KR20000024945A

KR20000024945A - 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법

Info

Publication number: KR20000024945A
Application number: KR1019980041751A
Authority: KR
Inventors: 조장연; 김근주
Original assignee: 조장연; 광전자 반도체 주식회사
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2000-05-06
Also published as: KR100294345B1

Abstract

본 발명은 사파이어기판을 이용한 질화갈륨계 이중-이종 접합형 반도체 박막을 다층구조로 적층하여 청색발광소자를 제작하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 청색발광소자의 제작방법에 관한 것으로, 사파이어기판을 사용하여 유기금속화합물 화학 기상증착방법 (MOCVD)으로 완충층위에 p-형 GaN 클래딩층을 성장시키는 제 1 공정과, 상기 클래딩층위에 n-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 2 공정과, 상기 오믹접촉층위에 n-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 3 공정과, 상기 클래딩층위에 In_xGa_1-xN 활성층을 Si, Zn 으로 코도핑하여 성장시키는 제 4 공정과, 상기 활성층위에 p-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 5 공정과, 상기 클래딩층위에 p-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 6 공정과, 상기 MOCVD로 성장된층을 갖는 박막을 플라즈마어닐링하는 제 7 공정과, 상기 n-형 GaN 오믹접촉층에 까지 건식식각하는 제 8 공정과 상기 p-형 오믹접촉층위에 투명전극을 형성시키는 제 9 공정과, 상기 투명전극에 최종 p-형 전극을 형성시키는 제 10 공정과 상기 n-형 오믹접촉층위에 n-형전극을 형성시키는 제 11 공정을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명은, 질화갈륨계 발광소자의 다층박막구조를 개선함으로써 사파이어 절연기판의 사용으로 인한 절연층에 전하 분포가 칩 조립 공정중에 순간적인 고 부하 전압의 인가로 인해 발생하는 정전 단락현상을 방지하고, 특히 낮은 온도에서 성장하여 취약한 결정구조를 갖는 완충층을 전기적으로 전자가 유입되지 않도록 보호하고, 또한 p-형 GaN 오믹접촉층위에 투명전극을 도입하여 전하를 효율적으로 분산시켜 확산전류밀도를 낮춘 상태에서 균일하게 활성층에 유입되게 함으로써 신뢰성과 양자효율을 향상시키는 효과가 제공된다.

Description

더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법

본 발명은 더블클래딩(double cladding)-더블헤테로구조

(double heterostructure)를 갖는 청색발광소자의 제작방법에 관한 것으로, 특히 사파이어기판을 이용한 질화갈륨계 이중-이종 접합형 반도체 박막을 다층구조로 적층하여 발광소자를 제작하는 그 방법에 관한 것이다.

최근에 질화갈륨계 반도체의 광전자 소자는 발광다이오드(LED) 및 레이저다이오드(LD) 소자등에 응용되고 있으며, 특히 발광다이오드는 청색 및 녹색 황색 스펙트럼영역에까지 응용되고 있다.

일반적으로, 질화물 반도체를 이용한 청색발광소자는 도 1에서와 같이 더블헤테로구조로 고안되어있다. 도 1에서와 같이 절연성의 사파이어기판(1)위에 300∼500 옹그스트롬의 얇은 Al_xGa_1-xN(1≤ｘ≤1)의 완충층(2)을 520 ℃ 의 낮은 온도에서 성장시킨후, 1100 ℃ 정도의 고온에서 Si원소를 n-형 불순물로 첨가하여 n-형GaN 오믹접촉층(3)을 형성하고, 정공을 접합시키기 위한 장벽을 제공하기 위해 n-Al_xGa_1-xN(ｘ=0.15) 클래딩층(4)을 0.15 미크론 정도의 두께로 성장하고, 활성층(5)으로 In_xGa_1-xN(1≤ｘ≤1)층을 500 옹그스트롬 정도로 도너 준위와 억셉터 준위을 갖는 불순물밴드를 형성시킨후 각각 Si, Ge과 Zn, Mg, Mn, Cd등을 도핑한다.

