KR20020037111A

KR20020037111A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20020037111A
Application number: KR1020000067100A
Authority: KR
Inventors: 윤두협
Original assignee: 송재인; 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2002-05-18

Abstract

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼에 있어서, InGaN 활성층과 p-AlGaN clad 층 사이에 AlN buffer 층이 결정 성장되어 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼를 제조함에 있어, 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층 및 InGaN 활성층이 적층 결정 성장되는 단계와; InGaN 활성층 위에 AlN buffer 층이 결정 성장되는 단계와; AlN buffer 층 위에 p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장되는 단계; 및 n-GaN contact 층 위에 n-type 전극을 형성시키고, p-GaN contact 층 위에 p-type 전극을 형성시키는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, InGaN 활성층과 p-GaN clad 층 사이에 buffer 층을 저온에서 결정 성장시킴으로써, 상부에 순차적으로 결정 성장되는 p-AlGaN clad 층 또는 p-GaN contact 층의 격자 부정합을 최소화하고, InGaN 활성층을 구성하는 저 융점의 In 성분이 증발되는 것을 방지하여 발광 파장의 변화 및 발광 효율의 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride semiconductor LED chip and manufacturing method thereof}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 InGaN 활성층과 p-GaN clad 층 사이에 buffer 층을 저온에서 결정 성장시킴으로써, 상부에 순차적으로 결정 성장되는 p-AlGaN clad 층 또는 p-GaN contact 층의 격자 부정합 (lattice mismatch)을 최소화하고, InGaN 활성층을 구성하는 저 융점의 In 성분이 증발되는 것을 방지하여 발광 파장의 변화 및 발광 효율의 저하를 방지할 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

오늘날, 질화물 반도체(GaN) 발광소자는 청색 발광 다이오드(LED), 청색 레이저 다이오드(LD) 또는 태양 전지 등의 재료로서 최근 크게 주목받고 있다. 그 중 기존의 800~830nm 파장 영역의 AlGaAs LED 및 LD에 대해 400nm 파장 대의 단파장 청색 발광 다이오드는 정보 기록밀도를 4배 이상 증가시키는 것이 가능해 짐으로써, CD 1장에 영화 1편을 기록할 수 있는 DVD(Digital Video Disc) 시대의 도래를 예고하고 있다. 특히, 빨강, 녹색 및 청색 LED에 의한 천연색(full-color) 디스플레이 영역의 시장은 실로 방대하다고 하겠다.

한편, 도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(110) 위에 MOCVD(유기 액상 결정 성장법)를 사용하여 GaN-buffer 층(120)과, n-GaNcontact 층(130)과, n-AlGaN clad 층(140)과, InGaN 활성층(150)과, p-AlGaN clad 층(160) 및 p-GaN contact 층(170) 등이 순차적으로 결정 성장된 이중 접합 구조( Double-Hetero)를 가지고 있다.

여기서, 상기 n-GaN contact 층(130) 위에는 Ti/Al을 사용하여 n-type 전극( 180)이 형성되어 있으며, 상기 p-GaN contact 층(170) 위에는 Ni/Au를 이용하여 p-type 전극(190)이 형성되어 있다.

그리고, 최종적으로는 각각의 전극을 wire bonding하여 열 방출용 스템( stem)을 접촉시켜 질화물 반도체 발광소자를 제작하여, 전극 부분의 전류 유입에 의하여 소자를 구동시키게 된다.

그런데, 도 1과 같은 질화물 반도체 발광소자는 격자 구조가 전혀 다른 절연성의 사파이어 기판 위에 p-n 접합 반도체 박막을 결정 성장시키는 관계로, 사파이어 기판과 상층부 결정성장 층 사이에 격자 부정합(lattice-mismatch)이 존재하여, 결정 성장된 막질 속에 다량의 결정 결함(dislocation)을 발생됨으로써, 양질의 결정 성장 층을 얻는 것이 어려운 한계가 있다.

또한, n-type 및 p-type GaN 제작을 위한 불순물 도핑(doping)을 전혀 하지 않은 상태에서도 고온 결정성장 과정에 의하여 형성된 표면질소 공핍(vacancy)에 의하여 n-type 전도성을 보이는 관계로 고농도의 캐리어 농도를 가지는 p-type GaN 층을 제작하기 어려운 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, InGaN 활성층과p-GaN clad 층 사이에 buffer 층을 저온에서 결정 성장시킴으로써, 상부에 순차적으로 결정 성장되는 p-AlGaN clad 층 또는 p-GaN contact 층의 격자 부정합을 최소화하고, InGaN 활성층을 구성하는 저 융점의 In 성분이 증발되는 것을 방지하여 발광 파장의 변화 및 발광 효율의 저하를 방지할 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조과정을 나타낸 순서도.

도 4는 종래의 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 전류-전압 특성을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자와, 종래의 질화물 반도체 발광소자의 전류-전압 특성을 비교한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110, 210... 기판120, 220... GaN buffer 층

130, 230... n-GaN contact 층140, 240... n-AlGaN clad 층

150, 250... InGaN 활성층160, 270... p-AlGaN clad 층

170, 280... p-GaN contact 층180, 290... n-type 전극

190, 295... p-type 전극260... AlN buffer 층

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는

사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼에 있어서,

상기 InGaN 활성층과 상기 p-AlGaN clad 층 사이에 AlN buffer 층이 결정 성장되어 형성된 점에 그 특징이 있다.

