KR101414654B1 - 질화물 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하는 제 1전도성 반도체층; 상기 제 1전도성 반도체층 상에 위치하며, 질화물계 반도체를 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하는 투명 전극; 상기 활성층과 투명 전극 사이에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하며, 상기 투명 전극에 의하여 확산되는 전류를 퍼지게 하는 전류 확산층의 기능을 가지는 콘택층으로 이용되는 제 2전도성 반도체층; 상기 제 1전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제 1전극; 및 상기 투명 전극 상에 위치하는 제 2전극을 포함하여 구성될 수 있다.

Description

질화물 반도체 발광 소자 {Nitride semiconductor light emitting device}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
질화 갈륨(GaN)으로 대표되는 질화물계 화합물 반도체(Nitride Compound Semiconductor)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2 eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.
이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광 기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.
따라서, 현재 질화물계 반도체는 청색/녹색 레이저 다이오드와 발광 다이오드(LED)의 제작에 기본물질로 사용되고 있다. 특히 고출력 LED는 백색 조명용 광원으로 주목받고 있어 앞으로 LED 조명으로서의 응용이 더욱 확대될 것으로 예상된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국 공개특허공보 제10-2009-0002214호에 기재되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고전류 동작에서 소자의 양자 효율을 개선할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자를 제공하고자 한다.
또한, 전자의 누설 현상을 개선할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하는 제 1전도성 반도체층; 상기 제 1전도성 반도체층 상에 위치하며, 질화물계 반도체를 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하는 투명 전극; 상기 활성층과 투명 전극 사이에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하며, 상기 투명 전극에 의하여 확산되는 전류를 퍼지게 하는 전류 확산층의 기능을 가지는 콘택층으로 이용되는 제 2전도성 반도체층; 상기 제 1전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제 1전극; 및 상기 투명 전극 상에 위치하는 제 2전극을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 콘택층은, AlGaN 층을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, AlGaN 층의 Al 조성은 Ga 대비 1% 내지 10%인 것이 유리하다.
또한, 콘택층은, 상기 투명 전극과 접촉하여 위치할 수 있다.
여기서, 활성층과 콘택층 사이에는, 전자 장벽층을 더 포함할 수 있다.
이때, 전자 장벽층의 에너지 밴드갭은 콘택층의 에너지 밴드갭보다 크도록 구성될 수 있다.
여기서, 콘택층의 두께는 30 nm 내지 300 nm인 것이 유리하다.
한편, 콘택층의 도핑 농도는 1019cm-3 내지 1020cm-3인 것이 유리하다.
여기서, 콘택층은, 전류 확산층으로 작용함과 동시에 누설 전류를 방지하도록 구현될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 콘택층은 투명 전극과의 전기적 접촉 특성을 향상시킬 수 있으며, 전류를 확산시키는 전류 확산층으로 작용하여 투명 전극을 통하여 인가되는 전류를 고르게 퍼지게 하여 활성층으로 전달될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 이러한 콘택층은 누설 전류를 줄이고 홀(hole) 캐리어의 주입이 원할하도록 함으로써 발광 소자의 광 출력을 증대시킬 수 있다.
더욱이, 전자의 누설을 효과적으로 줄일 수 있어, 고전류에서도 높은 효율을 얻을 수 있는 발광 소자를 구현할 수 있다.
도 1은 질화물 반도체 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 질화물 반도체 발광 소자의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 구조에 의한 에너지 밴드갭을 나타내는 도식도이다.
도 4는 질화물 반도체 발광 소자의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 질화물 반도체 발광 소자는, 기판(10) 상에 제 1전도성 반도체층(20), 활성층(30) 및 제 2전도성 반도체층(40)을 포함하는 다이오드 구조를 포함한다.
기판(10)은 이러한 다이오드 구조를 포함하는 질화물 반도체를 성장시키기 위한 성장 기판으로서, 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 스피넬 등의 기판이 이용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
경우에 따라, 패턴을 가지는 사파이어 기판(PSS; patterned sapphire substrate)이 이용될 수도 있다. 이러한 패턴을 가지는 사파이어 기판은 발광 소자의 광 추출 구조를 향상시킬 수 있다.
이때, 활성층(30)은 양자 장벽층(도시되지 않음) 사이에 양자 우물층(도시되지 않음)이 위치하는 양자 우물 구조(quantum well structure)를 가지며, 이러한 양자 우물 구조는 다수개 구비될 수 있다. 즉, 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well; MQW)를 가질 수 있다.