그리고 소자의 발광파장은 자외선영역에서 빨강색에 이르기까지 In 의 성분비나 적절한 불순물을 도핑하여 변화시키고, 다시 제 1의 p-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층(6)을 전자를 구속하는 장벽을 제공하기 위해 성장하고, 그 위에 p-형 GaN 오믹접촉층(7)을 적층하는 구조로 성장한다.

그러나, 이러한 더블헤테로구조를 통한 발광다이오드소자의 제작은 실현되었지만, 기판을 질화갈륨 단결정으로 사용하지 않는 경우에는 절연성 사파이어기판으로 인해 상부면에 두개의 서로 다른 전극을 형성하여야 한다.

이러한 두개의 상부 전극을 절연기판위에 형성하여 야기되는 정전기적 충격이 일어날 수 있으며, 특히 절연기판의 용량성으로 인한 사파이어기판과 질화갈륨 박막층사이의 격자부정합에 따른 결정특성 및 전기적 특성의 취약성을 갖는 계면에 전자의 충전현상은 칩 조립시의 불량 모드를 만드는 문제점이 있다.

또한, 도 5는 종래의 질화갈륨계 더블헤테로구조를 갖는 발광소자의 바이어스 인가시에 전자와 정공이 이동하는 궤적을 나타낸 개략 구조도로서, 특히 전자가 n-형 전극(61)으로부터 발생하여 이동할 때 기하학적으로 상부면에 두개 전극(60),(61)을 형성함으로 인해 이동방향이 휘어지는 형태를 갖고 있어 완충층(54)위에 접촉되고, 많은 격자 부정합에 의한 격자결함을 내포하는 완충층(54)에 전자가 유입되어 유전체인 사파이어 표면전자밀도를 증가시킴으로써 전자를 소진및 충전시키는 등 신뢰성에 많은 영향을 초래하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하고자 이루어진 것으로서, 그 목적은 질화갈륨계 발광소자의 다층박막구조를 개선함으로써 사파이어 절연기판의 사용으로 인한 절연층에 전하 분포가 칩 조립 공정중에 순간적인 고 부하 전압의 인가로 인해 발생하는 정전 단락현상을 방지할 수 있게 하고, 특히 낮은 온도에서 성장하여 취약한 결정구조를 갖는 완충층을 전기적으로 전자가 유입되지 않도록 보호하고, 또한 p-형 GaN 오믹접촉층위에 투명전극을 도입하여 전하를 효율적으로 분산시켜 확산전류밀도를 낮춘 상태에서 균일하게 활성층에 유입되게 함으로써 신뢰성과 양자효율을 향상시키도록 하고, 또한 Si와 Zn 의 도너와 억셉터를 코도핑한 상태로 InｘGa_1-ｘN 활성층의 두께를 엑시톤이 구속상태에서 놓이도록 매우 좁게 함으로써 외부 양자 효율을 증대시키고, 고 휘도의 광전자소자를 지향할 수 있게 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하고자 본 발명은 질화갈륨 반도체 더블헤테로 다층구조를 갖는 발광소자의 제조공정에 있어서, 사파이어기판을 사용하여 유기금속화합물 화학 기상증착방법(MOCVD)으로 완충층위에 p-형 GaN 클래딩층을 성장시키는 제 1 공정과, 상기 클래딩층위에 n-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 2 공정과, 상기 오믹접촉층위에 n-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 3 공정과, 상기 클래딩층위에 In_xGa_1-xN 활성층을 Si, Zn 으로 코도핑하여 성장시키는 제 4 공정과, 상기 활성층위에 p-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 5 공정과, 상기 클래딩층위에 p-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 6 공정과, 상기 MOCVD로 성장된층을 갖는 박막을 플라즈마어닐링하는 제 7 공정과, 상기 n-형 GaN 오믹접촉층에 까지 건식식각하는 제 8 공정과 상기 p-형 오믹접촉층위에 투명전극을 형성시키는 제 9 공정과, 상기 투명전극에 최종 p-형 전극을 형성시키는 제 10 공정과 상기 n-형 오믹접촉층위에 n-형전극을 형성시키는 제 11 공정을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 p-형 전극은 Ni/Au로 증착시키고, n-형 전극은 Ti/Au로 증착시키는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 바람직하게, 상기 AlN 과 GaN 의 두 완충층을 각 15 nm 높이로 520 ℃ 의 온도에서 성장시키는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 바람직하게, 전기적 완충층인 상기 p-형 클래딩층을 GaN, AlN, In_xGa_1-xN (1≤x≤1), Al_xGa_1-xN(1≤x≤1) 층을 선택할 수 있게 한 것을 그 특징으로 한다.

