KR101438806B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 언도프드 반도체층; 상기 언도프드 반도체층 위에 형성된 제 1델타도핑층; 상기 제 1델타도핑층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함한다.
반도체, 발광소자, 델타도핑,
Description
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다. 이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 측단면도로서, 특히 질화물 반도체 발광 다이오드(LED) 소자를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광 소자(10)는, 사파이어 기판(11) 상에 n형 GaN층(13), 활성층(15), 및 p형 GaN층(17)이 순차 적층된 구조로 형성되며, 메사 식각 공정에 의해 p형 GaN층(17)에서 n형 GaN층(13)의 일부를 노출시켜 준다. 이때 노출된 n형 GaN층(13) 위에는 n측 전극(19)이 형성되어 있고, p형 GaN층(17) 위에는 p측 전극(21)이 형성된다.
이러한 반도체 발광소자(100)는 전극들(19,21)을 통해 전원이 공급되면 활성층(15)에서 전자와 정공의 재 결합으로 광이 생성된다.
본 발명의 실시 예는 p형 도펀트를 이용한 고전도성 p형 반도체층을 제공할 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예는 p형 도펀트를 델타도핑시켜 줌으로써, 높은 정공 농도를 갖으며, 고 전도성 및 결정성이 우수한 p형 반도체층을 제공할 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 언도프드 반도체층; 상기 언도프드 반도체층 위에 형성된 제 1델타도핑층; 상기 제 1델타도핑층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 제 1도전성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 언도프드 반도체층을 형성하는 단계; 상기 언도프드 반도체층 위에 제 1델타도핑층을 형성하는 단계; 상기 제 1델타도핑층 위에 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 불순물을 델타도핑함으로써, 높은 정공 농도와 전위 결함을 억제하여 p형 반도체층의 전도성을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 우수한 결정성을 갖는 p형 반도체층을 제공할 수 있다.
또한 반도체 발광소자의 전기적 및 광학적 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 제 1도전성 반도체층(130), 활성층(140), 언도프드 반도체층(150), 제 1델타도핑층(155), 제 2도전성 반도체층(180)을 포함하며, 상기 제 2도전성 반도체층(180)은 제 1질화물 반도체층(160), 제 2델타도핑층(165), 제 2질화물 반도체층(170)을 포함한다.
상기 기판(110)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 발광소자의 전극 형성 전에 제거될 수도 있다.
이러한 기판(110) 위에는 버퍼층(120)이 형성된다. 상기 버퍼층(120)은 상기 기판(110)과의 격자 상수 차이를 줄여주기 위한 층으로서, GaN 버퍼층, AlN 버퍼층, AlGaN 버퍼층, InGaN 버퍼층 등이 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(120) 위에는 언도프드(undoped) GaN층이 형성될 수도 있다. 이러한 버퍼층(120) 및 언도프드 GaN층 중 어느 하나의 층만 형성하거나 모든 층이 형성되지 않을 수도 있다.
상기 버퍼층(120) 위에는 제 1도전성 반도체층(130)이 형성된다. 상기 제 1도전성 반도체층(130)은 예컨대, 적어도 한 층 이상의 n형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 n형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, n형 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑된다. 이러한 제 1도전성 반도체층은 전극 접촉층으로 기능할 수 있다.
상기 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 활성층(140)이 형성된다. 상기 활성층(140)은 InGaN 양자 우물층 및 적어도 GaN을 갖는 양자 장벽층의 주기를 갖는 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조로 형성된다.
상기 활성층(140) 위에는 도펀트를 도핑하지 않은 언도프드 반도체층(150)이 형성된다. 상기 언도프드 반도체층(150)은 예컨대, undoped GaN층으로 구현될 수 있다. 이러한 언도프드 반도체층(150)은 제 1델타도핑층(155)으로부터 활성층(140)을 보호하게 된다. 상기 언도프드 반도체층(150)은 예컨대 결정성장챔버 내에서 700~1000℃의 성장온도에서 NH3와 TMGa의 가스원을 공급하여 5~200Å로 형성시켜 줄 수 있다. 여기서, 상기 언도프드 반도체층(150) 위에는 동작 전압이 상승하는 것을 보완하기 위해 언도프드 AlGaN층이 성장될 수도 있으며, 이때에는 NH3, TMGa 및 TMAl의 가스원을 공급하여 형성되어 진다.
