KR101459763B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 성장에 비례하여 알루미늄(Al)의 조성비가 증가된 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함한다.
반도체, 발광소자, 클래드층

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof}
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 LD의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
본 발명의 실시 예는 활성층 아래의 클래드층의 밴드 갭을 높여 줄 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예는 활성층 아래의 전기적인 특성을 개선할 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 성장에 비례하여 알루미늄(Al)의 조성비가 증가된 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 반도체 발광소자 제조방법은 제 1도전성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 성장에 따라 Al 조성비가 증가된 하부 클래드층을 형성하는 단계; 상기 하부 클래드층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 활성층 아래의 클래드층에 대한 밴드 갭을 개선시켜 줄 수 있는 효과가 있다.
또한 활성층 아래의 클래드층에서의 격자 결함을 개선하여, 활성층의 발광 파장을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 활성층 아래의 반도체층에 대한 전기적인 특성을 개선시켜 줄 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 측 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 언도프드 반도체층(130), 제 1도전성 반도체층(140), 하부 클래드층(150), 활성층(160), 상부 클래드층(170), 제 2도전성 반도체층(180)을 포함한다.
상기 기판(110)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 실시 예에서는 사파이어 기판의 예로 설명하기로 한다. 이러한 기판(110) 위에는 요철 구조 등이 형성될 수 있으며, 이에 한정하지는 않는다.
상기 기판(110) 위에는 버퍼층(120)이 형성된다. 상기 버퍼층(120)은 상기 기판(110)과의 격자 상수 차이를 줄여주기 위한 층으로서, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 등이 선택적으로 이용하여 소정 두께로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(120) 위에는 언도프드 반도체층(130)이 형성될 수 있으며, 상기 언도프드 반도체층(130)은 undoped GaN층으로 구현될 수 있다. 또한 상기 기판(110) 위에는 상기 버퍼층(120) 및 언도프드 반도체층(130)이 존재하지 않거나, 적어도 한 층이 존재할 수 있다.
상기 언도프드 반도체층(130) 위에는 제 1도전성 반도체층(140)이 형성된다. 상기 제 1도전성 반도체층(140)은 예컨대, n형 반도체층을 포함할 수 있는 데, 상 기 n형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN등에서 선택될 수 있으며, 제 1도전성 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑된다.
상기 제 1도전성 반도체층(140) 위에는 하부 클래드층(150)이 형성되며, 상기 하부 클래드층(150)은 제 1클래드층(151)과 제 2클래드층(153)을 포함하며, n형 AlxGa1-xN(0<x≤1)의 조성식이거나, n-AllnGaN으로 형성될 수 있다.
이러한 하부 클래드층(150)은 성장 온도에서 질소 또는/및 수소를 캐리어 가스 사용하고, 분위기 가스인 NH3, TMGa(또는 TFGa), TMAl을 공급하여, 소정 두께로 형성하게 된다. 이때 Al를 위한 소스 가스인 TMAl의 공급량을 단계적으로 증가 또는 선형적으로 증가하는 방식으로 Al 조성비를 조절하게 된다.
상기 하부 클래드층(150)의 제 1클래드층(151)은 n형 AlxGa1 -xN(0<x≤1)의 조성식에서 Al의 조성비를 하한치부터 상한치까지 단계적으로 또는 선형적으로 증가시켜 줄 수 있다. 여기서, 상기 Al 조성비의 하한치는 0 초과 또는 0.001% 정도이며, 상한치는 40% ~ 70% 정도로 설정할 수 있다. 여기서, 상기 Al 조성비 또는 Al 함유량은 하부 클래드층인 AlGaN 조성식의 전체 용량 중에서 Al의 첨가용량을 나타낸다.
상기 제 1클래드층(151)은 AlGaN 조성식에서 Al 함유량을 0.001%부터 40~70% 정도까지 선형적으로 증가시켜 주거나, Al 함유량을 일정 비율(예컨대, 5~10%)씩 단계적으로 증가시켜 성장할 수 있다. 이러한 제 1클래드층(151)의 스트레인을 제 거하기 위해 상기 제 1클래드층(151) 위에 제 2클래드층(153)을 소정 두께(예: 1~3um)로 형성시켜 주게 된다.
