KR20010019357A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히, 질화물 반도체의 초기 성장시 사용하는 버퍼층의 특성을 개선하므로써 질화물 반도체의 결정성을 높여 저구동전압과 고발광효율 갖도록 한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 기판, 버퍼층, 질화물 반도체층이 순차적으로 적층된 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 버퍼층이 In이 조성경사진 In_xGa_1-xN로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 In의 조성이 경사진 In_xGa_1-xN버퍼층을 사용함으로써, 상기 버퍼층위에 발광소자를 이루는 에피층이 성장될 때 결함의 밀도가 적어지게 되고, 또한 이종기판과의 차이로 나타나는 응력을 효과적으로 완화시켜줄 뿐만 아니라, 이로 인한 부가적인 효과로 운반자가 이동시 저항을 적게 느끼게 되어 이동도가 증가하게 되므로 저구동전압과 고발광효율이 가능한 효과가 있다.

Description

질화물 반도체 발광소자 {III-nitride semiconductor light emitting device}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히, 질화물 반도체의 초기 성장시 사용하는 버퍼층의 특성을 개선하므로써 질화물 반도체의 결정성을 높여 저구동전압과 고발광효율 갖도록 한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 기판, 버퍼층, 질화물 반도체층이 순차적으로 적층된 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 버퍼층이 In이 조성경사진 In_xGa_1-xN로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

III-V족 화합물 반도체중 질화물 반도체인 GaN, AlN, InN는 1.9 - 6.2 eV에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭을 갖기 때문에, 이를 이용한 밴드갭 엔지니어링은 빛의 삼원색을 반도체를 통해 얻을 수 있다는 측면에서 현재까지 매우 많은 연구와 이에 대한 투자가 이루어지고 있다.

실제, 최근 들어 질화물 반도체 계열을 이용한 청색 및 녹색발광소자의 개발은 광디스플레이 시장에 일대 혁명을 몰고 왔으며, 앞으로도 고 부가가치를 창출할 수 있는 매우 유망한 산업의 한 분야로 여겨지고 있다.

하지만 이러한 질화물계 발광소자의 원할한 산업화를 이루기 위해서는 소자의 구동전압을 낮춤은 물론 발광휘도를 증가시키는 것이 필수적으로 선결되어야할 과제이다.

그리고 또한 현재까지 질화물 반도체를 성장하기 위한 동종의 기판이 개발되어 있지 않은 상황이기 때문에 사파이어, Si, GaAs, SiC, ZnO 등과 같은 이종물질을 기판으로 사용하여야 하는 문제가 있다.

특히, 상술한 기판 위에 질화물 반도체를 성장하여 양질의 특성을 갖는 박막을 성장하기 위해서는 400 ℃ - 900 ℃의 온도 영역에 이르는 온도에서 질화물 반도체 계열로 구성된 버퍼층을 성장하는 것이 필요하다.

이러한 버퍼의 성장은 기판과 질화물 반도체층 사이에 커다란 격자상수의 차이와 열팽창계수의 차이에 의해 발생하는 변형력을 완화시켜줄 뿐만 아니라, 질화물 반도체층이 성장되기 위한 핵으로서 역할을 하는 적절한 표면구조를 제공해주는 것으로 알려져 있다.

또한 버퍼층을 사용하지 않고 에피층을 성장한 경우는 에피층 표면이 육각구조를 갖는 패턴으로 성장되는 반면, 버퍼층을 사용한 후 성장된 에피층은 매우 매끄러운 상태의 표면구조를 갖는다.

그러므로 양질의 에피층을 성장하기 위해 최적의 조건을 제공해줄 수 있는 버퍼의 성장은 고효율 질화물 반도체 발광소자개발을 위해 필수적이다.

