KR20030079056A - 질화물 반도체의 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체를 이용한 다중 양자우물구조를 갖는 청색 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 사파이어(Al₂O₃) 기판 상에 SiN를 증착시키는 단계와, 상기 SiN 상에 GaN층을 저온 성장시킨 다음 고온에서 램핑시킨 후, n형 In_xGa_1-xN:Si 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 제 1 공정과; 상기 n형 반도체층 상에 주기적으로 적층된 In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN의 다중 양자우물구조로 이루어진 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 제 2 공정과; 상기 발광층 상에 Mg이 도핑된 p형 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 p형 반도체층 활성화시키기 위하여 열처리하는 단계를 포함하는 제 3공정으로 이루어진다.

Description

질화물 반도체의 발광소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE OF NITRIDE SEMICONDUTOR AND FABRICATION METHODE THEREOF}

본 발명은 질화물 반도체의 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 GaN 완충층을 성장시켜 고온에서 램핑시킨 후, n-형 InGaN 박막층을 형성한 다음, In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN 다중양자우물구조를 성장시킴으로써 발광효율 및 소자의 수명이 향상된 청색 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

근래, 단파장 영역의 빛(자외선∼가시광), 특히 청색광을 낼 수 있는 소자가 각광을 받고 있으며, 최근 질화갈륨 화합물 반도체가 청색 발광 다이오드(Light Emitting Diode ; LED), 청색 레이저 다이오드(Laser Diode ; LD) 등의 광소자 재료로서 크게 주목받고 있다. 더욱이, 질화갈륨계 화합물 반도체는 도 1에 도시한 바와 같이 고용체의 조성에 따라 1.9 eV(InN)에서 3.4 eV(GaN), 6.2 eV(AlN)까지 직접 에너지 띠 간격을 가지고 있어서 가시광에서부터 자외선 영역까지 넓은 파장영역 때문에 광소자의 응용가능성이 매우 큰 물질로써, 적색, 녹색 및 청색 발광소자에 의한 총천연색 전광판영역 및 백색 발광소자에 의한 조명기구의 대체시장이 매우 방대하기 때문에 이에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 이러한 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자는 격자정합이 되는 기판이 부재하고, 격자 부정합 및 열팽창계수의 차이가 커서 양질의 질화물 반도체 박막성장이 매우 어려운 실정이다. 이러한 난점에도 불구하고 최근의 연구성과로 사파이어 및 SiC 기판 상에 완충층(buffer layer)을 이용하여 청색 계열의 발광소자가 개발되고 상용화 되었다. 그러나, 질화갈륨계 화합물 반도체는 양질의 박막 성장의 어려움과 소자구조의 단순성으로 인하여 고휘도의 발광소자를 개발하는 것은 많은 숙제로 남아있다.

일반적으로 질화갈륨계 반도체 발광소자는 사파이어(Al₂O₃)또는 SiC와 같은 기판 상에 실제로 빛을 발생시키는 InGaN등으로 이루어진 발광층과, 상기 발광층의 상부 및 하부에 각각 형성되어 발광층에 전류를 공급할 수 있도록 다이오드 구조를 만드는 GaN등의 p형 및 n형 도핑층으로 구성되어 있으며, 광효율을 증가시키기 위해 보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 AlGaN 등의 p형 클래딩층(cladding layer)을 발광층과 p형 도핑층 사이에 추가적으로 구비하기도 한다.

이하, 첨부한 도면을 통하여 상기와 같이 구성된 종래 발광소자 및 그 동작에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 종래 발광소자로써, 특히 청색 발광다이오드를 도시한 것이다.

도면에 도시한 바와 같이, 종래 청색 발광다이오드는 사파이어 또는 SiC와 같은 기판(11) 상에 GaN 또는 AlN와 같은 완충층(13)과, n-형 GaN 박막층(15)과, GaN을 장벽층(17)으로하고 InGaN를 우물층(19)으로하는 다중 양자우물구조를 가지는 발광층(21)과, 상기 발광층(21) 상부에 형성된 p형 GaN(20)으로 이루어져 있다.

