KR20000065567A - 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체을 이용한 광소자의 제작방법에 있어서, 활성층 주위에 2차원 전자가스층을 도입하여 발광효율을 향상시키고 고 휘도 발광효율을 확보하기 위한 발광소자의 제작방법에 관한 것으로, 사파이어기판위에 질화물 반도체를 다층박막 형태로 성장시킬 때 제 1 n형 오믹접촉층밑에 먼저 p형 전자 장벽층을 형성하고, 상기 n,p형 오믹접촉층을 3차원으로 도핑하면서 Ga 가스원의 공급을 순간적으로 차단하여 매우 높은 운반자농도의 2차원 델타도핑형태의 제 2 n형 오믹접촉층을 교번하여 형성하고, 양자우물 활성층 주위의 공간층에 델타도핑방법으로 V형 포텐셜우물을 형성하고, 상기 양자우물 활성층 주위에 전자를 공급할 수 있도록 전자터널링이 가능한 2차원 전자가스층을 도입한 것을 그 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명은, 양자구조의 활성층 주위에 고농도 도핑된 전자공급원인 2차원 전자 가스층을 형성하므로써 발광효율을 향상시키고 고 휘도 발광효율을 확보해 주는 효과가 제공된다.

Description

2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법{GaN-based Semiconductor Light Emitting Devices of Quantum Well Electronic Structures Resonating with Two-dimensional Electron Gas}

본 발명은 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법에 관한 것으로, 특히 질화물계 반도체을 이용한 광소자의 제작방법에 있어서, 활성층 주위에 2차원 전자가스층을 도입하여 발광효율을 향상시키고 고 휘도 발광효율을 확보하기 위한 발광소자의 제작방법에 관한 것이다.

현재 실용화 단계에 있는 청색 발광다이오드에서 질화물계 반도체로(A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)을 이용하고 있다.

도 1에 표시된 더블헤테로 구조에서처럼, 사파이어기판(1)표면에 도핑하지 않은 GaN성분의 질화물 완충층(2)을 500 ℃ 부위의 비교적 낮은 온도에서 성장하여 사파이어기판(1)과 질화물계 반도체 박막결정사이의 격자부정합의 변형응력(stress)을 완화시키고, 순차적으로 n형 GaN 제 1 n형 오믹접촉층(3)을 적층하고, 이때 Si 또는 Ge 도핑을 1×1018/㎤ 정도로 한 제 1 n형 오믹접촉층(3)과, InGaN층인 제 2 n형 In0.2Ga0.8N 오믹접촉층(31)에 Si 또는 Ge 도핑을 5×2020/㎤ 정도로 높은 도핑을 연이어서 수행한 제 2 n형 InGaN층(31)을 교번하여 적층한 오믹접촉층을 형성하였다.

그리고 활성층주위에 A1GaN 피복층(n형 클래딩층)(4)을 형성하기 위해 n형 오믹층의 표면에 Si을 1×1018/㎤ 정도로 도핑한 A10.2Ga0.8N층을 0.1 ㎛로 적층하고 Si와 Zn 이 코도핑된 In0.1Ga0.9N 활성층(5)위에 Mg 도핑된 A10.2Ga0.8N층(p형 클래딩층)(6)을 형성하였다.

그리고 최종적으로 p형 오믹접촉층인 Mg가 도핑된 GaN층(p형 오믹접촉층)(7)을 형성하였다.

이러한 청색 발광다이오드구조에서 순방향전류(If) 20 ㎃을 인가할 경우 순방향 동작전압(Vf)이 3.2-3.5 V를 나타내고, 피크파장은 450 ㎚이고 발광출력이 2.0-2.2 ㎽인 소자특성을 보인다.

한편, 양자우물구조의 청색발광다이오드는 도 2에 표시된 것처럼 제 1, 제 2 n형 오믹접촉층(3,31)은 도 1의 형태와 동일하고 활성층 부위가 양자우물형태의 구조를 갖는다.

여기서, n형 클래딩층(4)으로 A10.2Ga0.8N층을 이용하는 대칭형이나 GaN층을 이용하는 비대칭형으로 제작할 수 있으며, 또한 클래딩층 표면에 도핑하지 않은 두께 2-10 ㎚의 GaN 이나 In0.1Ga0.9N 활성층(5)을 쌓고 그 위에 두께 2-5 ㎚의 In0.2Ga0.8N 양자우물층(54)을 형성하며, 다시 도핑하지 않은 GaN 이나 In0.1Ga0.9N층을 쌓는 다음, p형 클래딩층(6)으로 A10.2Ga0.8N층을 형성한다.

