KR101008588B1 - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 n형 질화물 반도체층과 n형 질화물 반도체층 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합을 통하여 빛을 생성하는 활성층과, 활성층 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서, p형 질화물 반도체층 상부에 성장된 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층 그리고 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층 상부에 성장되며 핀홀(pinhole) 구조를 가지는 질화물 반도체층으로서, 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층은 p형 도전성을 가지고, 핀홀은 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층의 격자 결함을 기초로 하여 형성된 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층을 포함한 복수의 반도체층을 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
pinhole, 외부양자효율, hillock, 발광소자
Description
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 제3 층의 질화물 반도체층의 표면도,
도 4는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 제5 층의 질화물 반도체층의 표면도.
본 발명은 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 질화물 반도체층 내부에 핀홀(pinhole) 구조를 가지는 질화물 반도체층을 형성하여 외부양자효율을 향상시키고 낮은 구동 전압을 갖는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자 를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소로 된 물질이나 이러한 물질로 된 반도체층이 포함되는 것을 배제하지 않는다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 단면도로서, 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 에피성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 에피성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(301) 위에 형성되는 n측 전극(800)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사피이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다.
기판(100) 위에 에피성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/053042 호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 개시되어 있다.
n형 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 개시되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다. 국제공개공보 WO/02/021121호에는 복수개의 양자우물층들과 장벽층들의 일부에만 도핑을 하는 기술이 개시되어 있다.
p형 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/022655호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 개시되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하 기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 질화물 반도체층과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극에 관한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 개시되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 p측 전극(600)을 사용하는 발광소자를 플립칩(flip chip)이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 개시되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극(800)을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,652,434호에는 투광성 전극의 일부가 제거되어 p측 본딩 패드가 p형 질화물 반도체층에 직접 접하는 기술이 개시되어 있다.
3족 질화물 반도체 발광소자의 큰 단점 중에 하나는 소자와 주변의 공기와의 굴절률(refractive index) 차이로 인하여 활성층(400)에서 발생한 빛의 많은 부분이 소자의 내부 및 기판(100)에 갇히는 현상이 발생하게 된다.
이런 광갇힘 현상이 심한 소자 즉, 외부양자효율이 낮은 소자는 많은 빛이 내부에 갇혀 열로 소멸하게 되므로 소자의 온도를 증가시켜 소자의 수명 및 특성에 좋지 않은 영향을 준다.
외부양자효율을 개선하는 방법으로는 발광소자의 칩(chip) 모양을 기계적으로 가공하여 개선하기도 하고, 화학적 식각(chemical etching)이나 건식 식각(dry etching) 기법을 이용하여 반도체층의 표면을 거칠게 만들어 외부양자효율을 개선하기도 한다. 또한 최근 들어서는 p형 질화물 반도체층(500)의 성장시 압력이나 온도 및 가스 유량(flow) 등의 성장 조건을 이용하여 박막 품질을 저하시키면서 표면을 거칠게 만들기도 한다.
앞에서 언급한 기계적인 가공일 경우 실리콘카바이드(SiC)와 같은 강도가 약한 기판에서는 용이하나 강도가 큰 사파이어 기판은 어려움이 따른다. 또한 화학적 식각이나 건식 식각 기법을 이용하여 반도체층의 표면을 거칠게 하는 경우에는 거칠게 만들 수 있는 면적에 있어서 제한이 있으며, 그 재현성 및 균일성에 문제가 있다.
그리고, 성장조건을 왜곡하여 p형 질화물 반도체층(500)의 표면을 거칠게 만드는 경우 소자의 외부양자효율을 증가시킬 수는 있어도, 소자의 신뢰성에는 치명적인 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해서 활성층에서 생성된 빛을 보다 많이 발광소자의 외부로 방출하기 위한 새로운 구조의 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명은 n형 질화물 반도체층과 n형 질화물 반도체층 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합을 통하여 빛을 생성하는 활성층과, 활성층 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서, p형 질화물 반도체층 상부에 성장된 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층 그리고 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층 상부에 성장되며 핀홀(pinhole) 구조를 가지는 질화물 반도체층으로서, 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층은 p형 도전성을 가지고, 핀홀은 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층의 격자 결함을 기초로 하여 형성된 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층을 포함한 복수의 반도체층을 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 복수의 반도체층이 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층 상부에 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
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또한 본 발명은 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층이 제1 성장온도에서 성장되고, 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층은 제2 성장온도에서 성장이 되며, 제1 성장온도는 제2 성장온도보다 높은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 n형 전도성을 가지는 질화물 반도체층이 100Å 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
삭제
또한 본 발명은 핀홀 구조를 가지는 반도체층과 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층이 각 층의 내부에 100Å 이하의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도층을 한층 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 n형 질화물 반도체층과 n형 질화물 반도체층 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합을 통하여 빛을 생성하는 활성층과, 활성층 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서,p형 질화물 반도체층 위에 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층과 핀홀 구조를 가진 질화물 반도체층 성장후에 성장되는 마스킹막과 복수의 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 마스킹막이 실리콘나이트라이드(SiN), 카본나이트라이드(CN), 마그네슘나이트라이드(MgN), 실리콘카본나이트라이드(SiCN)로 이루어진 군 으로부터 선택되는 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 p형 전도성을 가지는 질화물 반도체층이 섬(또는 요철) 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 복수의 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지는 질화물 반도체층 위에 성장되는 추가의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층이 제1 성장온도에서 성장되고, 추가의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층이 제2 성장온도에서 성장되며, 제1 성장온도는 제2 성장온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도 체 발광소자를 제공한다.
