KR101222479B1 - 불순물을 이용하여 발광 특성이 우수한 질화물계 발광소자 - Google Patents
불순물을 이용하여 발광 특성이 우수한 질화물계 발광소자 Download PDFInfo
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Abstract
p-타입 질화물층 상에 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑된 p-전극 컨택층을 형성함으로써 발광 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 n-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 및
상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 p-전극 컨택층;을 포함하고, 상기 p-전극 컨택층은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑(co-doping)되어 있는 질화물로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 n-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 및
상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 p-전극 컨택층;을 포함하고, 상기 p-전극 컨택층은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑(co-doping)되어 있는 질화물로 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 질화물계 발광소자 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 p-타입 질화물층 상에 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑된 p-전극 컨택층을 형성함으로써 발광 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합(re-combination)시 발생하는 발광 현상을 이용한 소자이다.
대표적인 발광소자로서, GaN으로 대표되는 질화물계 발광소자가 있다. 질화물계 발광소자는 밴드 갭(band gap)이 커서 다양한 색광을 구현할 수 있고, 또한 열적 안성성이 우수하여 많은 분야에 응용되고 있다.
질화물계 발광소자는 n-전극 및 p-전극의 배치 형태에 따라서 수평형(lateral type) 구조와 수직형(Vertical type) 구조로 구분된다. 수평형 구조는 n-전극 및 p-전극이 주로 top-top 형태로 배치되고, 수직형 구조는 n-전극 및 p-전극이 주로 top-bottom 형태로 배치된다.
도 1은 종래의 질화물계 발광소자를 개략적으로 나타낸 것으로, 보다 구체적으로는 수평형 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 수평형 질화물계 발광소자는 하부로부터, 성장 기판(101), u-GaN(110), n-GaN(120), 발광 활성층(130), p-GaN(140)을 포함하고, 식각 등에 의하여 형성되는 n-GaN(120) 노출면에 n-전극(125)이 형성되고, p-GaN(140)에 p-전극(145)이 형성된다.
통상 p-GaN(140)과 p-전극(145)의 경우, n-GaN(120)과 n-전극(125)에 비하여 컨택 특성이 낮고, p-GaN이 n-GaN에 비하여 상대적으로 저항이 높다.
따라서, 이를 개선하기 위하여 p-GaN(140) 상에 p-전극 컨택층(미도시)을 더 형성하고, 또한 p-전극 컨택층 상에 ITO를 형성하고 있다.
본 발명의 목적은 p-전극 컨택층과 p-전극 간의 컨택 특성이 우수하면서도 발광 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 n-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 및 상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 p-전극 컨택층;을 포함하고, 상기 p-전극 컨택층은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑(co-doping)되어 있는 질화물로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수평형 질화물계 발광소자는 기판 상에 형성되는 n-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 p-전극 컨택층; 상기 n-타입 질화물층에 접촉되는 n-전극; 및 상기 p-전극 컨택층에 접촉되는 p-전극;을 포함하고, 상기 p-전극 컨택층은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있는 질화물로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수직형 질화물계 발광소자는 n-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 p-전극 컨택층; 상기 n-타입 질화물층에 접촉되는 n-전극; 및 상기 p-전극 컨택층에 접촉되는 p-전극;을 포함하고, 상기 p-전극 컨택층은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있는 질화물로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 p-타입 질화물층 상에 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑된 p-전극 컨택층을 포함한다.
그 결과, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 경우, 20mA에서의 순방향 전압 강하(Vf@20mA)가 종래 p-타입의 p-전극 컨택층을 포함하는 질화물계 발광소자의 경우와 거의 동일하였다.
특히, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 경우, 20mA에서의 발광 출력(Po@20mA)이 종래 Mg만이 도핑된 p-전극 컨택층을 포함하는 질화물계 발광소자에 비하여, 대략 10% 이상 증가하여 발광 특성이 우수한 것으로 나타났다.
도 1은 종래의 질화물계 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 질화물계 발광소자를 수평형 구조에 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 질화물계 발광소자를 수직형 구조에 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 질화물계 발광소자를 수평형 구조에 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 질화물계 발광소자를 수직형 구조에 적용한 예를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 특성이 우수한 질화물계 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
보다 구체적으로, 도 2에서는 질화물로 GaN을 이용한 예를 나타내었으며, n-타입 불순물로 실리콘(Si)를, p-타입 불순물로 마그네슘(Mg)을 이용한 예를 나타내었다.