그리고 최종적으로 p형 오믹접촉층인 Mg가 도핑된 GaN층(p형 오믹접촉층)(7)을 형성하였다. 이러한 청색 발광다이오드구조에서 순방향전류(If) 20 ㎃을 인가할 경우 순방향동작전압(Vf)가 3.2-3.5 V 를 나타내고, 피크파장은 450 ㎚이고 발광출력이 10-22 ㎽인 소자특성을 보인다.

도 1에서 제 1 n형 오믹접촉층(3)이 매우 얇은 박막형태의 전극을 형성할 때에 사파이어기판(1)이 절연특성을 갖으며 이로 인해 모든 표면에 형성해야 한다.

이런 상황에서 전류의 확산 현상이 활성층의 단거리부위로 집중한다. 또한 n형 오믹접촉층을 GaN성분의 제 1 n형 오믹접촉층(3)과 InGaN성분의 제 2 n형 오믹접촉층(31)의 두 종류로 하였지만 사파이어기판(1)으로부터 형성되어 올라오는 전위를 멈추도록 하기에는 InGaN의 성분이 크게 변형응력을 유발한다.

또한 Si나 Ge로 InGaN을 도핑하여 높은 운반자농도를 얻기에는 많은 어려움이 따르고 공정상의 재현성의 문제가 있다. 또한 양자구조에 단순한 응력 변형의 완화을 위해 도핑하지 않은 GaN 이나 InGaN층을 전자나 정공의 흐름에 포획할 수 있는 결함이 존재하여 높은 발광효율을 얻지 못하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하고자 이루어진 것으로서, 그 목적은 p,n 오믹접촉층에 전자와 정공의 확산통로를 형성하여 내부 저항을 감소시키도록 하고, 또한 기존의 도핑방법에 델타도핑을 도입하여 고농도로 2차원 도핑을 수행하므로써 순방향 구동전압을 낮추도록 하였으며, 또한 사파이어기판위에 완충층을 형성한 다음 p형 전자 장벽층을 도입함으로써 초기 박막성장층으로 전자유입이 방지되어 정전기현상 및 신뢰성을 향상시키도록 하고, 또한 활성층 주위에 2차원 전자가스층을 도입함으로써 발광효율을 향상시키고 고 휘도 발광효율을 확보할 수 있게 한 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하고자 본 발명의 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법은, 사파이어기판위에 질화물 반도체를 다층박막 형태로 성장시킬 때 제 1 n형 오믹접촉층밑에 먼저 p형 전자 장벽층을 형성하고, 상기 n,p형 오믹접촉층을 3차원으로 도핑하면서 Ga 가스원의 공급을 순간적으로 차단하여 매우 높은 운반자농도의 2차원 델타도핑형태의 제 2 n형 오믹접촉층을 교번하여 형성하고, 양자우물 활성층 주위의 공간층에 델타도핑방법으로 V형 포텐셜우물을 형성하고, 상기 양자우물 활성층 주위에 전자를 공급할 수 있도록 전자터널링이 가능한 2차원 전자가스층을 도입한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 n,p형 오믹접촉층면에 3차원 도핑을 실시하다가 델타도핑을할 경우 Ga, A1, In 등의 Ⅲ족 일킬계 금속원가스의 유입을 제외한 수소, 암모니아 및 도핑가스원만으로 질화물반도체 박막성장온도, 압력 및 유량의 동일한 조건에서 순차적인 2차원 성장을 실시함으로써 1012-1013/㎠의 전자운반자 면농도를 갖는 2차원 전자가스층을 교번하여 갖도록 한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 n면측 공간층에 2차원 전자가스의 V형 포텐셜우물을 어느 정도의 반폭치를 갖도록 델타도핑방법으로 형성하고, 상기 V형 포텐셜우물을 양자우물로부터 어느 정도 분리되게 형성하여 상기 V형 포텐셜우물이 양자역학적으로 양자우물과 강한 상호작용이 이루어지게 하고 전자가스층의 전자가 양자우물로 이동 가능하게 한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 V형 포텐셜우물을 2-10 ㎚의 반폭치를 갖도록 한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 V형 포텐셜우물을 양자우물로부터 1-10 ㎚로 분리되게 한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 양자우물주위에 공간층을 형성할 경우 InGaN 활성층의 In성분비가 증가됨에 따라 도핑하지 않은 공간층을 A1GaN, GaN, InGaN 등의 반도체박막을 이용할 수 있게 하고, 동일한 질화물 반도체재료를 이용한 좌우대칭형 또는 서로 다른 비대칭형의 조합도 가능하여 p면층 공간층을 생략할 수 있게 하고, 낮은 농도의 n형 도핑을 n면측에 허용할 수 있는 공간층에 2차원 전자가스층을 갖도록 한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 완충층위에 전자 장벽층을 형성하는 경우, p형의 도펀트물질 Be, Mg, Zn, Cd 등을 이용하는 단층형 장벽층이나, 또는 초기의 기판표면으로부터의 전파되는 전위밀도를 감소시키기 위해 도핑하지 않은 질화갈륨 박막층을 일정 두께로 형성한 후 p형 도핑을 일정 두께로 형성하고, 다시 도핑하지 않은 질화물 박막을 일정 두께로 적층한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 질화갈륨 박막층을 0.01-2 ㎛두께로 형성한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 질화갈륨 박막층을 0.01-2 ㎛두께로 형성한 후 p형 도핑을 0.01-0.5 ㎛두께로 형성한 것을 그 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 도핑하지 않은 질화물 박막을 0.01-1 ㎛두께로 적층한 것을 그 특징으로 한다.