또한, 바람직하게, 상기 전기적 완충층은 n-형 클래딩층으로 하여 정공이 취약한 완충층으로 유입을 방지하도록 한 것을 그 특징으로 한다.

또한, 바람직하게, 상기 In_xGa_1-xN(1≤x≤1) 활성층의 두께를 엑시톤의 보어반경인 30 옹그스트롬에 해당하는 영역에서 매우 얇은 활성층에 Si 와 Zn을 도핑하여 도너와 엑셉터를 형성한 것을 그 특징으로 한다.

또한, 바람직하게, 상기 In_xGa_1-xN (1≤x≤1) 활성층의 In 성분비 x를 증가시켜 460 nm 의 파장대를 갖는 청색은 ｘ=0.02-0.1의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 그 특징으로 한다.

또한, 바람직하게, 상기 In_xGa_1-xN 활성층의 In 성분비 x를 증가시켜 550 nm 의 파장대를 갖는 녹색은 ｘ=0.2-0.25의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 그 특징으로 한다.

또한, 바람직하게, 상기 In_xGa_1-xN 활성층의 In 성분비 x를 증가시켜 590 nm 의 파장대를 갖는 황색은 ｘ=0.28-0.32의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 그 특징으로 한다.

또한, 바람직하게, 상기 In_xGa_1-xN 활성층의 In 성분비 x를 증가시켜 660 nm 의 파장대를 갖는 빨강색은 ｘ=0.4-0.45의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 그 특징으로 한다.

도 1은 종래의 질화갈륨계 더블헤테로 다층박막 발광소자의 개략 구조도.

도 2는 본 발명을 위한 질화갈륨계 더블헤테로 다층박막 발광소자의 개략 구조도.

도 3은 본 발명에서 더블헤테로구조의 평형상태에서 전자에너지 밴드다이어그램을 나타낸 개략 구조도.

도 4는 본 발명에서 더블헤테로구조의 순방향 바이어스가 인가된 상태에서 전자에너지 밴드다이어그램을 나타낸 개략 구조도.

도 5는 종래의 더블헤테로구조의 발광소자에 회로가 구성된 상태에서 전자의 이송통로의 궤적을 나타낸 개략 구조도.

도 6은 본 발명에서 더블헤테로구조의 발광소자에 회로가 구성된 상태에서 전자의 이송통로의 궤적을 나타낸 개략 구조도.

도 7은 본 발명에서 더블헤테로구조의 상부면에 두개의 서로 다른 전극으로 형성된 전계에 의한 전자이동 궤적을 나타낸 개략 구조도.

도 8a,b는 질화갈륨계 더블헤테로구조의 발광소자의 일렉트로루미네슨스 세기를 각각 나타낸 특성도로서,

a는 종래의 질화갈륨계 더블헤테로구조의 발광소자의 일렉트로루미네슨스 세기를 나타낸 특성도이고.

b는 본 발명에 의한 질화갈륨계 더블 클래딩-더블헤테로구조의 발광소자의 일렉트로루미네슨스 세기를 종래와 비교하여 나타낸 특성도이다.

