KR101241477B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판 위에 불규칙한 요철 표면을 가진 제 1 n형 질화물 반도체층을 형성하는 제 1 n형 질화물 반도체층 형성단계; 상기 불규칙한 요철 표면을 따라 활성층을 형성하는 활성층 형성단계; 및 상기 활성층 위에 p-형 질화물층을 형성하는 p-형 질화물층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 기판; 상기 기판 위에 형성된 질화물 버퍼층; 상기 질화물 버퍼층 위에 불규칙한 요철 표면을 가지도록 형성된 제 1 n형 질화물층; 상기 불규칙한 요철 표면 위에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물층을 포함하고, 상기 제 1 n형 질화물층의 불규칙한 요철 표면은 상기 제 1 n형 질화물층과 상기 활성층 사이의 계면이 되어 상기 활성층에 다수의 양자점을 발생시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

양자점, 계면, 불규칙한 요철, 광의 난반사

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법{Nitride semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof}

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 일례를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 구조를 도시한 단면도.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 공정을 설명하기 위한 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11: 기판 12: GaN 버퍼층

13: 언도핑 GaN층 14: 제 1 N형 GaN층

15: 계면 16: 활성층

16-1: 양자점 17: P형 GaN층

18: 제 2 N형 GaN층 19: P형 전극

20: N형 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체 적으로 양자점을 극대화하고 거친 표면에 의한 난반사 효과를 이용하여 발광효율을 증가시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

종래의 질화물 반도체에는 예를 들어, GaN계 질화물 반도체를 들 수 있고 이 GaN계 질화물 반도체는 그 응용분야에 있어서 청색/녹색 LED의 광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다. 특히, 청색/녹색 LED 소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며 전 세계적인 매출은 지수함수적으로 증가하고 있는 상황이다.

특히, GaN계 질화물 반도체의 적용 분야중 발광다이오드 및 반도체 레이저 다이오드 등의 발광 소자의 분야에서 마그네슘, 아연 등의 2족 원소가 GaN계 질화물 반도체의 Ga 위치에 도핑된 결정층을 가진 반도체 발광소자는 청색 발광하는 소자로서 주목받고 있다.

이와 같은 GaN계 질화물 반도체는 도 1에 도시된 바와 같이 다중 양자웰구조를 가진 발광소자를 예로 들 수 있고, 이 발광소자는 주로 사파이어 또는 SiC로 이루어진 기판(1) 위에서 성장된다. 그리고, 저온의 성장 온도에서 사파이어 또는 SiC의 기판(1) 위에 예를 들어, Al_yGa_{1 - y}N층의 다결정 박막을 버퍼층(2)으로 성장시킨 후, 고온에서 상기 버퍼층(2) 위에 GaN 하지층(3)이 순차 적층되어 있다. GaN 하지층(3) 상에는 발광을 위한 활성층(4)이 배치되어 있고, 활성층(4) 상에는 열 어닐링 처리에 의해 p형으로 변환되는 각각의 마그네슘이 도핑된 AlGaN 전자 배리어층(5), 마그네슘이 도핑된 InGaN 층(6), 및 마그네슘이 도핑된 GaN 층(7)이 순차 적층되어 있다.

또한, 마그네슘이 도핑된 GaN 층(7) 및 GaN 하지층(3) 상에는 절연막이 형성되고 각각 대응하는 P-전극(9)과 N-전극(10)이 형성되어 발광소자를 형성한다.

이와 같은 종래의 발광소자에는 몇 가지 문제점이 있는데, 먼저 질화물 반도체 발광소자는 기판과 GaN사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 존재하며, 이로 인해 결정 성장된 n형 질화물층 또는 p형 질화물층 속에는 다량의 결정결함(면 결함, 점 결함, 선 결함)을 가짐으로 양질의 결정 층을 얻기 어렵다.

또한, p형 접촉층을 형성하기 위한 Mg 도핑 시에는 Mg이 암모니아가스의 H와 결합되어 전기적으로 절연 특성을 보이는 Mg-H결합체를 형성한다. 따라서, Mg을 다량 도핑 하여도 높은 정공 농도를 갖는 p형 GaN를 얻는 것이 어렵다.