도 1은 종래의 질화물계 더블헤테로구조를 갖는 발광소자에 대한 개략도.

도 2는 종래의 질화물계 양자구조를 갖는 발광소자에 대한 개략도.

도 3은 박막표면으로부터의 깊이에 따른 2차원 n형 델타도핑과 3차원 n형 도핑의 전자운반자 농도에 대한 분포도의 특성도.

도 4는 종래의 질화물반도체 양자구조의 에너지 밴드 다이어그램에서 전자/정공의 발광 재결합 메카니즘을 나타내는 개략도.

도 5는 본발명에서 질화물반도체의 양자구조에 도입한 2차원 전자가스층을 포함하는 에너지 밴드 다이어그램에서 전자/정공의 발광 재결합 메카니즘을 나타내는 개략도.

도 6은 본 발명에서 p형 장벽층의 도입과 p,n형 오믹접촉층에 2차원 델타도핑을 도입한 더블헤테로구조의 발광소자에 대한 단면도.

도 7은 본 발명에서 p형 장벽층 앞 뒤 양면에 도핑하지 않은 질화물반도체 박막층을 삽입한 더블헤테로구조의 발광소자에 대한 단면도.

도 8은 본 발명에서 공간층에 2차원 전자가스층을 도입한 양자구조로된 발광소자의 단면도.

도 9는 본 발명에서 공간층에 2차원 전자가스층 및 공간층 외변에 클래딩층을 포함하는 양자구조의 발광소자의 단면도.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

1:사파이어기판 2:질화물 완충층

3:제 1 n형 오믹접촉층 4:n형 클래딩층

5:Si-Zn 코도핑된 InGaN 활성층 6:p형 클래딩층

7:p형 오믹접촉층 8:p형 전극

9:n형 전극 10:p형 전자장벽층

30:도핑하지 않은 질화물층 31:제 2 n형 InGaN 오믹접촉층

33:2차원 n형 델타도핑층 50:n 면측 공간층

53:델타도핑된 V형 포텐셜우물형 2차원가스층

54:양자우물 55:p 면측 공간층

56:양자우물과 V형 포텐셜우물과의 전자터널링 파동함수

73:2차원 p형 델타도핑 80:투면전극

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

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

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 기존의 GaAs나 GaAsP 의 반도체를 이용한 광소자에서 전자확산로의 n형 반도체층에 부분적인 고농도 도핑층을 형성할 경우, Ga 가스공급원을 순간적으로 차단하는 델타도핑방법을 이용하는데, 이를 질화물 반도체에 도입 적용하여 n형 GaN층에서 국소적인 델타도핑을 수행하여 얻은 운반자농도의 특성도이다.

먼저, Si 도핑한 n형 GaN 박막의 운반자농도는 5×1018/㎤ 이고, 델타도핑시 4×1019/㎤ 으로 증가하며 도핑이 없는 박막층은 n형으로 7×1017/㎤의 농도분포를 갖는다.