이하 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 단면도로서, 발광소자는 기판(10), 기판(10) 위에 에피성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(30), n형 질화물 반도체층(30) 위에 에피성장되는 활성층(40), 활성층(40) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(50), p형 질화물 반도체층(50) 위에 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51), 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51) 위에 성장되는 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52), 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52) 위에 성장되는 제3 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(53), 제3 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(53) 위에 형성되는 투광성 전극(60), 적어도 p형 질화물 반도체층(50)과 활성층(40)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(31) 위에 형성되는 n측 전극(70)을 포함한다.
여기서 투광성 전극(60)은 니켈, 금, 은, 크롬, 티타늄, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 알루미늄, 주석, ITO, 인듐, 탄탈륨, 구리, 코발트, 철, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하여 형성된다.
제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)은 Si 도핑되어 형성되었다. 일반적으로 질화물계 박막의 성장에 있어서, Mg 도핑은 박막의 성장시 횡방향 성장(lateral growth)을 강화하며, Si 도핑은 수직방향 성장(vertical growth)을 강화하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 Mg 도핑의 경우 표면에 형성된 피트(pit)들을 덮어 박막의 표면을 평탄화하며, Si 도핑의 경우 수평방향 성장을 감소시켜 3차원적인 성장에 도움을 준다.
본 발명에서는 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 p형 질화물 반도체층(50) 위에 Si 도핑된 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)을 형성하여 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51) 위에 성장되는 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)에 밀도가 높은 핀홀(pinhole)이 형성되게 하는 역할을 한다. 이때 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)은 홀(hole) 터널링 효과를 고려하여 100Å 이하의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 100Å 이상의 두께를 가지면 홀이 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)을 통과하는데 장벽을 느껴 오히려 발광효율이 급감하는 현상이 나타난다.
제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)의 Si 도핑 농도는 1x1017에서 1x1020사이의 값을 가지는 것이 바람직하며 도핑 농도가 1x1017보다 낮으면 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)의 핀홀 밀도 증가에 기여하는 바가 작으며, 도핑 농도가 1x1020보다 높으면 박막의 품질을 저하시켜 소자의 신뢰성에 문제를 야기할 수 있다.
핀홀 구조를 가지는 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)은 일반적인 질화물계 박막 성장온도보다 낮은 온도에서 성장해야 표면에 육각모양의 핀홀이 형성된다. 이는 성장온도가 낮아지면 원자들의 이동도가 떨어져 표면에서 낮은 에너지 상태의 자리로 찾아갈 이동도가 떨어져 생기는 현상으로 이해되고 있다.
육각모양의 핀홀은 일반적으로 아래층의 격자 결함(dislocation)을 중심으로 형성되는 것으로 알려져 있으며, 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)에서 격자 결함이 형성되고, 제1 층의 질화물 반도체층(51)이 Si 도핑되어 수직방향의 박막 성장에 도움이 되므로 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)에 고밀도의 핀홀 생성된다. 즉 본 발명에서 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)은 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)의 고밀도 육각 모양의 핀홀 형성의 시드(seed) 역할을 한다.