*도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명*

1,10,21,34,53,63:사파이어기판

2,11,22,35,54,64:GaN 완충층

3,13,25,42,55,66,75:n-형 GaN 오믹접촉층

4,14,26,43,56,67:n-형 AlGaN 클래딩층

5,15,27,44,57,68:InGaN 활성층

6,16,30,49,58,69:제 1의 p-형 AlGaN 클래딩층

7,17,31,50,59,70,76:p-형 GaN 오믹접촉층

8,19,32,51,60,72,78:p-형 전극

9,20,24,37,61,73,80:n-형 전극

12,23,36,65:제 2의 p-형 AlGaN 클래딩층

18,71,77:투명전극 28,45:도너준위

29,46:억셉터준위 33,40,52:페르미준위

38:순방향 바이어스 전압 39:전자이동방향

41,34:전자 35,47:정공

48:정공이동방향 62,74,79:전자이동궤적

이 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 청색발광소자의 제작방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명을 위한 질화갈륨계 더블헤테로 다층박막 발광소자의 개략 구조도로서, 도 2에 도시한 바와 같이 사파이어기판(10)을 사용하여 유기금속화합물 화학 기상증착방법으로 완충층(11)위에 p-형 GaN 클래딩층(12)을 성장시키고, 상기 클래딩층(12)위에 n-형 GaN 오믹접촉층(13)을 성장시킨다. 그리고 상기 오믹접촉층(13)위에 n-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층(14)을 성장시킨후 클래딩층(14)위에 In_xGa_1-xN 활성층(15)을 Si, Zn 으로 코도핑하여 성장시킨다. 또한 상기 활성층(15)위에 p-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층(16)을 성장하고, 상기 클래딩층(16)위에 p-형 GaN 오믹접촉층(17)을 성장시킨후 상기 오믹접촉층(17)위에 투명전극 ITO (18)을 형성시키고, 상기 투명전극(18)에 최종 p-형 전극(19)을 형성시켜서 구성된다.

이와 같이 유기금속 화학 기상증착방법(MOCVD)으로 사파이어기판(10)위에 성장시킨 질화갈륨계 다층구조는 먼저 340 미크론의 두께를 갖는 c 축 방향으로 절단된 사파이어기판(Al₂0₃)을 화학적으로 크리닝을 한 후 Mg을 도핑한 AlN 과 GaN 두 완충층(11)을 각각 15 nm 높이로 유기금속원과 암모니아가스를 열화학 반응시켜 520 ℃에서 성장한 다음, Mg가 도핑된 GaN 박막을 1120 ℃ 의 고온에서 0.1∼0.5 미크론 (㎛)의 두께로 성장한다.

그리고 GaN 대신에 Al_xGa_1-xN 또는 In_xGa_1-xN 의 클래딩층도 가능하다.

한편, 유기금속원으로는 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸갈륨(TMGa)과 바이스사이크로 펜타디에닐마그네슘((C₅H₅)₂Mg:Cp₂Mg)을 각각 AlN, GaN 메트릭스와 도핑원으로 사용하고, 반송가스는 수소가스를 메트릭스원에는 60 sccm 과 도핑원에는 18 sccm을 사용하고, 반응기의 주흐름에 암모니아가스를 4 slm 과 질소가스를 6 slm 을 통과시킨다.

이렇게 성장된 p-형 GaN 박막위에 n-형 GaN 오믹접촉층(13)을 2.5∼4 미크론의 두께로 성장하고, 이때 Si 불순물을 SiH₄가스를 이용하여 박막에 첨가시킴으로써 전자운반자 농도를 약 3×10¹⁸/cm³정도로 갖는다. 그 위에 Al_xGa_1-xN 클래딩층(14)을 가능한 한 최대 5×10¹⁸/cm³정도의 농도로 Si 을 도핑하였다. 여기서 Al 성분비는 x=0.15 이고 두께는 0.15∼0.5 미크론이다.