또한, 상기 발광층(21) 및 p형 GaN층(20)의 일부가 제거되고 n형 GaN(15)층의 일부분에 노출되어 있으며, 노출된 n형 GaN층(15) 상에는 n측 전극(22)이 형성되고, p형 GaN층(20) 상에는 p측 투명전극(23) 및 전류 저지용의 절연막(25)이 형성되어 있으며, 상기 절연막(25) 상에 p측 투명전극(23)과 접속되는 p측 본딩 전극(27)이 형성되어 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 발광다이오드에서 p측 본딩 전극을 매개로 공급된 전류는 도전성이 양호한 투명전극의 면내 방향으로 퍼지고, p형 GaN층으로부터 InGaN 발광층으로 전류가 주입되어 발광하고, 그 광은 투명전극을 통하여 소자의 외부로 취출된다.

그러나, 이론적으로 사파이어의 a축 격자상수는 4.758 Å이고 GaN는 3.186 Å으로 약 30% 이상의 격자불일치를 가지고 있기 때문에 사파이어 기판 위에 GaN가 성장하게 되면 장력 변형(tensile strain)이 야기되나, 실제 (0001) 사파이어 위에 GaN 성장이 이루어질 때는 사파이어의 유효격자상수가 GaN의 격자상수보다 약 14% 정도 작아 압축변형(compressive strain)을 야기시킨다. 또한, 열팽창계수도 약 35% 차이가 나기 때문에 각 층의 계면에서 변형이 일어남은 물론 이로 파생되는 여러 가지 결함 등을 발생시켜 고품질의 GaN 박막층 성장이 어려울 뿐만 아니라, 이를 사용하여 제작한 소자의 특성 효율 및 수명을 단축시킨다. 따라서, 이러한 문제점을 보완하는 방법으로 도 2에 도시한 바와 같이 사파이어 기판 위에 저온에서 약 25 nm 정도의 아주 얇은 GaN 또는 AlN 완충층을 성장하고 GaN 박막을 성장하게 되는데, 이러한 방법으로 성장된 GaN층 조차도 전위 밀도(dislocation density)가 ∼10⁹/cm²정도로 매우 높다.

도 3은 도 2의 발광소자 구조에서 사파이어 기판 상에 GaN를 완충층으로 성장 하였을때, 상기 GaN 버퍼층을 TEM으로 본 단면도를 도시한 것이다.

도면에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(11) 상에 저온에서 성장된 GaN 완충층(13)과 사파이어(11)와의 격자 부정합에 의해 발생된 전위(12)가 높은 밀도로형성되어 있으며, 상기 전위는 소자에 있어서, 누설전류를 발생시키고 비발광 센터나 전극 재료의 확산의 원인이 되어 발광소자의 신뢰성, 즉 수명이나 각 특성의 장기적인 안정도를 저하시키는 요인이 된다.

따라서, 고품질의 소자에 응용되기 위해서는 전위 밀도가 아주 낮은 양질의 결정을 얻을 수 있는 성장방법이 요구된다.

계속해서 도 2의 종래 반도체 발광소자의 참조하여 종래 발광소자의 문제점을 설명하면 다음과 같다.

GaN(17)을 장벽층으로하고 In_xGa_1-xN을 우물층(19)으로하여 다중 양자우물구조를 가지는 발광층(21)에 있어서, InN(3.55Å)와 GaN는 도 1에 도시한 바와 같이 a축의 격자 상수에 대하여 약 11%의 격자 불일치를 가지고 있기 때문에 GaN와 InGaN의 이종 접합을 실현하는데 어려움이 있다. 뿐만 아니라, 장파장대의 발광을 얻기 위해서는 발광층을 구성하는 InGaN의 In 조성을 올려야 하는데 상술한 바와 같이 InGaN층의 In 조성을 올리게 되면 GaN와의 격자 불일치의 차이가 더욱 커져 발광층의 결정성이 극도로 악화된다.