제2 층의 질화물 반도체층(52)의 성장온도는 600℃에서 1000℃ 사이의 온도가 바람직하며 성장온도가 600℃ 이하로 내려갈 경우 박막의 품질이 극도로 나빠져서 p형 도전성을 가지는 반도체층을 얻기 힘들다. 이는 저온에서 암모니아의 열분해되는 효율이 좋지않아 질소의 빈자리가 과다하게 생기게 되고 이러한 질소의 빈자리는 도너(doner)의 역할을 한다. 또한 하이드라이진과 같이 저온에서 열분해가 가능한 소스(source)를 사용할 경우 좀 더 낮은 성장온도에서 성장 가능하나 근본적으로 저온에서는 박막을 성장하면 불순물(impurity)들의 결합(incorporation) 효율이 커지는 것도 문제가 된다.
성장 온도가 낮을수록 표면에서 원자들의 이동도가 떨어져 더욱 밀도가 높은 핀홀을 형성할 수 있으나 앞에서 언급했듯이 온도가 내려가면 p형 도전성을 갖는 반도체층을 얻는 것이 매우 힘들게 된다. 이런 점에서 제1 층의 n형 도전성을 가지 는 질화물 반도체층(51)의 도입은 상대적으로 높은 온도에서 고밀도의 핀홀을 얻을 수 있는 장점이 있다.
그리고 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)을 성장할 때 암모니아의 유량을 일반적인 성장조건과 비교하여 증가시켜주는 것이 바람직하다. 이는 온도가 내려갈수록 암모니아 열분해 효율이 나빠지기 때문이며 이를 보상하기 위해서 암모니아의 유량을 증가시키는 것이 바람직하다.
제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)의 두께는 500Å에서 10000Å 사이의 값을 가지는 것이 바림직하다. 500Å 이하의 두께를 가지면 높은 밀도의 핀홀 구조를 가지기 어려우며 10000Å 이상의 경우 박막의 품질이 저하되는 경향이 있다. 또한 제1 층의 질화물 반도체층(52)의 구성에 있어서 반도체층 전체를 p형 도전성을 가지는 반도체층으로 형성할 수도 있으며 n형 도전성을 가지는 반도체층을 삽입하여 형성할 수 있다. 이 경우 n형 도전성을 가지는 반도체층은 홀 터널링을 고려하여 100Å 이하인 것이 바람직하다. n형 도전성을 가지는 반도체층의 역할은 수평방향의 홀 스프레딩(spreading)을 좋게 할 수 있으며, 수평방향의 성장을 억제하여 더욱 밀도가 높고 균일한 핀홀 구조를 가지게 하는 것이다.
제3 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(53)은 컨택층의 역할을 하며 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)보다 높은 성장온도인 700℃에서 1100℃ 사이에서 성장한다. 고품질의 박막을 성장하고 도핑 농도 및 홀 농도를 높이기 위해서는 고온에서 성장하는 것이 바람직하나 1100℃ 이상의 고온에서 성장할 경우 활성층이 손상되는 문제가 있다. 또한 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화 물 반도체층(52)에 형성된 육각 모양의 핀홀이 제3 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(53)을 성장하면서 평탄화될 수 있으므로 제3 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(53)의 성장시 주의가 필요하다.
이를 방지하기 위해 본 발명에서는 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)의 성장후 연속적으로 제3 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(53)을 성장하였다. 이때 반응기의 온도를 상승시키면서 제3 층의 질화물 반도체층(53)을 성장하였다.
또한 제3 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(53)의 구성에 있어서 반도체층 전체를 p형 도전성을 가지는 반도체층으로 형성할 수 있으며 n형 도전성을 가지는 반도체층을 삽입하여 형성할 수 있다. 이 경우 n형 도전성을 가지는 반도체층은 홀 터널링을 고려하여 100Å 이하인 것이 바람직하다. n형 도전성을 가지는 반도체층의 역할은 수평방향의 홀 스프레딩(spreading)을 좋게 할 수 있으며, 수평방향의 성장을 억제하여 더욱 밀도가 높고 균일한 핀홀 구조를 가지게 하는 것이다.
또한 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)과 제3 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(53)은 조성의 변화를 주거나 밀도의 변화를 주어 굴절률을 다르게 하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층의 표면도로서, 발광소자의 표면을 전자 현미경을 통하여 확인한 사진이다. 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)은 Si 도핑된 GaN층으로 형성되었으며 8x1018/cm3의 도핑농도를 가지며 30Å 성장하였다. 그리고 성장온도는 활성층의 손상을 고려하여 약 850℃에서 성장하였다. 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)은 Mg 도핑된 GaN층으로 5x1019/cm3의 도핑농도를 가지며 3000Å 성장하였다. 성장온도는 약 850℃에서 성장하였으며 질소 전구체로 암모니아와 하이드라진계 소스를 사용하였다. 이때 암모니아는 3족/5족 비를 약 1000 정도를 유지하였으며, 하이드라진계 소스는 3족/5족 비를 약 20 정도를 유지하였다.