또한 In_xGa_1-xN 활성층(15)의 In 성분비는 x=0.1 로 에너지 갭이 3.18 eV(390 nm)을 갖으며 Si 와 Zn을 코도핑함으로써 도너와 억셉터 준위를 형성시키면 발광파장이 460 nm 를 이고, 두께는 20∼1000 옹그스트롬이고 바람직한 실시예는 30 옹그스트롬의 두께를 성장하였다.

먼저 도핑하지 않은 In_xGa_1-xN 은 결정성장시 자연적으로 발생되는 열적 화학반응의 무질서의 정도에 따라 도너의 소수운반자농도가 대략 5×10¹⁸/cm³으로 높은 상태이며 410 nm 파장의 발광성 깊은 준위를 가전자대로부터 0.16 eV 위에 형성한다. 이 준위는 Zn 을 도핑하면 억셉터 준위가 가전자대로부터 0.32 eV 위에 형성되며 전자와 정공의 보상효과에 따라 도너의 소수운반자 농도가 9×10¹⁷/cm³으로 상대적으로 낮아진다.

다시 Si 를 코도핑하면 In_xGa_1-xN 전도대 아래 얇은 도너준위를 형성함으로써 발광센터의 증가로 발광효율이 상승된다. 그리고 활성층이 비교적 두꺼운 더블헤테로구조의 경우 In 성분비와 에너지밴드갭〔수학식1〕, Si,Zn 코도핑에 의한 발광에너지〔수학식2〕 및 발광파장과의 관계식〔수학식3〕으로 각각 나타난다.

〔수학식1〕

E_g(x)= x E_g(InN)+(1-x)E_g(GaN)-x(1-x)

= 1.96 x + 3.4 (1-x) - x(1-x)

= 3.4 - 2.44 x + x²

〔수학식2〕

E_OPT(x)= E_g(x)-E_d(Si)-E_a(Zn)

= 3.4 - 2.44 x + x²- 0.16 - 0.32

= 2.92 - 2.44 x + x²

〔수학식3〕

λ(㎛)=1.239854/(E_opt(eV))이다.

여기에서 E_g(InN)은 InN 밴드갭 에너지로 1.96 eV 이고 E_g(GaN)는 GaN 의 밴드갭 에너지 3.4 eV 이며, E_d(Si)은 In_xGa_1-xN 의 ｘ=0.1 에서의 Si 도너준위의 전도대로부터의 에너지 차이 0.16 eV 이며, E_a(Zn)은 Zn 억셉터준위의 가전자대로부터의 에너지 차이가 0.32 eV 이다.

한편 활성층의 두께를 엑시톤의 보어반경주위의 30 옹그스트롬정도의 전자-정공쌍의 구속상태영역으로 성장함에 따라 양자적 구속현상이 수반되고 외부양자효율을 증가시킬 수 있다. 또한 Si, Zn 을 코도핑한 활성층의 In 성분비를 바꾸어 증가시킴에 따라 장파장대의 녹색(550nm),황색(590nm), 빨강색(660nm)을 발광하는 광소자의 제작이 가능하다. 청색의 경우 In 의 성분비는 x=0.02∼0.1, 녹색의 경우는 x=0.2∼0.25, 황색의 경우는 x=0.28∼0.32, 그리고 빨강색의 경우는 x=0.4∼0.45 의 영역을 갖는다.

한편 제 2 의 p-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층(12)의 Mg 도핑을 최대한으로 하여 5×10¹⁸/cm³농도로 형성하고, Al 성분비를 x=0.15 가 되게 한 후 두께를 0.15∼0.5 미크론으로 주흐름 가스를 질소분위기에서 성장하였다.