여기서 바람직하게는, 상기 AlN buffer 층을 결정 성장시킴에 있어, 상기 InGaN 활성층의 결정 성장 온도보다 낮은 온도에서 결정 성장되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼를 제조함에 있어,

(a) 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층 및 InGaN 활성층이 적층 결정 성장되는 단계와;

(b) 상기 InGaN 활성층 위에 AlN buffer 층이 결정 성장되는 단계와;

(c) 상기 AlN buffer 층 위에 p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장되는 단계; 및

(d) 상기 n-GaN contact 층 위에 n-type 전극을 형성시키고, 상기 p-GaN contact 층 위에 p-type 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 단계 (b)에서 결정 성장되는 AlN buffer 층은 상기 InGaN 활성층의 결정 성장 온도보다 낮은 온도에서 결정 성장되는 점에 그 특징이 있으며, 바람직하게는 400℃ ~ 800℃의 온도에서 결정 성장되는 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조과정을 나타낸 순서도이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 먼저 사파이어 기판(210) 표면에 MOCVD(유기 액상 결정 성장법)를 사용하여 GaN buffer 층(220)과, n-GaN contact 층(230)과, n-AlGaN clad 층(240) 및 InGaN 활성층(250)을 성장시킨다.

그리고, 상기 InGaN 활성층(250) 위에 AlN buffer 층(260)이 결정 성장된다(단계 302). 이때, 상기 단계 302에서 결정 성장되는 AlN buffer 층(260)은 상기 InGaN 활성층(250)의 결정 성장 온도보다 낮은 온도에서 결정 성장되며 예컨대, 400℃ ~ 800℃의 온도에서 결정 성장된다.

또한, 상기 AlN buffer 층(260) 위에 p-AlGaN clad 층(280) 및 p-GaN contact 층(290)이 적층 결정 성장되어 이중접합 구조(Double Hetero)를 형성시킨다(단계 303).

그리고, 상기 n-GaN contact 층(230) 위에 Ti/Al을 사용하여 n-type 전극 (290)을 형성시키고, 상기 p-GaN contact 층(280) 위에는 Ni/Au를 이용하여 p-type 전극(295)을 형성시킨다(단계 304).

한편, 각각의 전극(290)(295)을 wire-bonding하여 열 방출용 stem을 접촉시켜 최종적으로 질화물 반도체 발광소자를 제작하고, 전극 부분에 전류를 흘려 줌으로써 소자를 구동시키게 된다.

이와 같이, 저온에서 결정 성장된 AlN buffer 층(260)을 상기 InGaN 활성 층(250)과 상기 p-AlGaN clad 층(270) 사이에 도입함으로써, 전체적으로 다른 결정구조를 가지는 결정성장 층간의 격자 부정합을 완화시키고, 상기 InGaN 활성층 (250)의 정확한 In 성분 조절을 가능하게 하여 발광소자의 발광 특성을 개선하고, 발광효율을 증대시킬 수 있다.

한편, 도 4는 종래의 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 전류-전압 특성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자와, 종래의 질화물 반도체 발광소자의 전류-전압 특성을 비교한 도면이다.

도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 저온에서 결정 성장된 AlN buffer 층 (260)이 있는 반도체 발광소자의 경우에는, AlN buffer 층(260)이 형성되지 않은 반도체 발광소자의 경우와 비교하여 볼 때, 구동 전압을 4~4.2 volt에서 3.6~3.7 volt 값으로 낮출 수 있음을 알 수 있다.

여기서, 도 5의 특성도 A는 저온에서 결정 성장된 AlN buffer 층(260)이 있는 반도체 발광소자의 전류-전압 특성도이며, 특성도 B는 AlN buffer 층이 형성되지 않은 반도체 발광소자의 전류-전압 특성도를 나타낸다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, InGaN 활성층과 p-GaN clad 층 사이에 buffer 층을 저온에서 결정 성장시킴으로써, 상부에 순차적으로 결정 성장되는 p-AlGaN clad 층 또는 p-GaN contact 층의 격자 부정합을 최소화하고, InGaN 활성층을 구성하는 저 융점의 In 성분이 증발되는 것을 방지하여 발광 파장의 변화 및 발광 효율의 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims

사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼에 있어서,

상기 InGaN 활성층과 상기 p-AlGaN clad 층 사이에 AlN buffer 층이 결정 성장되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서,

상기 AlN buffer 층을 결정 성장시킴에 있어, 상기 InGaN 활성층의 결정 성장 온도보다 낮은 온도에서 결정 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼를 제조함에 있어,

(a) 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층 및 InGaN 활성층이 적층 결정 성장되는 단계와;

(b) 상기 InGaN 활성층 위에 AlN buffer 층이 결정 성장되는 단계와;

(c) 상기 AlN buffer 층 위에 p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장되는 단계; 및

(d) 상기 n-GaN contact 층 위에 n-type 전극을 형성시키고, 상기 p-GaNcontact 층 위에 p-type 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제 3항에 있어서,

상기 단계 (b)에서 결정 성장되는 AlN buffer 층은 상기 InGaN 활성층의 결정 성장 온도보다 낮은 온도에서 결정 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제 3항 또는 제 4항에 있어서,

결정 성장되는 AlN buffer 층은 400℃ ~ 800℃의 온도에서 결정 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.