또한, In의 평형증기압이 높기 때문에 발광층의 In 조성을 높이게 되면 결정성장의 경우에, 한번 성장된 InGaN층이 분리되거나 재증발하여 상분리 현상(phase separation)을 발생시키게 된다.

또한, 장벽층으로 성장되는 GaN층과 실제로 원하는 파장대를 발광시키기 위해 우물층으로 성장되는 InGaN층을 연속하여 성장할 경우, GaN층이 성장되는 시간동안의 In 차단 시간(interruption time)이 성장 매개변수로 작용하여 최적의 성장조건을 결정하는데 어려움을 준다.

또한, n형 GaN층(15)에 n측 전극을 형성하기 위하여 상기 발광층(21)을 식각해 내는데 있어서, GaN으로 형성된 장벽층과 InGaN으로 형성된 우물층의 식각율이 서로 다른 문제점이 있다.

또한, 통상적인 방법으로 발광층상에 p형 GaN을 성장하기 위하여 GaN에 Mg 불순물을 첨가하게 되는데, 이때의 성장온도는 1000℃ 이상이다. 그러나, 발광층의 성장온도는 750℃ 정도의 낮은 온도에서 성장되기 때문에 p형 GaN 성장시 1000℃ 이상 온도를 올리게 되면 발광층의 결정성이 떨어져 발광효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 사파이어 기판 상에 SiN층과 GaN층을 얇게 성장시킨 후, 램핑시켜 In_xGa_1-xN 박막층을 성장함으로써 발광효율을 저하시키는 전위 밀도를 감소시키는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전위밀도가 낮은 InGaN층 만을 이용하여 장벽층과 우물층을 모두 In 성분만을 조절하여 In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN 다중양자우물구조를 가지는 발광층을 성장함으로써, 발광효율을 향상시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 발광층 상에 형성되는 p형 반도체층을 발광층과 동일한 온도로 p형 InGaN층을 성장함으로써, epi-wafer제조의 단순성과 제조과정에서 필연적으로 거치게 되는 온도변화에 따른 제반 문제들을 감소시켜 발광 효율을 향상시키는데 있다.

기타 본 발명의 목적 및 특징은 이하의 발명의 구성 및 특허청구범위에서 상세히 기술될 것이다.

도 1은 질화물 반도체에 있어서 고용체의 조성에 따른 직접에너지 간격을 도시한 그래프.

도 2는 종래 청색 발광소자를 도시한 도면.

도 3은 도 2에 있어서, GaN 버퍼층의 TEM 사진.

도 4는 본 발명에 따른 청색 발광소자를 도시한 도면.

도 5a 내지 도 5b는 SiN층을 형성하지 않았을 때와 SiN을 형성하고 GaN 완충층 및 n형 InGaN층 형성 후, 이들의 단면을 찍은 TEM 사진.

도 6a내지 도 6e는 본 발명에 따른 청색 발광소자의 공정 순서도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