도 2를 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자는 n-타입 질화물층(210), 활성층(220), p-타입 질화물층(230) 및 p-전극 컨택층(240)을 포함한다.
n-타입 질화물층(210)은 n-타입 불순물이 도핑되어 있는 질화물로 형성된다. n-타입 불순물은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 등이 될 수 있다. 이들 n-타입 불순물은 1종 혹은 2종 이상이 이용될 수 있다.
활성층(220)은 n-타입 질화물층(210) 상에 형성된다.
활성층(220)은 MQW(Multiple Quantum Well) 구조를 가질 수 있다. 활성층(220)에서는 n-타입 질화물층(210)을 통하여 흐르는 전자와, p-타입 질화물층(230)을 통하여 흐르는 정공이 재결합(re-combination)되면서, 광이 발생된다.
p-타입 질화물층(230)은 활성층(220) 상에 형성되며, p-타입 불순물이 도핑된 질화물로 형성된다.
p-타입 불순물은 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 등이 될 수 있다. 이들 p-타입 불순물은 1종 혹은 2종 이상이 이용될 수 있다.
p-전극 컨택층(240)은 p-전극(미도시)의 컨택 특성을 향상시키기 위하여 형성된다. p-전극 컨택층(240)은 질화물로 형성된다.
p-전극 컨택층(240) 상에 통상 ITO층과 같은 TCL(Transparent Conductive Layer)이 존재하고 이 경우, TCL층은 주로 n-타입 질화물층 상에서 전기적 특성이 우수하다. 따라서, p-전극 컨택층(240)은 n-타입의 전기적 특성 혹은 약한 p-타입의 전기적 특성을 가질 필요가 있다. 이때, p-전극 컨택층에 Si와 같은 n-타입의 불순물만 도핑된 경우에는 전기적 광학적 특성을 확보할 수 없다. 그러나, 마그네슘(Mg)과 같은 p-타입 불순물을 1 x 1019 /cm3 이상 고농도로 도핑시킬 경우, p-전극 컨택층(240)이 매우 낮은 정공 농도(1 x 1018 /cm3 이하)의 약한 p 타입 특성을 갖는 것을 확인하였다.
나아가, 본 발명에서는 p-전극 컨택층의 n 타입 특성을 강화하기 위해, p-전극 컨택층(240)에 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물을 함께 도핑(co-doping)하는 것을 특징으로 한다.
실험 결과, p-전극 컨택층(240)에 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있는 경우, 20mA에서의 순방향 전압 강하(Vf@20mA)가 종래 p-타입의 p-전극 컨택층을 포함하는 경우와 거의 동일하였다. 또한, p-전극 컨택층(240)에 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있는 경우, 20mA에서의 발광 출력(Po@20mA)이 종래 p-타입의 p-전극 컨택층을 포함하는 경우에 비하여 대략 10% 이상 증가하였다. 그 결과, 발광 특성 향상이 가능하였다.
즉, n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑된 p-전극 컨택층(240)을 통하여 p-전극과 p-타입 질화물층의 컨택 문제를 해소할 수 있으며, 아울러 발광 특성 향상까지 가능하였다.
삭제
보다 구체적으로, p-전극 컨택층(240)에서 전술한 바와 같이 p-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 이상, 대략 1 x 1019 / cm3 ~ 1 x 1022 / cm3 첨가된다고 할 때, n-타입 불순물은 5 x 1016 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있는 것이 바람직하고, 상기 n-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있으면서 상기 n-타입 불순물의 농도가 상기 p-타입 불순물의 농도보다 더 높은 것이 보다 바람직하다. n-타입 불순물의 도핑 농도가 5 x 1016 / cm3 미만일 경우, 발광 특성 향상을 기대하기 어렵다. 반면, n-타입 불순물의 도핑 농도가 1 x 1020 / cm3를 초과하는 경우, 원활한 정공 이동을 저해시킬 우려가 있다.
한편, n-타입 불순물과 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있는 p-전극 컨택층(240)은 인시츄(in-situ) 공정에서 도핑이 이루어지는 인시츄 도핑에 의해 형성될 수 있다.
또한, p-전극 컨택층(240)은 엑시츄(ex-situ) 공정에서 도핑이 이루어지는 엑시츄 도핑에 의해 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 도 3에 도시된 수평형(lateral type) 발광소자나, 도 4에 도시된 수직형(vertical type) 발광소자 모두에 적용 가능하다.