일반적으로 발광소자에서 부정적으로 작용하는 전위나 결함, 그리고 결정내에 형성되는 전자기장 등의 단점에도, 질화물 반도체 재료가 고출력 광소자로써 크게 부각되고 있는 것은 활성층으로 사용되는 InGaN와 GaN 에피 층에서 형성되는 양자점이 크게 작용하는 것으로 알려지고 있다. 이는 양자점이 운반자(전자와 정공)들을 강하게 국소화(lateral confinement 또는 localization)시켜서 전위나 전자기장의 영향을 크게 줄일 수 있기 때문이다.

구체적으로, 양자우물 구조의 활성층에 존재하는 전도대의 전자와 가전자대의 정공이 양자점에 갇히게 되어, 양자점에 존재하는 전자와 정공의 상태 밀도(density of states)가 높아짐으로써 전자와 정공의 발광 재결합 효율이 효과적으로 증가한다. 또한, 양자점의 굴절률은 양자점을 둘러싼 반도체 물질의 굴절률보다 크기 때문에, 양자점에서 발생한 광자(photon)들도 양자점 근처에 공간적으로 갇히는 효과가 발생한다. 이러한 레이저 다이오드의 활성층 구조는 캐리어와 광자를 동시에 광 도파로(optical waveguide)의 중심부에 구속함으로써, 레이저 다이오드의 문턱 전류(threshole current)를 수십 배정도 줄일 수 있으며, 레이저 다이오드를 상온에서 연속 동작시킬 수 있는 온도 안정성이 향상된다.

따라서, 이러한 활성층의 양자점을 제어할 수 있는 기술을 개발하는 것은 질화물 반도체 발광소자의 발광 효율 향상에 가장 중요한 과제이다.

본 발명은 양자점의 크기와 분포를 제어하고 활성층 표면의 난반사 효과를 이용함으로써 발광 효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자를 구현하는데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 위에 불규칙한 요철 표면을 가진 제 1 n형 질화물 반도체층을 형성하는 제 1 n형 질화물 반도체층 형성단계; 상기 불규칙한 요철 표면을 따라 활성층을 형성하는 활성층 형성단계; 및 상기 활성층 위에 p-형 질화물층을 형성하는 p-형 질화물층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 기판; 상기 기판 위에 형성된 질화물 버퍼층; 상기 질화물 버퍼층 위에 불규칙한 요철 표면을 가지도록 형성된 제 1 n형 질화물층; 상기 불규칙한 요철 표면 위에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물층을 포함하고, 상기 제 1 n형 질화물층의 불규칙한 요철 표면은 상기 제 1 n형 질화물층과 상기 활성층 사이의 계면이 되어 상기 활성층에 다수의 양자점을 발생시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 예를 들어 양자웰구조(QW)를 가진 발광소자에 적용하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 구조를 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 사파이어, SiC, Si중 어느 하나인 기판(11), 기판(11)상에 GaN으로 이루어진 GaN 버퍼층(GaN buffer layer: 12), GaN 버퍼층(12) 상에 형성된 도펀트가 도핑되지 않은 언도핑 GaN층(13), 언도핑 GaN 층(13) 상에 거친 계면(15)을 가지는 제 1 N-GaN층(14), 계면(15) 상에 다수의 양자점을 포함하여 형성된 활성층(16), 활성층(16) 상에 형성된 P형 GaN층(17)을 포함하여 구성된다. 또한, P형 GaN층(17) 상에 얇은 제 2 N형 GaN층(18)을 더 포함할 수도 있다.

따라서, 전기적인 연결을 위한 P형 전극(19) 및 N형 전극(20)이 구비됨으로써 본 발명에 따른 발광 소자가 완성된다. 여기서, 활성층(16)이 도 2에서는 하나의 층으로만 도시되어 있지만, 활성층(16)은 하나 이상의 웰(well)과 베리어(barrier)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 n형 도펀트를 포함한 제 1 N형 GaN층(14) 및 예컨대, InGaN 등으로 이루어진 활성층(16)을 포함하여 구성되는데, 계면 (15)을 따라 형성된 활성층(16)에는 다수의 양자점이 분포되어 있고, 이 양자점은 평면 영역보다 경사진 영역에서 다수 형성되는 특성을 이용하여 종래 기술에서보다 높은 밀도의 양자점을 구비할 수 있다.

활성층(16)에 형성된 높은 밀도의 양자점들은 기판(11) 및 GaN 버퍼층(12)과 같은 질화물층의 격자 부정합에 의한 결함이 활성층(16)과 P형 GaN층(17)에 전달되는 것을 방지하여, 결함 또는 전위와 같은 불량을 가지는 반도체층 형성을 방지할 수 있다.