또한 p-형 GaN 오믹접촉층(17)을 0.5 미크론정도로 성장한다. 이와 같이 MOCVD(유기금속 화학 기상증착방법)장비에서의 다층구조를 성장한 후 시료를 꺼내어 플라즈마 진공챔버에 넣어 Mg 불순물이 성장중에 Mg-H 복합체를 형성함에 따라 수소원자가 탈착되도록 플라즈마 어닐링하고, 정공운반자 농도가 5×10¹⁸/cm³으로 활성화시킨다.

그리고 도 2 의 n-형 면에 전극을 형성하기 위해 질화갈륨계 박막층을 건식식각을 수행하고, 고밀도 플라즈마를 발생시키는 유도결합형 플라즈마 건식식각(inductively coupled plasma etching) 공정을 Cl₂나 BCl₃의 염소계 화합물을 이용한다. 다시 박막표면에 인듐주석산화물(ITO)의 투명전극을 0.2∼0.5 미크론으로 증착하여 p-형 면에만 남기고 제거한다.

또한 p-형 전극은 깊은 준위의 Mg 억셉터가 형성됨으로써 정공의 터널링을 이용할 수 있는 Ni/Au 금속을 사용하고 접촉저항을 감소시키기 위해 Be,Mg,Zn 과 같은 p-형 물질을 금속 증착시 1∼5 % 정도 첨가하였다. 가장 바람직한 원소는 Be 이다. 또한 n-형 전극을 형성하기 위해 쇼트키(Schottky) 형 금속인 Ti,Cr 등을 이용하고, 와이어 본딩을 위해 Al 이나 Au를 적층증착후 350 ℃ 이상에서 어닐링하여 합금화한다. 가장 바람직한 경우는 Ti/Au 이며 오믹접촉 저항을 감소시키기 위해 Au 금속에 Ge 을 2∼10 % 정도 첨가한다.

한편, 도 3은 질화갈륨계 더블클래딩-더블헤테로구조로 된 발광소자의 열평형 상태하에서 에너지밴드 다이어그램을 나타내는 개략도로서, 도 3에 도시한 바와 같이 페르미(Fermi) 에너지준위에 대해 n-형 GaN 오믹접촉층(25)과 n-형 AlGaN 클래딩층(26)은 상대적으로 전자의 준위가 높고, 제 1의 p-형 AlGaN 클래딩층(30)과 p-형 GaN 오믹접촉층(31)은 전자의 준위가 낮다.

한편 도 4는 순방향 바이어스가 인가된 상태에서 전자에너지 밴드다이어그램을 나타낸 개략 구조도로서, 도 4에 도시한 바와 같이 n-형쪽의 페르미 에너지준위(40),(52)가 바이어스에 의해 상승되어 여기된 전자(41)가 GaN 완충층(35)위의 p-형 클래딩층(36)에 의해 반대방향의 활성층으로 향하게 되고 다시 p-형쪽의 클래딩층에 부딪쳐 활성층에 모이게 된다.

이는 다시 전자(41)가 In_xGa_1-xN 활성층(44)의 Si 도너(45)의 얇은 준위에 유입되고 Zn 억셉터가 깊은 준위에 위치한 정공(47)과 발광성 재결합을 이르키게 된다. 정공(47)은 p-형쪽의 페르미 준위(52)가 상대적으로 낮아져, 전자(41)가 아닌 정공(47)의 분포가 형성되고 활성층에 유입되어진다.

한편 도 6은 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 발광소자에서의 전자와 정공의 이동궤적을 표시한 개략 구조도로서, GaN 완충층(64)위 제 2의 p-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층(65)을 도입함으로써 In_xGa_1-xN 활성층(68)에 이르러 발광재결합 되기 전에 소멸되는 전자를 효율적으로 줄일 수 있어 발광효율을 향상시킨다.