하지만 지금까지는 구동전압을 낮추기 위한 일환으로 p형 도핑증대, 오믹접촉저항의 감소 등이 이루어져 왔으며, 발광휘도를 증대시키기 위한 방법으로 InGaN 양자우물의 활성층과 AlGaN 클래드층 사용과 같은 구조적인 측면의 연구가 이루어져왔다.

현재까지 상용화되고 있는 질화물 발광소자에 이용되는 버퍼층으로는 낮은온도에서 성장되는 GaN 버퍼층(Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 (1991)), AlN 버퍼층(Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986)), AlGaN 버퍼층(J. Appl. Phys. 82, 2378 (1997)), InGaN 버퍼층(2nd International Symposium Proceeding on "Blue Laser and LED", 433 (1998))등과 같은 것들이 있다.

이 들의 버퍼층은 모두 조성비가 일정한 것이 특징이다.

상술한 버퍼를 사용하는 질화물 반도체 발광소자는 20 mA의 구동전류에서 역동적 저항은 25Ω, 외부양자효율은 5%, 그리고 동작전압은 약 3.5V로 여전히 높은 값을 보이고 있다.

질화물 반도체 발광소자에서는 0.1 V라도 구동전압을 낮추는 일은 매우 어려운 일로 여겨지고 있다.

따라서, 버퍼층의 특성을 개선하므로써 질화물 반도체층의 결정성을 향상시켜 발광소자의 성능을 개선하는 것이 매우 중요하다.

본 발명자들은 질화물 반도체의 에피층을 성장시킬 때 버퍼층으로 In의 조성이 경사진 In_xGa_1-xN을 사용하므로써 질화물 반도체층의 결정성과 전기적인 특성이 크게 향상됨을 알아냈다. 이를 기초로 본 발명자들은 저전압구동, 고효율의 질화물 반도체 발광소자를 발명하였다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 질화물 반도체의 초기 성장시 사용하는 버퍼층의 특성을 향상시켜, 상기 버퍼층 위에 성장하는 질화물 반도체층의 결정성을 향상시켜, 저저압구동, 고효율의 발광소자를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 일 비교 예에 따른 도핑하지 않은 GaN 박막에서 상온 전자이동도를 비교한 그래프;

도 2는 본 발명의 다른 비교 예에 따른 실리콘을 도핑한 GaN 박막에서 상온 전자 이동도를 비교한 그래프;

도 3은 본 발명의 다른 비교 예에 따른 실리콘을 도핑한 GaN 박막에서 (102) x-선 회절곡선의 반폭치를 비교한 그래프;

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 기판 20 : 조성경사진 In_xGa_1-xN 버퍼층

30 : GaN 제2 버퍼층 40 : n형 접촉층

50 : n형 클래드층 60 : 활성층

70 : p형 클래드층 80 : p형 접촉층

90 : n형 전극 100 : p형 전극

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 구조는, 사파이어, Si, SiC, GaAs, ZnO 및 MgO 등의 기판 위에 일반식 In_xGa_1-xN로 표시되고, In의 조성비 x가 0<x≤1의 범위 내에서 선형적으로 또는 비선형적으로 조성이 경사진 버퍼층과 상기 버퍼층 위에 질화물 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 버퍼층은 300℃ - 900℃ 범위의 온도에서 성장된다.

또한, 상기 버퍼층의 두께는 20Å - 1000Å 범위에서 조절된다.

한편, 상기 버퍼층과 상기 질화물 반도체층 사이에 5Å - 100Å 범위 두께의 GaN로 형성된 제2 버퍼층을 추가할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 일 비교 예로서, 사파이어 기판 위에 조성경사진 In_xGa_1-xN 버퍼층을 유기금속화학기상증착 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition : 이하, MOCVD라 칭함) 방법을 이용하여 500℃에서 형성한 후, 도핑하지 않은 GaN 에피층을 1.5㎛의 두께로 1050℃에서 성장하여, 상온에서 에피층의 전자이동도를 측정하였다.

