y}N(0≤x＜1, 0＜y≤1, 0＜x+y≤1)로 표현되고 N형 불순물이 도핑된 반도체층의 제1 영역과, 언도핑된 GaN층의 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자가 제공된다.

바람직하게, 상기 제1 도전형 반도체층은 상기 제1 영역 및 제2 영역이 교대로, 예컨대 2쌍 이상 적층된 구조이다.

바람직하게, 상기 제1 영역들 내의 In 함량은 0보다 크고 5% 이하의 범위를 가진다.

바람직하게, 상기 제1 영역들의 In 함량은 제2 도전형 반도체층으로 갈수록 각 층별로 그 함량이 줄어들게 구성되거나, 각 층마다 동일하게 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 영역들의 불순물 도핑 농도는 각 층마다 동일하게 구성되거나, 상이하게 구성될 수 있다. 또한, 전극이 형성되는 제1 영역은 전극과 오믹콘택을 형성하도록 다른 제1 영역들에 비해 고농도로 도핑될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 영역 및 제2 영역은 각각 두께가 10 Å 에서 1000 Å 범위 내에 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판 위에 N형 불순물 도핑된 반도체층의 제1 영역 및 언도프트 GaN층의 제2 영역을 적층하여 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제1 영역의 반도체층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x-y}N(0≤x＜1, 0＜y≤1, 0＜x+y≤1)로 표현되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 제1 영역 및 제2 영역은 2회 이상 교대로 적층될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 영역들 내의 In 함량은 0보다 크고 5% 이하의 범위를 가진다.

바람직하게, 상기 제1 영역들의 In 함량은 기판쪽에서 P형 반도체층으로 갈수록 각 층별로 그 함량이 줄어들게 형성되거나, 각 층마다 동일하게 형성될 수 있 다.

바람직하게, 상기 제1 영역의 불순물 도핑 농도는 각 층마다 동일하게 구성되거나, 상이하게 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 각각 두께가 10 Å 에서 1000 Å 범위 내에 있다.

본 발명에 의하면, 기판 위에 언도프트 GaN층과 In이 함유되고 불순물 도핑된 반도체층을 서로 번갈아 적층함으로써, 언도프트 GaN층에는 Si을 도핑하지 않아 좋은 결정질을 유지할 수 있고, 불순물을 도핑하는 반도체층에는 In을 함유시켜 반도체층의 전기적 특성과 함께 결정질 향상에 도움되어 내부 양자 효율을 증대시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.

따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 설명하기 위 한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100)을 준비하여 반응 챔버내에 위치시킨다(S1). 기판(100)은 그 위에 형성될 질화물 반도체층과 유사한 격자상수를 갖는다. 기판(100)은 사파이어, 스피넬(spinel), Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 등이 사용될 수 있다.

기판(100)위에 버퍼층(200)을 형성한다(S2). 버퍼층(200)은 기판(100) 상에 질화물 반도체층의 성장시 기판(100)과 질화물 반도체층 간의 격자 부정합을 완화하기 위한 것으로, InAlGaN 계열이나 SiC 또는 ZnO계열의 재료로 형성될 수 있다.

버퍼층(200)위에 반도체층의 제1 영역(300a)과 언도프트 GaN층의 제2 영역(300b)을 적층하여 제1 도전형 반도체층(300)을 형성한다(S3). 반도체층(300a)과 언도프트 GaN층(300b)이 적층되는 두께는 각각 10 Å 에서 1000 Å일 수 있으며, 교대로 2회 이상 적층될 수 있다.

반도체층(300a)은 N형 불순물(예를 들어 Si)이 주입된, 예컨대 일반식 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x＜1, 0＜y≤1, 0＜x+y≤1)으로 표현되는 반도체층들, 특히 3원 내지 4원 N형 화합물 반도체층들일 수 있다. 예컨대, 반도체층(300a)은 Si-AlInGaN, Si-AlInN, Si-InGaN 일 수 있다. 또한, 상기 반도체층(300a)과 상기 언도프트 GaN층(300b)의 밴드갭은 서로 동일할 수 있다.

제1 영역의 반도체층(300a) 및 제2 영역의 언도프트 GaN층(300b)은 금속 유 기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 성장법(metalorganic chemical vapor phase epitaxy, MOCVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.

이때, 제1 영역의 반도체층(300a)은 활성층(400)의 In 함량보다 작은 In 함량, 예를 들어 5% 이하(즉 y≤0.05)가 되도록 하며, 최적으로는 2 내지 3%의 In 함량을 가지도록 한다. 반도체층(300a)에 함유되는 소량의 In은 Si 등의 불순물 도핑에 따른 반도체층(300a)의 결정질 악화를 방지한다.

반도체층(300a)과 언도프트 GaN층(300b)은 900 - 1200℃에서 압력이 약 10 torr 내지 약 780 torr인 상태에서 상술한 결정 성장 방법 중 어느 하나를 이용하여 성장될 수 있다.

상기 반도체층(300a) 및 언도프트 GaN층(300b)을 형성하기 위한 In 소스 가스는 트리메틸인듐(trimethyl indium; TMI, In(CH₃)₃)을 사용할 수 있으며, Ga 소스 가스는 갈륨, 트리메틸갈륨(TMG) 및/또는 트리에틸갈륨(triethyl galiun; TEG)을 사용할 수 있으며, Al 소스 가스로는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl, Al(CH₃)₃)을 사용할 수 있으며, N 소스 가스로는 암모니아(NH₃) 또는 디메틸히드라진(DMHy)을 사용할 수 있으며, Si의 소스 가스로는 실란을 사용할 수 있다. 이들 소오스 가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 900 - 1200℃에서 In 함량 5% 이하의 제1 영역의 반도체층(300a)을 형성한다. 제1 영역의 반도체층(300a)의 In 함 량은 활성층(400)의 In 함량을 고려하여 활성층(400)의 In 함량보다 작고 0보다 크게 설정한다.