한편 도 7은 도 6의 평면도로서, 전기력선에 의해 전자 이동로를 표시한다. 그리고 p-형 전극(78)에 투명전극(77)물질인 ITO(Indium-Tin Oxide)를 삽입하여 전하를 표면에 고르게 퍼지게 함으로써 표면전하밀도를 낮출 수 있으며 p-형 전극(78)에 날개를 달아 유사한 효과를 제공할 수 있다. p-GaN 반도체 표면 포텐셜에너지분포가 세라믹에서와 비슷하여 전극금속의 정공에 대한 오믹접촉이 용이하지 않는데, 세라믹특성을 갖으면서 전도성인 물질인 ITO 가 우수한 오믹접촉특성을 나타낸다. 또한 제 1 전극의 p-면 투명전극(77)이 제 2 전극인 Ni/Au의 p-형 전극물질과 접착력이 우수하다. 투명전극의 표면증착으로 n-면 전극(80)과의 거리는 전기적 단락현상을 이르키는 조건인 3 V/㎛ 을 감안하여 p-GaN 접촉면보다 80 % 의 면적으로 투면전극(77)면적을 형성한다. 바람직한 투명전극(77)과 n-면 전극(80)간 간격은 20 미크론이다.

또한 사파이어기판의 두께가 340 미크론으로 다이어몬드 팁을 이용하여 스크라이빙(scribing)하여 브레이킹(breaking)하기가 용이하지 않으므로 사파이어 이면을 80 미크론의 두께로 랩핑(lapping)한다. 그리고 최종적으로 칩 크기가 가로세로 350×350 미크론으로 스크라이빙한 후 브레이킹함으로써 청색발광소자를 제작한다.

한편 도 8a,b는 활성층의 두께가 700 옹그스트롬인 더블헤테로구조의 칩 상태에서 측정한 파장에 따른 발광세기를 나타낸 특성도로서, a는 종래(도 1)의 더블헤테로구조를 갖는 발광다이오드의 일렉트로루미네슨스의 세기를 나타내고, b는 본 발명(도 2)에서 나타낸 GaN 완충층(11)위에 제 2 의 p-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층(12)을 도입한 더블클래딩-더블헤테로구조에서의 일렉트로루미네슨스를 나타냄에 따라 발광효율이 크게 향상되어짐을 알 수 있다.

이상에서와 같이, 본 실시 예에서는, 사파이어기판을 이용한 질화갈륨계 이중-이종 접합형 반도체 박막을 다층구조로 적층하여 발광소자를 제작하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명이 당 업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

상술한 설명으로부터, 본 발명의 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법에 의하면, 질화갈륨계 발광소자의 다층박막구조를 개선함으로써 사파이어 절연기판의 사용으로 인한 절연층에 전하 분포가 칩 조립 공정중에 순간적인 고 부하 전압의 인가로 인해 발생하는 정전 단락현상을 방지할 수 있다.

또한 낮은 온도에서 성장하여 취약한 결정구조를 갖는 완충층을 전기적으로 전자가 유입되지 않도록 보호하게 된다.

또한 p-형 GaN 오믹접촉층위에 ITO 투명전극을 도입하여 전하를 효율적으로 분산시켜 확산전류밀도를 낮춘 상태에서 균일하게 활성층에 유입되게 함으로써 신뢰성과 양자효율을 향상시키게 된다.

또한 Si 와 Zn 의 도너와 억셉터를 코도핑한 상태로 In_xGa_1-xN 활성층의 두께를 엑시톤이 구속상태에서 놓이도록 매우 좁게 함으로써 외부 양자 효율을 증대시키고, 고 휘도의 광전자소자를 지향시키는 효과가 제공된다.