100: 사파이어 기판101: SiN층

103: GaN 완충층105: n형 InGaN 박막층

107: In_xGa_1-xN 장벽층109: In_yGa_1-yN 우물층

110: 발광층111: p형 InGaN층

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 InGaN 또는 GaN층과, 상기 n형 InGaN 또는 GaN층 상에 형성되며 주기적으로 적층된 In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN 또는 GaN/InGaN의 양자우물구조를 가지는 발광층과, 상기 발광층 상에 형성된 p형 InGaN 박막층으로 구성되며, n형 InGaN 박막층 상에 n측 전극과, p형 InGaN 박막층 상의 p측 전극 및 상기 n형 InGaN 박막층 하부에는 저온에서 성장된 SiN층이 형성되어 있으며, 상기 발광층은 서로 다른 In의 함량(x,y)에 의해서 장벽층과 우물층이 형성되어 있다. 또한 상기 발광층에 상에 형성되는 p형 InGaN층은 발광층과 같은 온도에서 성장된 것이며, Mg 도핑을 통하여 얻어진 것이다. 상기 InGaN 박막층은 SiN층이 형성된 기판 상에 GaN층을 얇게 성장시킨 후, 1000℃ 이상의 고온에서 램핑시킨 다음 성장된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 반도체 발광소자의 제조 방법은 사파이어 기판 상에 저온에서 SiN층을 증착 하는 단계와, 상기 SiN층 상에 GaN층을 성장시킨 다음 1000℃ 이상의 고온에서 램핑시키는 단계와, 램핑된 GaN층 상에 n형 InGaN 또는 GaN층을 성장하는 단계를 포함하는 제 1 공정과; 상기 n형 InGaN 또는 GaN층 상에 주기적으로적층된 In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN 또는 GaN/InGaN의 다중 양자우물구조로 이루어진 발광층을 성장하는 단계를 포함하는 제 2 공정과; 상기 다중 양자우물구조를 가지는 발광층 상에 발광층의 성장온도와 동일한 온도로 p형 InGaN층을 성장하는 단계와, 상기 p형 InGaN층을 활성화시키는 단계를 포함하는 제 3공정으로 이루어진다.

또한, 본 발명의 반도체 소자의 제조 방법은 700℃∼1100℃ 온도의 반응용기(reacter) 내에 유기 화합물 반응가스를 공급하여 기판 위에 결정의 박막층을 성장시키는 금속 유기화학 기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; 이하 MOCVD라 한다.)에 의해서 성장된다.

이하, 첨부한 도면을 통하여 상기와 같은 특징을 가지는 본 발명의 질화갈륨계 반도체 소자 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자를 도시한 것이다.

도면에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(100) 상에 1∼25 nm 두께로 형성된 SiN층(101)과, 상기 SiN층(101) 상에 10∼30 nm 두께로 형성된 GaN 완충층(103)과, 상기 SiN층(101) 및 GaN 완충층(103)이 형성된 기판을 1000℃ 이상의 고온에서 램핑시킨 후, 상기 GaN 완충층(103) 상에 형성된 n형 InGaN층(105)과, 상기 n형 InGaN층(105) 상에 양자우물구조로 형성된 발광층(110)과, 상기 발광층(110) 상에 형성된 p형 InGaN층(111)으로 이루어져 있으며, 도면에 도시하지는 않았지만, p형 InGaN층(111) 및 발광층(110)이 일부 식각되어 노출된 n형 InGaN층(105)상에 형성된 n측 전극과, 상기 p형 InGaN층 상에 전류 저지용 절연막 및 p형 InGaN층(111)과 접속되는 p측 전극이 형성되어 있다.

상기 SiN층(101)과 GaN 완충층(103)은 동일한 온도에서 성장된 것이며, GaN 완충층(103) 성장 후, 1000℃ 이상의 고온에서 약 30∼60분 정도 램핑이 이루어진다. 이때, SiN층(101)은 GaN로 형성된 완충층(103)에 전위 밀도를 감소시키기 위해서 형성된 것으로, 실제로 SiN층을 형성했을 때와 SiN층을 형성하지 않았을 때 보다 GaN 완충층에 발생하는 전위밀도가 감소된 것을 확인하였다.

도 5a 내지 도 5b는 SiN층을 형성하지 않았을 때와 SiN을 형성하고 GaN 완충층 및 n형 InGaN층 형성 후, 이들의 단면을 TEM으로 찍은 단면 사진을 도시한 것이다.