사파이어기판위에 GaN 완충층을 520 에서 TMGa(트리메틸갈륨)과 수소가스 및 암모니아가스를 이용하여 성장한 후 온도를 1120 로 상승시키고 사일렌(SiH4)가스를 첨가하여 n형 GaN층을 성장하다가 TMGa 가스원을 오프시킨 상태에서 1분간 성장을 중단하면 Si함량이 2-3원자층에 증착되고 다시 온하여 성장을 계속하면 2차원적 델타도핑이 이루어진다.

다시 계속하면 n형 GaN층이 3차원적으로 도핑되고, SiH4가스원을 오프하면 도핑하지 않은 GaN층이 형성되고, 결정특성이 도핑하지 않은 경우에 더욱 좋아진다. 이러한 델타도핑은 일반적으로 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)층에서도 가능하다.

이러한 고농도의 도핑은 기판과의 결정부정합에 따른 국소적 전위가 만은 기판에 인근한 n형 오믹접촉층에서 전자 산란 및 저항을 증가시켜 전유-전압특성에서 전자확산의 동적 저항을 줄이고 또한 높은 농도의 반도체 접촉표면에 금속전극형상은 전자흐름의 문턱에너지를 낮추는 효과를 가져오며, 결국 순방향 동작전압을 줄임으로써 전력효과를 제공한다.

그리고 사용 가능한 n형 도핑물질로는 Ⅳ족 원소의 C, Si, Ge, Sn 등과 ⅶ족의 S, Se, Te 등이 있으며, p형 도핑물질로는 Ⅱ족 원소인 Be,Mg, Zn, Cd 등이 있다.

도 4는 종래의 방식에 의한 양자구조 광소자의 활성층 부위의 에너지 밴드 다이어그램이다. n면 전도대에서 양자구조로 유입되는 전자는 양자우물의 준위에서 가전자대의 정공의 준위로 유입된 정공과 발광성 재결합을 하게 된다.

이러한 양자구조에 더 많은 전자와 정공을 발광 재결합시키고 발광효율을 증대하기 위해 도 5에서와 같이 2차원 전자가스층을 양자우물주위에 설치함므로 향상시킬 수 있다.

그리고 도핑하지 않은 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1), 더욱 구체적으로는 양자우물의 In성분비가 청색, 녹색, 노란색으로 증대됨에 따라 A1xGa1-xN(0≤x≤1), GaN 이나 InxGa1-xN(0≤x≤1)의 공간층을 이용할 수 있다.

GaN층의 공간층을 형성할 경우 2-20 ㎚의 폭을 갖는 InxGa1-xN(0≤x≤1) 양자우물과 전자의 공명 터널링이 일어날 수 있도록 2-6×1012/㎠의 표면농도와 5-10 ㎚의 반폭치를 갖는 델타도핑된 V자 형태의 포텐셜우물을 3-20 ㎚의 간격으로 형성한다. 또한 델타도핑에 이용하는 도펀트로는 Ⅳ족 원소인 C, Si, Ge, Sn과 Ⅶ족 원소인 S, Se, Te등이 이용될 수 있다.

도 5는 양자구조의 활성층부위의 에너지 대역구조 다이어그램을 나타낸 개략도이다.

양자우물주위에 얇은 공간층 장벽사이에 2차원 전자가스의 델타도핑된 포텐셜우물이 존재하여 전자의 이동이 양자우물로 가능하다. 이러한 전자공명 터널링구조에서 중요한 것은 델타도핑의 표면운반자농도를 조절하기가 매우 어렵기 때문에 V형 포텐셜우물에 존재하는 전자의 파동함수와 양자우물 속의 전자파동함수(56)가 강한 상호작용을 할 수 있도록 양자우물의 폭과 깊이가 설계되어야 한다.

즉 양쪽의 전자들의 에너지 준위가 같고, 중간 공간층의 포텐셜장벽이 충분히 얇아 양자우물의 기저성태로 전자의 공급이 가능함으로써, 들뜬 전자의 효과를 감소시켜 양자우물의 p형 전자 존재확율을 줄일 수 있다.

결국 들뜬전자에 의한 양자우물 주위의 공간층 장벽과 경계층면에서의 비발광성 재결합을 줄일 뿐만 아니라, n형 델타도핑은 정공에 대해 장벽을 제공하여 더욱 효과적인 정공의 포획으로 발광 재결합을 향상시키고 높은 발광효율을 제공한다.