제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)에 핀홀 구조가 형성되어 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 단면도로서, 제1층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51) 위에 성장되는 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52), 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52) 성장후에 성장되는 제3 층의 마스킹막(54), 제3 층의 마스킹막(54) 성장후에 성장되는 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55), 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55) 성장후에 성장되는 제5 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(56)으로 구성되어 있다.
제3 층의 마스킹막(54)은 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN) 또는 카본 나이트라이드(CN), 또는 실리콘 나이트라이드(SiN), 또는 마그네슘 나이트라이드(MgN)를 이용하여 성장한다. 이는 힐락(hillock) 구조를 가지는 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55)을 형성하기 위함이며 제3 층의 마스킹막(54)을 성장한 후 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55)을 성장하면 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)에서 핀홀 구조가 형성되지 않은 평탄한 부분에 미세의 힐락 구조를 형성할 수 있다.
제3 층의 마스킹막(54)의 두께는 2Å에서 100Å 사이의 두께를 가는 것이 바람직하다, 마스킹막(54)의 두께가 2Å 이하이면 마스킹막으로서 기능을 하지 못하며 100Å 이상이면 힐락 구조의 밀도가 낮아진다. 또한 성장온도는 제2 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)과 같은 온도에서 성장하는 것이 바람직하나 600℃에서 1100℃ 사이의 범위를 가진다. 성장온도가 600℃ 이하이면 마스킹막(54)의 생성이 어려우며 1100℃ 이상이면 성장시 분해되는 문제를 가진다.
마스킹막(54)의 형성에 있어서, Si 공급 소스는 SiH4, Si2H6, DTBSi으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 물질이며, C 공급 소스는 CH4, C2H6, CBr4로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 물질이며, Mg 공급소스로 Mg(C5H5)2, Mg(C6H7)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 물질이며, N 공급 소스는 NH3, Hydrazine계 소스로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 물질을 사용할 수 있다.
제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55)은 Mg 도핑되어 형성되며 제 2층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52)의 평탄한 부분에 미세 힐락 구조로 성장되어 고밀도의 핀홀 구조와 힐락 구조가 조합된 형태의 소자를 얻을 수 있다. 이러한 구조에 의하여 외부양자효율을 향상할 수 있다.
제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55)의 성장온도는 600℃에서 1100℃ 사이의 값을 가질 수 있으며 성장온도가 높을수록 힐락 구조의 거리 및 단차가 커지며, 성장온도가 낮아질수록 상대적으로 균일한 힐락 구조를 전면에 형성할 수 있다. 또한 제 4층의 질화물 반도체층(55)의 두께는 100Å에서 10000Å 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다. 100Å 이하의 두께를 가지면 힐락 구조를 형성하기 어려우며 10000Å 이상의 경우 박막의 품질이 저하된다.
그리고 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55)은 반도체층 전체를 p형 도전성을 가지는 반도체층으로 형성할 수 있으며 n형 도전성을 가지는 반도체층을 삽입하여 형성할 수 있다. 이 경우 n형 도전성을 가지는 반도체층은 홀 터널링을 고려하여 100Å 이하인 것이 바람직하다.
결정성이 좋은 접촉층을 형성하기 위해서, Mg 농도 및 홀 농도가 높은 제5 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(56)을 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55) 위에 성장한다. 이때 형성된 핀홀 구조와 힐락 구조가 평탄화되는 것을 방지하기 위하여 성장온도를 상승하면서 제5 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(56)을 형성하는 것이 바람직하다.
제5 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(56)의 두께는 10Å에서 10000Å 사이의 두께가 바람직하다. 10Å 이하의 두께를 가지면 컨택층으로서 역할을 하기 어려우며 10000Å 이상의 경우 박막의 품질이 저하되어 투광성 전극의 형성에 어려움이 따른다. 성장온도는 700℃에서 1100℃ 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다. 성장온도가 700℃ 이하가 되면 고농도의 도핑이 어려우며 1100℃ 이상의 성장온도에서는 분해되는 경향을 나타낸다.