상기 언도프드 반도체층(150) 위에는 제 1델타도핑층(155)이 형성된다. 이러한 제 1델타도핑층(155)은 p형 도펀트(예: Mg, Be, Zn 등)를 도핑하여 1~2 원자층 두께(예: 0.2~0.5nm)로 형성될 수 있다. 예컨대, Mg 델타 도핑층의 성장 방법은 트리메틸갈륨(TMGa) 가스원을 멈춘 상태에서 델타 도핑층이 성장되는 데, 성장 온도 700℃~1000℃에서 TMGa 가스를 외부로 배출하고, 결정성장챔버 내에 수소 가스, 암모니아 가스, Mg 도핑 원인 Cp2Mg를 5~30초 동안 공급하여 Mg 델타 도핑층을 형성할 수 있다.
이러한 제 1델타도핑층(155)은 상기 언도프드 반도체층(150) 위에 형성되므로, p형 도펀트의 out-diffusion으로 인한 활성층의 표면 특성 저하를 방지하며, 정공 농도를 증가시켜 주어 전도성을 향상시켜 줄 수 있다.
상기 제 1델타도핑층(155) 위에는 제 2도전성 반도체층(180)이 형성되는 데, 여기서 제 2 도전성 반도체층(180)은 제 1질화물 반도체층(160), 제 2델타도핑층(165), 제 2질화물 반도체층(170)으로 이루어지거나, 또는 상기 제 2도전성 반도체층(180)은 상기 언도프드 반도체층(150)부터 제 2질화물 반도체층(170)까지의 층으로 정의할 수 있으며, 이에 한정하지는 않는다.
상기 제 1질화물 반도체층(160)은 p형 AlGaN층 또는 p형 AlGaN/GaN층의 초 격자 구조로 형성될 수 있다. 이러한 제 1질화물 반도체층(160)은 p형 도펀트(예: Mg, Be, Zn 등)를 사용하며, 5~200Å로 형성시켜 줄 수 있다.
상기 제 1질화물 반도체층(160) 위에는 제 2델타도핑층(165)이 형성된다. 상기 제 2델타도핑층(165)은 성장 온도를 700℃~1000℃에서 TMGa 가스의 공급을 중단하고 내부의 TMGa가스를 외부로 배출하고, 결정성장챔버 내에 수소 가스, 암모니아 가스, Mg 도핑 원인 Cp2Mg를 5~30초 동안 공급하여 Mg 델타 도핑층을 형성할 수 있 다. 이러한 제 2델타도핑층(165)은 p형 도펀트(예: Mg, Be, Zn 등)를 도핑하여 1~2 원자층 두께(예: 0.2~0.5nm)로 형성될 수 있다.
상기 제 2델타도핑층(165) 위에 제 2질화물 반도체층(170)이 형성된다. 상기 제 2질화물 반도체층(170)은 p형 반도체층으로 구현되며 전극 접촉층으로 사용될 수 있다. 이러한 p형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, p형 도펀트(예: Mg,Zn, Be 등)와 같은 금속이 도핑된다.
이와 같은 실시 예의 반도체 발광소자(100)는 활성층(140) 위에 상기 활성층의 표면을 보호하기 위한 언도프드 반도체층(150)을 형성시키고, 그 위에 제 1델타도핑층(155)을 1~2원자층 두께로 도핑함으로써, 도펀트에 의해 활성층(140)의 결정성이나 표면 상태가 나빠지는 것을 방지할 수 있다.