이에 따라 하부 클래드층(150)은 GaN과의 격자 불일치를 개선시켜 줄 수 있으며, 크랙을 제거할 수 있고, 높은 밴드 갭을 가지는 하부 클래드층(150)을 제공할 수 있다. 또한 제 1클래드층(151)은 전기적인 ESD(electrostatic discharge) 및 역방향 항복전압(Reverse Breakdown voltage)의 특성을 개선(예: 약 30% 정도)시켜 줄 수 있다.
그리고 제 2클래드층(153)은 전체 용량에서 Al의 함유량을 상한치의 범위로 첨가하게 되는 데, 이러한 상한치의 범위는 제 1클래드층(151)의 최상층의 Al 조성비 또는 그 이상의 Al 조성비 중에서 어느 한 비율로 가지게 된다.
상기 하부 클래드층(150) 위에는 활성층(160)이 형성되며, 상기 활성층(160)은 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층(160) 위에는 상부 클래드층(170)이 형성되며, 상기 상부 클래드층(170)은 p형 AlxGaxN(0<x≤1)의 조성식으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(160)의 아래 및 위에 형성된 하부 클래드층(150) 및 상부 클래드층(170)은 활성층 보다 굴절율이 작고, 밴드 갭이 큰 층으로 형성된다.
상기 상부 클래드층(170) 위에는 제 2도전성 반도체층(180)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(180)은 p형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물 질 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN등에서 선택될 수 있으며, 제 2도전성 도펀트(예: Mg)가 도핑된다. 여기서, 상기 제 1도전성 반도체층(140)에서 제 2도전성 반도체층(180)은 발광 구조물로 정의될 수 있다.
상기 제 2도전성 반도체층(180) 위에는 제 3도전성 반도체층(미도시)과 투명전극층(미도시) 중 적어도 한 층이 형성될 수 있으며, 상기 활성층(160)의 위 또는/및 아래에는 그 기술적 범위 내에서 다른 반도체층이 형성될 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또는 상기 제 2도전성 반도체층(180) 위에는 제 2전극층(미도시) 및 전도성 지지부재(미도시)가 형성될 수 있으며, 이러한 반도체 발광 소자는 수직형 반도체 발광소자로 정의할 수도 있다.
도 2는 도 1의 반도체 발광소자에 있어서, 하부 클래드층의 일 예를 나타낸 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 하부 클래드층의 제 1클래드층(151)은 Al 함유량을 하한치부터 일정 비율씩(예: 5~10%) 증가시켜 N개의 층(예: 8~16층 정도)으로 성장되며, 제 2클래드층(153)은 상한치의 Al 함유량(예: 40~70%)으로 소정 두께로 형성된다. 상기 제 1클래드층(151)은 예컨대, Al 함유량이 10%씩 증가되면, 0.001% < Al≤10%의 Al을 포함하는 GaN층(G1), 10 < Al ≤ 20%의 Al을 포함하는 GaN층(G2), 20 < Al ≤30%의 Al을 포함하는 GaN층(G3) 등의 타입으로 60 < Al ≤ 70%의 Al을 포함하는 GaN층(Gn)의 순서로 차례대로 성장될 수 있다.
이러한 제 1클래드층(151)의 각 층(G1~Gn)의 두께(d0)는 100~200Å의 범위로 형성되며, 전체 두께(d1)는 700~1400Å로 형성될 수 있다. 상기 제 1클래드층(151)의 각 층(G1~Gn)의 두께(d0)는 100~200Å 두께 내에서 서로 다르게 형성될 수도 있다.
이러한 제 1클래드층(151)은 전체 함유량에서 단계적으로 Al 조성비를 일정 비율(예: 5~10%)씩 증가시켜 줌으로써, 격자 결함을 개선하고 단계적으로 하부 클래드층의 밴드 갭을 높여줄 수 있다.
상기 제 2클래드층(153)은 Al 함유량이 상한치 예컨대, 40% ~ 70%의 범위 내에서 일정한 Al 조성비로 형성된다. 여기서, 상기 제 2클래드층(153)은 1~3um의 두께(d2)로 형성될 수 있다.
도 3은 도 1의 반도체 발광소자에 있어서, 하부 클래드층의 다른 예를 나타낸 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 하부 클래드층의 제 1클래드층(151A)은 Al 함유량을 하한치부터 상한치까지 선형적으로 성장 시간에 비례하여 증가시켜 줄 수 있다. 여기서, 상기 Al 함유량의 하한치는 전체 함유량 중에서 0초과 또는 0.001%이며, 상한치는 전체 함유량 중에서 40~70% 정도이다.