그리고 제5 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(56)은 반도체층 전체를 p형 도전성을 가지는 반도체층으로 형성할 수 있으며 n형 도전성을 가지는 반도체층을 삽입하여 형성할 수 있다. 이 경우 n형 도전성을 가지는 반도체층은 홀 터널링을 고려하여 100Å 이하인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층의 표면도로서, 발광소자의 표면을 전자 현미경을 통하여 확인한 사진이다. 제3 층의 마스킹막(54)은 약 20Å 성장하였으며, 성장온도는 약 900℃ 이다. Si 공급 소스는 SiH4, Si2H6, DTBSi으로 이루어진 군에서 DTBSi를 사용하였으며, C 공급 소스는 CH4, C2H6, CBr4로 이루어진 군에서 CBr4를 사용하고, N 공급 소스는 NH3, 하이드라진계 소스로 이루어진 군으로부터 NH3를 사용하였다. 이때 DTBSi와 CBr4의 비율을 약 1:4 정도를 유지하였고, 암모니아는 6000sccm을 사용하였다.
제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55)은 Mg 도핑된 GaN층으로 구성되었으며 성장온도는 900℃이며 두께는 평탄하게 성장된 경우 약 300Å에서 400Å을 예상하여 성장하였다. 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55)에 힐락 구조가 형성되어 있음을 알 수 있다.
그리고, 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55)과 제5 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(56)은 조성의 변화를 주거나 밀도의 변화를 주어 굴절률을 다르게 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 제1 층의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(51)을 포함 하지 않는 즉, p형 질화물 반도체층 위에 성장되는 제2 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(52), 제 2층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층 성장후에 성장되는 제3 층의 마스킹막(54), 마스킹막(54) 성장후에 성장되는 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55), 제4 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층(55) 성장후에 성장되는 제5 층의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층으로 구성된 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에 의하면, 활성층 상측의 p형 질화물 반도체층 위에 핀홀(pinhole) 구조를 가지는 질화물 반도체층과 힐락(hillock) 구조를 가지는 질화물 반도체층을 형성함으로써 3족 질화물 반도체 발광소자의 외부양자효율을 높일 수 있다.
Claims (17)
- n형 질화물 반도체층;과 n형 질화물 반도체층 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합을 통하여 빛을 생성하는 활성층과, 활성층 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서,p형 질화물 반도체층 상부에 성장된 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층; 그리고n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층 상부에 성장되며 핀홀(pinhole) 구조를 가지는 질화물 반도체층;으로서, 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층은 p형 도전성을 가지고, 핀홀은 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층의 격자 결함을 기초로 하여 형성된 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층;을 포함한 복수의 반도체층을 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 복수의 반도체층은 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층 상부에 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 3 항에 있어서, p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층은 제1 성장온도에서 성장되고, 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층은 제2 성장온도에서 성장이 되며, 제1 성장온도는 제2 성장온도보다 높은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, n형 전도성을 가지는 질화물 반도체층은 100Å 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 3 항에 있어서, 핀홀 구조를 가지는 반도체층과 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층은 각 층의 내부에 100Å 이하의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도층을 한층 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- n형 질화물 반도체층;과 n형 질화물 반도체층 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합을 통하여 빛을 생성하는 활성층과, 활성층 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서,p형 질화물 반도체층 위에 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층과 핀홀 구조를 가진 질화물 반도체층 성장후에 성장되는 마스킹막과 복수의 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 8 항에 있어서, 복수의 질화물 반도체층은 핀홀 구조를 가지는 질화물 반 도체층의 아래에 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 8 항에 있어서, 마스킹막은 실리콘나이트라이드(SiN), 카본나이트라이드(CN), 마그네슘나이트라이드(MgN), 실리콘카본나이트라이드(SiCN)로 이루어진 군 으로부터 선택되는 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 9 항에 있어서, 복수의 질화물 반도체층은 마스킹막 성장후에 성장되는 p형 전도성을 가지는 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 11 항에 있어서, p형 전도성을 가지는 질화물 반도체층은 섬(또는 요철) 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 11 항에 있어서, 복수의 질화물 반도체층은 p형 전도성을 가지는 질화물 반도체층 위에 성장되는 추가의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 13 항에 있어서, p형 전도성을 가지는 질화물 반도체층은 제1 성장온도에 서 성장되고, 추가의 p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층은 제2 성장온도에서 성장되며, 제1 성장온도는 제2 성장온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 11 항에 있어서, p형 도전성을 가지는 질화물 반도체층은 반도체층의 내부에 100Å 이하의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층을 한층 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 8 항에 있어서, 핀홀 구조를 가지는 질화물 반도체층은 p형 도전성을 가지며, 반도체층의 내부에 100Å 이하의 n형 도전성을 가지는 질화물 반도체층을 한층 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 제 9 항에 있어서, n형 전도성을 가지는 질화물 반도체층은 100Å 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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