버퍼층의 In 조성비 경사율을 달리하면서 그 위에 GaN 에피층을 성장하였다. 이로써 도 1에서 상온 전자이동도를 버퍼층의 In 조성비 경사율의 함수로 표시하였다.

상기 버퍼층의 성장온도는 300℃ - 900℃ 범위에서 조절 가능하다.

도 1에서 조성경사진 In_xGa_1-xN 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

In 조성비의 경사율은 InN와 GaN의 In 조성비를 각각 100 %와 0 %로 보았을 때 In_xGa_1-xN 버퍼층에서 100Å 두께당 변화하는 In조성비의 변화로 나타냈다.

상기 모든 시료의 버퍼층의 두께는 약 240Å으로 하였으나, 20Å - 1000Å 범위에서 조절이 가능하다.

기판과 버퍼층의 계면에서 높은 In조성을 보이고 버퍼층와 에피층의 경계면으로 갈수록 낮은 In 조성비를 가진경우를 (+)경사율로 정의하였고, 상기와 반대되는 경우를 (-)경사율로 정의하였다.

즉, In 조성비의 경사율이 0인 경우는 GaN 버퍼가 형성됨을 의미하고, 100인경우는 InN버퍼가 형성되었음을 의미한다.

특히, 도 1에서 전자이동도가 제일 높은 (+)13%/100Å의 In 조성비 경사율의 경우는 기판과 버퍼층 계면에서 In의 조성비가 약 32%로부터 시작하여 240Å 두께의 버퍼층이 성장되면서 점점 In의 조성이 감소하여 형성된 버퍼층을 의미한다. 즉 평균 In 조성비는 약 16%이다.

(+)경사율과 (-)경사율을 갖는 In_xGa_1-xN 버퍼층의 형성은 특정량의 트리메틸인듐(이하, TMI라 칭함)의 유량과 트리메틸갈륨(이하, TMG라 칭함)의 유량으로부터 시작하여 시간이 경과되면서 TMI의 유량을 점차 감소시키거나 증가시키고, 동시에 TMG의 유량을 점차 증가시키거나 감소시켜, 항상 TMI의 유량과 TMG의 유량을 더한 총유량이 같도록 조절하여 In 조성이 경사진 In_xGa_1-xN 버퍼층을 형성한다.

상기에서 설명한것과 같이 조성경사진 버퍼층을 형성한 후, 에피층을 성장하기 위해 온도를 올리는 과정에서 In의 탈착(dissociation)을 방지하기 위해 상기 버퍼층과 같은 온도에서 GaN로 형성된 제 2 버퍼층을 10Å 두께를 갖도록 성장하였다.

이어, 1000 ℃ 이상의 높은 온도에서 상기 GaN 에피층을 1.5㎛의 두께를 갖도록 성장한다. 이때 모든 박막의 경우 1×10¹⁷cm^-3정도로 거의 비슷한 전자농도를 가지는 것으로 보아 InGaN 조성경사진 버퍼층이 바탕전자농도를 높이는 데에는 기여하지 않는다.

도 1에서와 같이 In 조성이 경사진 In_xGa_1-xN를 버퍼층으로 형성하는 것이 같은 박막의 두께에서 GaN 버퍼층을 사용하는 경우보다 더 좋은 전자이동도 특성을 보이는 것으로 판명되었다. 특이한 점은 In의 조성비가 기판쪽이 높은 경우이든 버퍼층과 에피층과의 경계부분에서 높은 경우이든 GaN 버퍼와 비교하여 매우 높은 전자이동도를 보이는 점이다. 하지만 상대적으로 기판과의 경계부분에서 높은 In 조성비를 갖고, 에피층과의 경계부분으로 갈수록 낮은 In 조성을 갖는 경우가 더 높은 전자이동도를 가진다.