기판(10)과 제 1전도성 반도체층(20) 사이에는 버퍼층(21)이 더 포함될 수 있으며, 이러한 버퍼층(21)은 결함 완화층과 핵층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
이 중에서, 핵층은 기판(10) 상에서 저온으로 성장되어 기판(10) 상에 성장 핵을 형성할 수 있고, 이러한 성장 핵을 통하여 질화물 반도체가 안정적으로 성장될 수 있도록 도울 수 있다. 이러한 핵층은 AlN으로 형성될 수 있으며, 대략 25 nm의 두께로 형성될 수 있다.
결함 완화층은 이러한 핵층 상에서 상대적으로 고온으로 성장될 수 있으며, 기판(10)과 제 1전도성 반도체층(20) 사이에 전위(dislocation)와 같은 결함의 발생을 완화시키기 위하여 형성될 수 있다.
또한, 발광 소자는, 제 1전도성 반도체층(20)의 일부가 드러나도록 하는 개구부(71)를 가지며, 이 개구부(71)에 제 1전도성 반도체층(20)과 전기적으로 연결되는 제 1전극(70)이 위치하는 수평형 구조를 가질 수 있다.
한편, 제 2전도성 반도체층(40) 상에는 투명 전극(50)이 위치할 수 있고, 이 투명 전극(50) 상에는 제 2전극(60)이 위치하여, 이 투명 전극(50)과 제 2전극(60)은 제 2전도성 반도체층(40)과 전기적으로 연결된다.
이때, 제 2전도성 반도체층(40)은 투명 전극(50)과 전기적으로 접촉하여 이 투명 전극(50)에 의하여 확산되는 전류를 퍼지게 하는 전류 확산층의 기능을 포함하는 콘택층(40)으로 이용될 수 있다.
이하, 제 1전도성은 n-형이고, 제 2전도성은 p-형인 예를 들어 설명한다. 그러나, 제 1전도성이 p-형이 될 수 있고, 제 2전도성은 n-형이 될 수도 있음은 물론이다. 또한, 이하에서, 제 2전도성 반도체층(40)은 p-형 콘택층(40)으로서 설명한다.
위에서 설명한 바와 같이, 콘택층(40)은 투명 전극(50)과 접촉하여 투명 전극(50)과의 전기적 접촉 특성을 향상시킬 수 있으며, 전류를 확산시키는 전류 확산층으로 작용하여 투명 전극(50)을 통하여 인가되는 전류를 고르게 퍼지게 하여 활성층(30)으로 전달될 수 있도록 할 수 있다.
더욱이, 이러한 콘택층(40)은 누설 전류를 줄이고 홀(hole) 캐리어의 주입이 원할하도록 함으로써 발광 소자의 광 출력을 증대시킬 수 있다.
이와 같은 콘택층(40)은 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 층을 이용하여 구성할 수 있다. 이러한 p-AlGaN 층으로 구성되는 콘택층(40)은 알루미늄(Al)의 성분을 갈륨 대비 1 % 내지 10 % 정도로 가지도록 하는 것이 유리하다(AlxGa1 - xN, 0.01≤x≤0.10).
이러한 Al 성분의 비율은 너무 높으면 AlGaN 층의 저항이 너무 커져서 홀(hole) 캐리어 주입에 문제가 발생할 수 있으며, 너무 낮으면 누설 전류를 줄이고 전류 퍼짐을 증대시키는데 효과적이지 못할 수 있다.
따라서, 이러한 효과를 증대시키기 위하여, 콘택층(40)은 알루미늄(Al)의 성분을 갈륨 대비 1 % 내지 10 % 정도로 가지도록 하고, 이때, 콘택층(40)의 두께는 30 nm 내지 300 nm인 것이 유리하다.
이러한, 콘택층(40)은 마그네슘(Mg)으로 도핑될 수 있으며, 이때 Mg의 도핑 농도는 1019cm-3 내지 1020cm-3인 것이 또한 유리하다.
한편, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 이와 같은 콘택층(40)과 활성층(30) 사이에는 전자 장벽층(80)이 더 포함될 수 있다.
질화물 반도체 발광 소자에서 최근 떠오르는 문제 중 하나는 Droop 현상으로 알려져 있다. 이는, 보통 발광 다이오드는 일반적으로 주입 전류가 20 mA 근처에서 최고의 발광 효율을 보일 수 있으나, 고출력 발광을 위하여 전류 주입을 증가시키면 발광 다이오드의 외부 양자 효율이 감소하는 현상을 말한다.