도 6은 본 발명의 제 1 실시예로서, n,p형 오믹접촉층에 고농도로 델타 도핑한 InGaN/A1GaN/GaN DH 구조를 나타내는 단면도이다.

먼저, 사파이어기판(1)위에 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 완충층(2)을 520℃에서 성장하고 전자융입을 차단하는 효과의 p형으로 도핑된 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)장벽층을 1120℃의 고온상태에서 성장함으로써 초기 결정상태의 고밀도의 전위가 분포함으로 인해 전자확산에서의 산란 및 포획센터를 줄일 수 있다.

이러한 장벽층위에 n형 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 오믹접촉층(3)을 형성한다. n형 접촉층을 형성할 때 일시적으로 Ⅲ족 원소의 가스공급원을 차단함으로써 국소적인 델타도핑(33)에서 고농도의 전자운반자농도를 얻을 수 있다.

그리고 순차적으로 n형 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 클래딩층(4)을 형성하고 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 활성층(5)과 p형 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1)클래딩층(6) 및 p형 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 오믹접촉층(7)을 형성한다.

바람직하게는, 완충충은 p형 GaN(2)로 10-50 ㎚의 두께로 증착하고 장벽층(10)은 p형 GaN으로 0.1-1 ㎛의 두께로 결정성장하고, n형 접촉층(3)은 SiH4 가스와 NH3와 TMGa로 n형 GaN를 1120 ℃로 1-3 ㎛의 두께로 성장하면서 Ga 가스원을 온/오프하면서 델타도핑한다.

n형 클래딩층(4)으로는 A10.1Ga0.9N을 0.15 ㎛두께로 성장하고 활성층(5)은 In0.2Ga0.8N을 300-500 의 ㎛두께로 성장한다.

이때 활성층의 In성분비를 증가시킴에 따라 청색(blue:450㎚)에서 녹색(greenn:525㎚) 및 황색(yellow:590㎚)으로 조절가능하다.

그리고 p형 클래딩층(6)은 Mg 도핑된 A10.1Ga0.9N을 0.15 ㎛두께로 성장하고 p형 접촉층(7)을 Mg도핑된 GaN층으로 도핑하면서 오믹접촉특성을 향상시키기 위해 p형 델타도핑층(73)을 형성하며 TMGa 가스원의 온/오프를 통하여 수행하며 두께는 0.5 ㎛로 한다.

이러한 DH구조에서의 광소자특성은 순방향 전류(If) 20 ㎃에서 순방향 전압(Vf)이 3.2 V이고 발광출력은 2.3 ㎻을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 제 2실시예로서 제 1실시예의 DH구조에서 초기의 전자 장벽층의 형성을 변경한 경우로, 사파이어기판(1)과의 격자부정합으로 인해 박막에 많은 결정결합이 존재하며, 특히 도핑의 영향으로 결정특성이 저하되는 것을 막기 위해 먼저 도핑하지 않은 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 질화물반도체층(30)의 하나인 GaN층을 0.01-2 ㎛두께로 성장한 후 p형 GaN층을 0.01-0.5 ㎛두께로 성장하고, 다시 도핑하지 않은 GaN층을 성장하여 열처리시 Mg의 p형 GaN층으로부터 확산을 방지한다.

이러한 DH구조에서의 광소자 특성은 순방향 전류(If) 20 ㎃에서 순방향 전압(Vf)이 3.3 V이고, 발광출력은 2.5 ㎽로 제 1실시예와 비슷하나 신뢰성이 더욱 양호해져 델타 Vf의 변화량이 7-8 ％ 에서 3-4 ％로 현격한 감소현상을 보인다.

도 8은 본 발명의 제 3실시예로서 InGaN/GaN QW 구조의 광소자 단면도를 나타낸다.

제 2실시예에서와 동일하게 사파이어기판(1)위에 완충층(2), 장벽층(10) 및 델타도핑된 n,p형 오믹접촉층(3,7)을 형성할 수 있으며, n형 접촉층위에 도핑하지 않거나 n형으로 낮은 농도로 도핑된 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 공간층(50)을 0.01-0.2 ㎛의 두께로 성장하면서 양자우물(54) 주위에서 델타도핑을 수행한다.

일단 TMGa 가스를 수 초간(10sec)오프시키고 수소가스, 암모니아가스 및 Si 도핑가스(SiH4)를 수십초간(30-60sec) 온하여 Si 델타도핑하고, 다시 수초간(10sec) Si 도핑가스를 오프하여 배출한 다음 공간층을 2-10 ㎚의 두께로 계속 성장한 후 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) 양자우물 활성층(54)을 2-10 ㎚의 두께로 성장한다.