Claims

질화갈륨 반도체 더블클래딩-더블헤테로 다층구조를 갖는 발광소자의 제조공정에 있어서, 사파이어기판을 사용하여 유기금속화합물 화학 기상증착방법(MOCVD)으로 완충층위에 p-형 GaN 클래딩층을 성장시키는 제 1 공정과;

상기 클래딩층위에 n-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 2 공정과;

상기 오믹접촉층위에 n-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 3 공정과; 상기 클래딩층위에 In_xGa_1-xN 활성층을 Si, Zn 으로 코도핑하여 성장시키는 제 4 공정과;

상기 활성층위에 p-형 Al_xGa_1-xN 클래딩층을 성장시키는 제 5 공정과;

상기 클래딩층위에 p-형 GaN 오믹접촉층을 성장시키는 제 6 공정과;

상기 MOCVD로 성장된층을 갖는 박막을 플라즈마어닐링하는 제 7 공정과;

상기 n-형 GaN 오믹접촉층에 까지 건식식각하는 제 8 공정과;

상기 p-형 오믹접촉층위에 투명전극을 형성시키는 제 9 공정과;

상기 투명전극에 최종 p-형 전극을 형성시키는 제 10 공정과;

상기 n-형 오믹접촉층위에 n-형전극을 형성시키는 제 11 공정을 포함하는 것

을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법.
제 1항에 있어서, 상기 p-형 전극은 Ni/Au로 증착하고, n-형 전극은 Ti/Au로 증착시키는 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법.
제 1 항에 있어서, 상기 AlN 과 GaN 의 두 완충층을 각 15 nm 높이로 520 ℃ 의 온도에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법.
제 1 항에 있어서 전기적 완충층인 상기 p-형 클래딩층을 GaN, AlN, In_xGa_1-xN (1≤x≤1), Al_xGa_1-xN (1≤x≤1)층을 선택할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법.
제 1 항 있어서 적층순서를 역으로 함으로써, 상기 전기적 완충층은 n-형 클래딩층으로 하여 정공이 취약한 완충층으로 유입을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법.
제 1 항에 있어서, 상기 In_xGa_1-xN (1≤x≤1) 활성층의 두께를 엑시톤의 보어반경인 30 옹그스트롬에 해당하는 영역에서 매우 얇은 활성층에 Si 와 Zn을 도핑하여 도너와 엑셉터를 형성한 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법.
제 1항 및 6항에 있어서, 상기 In_xGa_1-xN (1≤x≤1) 활성층의 In 성분비를 조절하여 460 nm 의 파장대를 갖는 청색은 ｘ=0.02-0.1의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 청색발광소자의 제작방법.
제 1항 및 6항에 있어서, 상기 In_xGa_1-xN 활성층의 In 성분비를 증가시켜 550 nm 의 파장대를 갖는 녹색은 ｘ=0.2-0.25의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 녹색발광소자의 제작방법.
제 1항 및 6항에 있어서, 상기 In_xGa_1-xN (1≤x≤1)활성층의 In 성분비를 증가시켜 590 nm 의 파장대를 갖는 황색은 ｘ=0.28-0.32의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 황색발광소자의 제작방법.
제 1항 및 6항에 있어서, 상기 In_xGa_1-xN (1≤x≤1) 활성층의 In 성분비를 증가시켜 660 nm 의 파장대를 갖는 빨강색은 ｘ=0.4-0.45의 영역에서 Si 와 Zn으로 코도핑한 것을 특징으로 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 적색발광소자의 제작방법.
제 2항에 있어서, 상기 p-형 전극의 Au 에 Mg, Zn, Be 등의 p-형 금속을 불순물로 주입시키고, n-형 전극의 Au 에 Si, Ge 등의 n-형 물질을 불순물로 주입하여 증착시키는 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 청색발광소자의 제작방법.
제 1항과 2항에 있어서 상기의 투명전극으로 ITO (InSnO_x(2≤x≤3))를 p-GaN 표면에 증착하여 오믹접촉을 시키는 제 1 전극과 그 위에 상기 p-형 금속전극을 제 2 전극으로 형성하는 것을 특징으로 하는 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 청색발광소자의 제작방법.
제 1항 및 6항에 있어서 7항과 8항과 10항의 GaN계 다층박막구조를 순차적으로 조합하여 적층하고 전극을 칩의 네 모서리에 형성하여 전압을 인가할 수 있는 백색발광소자의 제작방법.