또한 델타도핑층(165)이 언도프드 반도체층(150)과 제 1질화물 반도체층(160) 사이, 제 1질화물 반도체층(160)과 제 2질화물 반도체층(170) 사이에 각각 형성됨으로써, 높은 정공 농도(예: 1018/cm3)를 얻을 수 있으며, 전위결함을 억제시킬 수 있으며, 고 전도성 및 우수한 결정성을 갖은 p형 반도체층을 제공할 수 있다. 이러한 제 2질화물 반도체층(170) 위에는 투명전극층(미도시) 또는 제 3도전성 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있다. 또한 델타도핑의 횟수와 정공의 농도와는 비례관계에 있으며, 이는 동작 전압의 감소 및 광학 특성 개선의 효과를 가져올 수 있다. 또한 델타도핑의 횟수는 p형 반도체층의 quality가 저하되지 않을 정도로 수행할 수 된다.
상기 제 2질화물반도체층(170) 위에는 투명전극층, 전극층, 전도성 지지기판 중 적어도 하나가 형성될 수 있다. 즉, 제 2질화물 반도체층(170) 위에 투명전극층/전극층이 형성되거나 전극층 또는 전극층/전도성 지지기판이 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시 예에서는 pn구조, np구조 npn구조 및 pnp 구조 중에서 어느 하나로 구현될 수 있으며, 수평형 반도체 발광소자 또는 수직형 반도체 발광소자로 구현될 수도 있다. 본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 발광소자 110 : 기판
120 : 버퍼층 130 : 제 1도전성 반도체층
140 : 활성층 150 : 언도프드 반도체층
155 : 제 1델타도핑층 160 : 제 1질화물 반도체층
165 : 제 2델타도핑층 170 : 제 2질화물 반도체층
180 : 제 2도전성 반도체층
Claims (16)
- 언도프드 GaN층;상기 언도프드 GaN층 상에 제 1도전성 반도체층;상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 활성층;상기 활성층 위에 언도프드 GaN층;상기 언도프드 GaN층 상에 형성된 언도프드 AlGaN층;상기 언도프드 AlGaN층 위에 형성된 제 1델타도핑층;상기 제 1델타도핑층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 제 2도전성 반도체층은 상기 제 1델타도핑층 위에 형성된 제 1질화물 반도체층; 상기 제 1질화물 반도체층 위에 형성된 제 2델타도핑층; 상기 제 2델타도핑층 위에 형성된 제 2질화물 반도체층을 포함하며,상기 제 1질화물 반도체층은 p-AlGaN/GaN층의 초격자 구조로 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 3항에 있어서,상기 제 1델타도핑층 및 제 2델타도핑층에 도핑되는 금속은 Mg, Zn, Be 중 어느 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 3항에 있어서,상기 제 1질화물 반도체층은 5Å~200Å 두께로 형성되는 반도체 발광소자.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 제 1도전성 반도체층 아래에 형성된 버퍼층 및 기판 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1도전성 반도체층은 n형 반도체층을 포함하며,상기 제 2도전성 반도체층은 적어도 p형 반도체층을 포함하며,상기 활성층은 단일 또는 다중 양자우물구조로 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 제 2도전성 반도체층 위에 형성된 제 3도전성 반도체층, 전도성 지지기 판 및 투명전극층 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 언도프드 GaN층;상기 언도프드 GaN층 상에 제 1도전성 반도체층을 형성하는 단계;상기 제 1도전성 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계;상기 활성층 위에 언도프드 GaN층을 형성하는 단계;상기 언도프드 GaN층 상에 언도프드 AlGaN층을 형성하는 단계;상기 언도프드 AlGaN층 위에 제 1델타도핑층을 형성하는 단계;상기 제 1델타도핑층 위에 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 삭제
- 제 10항에 있어서,상기 제 2도전성 반도체층의 형성 단계는, 상기 제 1델타도핑층 위에 제 1질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 1질화물 반도체층 위에 제 2델타도핑층을 형성하는 단계; 상기 제 2델타도핑층 위에 제 2질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 제 2질화물 반도체층은 p-AlGaN/GaN층의 초격자 구조로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항에 있어서,상기 제 1델타도핑층 및 제 2델타도핑층에 도핑되는 금속은 Mg, Zn, Be 중 어느 하나를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항에 있어서,상기 제 1질화물 반도체층은 5Å~200Å 두께로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 삭제
- 제 10항에 있어서,상기 제 1도전성 반도체층 아래에는 버퍼층 및 기판 중 적어도 하나가 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
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