한편, 도 1에서 전자이동도가 제일 높은 In 조성비 경사율이 13%/100Å인 조성경사진 InGaN 버퍼층의 평균 In 조성비와 같은 약 16%로 In 조성비를 일정하게 갖는 In_0.16Ga_0.84N 버퍼층을 사용하여 그 위에 GaN를 성장한 후 전자이동도를 측정하였다.

In의 조성이 일정한 경우는 전자이동도가 약 600 cm²/Vs로 조성경사진 경우의 약 640 cm²/Vs 보다 낮았다. 또한 In의 조성이 일정한 InGaN 버퍼층을 사용한 GaN 에피층은 표면상태도 불량했다.

같은 두께와 같은 전자농도를 가진 박막에서 더 높은 전자이동도를 보이기 위해서는 그 만큼 전자가 이동하는데 있어서 이동을 방해하는 불순물(defect) 혹은 전위(dislocation)밀도가 적다는 것을 의미한다.

이러한 효과는 다른 비교 예인 도 2에서도 잘 드러난다.

도 2는 광소자구조에서 n형 접촉층으로 사용될 수 있도록 약 3 ×10¹⁸cm^-3의 전자농도로 실리콘을 도핑한 1.5㎛ 두께의 GaN 박막을 GaN로 된 버퍼층과 조성경사진 InGaN로 된 버퍼층 위에 각각 성장하여 전자이동도를 상온에서 측정하여 비교한 그래프이다.

도 2에서 보는바와 같이 GaN 대신 조성이 경사진 InGaN 버퍼층을 사용하게 되면 그 위에 성장되는 박막의 전자이동도는 크게 향상됨을 확인할 수 있다.

도 3은 도 2에서 비교한 두 시료에 대해 x-선 회절측정을 하여 (102) x-선 회절곡선의 반폭치를 비교한 그래프이다.

GaN 박막의 품질을 평가하는 수단으로 흔히 상온에서의 전자이동도와 x-선 회절곡선 반폭치가 쓰여진다.

(102) x-선 회절곡선 반폭치의 경우 박막 내에 존재하는 모든 종류의 전위결함밀도를 나타내기 때문에 직접적인 박막결정성을 나타내는 지표로 쓰여질 수 있다. x-선 회절곡선의 반폭치는 작을수록 결정성이 좋음을 의미한다.

도 3에서 보는바와 같이 조성이 경사진 InGaN 버퍼층을 사용하게 되면 그 위에 성장되는 박막의 결정성이 좋아지고, 따라서 도 2에 나타낸 것처럼 전자이동도가 향상됨을 발견하였다.

이러한 효과는 GaN, InN, 그리고 사파이어의 격자상수가 각각 3.182Å, 3.540Å, 그리고 4.785Å 이기 때문에 이종의 사파이어 기판위에 GaN 에피층 박막이 성장될 때 InGaN 조성경사진 버퍼층이 에피층 박막과 기판사이의 격자상수 부정합 및 열 팽창계수의 차이를 완충해줄 뿐만 아니라 이로인해 발생하는 응력의 생성을 효과적으로 감소시키는 것으로 이해할 수 있다.

이상과 같이 InGaN 조성경사진 버퍼층을 사용하게되면 다음과 같은 이점이 있다.

첫째, 불순물 혹은 전위결함밀도가 현저히 감소하게 되어 이종성장구조임에도 불구하고 우수한 박막의 특성 갖는다.

둘째, n형 접촉층으로 사용되는 박막에서 역시, 의도하지 않은 불순물의 밀도를 감소시키기 때문에 수평 혹은 수직의 전자 이동도를 빠르게하여 질화물 반도체 발광소자에 있어 빠른 전하의 공급과 낮은 구동전압을 갖도록 한다.