또한, 양자점은 전자 및 정공들과 같은 운반자를 강하게 국소화(lateral confinement 혹은 localization)시켜서, 전위(dislocation) 또는 전자기장의 영향을 크게 줄일 수 있다.

이와 같이, 활성층(16)에 형성된 다수의 양자점에 의해서 활성층(16)의 특성이 향상되어 발광 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

이하, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 공정을 설명한다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 GaN 버퍼층(12)과 언도핑(un-doping) GaN층(13)을 형성한다. 예를 들어, MOCVD 리액터(도시되지 않음)에 기판(11)을 장착하여 500 ~ 600℃ 상태에서 GaN 버퍼층(12)을 형성한다.

이런 GaN 버퍼층(12)이 형성된 기판(11)에 대해 1000℃이상의 성장온도에서 GaN 버퍼층(12) 상에 NH₃와 트리메탈갈륨(TMGa)을 공급하여 소정 두께로 도펀트를 포함하지 않은 언도핑 GaN층(13)을 GaN 버퍼층(12) 상에 형성한다.

이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이 언도핑 GaN층(13) 상에 n형 도펀트를 포함한 제 1 N형 GaN 층(14)을 형성하기 위해서, 예컨대 1000℃이상의 성장온도에서 NH₃, TMG, 및 Si와 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 소정 두께의 제 1 N형 GaN 층(14)을 형성한다.

소정 두께의 제 1 N형 GaN 층(14)을 형성하고, 계면(15)을 형성시키기 위해서 1000℃ 이하의 성장온도 예를 들어, 500 ~ 800℃의 분위기 온도에서 NH₃ 유량과 n형 도펀트의 양을 조절하여 제 1 N형 GaN 층(14)을 불규칙적으로 성장시켜 계면(15)과 같은 거친 표면을 가지도록 형성한다.

여기서, 계면(15)과 같은 거친 표면을 형성하기 위해서 NH₃ 유량과 n형 도펀트의 양은 동일한 두께의 평탄한 n-GaN 층을 형성하기 위해 필요한 NH₃ 유량과 n형 도펀트의 양에 대해 각각 1/2의 NH₃ 유량과 2배의 n형 도펀트의 양으로 주입하여 제 1 N형 GaN 층(14)이 거친 계면(15)을 가지도록 형성할 수 있다.

제 1 N형 GaN 층(14)의 거친 계면(15)은 차후에 활성층(16) 내에 형성되는 다수의 양자점을 발생시킬 수 있는 요인이 된다.

거친 계면(15)을 가지는 제 1 N형 GaN 층(14)이 형성된 후, 도 3c에 도시된 바와 같이 제 1 N형 GaN 층(14)상에 활성층(16)을 형성한다. 활성층(16)의 형성을 위해서, 예를 들어 780℃의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 예컨대 NH₃, TMG, 및 트리메틸인듐(TMIn) 등을 공급하여 소정 두께로 활성층을 성장시킬 수 있다. 여기서, 활성층(16)의 소정 두께는 1주기 성장시에 120Å 내지 150Å의 두께로 형성될 수 있다. 즉, 하나의 웰과 베리어 당 120Å 내지 150Å의 두께를 가질 수 있다.

또한, 필요에 따라 활성층(16)은 5주기 내지 9주기로 다수의 층을 가지는 적층구조로 형성되어, 활성층의 조성은 예컨대, InGaN 등의 각 원소성분의 몰 비율에 차이를 두고 성장시킨 적층 구조일 수도 있다.

활성층(16)의 형성과정에서 제 1 N형 GaN 층(14)의 거친 표면, 즉 계면(15)에 의해 훨씬 많은 수의 양자점이 형성되는데, 그 이유는 경사측 상에서는 평면에서보다 In에 의해 양자점이 더 많이 형성되는 특성이 있기 때문이다.

활성층(16)이 형성된 후, 도 3c에 도시된 바와 같이 계속해서 활성층(16)상에 P형 GaN층(17)을 형성한다. 여기서, P형 GaN층(17)을 형성하기 위해서 예를 들어, Mg 계열의 2족 원소를 도핑할 수 있다.