이러한 Droop 현상의 원인 중 하나로 추정되고 있는 것 중 한가지는 전자의 누설 현상이다. 따라서, 위에서 설명한 전자 장벽층(80)은 이러한 전자의 누설 현상을 개선할 수 있다.
전자 장벽층(80)으로는 Al 조성이 비교적 높은 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 층을 이용할 수 있다. 즉, 전자 장벽층(80)은 콘택층(40)보다 높은 Al 성분비를 가질 수 있다.
따라서, 이와 같은 소자 구조의 에너지 밴드갭(energy band-gap)은 도 3과 같이 도식화될 수 있다.
이와 같은 구조에서, 전자 장벽층(80)은 전자의 누설을 효과적으로 개선할 수 있지만, 이러한 전자 장벽층(80)은 Al 조성이 높은 AlGaN 층으로 구성되므로 저항이 커질 수 있으며, 활성층(30)까지 홀 캐리어 주입이 상대적으로 원활하지 못할 수 있다.
따라서, 전자 장벽층(80)이 콘택층(40)에 비하여 상대적으로 얇은 두께를 가지도록 하고, 이 전자 장벽층(80)보다 Al 조성이 상대적으로 낮은 AlGaN을 이용하여 콘택층(40)을 구성하면, 홀 캐리어 주입이 저하될 수 있는 현상을 보상할 수 있다.
더욱이, 전자의 누설을 효과적으로 줄일 수 있어, 고전류에서도 높은 효율을 얻을 수 있는 발광 소자를 구현할 수 있는 것이다.
이때, 콘택층(40)의 특성은 위에서 설명한 바와 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 이러한 p-AlGaN 층으로 구성되는 콘택층(40)은 알루미늄(Al)의 성분을 갈륨 대비 1 % 내지 10 %(AlxGa1 - xN, 0.01≤x≤0.10) 정도로 가질 수 있고.
콘택층(40)의 두께는 30 nm 내지 300 nm일 수 있으며, Mg의 도핑 농도는 1019cm-3 내지 1020cm-3인 것이 또한 유리하다.
이때, 위에서 암시된 바와 같이, 도 1에서와 같은 전자 장벽층(80)이 없는 경우에도 동일하거나 유사한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 전자 장벽층(80)과 콘택층(40) 사이에 p-형 질화 갈륨(GaN)으로 이루어지는 반도체층(90)이 더 구비될 수도 있다.
이러한 p-형 GaN 반도체층(90)은 전자 장벽층(80)과 콘택층(40)을 이루는 AlGaN 층보다 품질이 우수할 수 있으므로, 전기적 특성이 향상될 수 있으며, 이러한 AlGaN 물질로 구성된 층(40, 80)으로 인해 발생할 수도 있는 특성의 저하를 보완할 수 있다.
이하, 위에서 설명한 발광 소자의 제조 과정을 설명하면 아래와 같다.
기판(10) 위에 반도체 층들을 성장하기 위한 성장법으로는 유기 금속 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy; MBE) 등을 사용할 수 있다.
이하, 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여 성장한 예를 설명한다.
이러한 MOCVD 법을 이용하여 성장하기 위한 소스 가스는, 인듐(In) 소스로서 트리메틸인듐(trimethyl indium; TMI, In(CH3)3)을 사용할 수 있고, 갈륨(Ga) 소스로서는 트리메틸갈륨(TMG) 및/또는 트리에틸갈륨(triethyl galium; TEG)을 사용할 수 있다.
또한, 알루미늄(Al) 소스 가스로는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl, Al(CH3)3)을 사용할 수 있으며, 질소(N) 소스 가스로는 암모니아(NH3) 또는 디메틸히드라진(DMHy)을 사용할 수 있다.
이러한 소스 가스를 이용하여 기판(10) 상에 버퍼층(21)을 먼저 형성한다.
위에서 설명한 바와 같이, 버퍼층(21)은 핵층과 결함 완화층을 포함할 수 있으며, 이러한 버퍼층(21)은 도핑되지 않은 반도체층으로 형성될 수 있다.
핵층은 400 내지 600 ℃의 상대적으로 저온에서 (Al, Ga)N으로 형성될 수 있으며, AlN으로 형성되는 것이 유리하다.
결함 완화층은 이러한 핵층 상에 연속적으로 형성하며, 기판(10)과 n-형 반도체층(20) 사이에서 전위(dislocation)와 같은 결함의 발생을 완화시킬 수 있다.
이후, 이러한 버퍼층(21) 상에 n-형 반도체층(20)을 형성한다.
n-형 반도체층(20)은 n-형 전극(70)과 전기적으로 연결되는데, n-형 특성을 띠도록 하기 위하여 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 불순물로 도핑될 수 있다.