셋째, 불순물의 밀도가 감소하고 박막의 결정성과 표면상태가 향상되기 때문에 질화물 반도체 발광소자를 제작하였을 때 비발광센터(non-radiative recombination center)로 작용을 억제하고 발광효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 실시 예에 따른 단면도로서, 기본적으로 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자와 유사한 구조를 갖으나, 본 발명에서는 버퍼층 성장시 In의 조성이 경사진 InGaN 버퍼층이 형성되는 차이를 보인다. 상기의 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자의 구조를 자세히 설명하면 다음과 같다.

기판(10)과, 상기 기판(10)상에 In의 조성이 경사진 InGaN 버퍼층(20)을 도 1에서 상술한 바와 같이 형성한 후, 상기 버퍼층(20)위에 GaN로 형성된 제 2 버퍼층(30)과, 상기 제 2 버퍼층(30) 위에 순차적으로 형성된 n형 접촉층(40), n형 클래드층(50), 활성층(60), p형 클래드층(70) 및 p형 접촉층(80)과, 상기 n형 접촉층(40)의 소정부분에 형성된 n형 전극(90) 및 상기 p형 접촉층(80)상의 소정부분에 형성된 p형 전극(100)을 포함하여 이루어진다. 상기에서 제 2 버퍼층(30), n형 클래드층(50) 및 p형 클래드층(70)은 생략될 수 있다.

상기에서 기판(10)으로는 사파이어, SiC, Si, GaAs, ZnO, MgO등과 같은 물질이 이용될 수 있다. 그리고 In 조성이 경사진 InGaN 버퍼층은 300 ℃ - 900 ℃의 온도범위에서 성장하는 것이 바람직하며, 두께는 50Å - 1000Å 이내로 성장하는 것이 바람직하다. 또한 n형 접촉층(40), n형 클래드층(50), p형 클래드층(70), 및 p형 접촉층(80)은 Al_xGa_1-xN (x는 0≤x≤1의 범위)로, 활성층(60)은 In_xGa_1-xN(x는 0≤x≤1의 범위)으로 형성하며 In의 성분비를 조절하여 방출되는 빛의 파장을 자외선에서 적외선까지 조절할 수 있다. 상기에서 n형 클래드층(50) 및 p형 클래드층(70) 과 n형 접촉층(40) 및 p형 접촉층(80)은 In을 포함하는 InAlGaN로 형성할 수도 있다.

p형 클래드층(70)과 p형 접촉층(80)은 Mg을 도펀트로 하여 성장시킨 후 급속 열처리 방법을 이용하여 활성화시킨다.

상기와 같이 형성된 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 20 mA의 구동전류에서 역동적 저항은 22Ω, 동작전압은 3.2V, 외부양자효율은 8%를 갖는다.

따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 In의 조성이 경사진 In_xGa_1-xN 버퍼층을 사용함으로써, 상기 버퍼층위에 발광소자를 이루는 에피층이 성장될 때 결함의 밀도가 적어지게 되고, 또한 이종기판과의 차이로 나타나는 응력을 효과적으로 완화시켜줄 뿐만 아니라 이로 인한 부가적인 효과로 운반자가 이동시 저항을 적게 느끼게 되어 이동도가 증가하게 되므로 저구동전압 및 고발광효율을 얻는데 효과가 있다.

Claims (6)

1. 기판위에 일반식 In_xGa_1-xN로 표시되고, In의 조성비 x가 0<x≤1의 범위 내에서 선형적으로 또는 비선형적으로 조성이 경사진 버퍼층과 상기 버퍼층 위에 질화물 반도체층으로 이루어진 질화물 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, Si, SiC, GaAs, ZnO 및 MgO로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층이 300℃ - 900℃ 범위의 온도에서 성장된 질화물 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층의 두께가 20Å - 1000Å 이내에서 성장된 질화물 반도체 발광소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층과 상기 질화물 반도체층 사이에 5Å - 100Å 범위 두께의 GaN로 형성된 제2 버퍼층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제5항에 있어서, 상기 제2 버퍼층이 300℃ - 900℃ 범위의 온도에서 성장된 질화물 반도체 발광소자.