도 3은 도 2에 도시된 질화물계 발광소자를 수평형 구조에 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 수평형 발광소자는 n-타입 질화물층(210), 활성층(220), p-타입 질화물층(230), p-전극 컨택층(240), n-전극(250) 및 p-전극(260)을 포함한다.
n-타입 질화물층(210)은 기판(200) 상에 형성된다.
기판(200)은 사파이어 기판, 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, GaN 기판, AlN 기판 등 다양한 재질로 형성된 기판이 이용될 수 있다.
기판은 패턴이 형성되지 않은 것을 이용할 수 있다. 또한 기판은 PSS(Patterned Sapphire Substrate)와 같이 패턴이 형성된 것을 이용할 수 있다.
n-타입 질화물층(210) 형성 전에 기판(200) 상에 버퍼층(미도시)이 먼저 형성되어 있을 수 있다. 버퍼층은 갈륨질화물(GaN), 알루미늄질화물(AlN), AlGaN, SiC, SiCN, SiC/InGaN, SiCN/InGaN, SiCN/AlInGaN 등으로 형성될 수 있다.
또한, 발광소자의 결정품질 향상, 저전류 특성 향상 등을 목적으로, n-타입 질화물층(210) 형성 전에 기판(200) 상에 혹은 버퍼층 상에 비도핑(un-doped) 질화물층이 더 형성될 수 있다.
활성층(220)은 n-타입 질화물층(210) 상에 형성된다.
p-타입 질화물층(230)은 활성층(220) 상에 형성된다.
p-전극 컨택층(240)은 p-타입 질화물층(230) 상에 형성된다. 이때, 본 발명에서 p-전극 컨택층(240)은 전술한 바와 같이, n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있는 질화물로 형성된다. 그리고, p-전극 컨택층(240)에는 실리콘과 같은 n-타입 불순물이 5 x 1016 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있는 것이 바람직하고, 상기 n-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있으면서 상기 n-타입 불순물의 농도가 상기 p-타입 불순물의 농도보다 더 높은 것이 보다 바람직하다.
n-전극(250)은 n-타입 질화물층(210)에 접촉된다. 보다 구체적으로, n-전극(250)은 p-전극 컨택층(240) 혹은 그 위에 TCL까지 형성한 후 식각을 통하여 n-타입 질화물층(210)을 노출시킨 후, 형성될 수 있다.
p-전극(260)은 p-전극 컨택층(240)에 컨택되도록 형성된다. 도면에는 도시하지 않았으나, p-전극 컨택층(240) 상에 TCL이 존재하는 경우, p-전극(260)은 TCL을 관통하여 p-전극 컨택층(240)에 접촉될 수 있다.
n-전극(250)과 p-전극(260)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 몰리브뎀(Mo) 등의 금속 혹은 이들의 합금이 이용될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 질화물계 발광소자를 수직형 구조에 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 도시된 수직형 발광소자는 기판이 제거된 형태를 나타낸 것으로, 실리콘 기판과 같은 전도성 기판을 사용하는 경우 기판이 제거되지 않을 수 있다. 도 4에 도시된 수직형 발광소자는 n-타입 질화물층(210), 활성층(220), p-타입 질화물층(230), p-전극 컨택층(240), n-전극(250) 및 p-전극(260)을 포함한다.
도 4에서는 n-타입 질화물층(210)이 여러 질화물층들 중 최상부에 위치하고 있으나, 편의상 기판 상에 n-타입 질화물층(210)을 먼저 형성하는 것을 전제하기로 한다.
n-타입 질화물층(210)은 기판 상에 형성된다. 물론, 전술한 바와 같이, n-타입 질화물층(210) 형성 전에 버퍼층이나 비도핑 질화물층 등이 먼저 형성될 수 있다.
활성층(220)은 n-타입 질화물층(210) 상에 형성된다. p-타입 질화물층(230)은 활성층(220) 상에 형성된다. p-전극 컨택층(240)은 p-타입 질화물층(230) 상에 형성된다. n-전극(250)은 n-타입 질화물층(210)에 접촉된다.
물론, n-타입 질화물층(210) 하부에 비도핑 질화물층이 존재할 경우, n-전극(250)은 비도핑 질화물층에 컨택되거나 혹은 비도핑 질화물층을 관통하여 n-타입 질화물층(201)에 접촉될 수 있다. p-전극(260)은 p-전극 컨택층(240)에 접촉된다.