다시 활성층위에 도핑하지 않은 (A1xIn1-x)yGa1-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1) p면측의 공간층(55)을 0.01-0.2 ㎛의 두께로 성장한다. 그리고 양자우물은 단일 양자우물뿐만 아니라 2개 이상 다중 양자우물도 가능하다.

바람직하게는, n 면측 공간측(50)을 양자우물 활성층(54)의 In성분이 증가함에 따라 A10.1Ga0.9N, GaN, In0.1Ga0.9N층등으로 바꿀수 있으며, 두께는 30 ㎚정도로 델타도핑층(델타도핑된 V형 포텐셜우물형 2차원가스층)(53) 성장은 n면측 공간층(50)이 25 ㎚두께로 성장된 시점에서 수행하여 양자우물 활성층(54)과의 두께를 10 ㎚이하로 한다.

450 ㎚ 파장의 청색의 경우 In0.2Ga0.8N 양자우물 활성층(54)의 두께는 5 ㎚로 하여 터널링에 의한 전자이동이 가능하다. 다시 p면측 공간측(55)으로 도핑하지 않은 GaN층을 10 ㎚ 두께로 형성하였다.

여기서, In 성분비에 따른 양자우물 활성층(54)의 에너지밴드 갭을 나타내는 수학식은 다음과 같다.

[수학식1]

Eg(x)=xEg(InN)+(1-x)Eg(GaN)-bx(1-x)

여기서 InN 반도체의 에너지밴드갭 Eg(InN)은 1.95 eV이고, GaN에너지 밴드갭 Eg(GaN)는 3.40eV이며, 활처럼 곡선을 그리는 에너지변분 bow 계수b는 1eV 이다.

[수학식1]은 QW구조에서 공간층과 InGaN QW층사이의 격자간 부정합에 의한 이종접합면(heterointerface)상에서의 변형응력효과를 고려하지 않은 상태이며, 특히 In 성분비가 증가됨에 따라 변형효과는 커져 발광파장 및 스펙트럼의 반폭치를 증가시키게 된다.

또한 좁은 활성층에 의한 밴드갭의 양자크기효과(quantum size effect)에 의해 좁아지는 현상(band gap narrowing)은 녹색의 경우에 In성분비 0.43에서 490 ㎚파장을 525 ㎚으로 적색천이(red shift)시킨다.

이러한 이종접합면에서의 인장응력에 의한 양자크기효과는 격자간 변형에너지가 엑시톤의 결합에 영향을 주어 발광에너지를 바꾸게 한다.

이러한 QW구조의 광소자특성은 순방향 전류(If) 20 ㎃에서 순방향 전압(Vf)이 3.3V 이고, 발광출력은 8.5 ㎽로 고휘도의 발광효율을 나타낸다.

도 9는 본 발명의 제 4실시예로서, InGaN/A1GaN/GaN QW 구조의 광소자 단면도로서, 제 3실시예에서와 동일하게 사파이어기판(1)위에 질화물 완충층(2), p형 전자 장벽층(10) 및 n,p형 오믹접촉층(3,7) 그리고 클래딩층을 형성할 수 있으며, 클래딩층위에 제 3실시예에서와 동일하게 n면 공간층(50)에 델타도핑층(델타도핑된 V형 포텐셜우물형 2차원가스층)(53) 형성 및 양자우물 활성층(54) 그리고 다시 p면 공간층(55)을 적층하여 제작한다.

이런 경우, n면 공간층을 A1GaN으로 하고, p면측 공간층을 GaN이나 InGaN 또는 p면 공간층을 생략하는 비대칭적으로 설계할 수도 있으며, n면측 공간층에 n형 도핑을 낮게 형성하는 것도 가능하다.

이러한 QW구조의 광소자특성은 순방향 전류(If) 20 ㎃에서 순방향 전압(Vf)이 3.3V 이고, 발광출력은 14 ㎽로 고휘도의 발광효율을 나타낸다.

이와 같이 본 발명은 양자구조의 광소자는 많은 변형이 가능하고 필요에 따라서는 구조상의 층들을 가감할 수 있고 도핑 유무 및 정도를 변경 가능하다. 또한 본 발명의 핵심은 활성층 주위에 고농도 도핑된 전자공급원인 2차원 전자 가스층이 존재하는 구조이다.