도 5a는 SiN층을 형성하지 않고 사파이어 기판(200) 상에 바로 GaN 완충층(203) 및 n형 InGaN 박막층(204)을 성장한 것으로, GaN 완층층(203) 내부에 사파이어(200)와 GaN층(203a)과 격자 부정합으로 인하여 많은 전위(120)들이 발생되어 있다. 이 전위(120)들은 이전에 상술한 바와 같이 발광소자로 적용되었을 때 비광발 센터로 작용하여 발광효율을 저하시키게 된다.

도 5b는 사파이어 기판(200) 상에 SiN층(미도시) 형성 후, 상기 SiN층 상부에 GaN 완충층(203) 및 n형 InGaN 박막층(204)을 성장한 것으로, SiN층이 매우 얇게 형성되어 있기 때문에 TEM 사진 상에 나타나지 않았지만, 도 5a와 비교해 볼 때 GaN 완충층(203) 내부에 발생된 전위(120)가 현저히 줄어든 것을 확인 할 수가 있다.

또한, 도 4에 있어서, 상기 발광층(110)은 n형 InGaN 박막층(105)상에 형성되며, In 조성이 서로 다른 In_xGa_1-xN 장벽층(107)과 In_yGa_1-yN 우물층(109)으로 이루어진 양자우물구조로 구성되어 있다. 여기서, x, y는 In 조성을 나타내며 x>y, 0.005≤x≤0.1, 0.1≤y≤0.4 의 조건을 만족해야 한다.

도 4에 있어서, 상기 발광층(110)은 하나 이상의 양자우물구조로 구성될 수 있으나, 3층 이상의 다중양자우물구조도 가능하며, 더욱 바람직하게는 5층 다중양자우물구조로 구성함으로써, 발광의 세기를 향상시킬 수 있다.

또한, 발광층(110)을 구성하고 있는 In_xGa_1-xN 장벽층(107)과 In_yGa_1-yN 우물층(109)의 두께는 발광층으로부터 나오는 빛의 파장에 따라서 변화 될 수 있기 때문에 그 두께가 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 In_xGa_1-xN 장벽층(107)과 In_yGa_1-yN 우물층(109) 두께의 합이 10 nm 이하, 더욱 바람직하게는 15 nm 이하이다.

또한, 상기와 같은 두께를 만족하면서 우물층(109)과 장벽층(107)의 두께의 비는 4 : 9 또는 5 : 10 으로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, In_xGa_1-xN 장벽층(107)과 In_yGa_1-yN 우물층(109)을 형성하는 In의 조성은 발광층으로부터 나오는 빛의 파장에 따라서 결정되며, 예를들어 450 nm 근처의 파장에 해당하는 청색 발광소자를 제작할 경우 장벽층의 In 조성 x는 0.01∼0.1 이며, 더욱 바람직하게는 0.015∼0.005 이다. 또한, 우물층의 In 조성 y는 바람직하게는 0.1∼ 0.4 이며, 더욱 바람직하게는 0.15∼0.30 이다.

상기 발광층(110) 상에 형성된 p형 In_zGa_1-zN 박막층(111)은 Mg 도핑을 통하여 얻어진 것이며, 이때, In 조성 z는 0.3 이내로 하는 것이 바람직하다.

이하, 상술한 바와 같은 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6a내지 도 6e는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 공정 순서도를 도시한 것이다.

먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이 화학적, 열적 세정과정을 거친 사파이어 기판(100)을 준비한다. 이때, 사파이어 기판의 세정 과정은 트리콜로 에칠렌(Trichroethylene: TCE), 아세톤(aceton: ACT), 메탄올(Methanol: MET), 이소프로필 알콜(Iso-propyl alcohol: IPA), 증류수, 황산 및 인산 처리를 통해 이루어지는 화학적 세정 과정 후, MOCVD 장비의 반응용기 내에서 이루어지는 열적 세정과정을 거치게 된다. 상기 열정 세정과정은 수소(H₂) 분위기의 반응용기 내에서 1000℃ 이상의 온도에서 약 10분 정도 진행된다.