도 4에 도시된 수직형 발광 소자의 경우에도, 도 3에 도시된 수평형 발광 소자와 마찬가지로, p-전극 컨택층(240)은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있는 질화물로 형성된다. 그리고, p-전극 컨택층(240)에는 실리콘과 같은 n-타입 불순물이 5 x 1016 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있는 것이 바람직하고, 상기 n-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있으면서 상기 n-타입 불순물의 농도가 상기 p-타입 불순물의 농도보다 더 높은 것이 보다 바람직하다.
표 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 순방향 전압강하 및 발광 출력 특성을 나타낸 것이다.
실시예의 경우, p-전극 컨택층에 불순물로 실리콘을 1 X 1017 /cm3 의 농도로 도핑하고, 마그네슘을 1 x 1020 / cm3 의 농도로 함께 도핑하였다.
반면, 비교예의 경우, p-전극 컨택층에 불순물로 마그네슘을 1 X 1020 /cm3 의 농도로 도핑하였다.
[표 1]
표 1에서, Vf의 경우 20mA 전류에서의 순방향 전압 강하를 의미하고, Po의 경우 20mA 전류에서 상부 방향으로 출력된 광에 대한 발광 출력을 나타낸 것이다.
표 1을 참조하면, p-전극 컨택층에 실리콘과 마그네슘이 함께 도핑된 실시예의 경우, 웨이퍼 레벨, 칩 레벨, 패키지 모두에서 순방향 전압 강하가 비교예와 동일한 결과를 나타내어, p-전극과의 컨택에 문제가 없음이 확인되었다.
특히, 표 1을 참조하면, 실시예의 경우 발광 출력이 비교예에 비하여 10% 이상 향상된 것을 볼 수 있다.
따라서, 실시예의 경우, p-전극과의 컨택 특성 및 발광 출력 모두 우수함을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
200 : 기판 210 : n-타입 질화물층
220 : 활성층 230 : p-타입 질화물층
240 : p-전극 컨택층 250 : n-전극
260 : p-전극
220 : 활성층 230 : p-타입 질화물층
240 : p-전극 컨택층 250 : n-전극
260 : p-전극
Claims (11)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- n-타입 질화물층;
상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층;
상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층;
상기 p-타입 질화물층 상에, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn) 중에서 하나 이상 선택되는 n-타입 불순물 및 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 카드뮴(Cd) 중에서 하나 이상 선택되는 p-타입 불순물이 함께 도핑(co-doping)되어 있되, 상기 p-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 이상의 농도로 도핑되어 있고, 상기 n-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있으면서 상기 n-타입 불순물의 농도가 상기 p-타입 불순물의 농도보다 더 높은 질화물로 형성되는 p-전극 컨택층; 및
상기 p-전극 컨택층 상에 형성되는 TCL(Transparent Conductive Layer);을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
- 제5항에 있어서,
상기 p-전극 컨택층은
인시츄(in-situ) 도핑에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
- 제5항에 있어서,
상기 p-전극 컨택층은
엑시츄(ex-situ) 도핑에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
- 기판 상에 형성되는 n-타입 질화물층;
상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층;
상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층;
상기 p-타입 질화물층 상에, n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있되, 상기 p-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 이상의 농도로 도핑되어 있고, 상기 n-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있으면서 상기 n-타입 불순물의 농도가 상기 p-타입 불순물의 농도보다 더 높은 질화물로 형성되는 p-전극 컨택층;
상기 p-전극 컨택층 상에 형성되는 TCL;
상기 n-타입 질화물층에 접촉되는 n-전극; 및
상기 TCL에 접촉되는 p-전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
- 삭제
- n-타입 질화물층;
상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층;
상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층;
상기 p-타입 질화물층 상에, n-타입 불순물 및 p-타입 불순물이 함께 도핑되어 있되, 상기 p-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 이상의 농도로 도핑되어 있고, 상기 n-타입 불순물이 1 x 1019 / cm3 ~ 1 x 1020 / cm3 농도로 도핑되어 있으면서 상기 n-타입 불순물의 농도가 상기 p-타입 불순물의 농도보다 더 높은 질화물로 형성되는 p-전극 컨택층;
상기 p-전극 컨택층 상에 형성되는 TCL;
상기 n-타입 질화물층에 접촉되는 n-전극; 및
상기 TCL에 접촉되는 p-전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자. - 삭제
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