이러한 제 1클래드층(151A)의 Al 함유량을 40~80% 정도까지 증가시켜 선형적인 Al 조성을 가지도록 성장한 후, 상기 제 1클래드층(151A)에서 마지막으로 성장된 Al 조성비의 상한치 범위로 제 2클래드층(153A)을 형성시켜 준다. 여기서, 상기 제 2클래드층(153A)의 Al 함유량은 제 1클래드층(153A)에서 마지막으로 성장된 Al 함유량과 동일하거나 더 높은 조성비로 형성될 수 있다.
상기 제 1클래드층(151A)의 두께(d3)는 700~1400Å 정도이며, 제 2클래드층(153A)은 1~3um의 두께(d4)로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 pn구조, np구조 npn구조 및 pnp 구조 중에서 어느 하나로 구현될 수 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 발명의 실시 예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예가 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 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자에 있어서, 하부 클래드층의 일 예를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자에 있어서, 하부 클래드층의 다른 예를 나타낸 도면.

Claims (16)

  1. 제 1도전성 반도체층;
    상기 제 1도전성 반도체층 위에 성장에 비례하여 알루미늄(Al)의 조성비가 증가된 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함하고,
    상기 하부 클래드층은 상기 알루미늄(Al) 조성비가 하한치부터 상한치까지 증가되도록 형성시킨 제 1클래드층과, 상기 제 1클래드층 위에 상기 알루미늄(Al) 조성비가 상한치 범위를 유지하도록 형성시킨 제 2클래드층을 포함하며,
    상기 제 2클래드층은 상기 제 1클래드층 보다 두껍게 형성된 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 클래드층은 n-AlInGaN을 포함하는 반도체 발광소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 클래드층은 n-AlGaN을 포함하는 반도체 발광소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1클래드층은 Al 조성비가 하한치부터 상한치까지 5~10% 단위로 단계적으로 증가된 다수개의 AlGaN층을 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1클래드층은 Al 조성비를 하한치부터 상한치까지 성장 시간에 비례하여 선형적으로 증가시켜 주는 반도체 발광소자.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1클래드층의 각 AlGaN층은 100~200Å의 두께로 형성되는 반도체 발광소자.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1클래드층에서 Al 조성비의 하한치는 0% 초과이며, 상한치는 40~70%인 반도체 발광소자.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2클래드층에서 Al 조성비는 40~70% 상한치 중 어느 한 값으로 설정되는 반도체 발광소자.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1클래드층은 700~1400Å의 두께이며, 상기 제 2클래드층은 상기 제 1클래드층 위에 1~3um의 두께로 형성되는 반도체 발광소자.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1도전성 반도체층 아래에 언도프드 반도체층, 버퍼층 및 기판 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제 2클래드층의 두께는 상기 제 1클래드층의 두께에 비해 8~43배의두께를 갖는 반도체 발광소자 반도체 발광소자.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 활성층과 제 2도전성 반도체층 사이에 형성된 상부 클래드층을 포함하고,
    상기 하부 클래드층은 활성층 보다 굴절률이 낮은 반도체 발광소자.
  12. 제 1도전성 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 1도전성 반도체층 위에 성장에 따라 Al 조성비가 증가된 하부 클래드층을 형성하는 단계;
    상기 하부 클래드층 위에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 하부 클래드층은 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지며, 상기 Al 조성비의 하한치부터 단계적 또는 선형적으로 상한치 범위까지 증가시켜 제 1클래드층을 형성하고, 상기 제 1클래드층 위에 상한치의 Al 조성비로 제 2클래드층을 형성하며, 상기 제 2클래드층은 상기 제 1클래드층 보다 두껍게 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 하부 클래드층은 Al을 포함하는 질화물 반도체로 이루어지며, 상기 Al 조성비의 하한치부터 단계적 또는 선형적으로 상한치 범위까지 증가시켜 제 1클래드층을 형성하고, 상기 제 1클래드층 위에 상한치의 Al 조성비로 제 2클래드층을 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1클래드층에서 Al 조성비의 하한치는 0% 초과이며, 상한치는 40~70%인 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1클래드층은 Al 조성비를 하한치부터 5~10%씩 증가시켜 주는 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1클래드층은 700~1400Å의 두께이며, 상기 제 2클래드층은 1~3um의 두께로 성장되는 반도체 발광소자 제조방법.
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