그리고, 도 6b에 도시한 바와 같이 화학적, 열적 세정과정을 마친 사파이어 기판(100) 상에 Si 원료로서 사일렌(SiH4), N의 원료로서 암모니아(NH3) 가스를 공급하여 SiN층(101)을 성장하고, 상기 SiN층(101) 상에 Ga의 원료로서 트리메틸 갈륨(TMGa), N의 원료로서 암모니아(NH3) 가스를 공급하여 GaN 완충층(103)을 성장한다.

이때, SiN층(101)와 GaN 완충층(103)의 성장온도는 450∼650℃ 사이에서 이루어지며, 더욱 바람직하게는 500∼600℃ 사이이다.

한편, SiN층(101)의 두께는 25 nm 이하로 성장하는 것이 바람직하며, GaN층(103)의 두께는 10∼30 nm 영역에서 성장하는 것이 바람직하다. 이때, SiN층(101)은 이후에 성장되는 GaN의 결정 특성을 향상시키는 역할을 한다.

이후에, SiN층(101) 및 GaN 완충층(103)이 성장된 사파이어 기판을 1000℃ 이상의 온도에서 약 30∼60분 정도 램핑시킨다.

다음은, 도 6c에 도시한 바와 같이 램핑된 GaN층(103) 상에 n형 InGaN 박막층(105)을 성장한다. 1000℃ 이상에서 램핑이 진행되는 동안 저온(450∼650℃)에서 성장된 GaN층(103)의 재결정화가 이루어져 GaN층의 결정특성이 향상되는 것으로 예측된다. 즉, GaN층(103)을 성장하기 전에 SiN층(101)을 성장하고 GaN층(103) 성장 후, 고온에서 램핑처리를 함으로써, GaN층(103)의 결정특성을 향상시켜 도 5a에 설명한 바와 같이 비발광 센터로 작용하는 전위를 줄일 수가 있다.

상기 GaN층(103) 상부에 성장되는 InGaN 박막층(105)은 In의 원료로서 트리메틸인듐(TMIn), Ga의 원료로서 트리메틸 갈륨(TMGa), N의 원료로서 암모니아(NH3) 가스의 공급에 의하여 성장된다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 사일렌(SiH4) 가스를 사용하여 Si 도핑된 n형 InGaN 박막층(105)을 성장한다.

이후에, 도 6d에 도시한 바와 같이, 상기 n형 InGaN 박막층(105)상에 In의 원료로서 트리메틸인듐(TMIn), Ga의 원료로서 트리메틸 갈륨(TMGa), N의 원료로서 암모니아(NH3) 가스를 공급하여 In_xGa_1-xN 장벽층(107)과 In_yGa_1-yN 우물층(109)으로 이루어지는 In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN 양자우물구조층(110)을 성장한다. 양자우물구조로 성장된 In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN층(110)은 실질적으로 빛을 발광하는 발광층으로, In 조성을 조절함으로써 원하는 색상의 발광을 얻을 수가 있다. 이때, 성장의 변수로써 작용하는 원료의 공급량, 성장시간과 압력을 일정하게 유지하면서 성장온도만을 조금씩 변화시켜 In의 조성을 조절한다.

본 발명의 실시예에서 n형 InGaN 박막층(105) 및 발광층(110)을 구성하는 In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN층(110)의 성장온도는 600℃∼900℃이며, 더욱 바람직하게는 650℃∼810℃ 사이의 온도 범위 내에서 성장이 이루어진다. 상기 성장온도 범위 내에서 In 조성에 따라 성장온도가 결정된다.

상기와 같이 원료 공급양, 성장시간, 압력등의 성장변수를 일정하게 하고 성장온도 만을 조금씩 변화시켜 성장함으로써, 제작과정을 쉽게 하고, 격자 정합은 동종의 접합 구조가 연속하여 성장되므로 장벽층과 우물층의 계면사이에서 격자 부정합에 의해서 발생되는 결함등을 줄일 수가 있다.