이상에서와 같이, 본 실시에에 의하면, 기존의 양자구조나 더블헤테로구조의 발광효율을 현저하게 향상시켰으며, 또한 p,n 오믹접촉면에 전자와 정공의 확산통로를 형성하여 내부저항을 감소시키기 위해서도 기존의 도핑방법에 델타도핑을 도입하여 고농도로 2차원 도핑을 수행할 수 있게 하고 순방향 구동전압을 현격히 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한 사파이어기판위에 완충층을 형성한 다음 p형 전자 장벽층을 도입함으로써 격자결합이 많이 분포한 초기 박막성장층으로 전자유입을 방지할 수 있어 정전기현상 및 신뢰성을 향상시키는 효과를 제공할 뿐 아니라 양자구조의 활성층 주위에 고농도 도핑된 전자공급원인 2차원 전자 가스층을 형성하므로써 발광효율을 향상시키고 고 휘도 발광효율을 확보해 주는 효과를 제공한다.

Claims (10)

1. 사파이어기판위에 질화물 반도체를 다층박막 형태로 성장시킬 때 제 1 n형 오믹접촉층밑에 먼저 p형 전자 장벽층을 형성하고, 상기 n,p형 오믹접촉층을 3차원으로 도핑하면서 Ga 가스원의 공급을 순간적으로 차단하여 매우 높은 운반자농도의 2차원 델타도핑형태의 제 2 n형 오믹접촉층을 교번하여 형성하고, 양자우물 활성층 주위의 공간층에 델타도핑방법으로 V형 포텐셜우물을 형성하고, 상기 양자우물 활성층 주위에 전자를 공급할 수 있도록 전자터널링이 가능한 2차원 전자가스층을 도입한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 n,p형 오믹접촉층면에 3차원 도핑을 실시하다가 델타도핑을할 경우 Ga, A1, In 등의 Ⅲ족 일킬계 금속원가스의 유입을 제외한 수소, 암모니아 및 도핑가스원만으로 질화물반도체 박막성장온도, 압력 및 유량의 동일한 조건에서 순차적인 2차원 성장을 실시함으로써 1012-1013/㎠의 전자운반자 면농도를 갖는 2차원 전자가스층을 교번하여 갖도록 한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 n면측 공간층에 2차원 전자가스의 V형 포텐셜우물을 어느 정도의 반폭치를 갖도록 델타도핑방법으로 형성하고, 상기 V형 포텐셜우물을 양자우물로부터 어느 정도 분리되게 형성하여 상기 V형 포텐셜우물이 양자역학적으로 양자우물과 강한 상호작용이 이루어지게 하고 전자가스층의 전자가 양자우물로 이동 가능하게 한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 V형 포텐셜우물을 2-10 ㎚의 반폭치를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 V형 포텐셜우물을 양자우물로부터 1-10 ㎚로 분리되게 한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 양자우물주위에 공간층을 형성할 경우 InGaN 활성층의 In성분비가 증가됨에 따라 도핑하지 않은 공간층을 A1GaN, GaN, InGaN 등의 반도체박막을 이용할 수 있게 하고, 동일한 질화물 반도체재료를 이용한 좌우대칭형 또는 서로 다른 비대칭형의 조합도 가능하여 p면층 공간층을 생략할 수 있게 하고, 낮은 농도의 n형 도핑을 n면측에 허용할 수 있는 공간층에 2차원 전자가스층을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 완충층위에 전자 장벽층을 형성하는 경우, p형의 도펀트물질 Be, Mg, Zn, Cd 등을 이용하는 단층형 장벽층이나, 또는 초기의 기판표면으로부터의 전파되는 전위밀도를 감소시키기 위해 도핑하지 않은 질화갈륨 박막층을 일정 두께로 형성한 후 p형 도핑을 일정 두께로 형성하고, 다시 도핑하지 않은 질화물 박막을 일정 두께로 적층한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
8. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 질화갈륨 박막층을 0.01-2 ㎛두께로 형성한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
9. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 질화갈륨 박막층을 0.01-2 ㎛두께로 형성한 후 p형 도핑을 0.01-0.5 ㎛두께로 형성한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.
10. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 도핑하지 않은 질화물 박막을 0.01-1 ㎛두께로 적층한 것을 특징으로 하는 2차원 전자가스층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 발광소자의 제작방법.