이러한 n-형 반도체층(20) 상에는 활성층(30)을 형성한다. 먼저, 양자 장벽층(도시되지 않음)을 성장시키고, 이어서 양자 우물층(도시되지 않음)을 형성한다.
따라서, 이와 같은 활성층(30)은 양자 장벽층 사이에 양자 우물층이 위치하도록 형성하며, 이러한 양자 우물층은 GaN 또는 InGaN 층을 포함할 수 있다.
활성층(30)은 이러한 양자 우물층과 양자 장벽층이 다수개 구비되는 다중 양자 우물 구조(MQW)를 이룰 수 있으며, 이러한 다중 양자 우물 구조 내의 양자 장벽층 들은 상대적으로 더 두꺼운 장벽층, 에너지 밴드갭(energy band-gap)이 더 큰 장벽층, 또는 p-형 불순물로 도핑된 장벽층 등을 포함할 수 있다.
이러한 다중 양자 우물 구조 내의 양자 장벽층과 양자 우물층의 In 조성 및 각 층의 적층 회수는 발광 소자의 목적으로 하는 발광 파장에 따라 임의로 설정할 수 있다.
이와 같은 활성층(30) 상에는 AlGaN으로 이루어지는 전자 장벽층(80)을 형성할 수 있다. 이러한 전자 장벽층(80)은 그 두께와 Al 조성을 임의로 설정할 수 있고, 경우에 따라 생략하는 것도 가능하다.
이러한 전자 장벽층(80) 상에는 AlGaN 물질을 이용하여 p-형 콘택층(40)을 형성할 수 있으며, 위에서 설명한 바와 같이, 30 nm 내지 300 nm의 두께로 형성한다. 또한, 콘택층(40)의 Al 성분비는 전자 장벽층(80)의 Al 성분비보다 낮게 형성한다.
콘택층(40) 상에는 투명 전극(50)을 형성하는데, 이러한 투명 전극(50)은 Ni/Au와 같은 금속 또는 ITO와 같은 투명 전도성 산화물로 형성할 수 있다.
이러한 투명 전극(50) 상에는 p-형 전극(60)을 형성한다. 이 p-형 전극(60)은 리프트 오프와 같은 공정으로 형성할 수 있다.
한편, n-형 반도체층(20)이 드러나도록 개구부(71)를 형성하고, 이렇게 드러난 n-형 반도체층(20) 상에 n-형 전극(70)을 형성한다.
이러한 n-형 전극(70)은 Ti/Al과 같은 금속을 이용하여 리프트 오프 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 기판 20: n-형 반도체층
21: 버퍼층 30: 활성층
40: p-형 콘택층 50: 투명 전극
60: p-형 전극 70: n-형 전극
80: 전자 장벽층 90: p-형 반도체층

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하는 제 1전도성 반도체층;
    상기 제 1전도성 반도체층 상에 위치하며, 질화물계 반도체를 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하는 투명 전극;
    상기 활성층과 투명 전극 사이에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하며, 상기 투명 전극에 의하여 확산되는 전류를 퍼지게 하는 전류 확산층의 기능을 가지는 콘택층으로 이용되고, Al 조성이 Ga 대비 1% 내지 10%인 AlGaN 층을 포함하는 제 2전도성 반도체층;
    상기 제 1전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제 1전극; 및
    상기 투명 전극 상에 위치하는 제 2전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 콘택층은, 상기 전류 확산층으로 작용함과 동시에 누설 전류를 방지하기 위한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 콘택층은, 상기 투명 전극과 접촉하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 활성층과 콘택층 사이에는, 전자 장벽층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 전자 장벽층의 에너지 밴드갭은 상기 콘택층의 에너지 밴드갭보다 큰 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 콘택층의 두께는 30 nm 내지 300 nm인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 콘택층의 도핑 농도는 1019cm-3 내지 1020cm-3인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  9. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하는 제 1전도성 반도체층;
    상기 제 1전도성 반도체층 상에 위치하며, 질화물계 반도체를 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하는 투명 전극;
    상기 활성층과 투명 전극 사이에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하며, 상기 투명 전극에 의하여 확산되는 전류를 퍼지게 하는 전류 확산층의 기능 및 누설 전류 방지의 기능을 가지는 콘택층으로 이용되는 제 2전도성 반도체층;
    상기 제 1전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제 1전극; 및
    상기 투명 전극 상에 위치하는 제 2전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
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