또한, 상기 장벽층(107)을 성장할 때에는 사일렌(SiH4) 가스를 추가로 공급하여 Si을 함유시킨다. 발광층의 발광효율은 우물내로 가두어지는(confined) 전자(electron)과 홀(hole)이 결합하면서 전자와 홀의 농도(density)에 비례하여 빛을 내게 되는데, 이때 장벽층에 Si을 첨가함으로써 전자의 농도를 높이게 되면 우물내로 가두어지는 전자가 증가하여 발광효율을 증가시킬 수가 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 우물층(109)과 장벽층(107) 두께의 합은 15 nm 이내로 하는 것이 바람직하며, 이때 우물층과 장벽층 두께의 비율은 4 : 9 또는 5 : 10 으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 청색 발광소자를 제작할 경우 장벽층의 In 조성 x는 0.01∼0.1 이며, 더욱 바람직하게는 0.015∼0.005 이다. 또한, 우물층의 In 조성 y는 바람직하게는0.1∼ 0.4 이며, 더욱 바람직하게는 0.15∼0.30 이다.

또한, 상기 발광층(110)은 하나 이상의 양자우물구조로 구성될 수 있으나, 3층 이상의 다중양자우물구조도 가능하며, 더욱 바람직하게는 7층까지 다중양자우물구조로 구성함으로써 발광의 세기를 향상시킬 수 있다.

다음은, 도 6e에 도시한 바와 같이 상기 발광층(110) 상에 발광층의 우물내로 홀을 공급할 수 있는 p형 반도체층을 성장하게 되는데, 이때 상기 p형 반도체층(111 )은 발광층과 동일한 In_zGa_1-zN층을 In의 원료로서 트리메틸인듐(TMIn), Ga의 원료로서 트리메틸 갈륨(TMGa), N의 원료로서 암모니아(NH3) 가스를 공급함으로써 성장한다. 또한, In_zGa_1-zN로 이루어지 p형 반도체층(111)을 얻기 위하여 Mg의 물질을 첨가하게 된다. 이때 Mg의 양은 2×10¹⁸∼ 1×10¹⁹cm^-3사이이며, 성장온도는 710∼810℃ 이다. 또한, 이 온도에서 In_zGa_1-zN을 성장하였을 때 In의 조성 z는 0.26 이하이다.

상기와 같이 발광층과 동일한 물질(InGaN)과 온도로 p형 반도체층(111)을 성장함으로써, 종래 1000℃ 이상의 온도에서 p형 반도체층(111)을 성장함으로 인해 900℃ 이하의 저온에서 성장된 발광층에 결함을 발생시켜 발광효율을 저하시키는 문제를 해결할 수 있다.

이후에, 상기와 같이 제작된 기판에 대하여 열처리 과정을 진행한다.

p형 반도체층을 형성하기 위하여 Mg을 사용할 경우, 캐리어 가스로 사용되는수소와 Mg이 쉽게 결합하여 Mg-H 복합체(complex)를 형성하기 때문에 반절연 특성을 가짐으로써 Mg-H 복합체에서 Mg을 활성화시키기 위하여 열처리가 공정이 진행된다.

일반적으로 열처리 방법은 짧은 시간동안 온도를 높였다가 내리는 RTA(Rapid Thermal Aneling)방법과 전기로(furnance)에 넣고 장시간 온도를 올렸다가 내리는 방법이 있다. 이와 같은 열처리 공정을 통해서 Mg-H 복합체로부터 수소원자가 분리되어 Mg이 받개(acceptor)로서 작용하게 된다.

본 발명에서의 열처리는 RTA 방법으로 600∼900℃ 범위 온도의 N₂분위기에서 10분 이내로 이루어지나, Mg-H 복합체를 분리를 최대화 할 수 있으면 어떠한 방법이라도 가능하다.