그리고, P형 GaN층(17) 상에 P형 전극(20)을 형성시킬 수 있고 P형 GaN층(17), 활성층(16), 제 1 N형 GaN 층(14)의 일부를 식각하여, 제 1 N형 GaN 층(14)이 노출되도록 하여 N형 전극(도시하지 않음)이 제 1 N형 GaN 층(14)상에 전기적 콘택을 이루도록 형성한다. 여기서, P형 GaN층(17) 상에는 도 3d에 도시된 바와 같이 얇은 제 2 N형 GaN층(18)이 더 성장될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 활성층(16)과 제 1 N형 GaN 층(14) 사이에 불규칙한 요철 구조를 가진 거친 계면(15)을 형성하고, 이와 같은 계면(15)에 의해 활성층(16)에 형성되는 양자점의 밀도가 높아짐으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 이와 같이 형성된 양자점은 격자 결함을 차단하여 양질의 활성층(16)을 형성할 수 있고, 거친 표면을 가진 계면(15)으로 인하여 활성층(16)에서 발생한 광의 난반사 효과를 발생시킬 수 있어 발광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 활성층에 생성되는 양자점의 밀도를 높이고 광의 난반사 효과를 얻을 수 있는 제조 방법을 제시하여, 질화물 반도체의 활성층에서 발생한 광의 발광효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (18)

1. 기판;

   상기 기판 상에 제1 도펀트를 포함하는 제1 GaN 기반 반도체층;

   상기 제1 GaN 기반 반도체층 상에 InGaN 물질을 포함하는 활성층;

   상기 활성층 상에 제2 도펀트를 포함하는 제2 GaN 기반 반도체층; 및

   상기 제1 GaN 기반 반도체층과 상기 활성층 사이에 경사진 영역을 구비하는 제1 거친 계면;을 포함하며,

   상기 제1 거친 계면은 불규칙한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 활성층은 5주기 내지 9주기로 형성되고, 1주기는 하나의 웰과 하나의

   베리어를 포함하며,

   상기 1주기는 120Å 내지 150Å의 두께로 형성되는 반도체 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 기판 상에 버퍼층; 및

   상기 버퍼층 상에 GaN 기반 반도체층을 더 포함하고,

   상기 제1 GaN 기반 반도체층은 상기 GaN 기반 반도체층 상에 배치되는 반도체 발광 소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제2 GaN 기반 반도체층 상에 배치되는 제3 GaN 기반 반도체층을 더 포함하는 반도체 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 GaN 기반 반도체층은 적어도 하나의 N형 GaN 기반 반도체층을 포함하고, 상기 제2 GaN 기반 반도체층은 적어도 하나의 P형 GaN 기반 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 거친 계면의 경사진 영역은 불규칙적으로 형성되는 반도체 발광 소자.
7. 제 4항에 있어서,

   상기 제3 GaN 기반 반도체층은 적어도 하나의 N형 GaN 기반 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 거친 계면은 상기 경사진 영역에 양자점을 구비하여 발광 효율을 향상시키거나 상기 제1 거진 계면의 불규칙한 경사진 영역에 의해 상기 활성층에서 발생한 광의 난반사 효과를 향상시키는 반도체 발광 소자.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 기판은 사파이어, SiC, Si 중 적어도 어느 하나를 포함하는 반도체 발광 소자.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 제1 거친 계면은

    상기 제1 GaN 기반 반도체층 및 상기 활성층과 접하여 개재된 반도체 발광 소자.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 활성층과 상기 제2 GaN 기반 반도체층 사이에 경사진 영역을 구비하는 제2 거친 계면을 포함하는 반도체 발광 소자.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 제2 거친 계면은

    상기 제2 GaN 기반 반도체층 및 상기 활성층과 접하여 개재된 반도체 발광 소자.
13. 제11 항에 있어서,

    상기 제2 거친 계면은 불규칙하게 형성되는 반도체 발광 소자.
14. 제 1항에 있어서,

    상기 활성층은 상기 제1 거친 계면의 경사진 영역 상에 적어도 하나의 양자점을 포함하는 반도체 발광 소자.
15. 제 1항에 있어서,

    상기 제1 거친 계면의 상기 경사진 영역은 복수로 존재하며,

    상기 제1 거친 계면은 높이가 서로 상이한 경사진 영역을 포함하는 반도체 발광 소자.
16. 제 1항에 있어서,

    상기 제1 거친 계면은

    V자 형태의 단면 형상을 포함하는 반도체 발광 소자.
17. 삭제
18. 삭제

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