그 후, 예를 들어 In 함량 5% 이하의 상기 반도체층(300a)위에 Si의 소스 가스인 실란의 공급을 중단하고, Ga 소스 가스, N 소스 가스는 계속적으로 공급하여 언도프트 GaN(undoped-GaN)층(300b)을 형성한다. 언도프트-GaN층(300b)은 그 위에 적층되는 반도체층을 고품질로 형성시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기 반도체층(300a)과 언도프트 GaN층(300b)이 번갈아 적층되는 횟수는 2회 이상일 수 있으며, 필요에 따라 조절될 수 있다.

상기 반도체층(300a)과 언도프트 GaN층(300b)이 서로 교대로 적층된 후 활성층(400) 및 제2 도전형 반도체층(500)을 형성한다(S4). 이때, 활성층(400)의 결정질을 향상시키기 위해 언도프트 GaN층(300b)이 상기 활성층(400)에 근접할 수 있다.

활성층(400)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 예를 들어 InGaN을 포함하여 이루어진다. 활성층(400)에서의 In의 함량은 10 내지 20 %이다. 상기 활성층(400)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광셀에서 방출되는 발광 파장이 결정된다. 상기 활성층(400)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 일반식 Al_xIn_yGa_{1 -x-y}N(0＜x,y,x+y＜1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.

또한, 제2 도전형 반도체층(500)은 P형 분순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 P 형 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0＜x,y,x+y＜1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(500)은 In_xGa_1-xN(0＜x＜1)막 또는 Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)막일 수 도 있다. 제2 도전형 반도체층(503)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.

그 후, 제1 도전형 반도체층(300) 및 제2 도전형 반도체층(500)에 전극들을 형성하여 발광 소자를 제조한다(S5). 이때, 상기 전극과 제1 도전형 반도체층(300) 사이에 오믹콘택이 형성되도록 상기 전극이 접촉하는 제1 영역(300a)이 다른 영역들에 비해 고농도로 도핑될 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었다. 그렇지만, 구체적으로 설명된 것과는 다른 많은 기타 실시예들이 또한 본 발명의 사상 및 범위 내에 들어간다는 것을 관련 분야의 당업자들은 이해할 것이다.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는 불순물이 도핑된 제1 영역(300a) 및 언도프트 GaN층의 제2 영역(300b)에서, 제1 영역에 함유되는 In 함량을 0보다 크고 5% 이하로 하여 구현한 것에 대하여 설명하였지만, 제1 영역(300a)의 In 함량은 기판쪽에서 제2 도전형 반도체층으로 갈수록 각 층별로 그 함량이 줄어들게 구성되거나, 각 층마다 동일하게 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에서의 상기 제1 영역의 N형 불순물, 예컨대 Si 도핑 농도를 각 층마다 동일하게 하거나, 서로 상이하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.

Claims (17)

1. 제1 도전형 반도체층;

   상기 제1 도전형 반도체층 상부에 위치하는 제2 도전형 반도체층; 및

   상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하되,

   상기 제1 도전형 반도체층은, 일반식 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x＜1, 0＜y≤1, 0＜x+y≤1)로 표현되고 N형 불순물이 도핑된 반도체층의 제1 영역과, 언도핑된 GaN층의 제2 영역을 포함하되,

   상기 제1 도전형 반도체층은 상기 제1 영역 및 제2 영역이 교대로 적층된 구조이고,

   상기 제1 영역의 불순물 도핑 농도는 각 층마다 상이한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 영역의 In 함량 y는 0보다 크고 0.05 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 영역의 In 함량은 상기 제2 도전형 반도체층으로 갈수록 각 층별로 그 함량이 줄어드는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 영역의 In 함량은 각 층마다 일정한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 각각 10 Å 에서 1000 Å 범위 내의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 제2 영역이 활성층쪽에 근접하는 질화물 반도체 발광 소자.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 밴드갭이 동일한 것을 특징으로 하는 발광 소자.
10. 제1 도전형 반도체층;

    상기 제1 도전형 반도체층 상부에 위치하는 제2 도전형 반도체층; 및

    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하되,

    상기 제1 도전형 반도체층은, 일반식 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x＜1, 0＜y≤1, 0＜x+y≤1)로 표현되고 N형 불순물이 도핑된 반도체층의 제1 영역과, 언도핑된 GaN층의 제2 영역을 포함하되,

    상기 제1 도전형 반도체층은 상기 제1 영역 및 제2 영역이 교대로 적층된 구조이고,

    상기 제1 영역들 중 하나는 전극과 오믹콘택을 형성하기 위해 다른 영역들에 비해 고농도로 도핑된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 제1 영역의 In 함량 y는 0보다 크고 0.05 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
12. 청구항 10에 있어서,

    상기 제1 영역의 In 함량은 상기 제2 도전형 반도체층으로 갈수록 각 층별로 그 함량이 줄어드는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
13. 청구항 10에 있어서,

    상기 제1 영역의 In 함량은 각 층마다 일정한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
14. 청구항 10에 있어서,

    상기 제1 영역의 불순물 도핑 농도는 각 층마다 상이한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
15. 청구항 10에 있어서,

    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 각각 10 Å 에서 1000 Å 범위 내의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
16. 청구항 10에 있어서,

    상기 제2 영역이 활성층쪽에 근접하는 질화물 반도체 발광 소자.
17. 청구항 10에 있어서,

    상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 밴드갭이 동일한 것을 특징으로 하는 발광 소자.

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