상기와 같은 열처리 방법을 통하여 얻은 홀의 농도는 ∼10¹⁷cm^-3이상이며, 열처리 조건에 따라서는 ∼10¹⁸cm^-3까지 재연성 있게 홀농도를 높일 수가 있어 p측 전극 형성시 접촉저항을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

상기와 같이 열처리 과정을 마친 기판에 대하여 도면에는 도시하지 않았지만, p형 InGaN 및 발광층의 일부분을 제거하여 n형 InGaN 박막층 상에 n측 전극을 형성하고, p형 InzGa1-zN층 상에 전류 저지용 절연막 및 p형 반도체층(111)의 일부와 접속되는 p측 전극을 형성한다.

본 실시예에서는 청색 발광소자 및 그 제조 방법만을 설명하였으나, 본 발명은 청색 발광소자에만 한정하지 않고 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 및백색(White) 소자에 모두 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 질화갈륨계 발광소자 및 그 제조 방법에 있어서, 사파이어 기판 상에 SiN층을 성장하고 상기 SiN층 상에 GaN 완충층 성장 후, 1000℃ 이상에서 램핑시킨 후, InGaN 박막층을 형성함으로써, GaN 완충층에 격자 부정합으로 인해서 발생되는 전위를 감소시켜 발광효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 발광층을 구성하는 장벽층과 우물층을 동일 물질(InGaN)로 형성함으로써, 동종의 접합구조가 연속하여 성장되므로 계면사이에서 발생되는 결함을 줄일 수 있으며, n형 InGaN 층에 n측 전극 형성시 발생하는 장벽층과 우물층의 식각율 차이로 인해 발생하는 문제를 해결 할 수 있다.

또한, 발광층을 구성하는 장벽층과 우물층을 성장할 때, 성장온도만을 변화시킴으로 발광층의 제작공정을 단순화할 수 있다.

또한, p형 반도체층을 발광층과 동일한 물질(InGaN)로 형성함으로써, 1000℃ 이상의 고온으로 온도를 올리지 않아도 되므로 p형 반도체층 성장시 높은 온도로 인하여 발광층에 발생되는 결함으로 인한 발광 효율의 저하를 막을 수 있다.

Claims (8)

1. 사파이어기판과;

   상기 기판 상에 성장된 후, 램핑(ramping) 처리된 SiN층 및 GaN 완충층과;

   상기 GaN 완충층 상에 성장된 n형 InGaN층과;

   상기 n형 InGaN층 상에 InGaN층 만을 이용한 장벽층과 우물층을 포함하는 적어도 한층의 양자우물층으로 이루어진 발광층과;

   상기 발광층 상에 p형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
2. 제 1항에 있어서 상기 SiN층의 두께는 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 p형 반도체층은 Mg, Zn, Cd, Be, Ca, Sr, Ba 중에 적어도 하나가 첨가된 InGaN 인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
4. 사파이어 기판 상에 SiN층을 증착시키는 단계와, 상기 SiN 상에 GaN 완충층을 성장시킨 다음 램핑시키는 단계와, n형 InGaN층을 형성하는 단계를 포함하는 제 1 공정과;

   상기 n형 반도체층 상에 장벽층과 우물층을 포함하는 적어도 한층 이상의 양자우물구조로 이루어진 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 제 2 공정과;

   상기 발광층 상에 p형 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 p형 반도체층을 활성화(activation)시키기 위하여 열처리하는 단계를 포함하는 제 3공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 SiN층 및 GaN 완충층의 램핑온도는 1000℃ 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 장벽층과 우물층은 In의 함량이 서로 다른 InGaN층을 성장하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
7. 제 4항에 있어서, 상기 p형 반도체층의 열처리 온도는 1000℃ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
8. 제 4항에 있어서, 상기 p형 반도체층의 성장단계는 Mg, Sn, Cd, Be, Ca, Sr, Ba 중에 적어도 하나를 첨가시켜 InGaN을 성장하는 것으로, 900℃ 이하에서 성장하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.