KR20030089574A - Gallium Nitride-Based Compound Semiconductor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빛의 방출 효율을 향상시킨 질화갈륨계 발광소자에 관한 것으로, 질화갈륨계 발광소자는 사파이어기판 상에 n형 GaN 버퍼층, n형 GaN층, InGaN 발광층, p형 GaN층, n형 전극, p형 전극을 차례로 형성함으로써 구성된다. p형 GaN층 위에서 p형 전극에 인접하여 ZnO 투명전극을 형성한다. ZnO 투명전극에 의해 전류를 발광층으로 균일하게 공급함과 동시에, 발광층으로 부터의 빛을 투과하여 외부로 발산한다.The present invention relates to a gallium nitride-based light emitting device that improves the light emission efficiency, the gallium nitride-based light emitting device is n-type GaN buffer layer, n-type GaN layer, InGaN light-emitting layer, p-type GaN layer, n-type electrode on the sapphire substrate and p-type electrodes are formed in order. A ZnO transparent electrode is formed adjacent to the p-type electrode on the p-type GaN layer. The current is uniformly supplied to the light emitting layer by the ZnO transparent electrode, and simultaneously transmits light from the light emitting layer to the outside.
Description
본 발명은 질화갈륨계 화합물 반도체 장치, 특히 발광 효율의 향상에 관한 것이다. 최근, 질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체를 이용한 발광소자가 알려져 있으며, 청색 LED 등의 적용이 유용해지고 있다.TECHNICAL FIELD This invention relates to the improvement of a gallium nitride compound semiconductor device, especially luminous efficiency. Background Art In recent years, light emitting devices using gallium nitride (GaN) compound semiconductors have been known, and applications such as blue LEDs have become useful.
도 3에서는, 종래의 GaN계 화합물 반도체를 이용한 발광소자의 구성이 도시되어져 있다. 사파이어 기판(10) 위에 n형 GaN 버퍼층(buffer layer)(12)이 형성되어 있고, GaN 버퍼층(12) 위에 박막의 n형 GaN층(14)이 형성된다. 또한, 발광층으로서 예를들면, InGaN 발광층(16)이 형성되고, 여기에 p형 GaN층(18)을 형성하여PN 접합을 구성한다. p형 GaN층(18)을 형성한 후, 표면의 일부를 에칭하여 n형 GaN 버퍼층(12) 표면을 노출시키고, n형 GaN 버퍼층(12)위에 n형 전극(20)을 형성하고, 또한, p형 GaN 층(18)의 표면에 p형 전극(22)을 형성한다. 그리고, p형 전극(22)과 n형 전극(20)에 순방향 전압을 인가함으로써, 캐리어(carrier)가 InGaN 발광층(16) 에 주입되고, InGaN 발광층 16으로부터 소정파장 (청색)이 사출된다.In FIG. 3, the structure of the light emitting element using the conventional GaN type compound semiconductor is shown. An n-type GaN buffer layer 12 is formed on the sapphire substrate 10, and a thin n-type GaN layer 14 is formed on the GaN buffer layer 12. As the light emitting layer, for example, an InGaN light emitting layer 16 is formed, and a p-type GaN layer 18 is formed thereon to form a PN junction. After the p-type GaN layer 18 is formed, part of the surface is etched to expose the surface of the n-type GaN buffer layer 12, and the n-type electrode 20 is formed on the n-type GaN buffer layer 12. The p-type electrode 22 is formed on the surface of the p-type GaN layer 18. By applying forward voltages to the p-type electrode 22 and the n-type electrode 20, carriers are injected into the InGaN light emitting layer 16, and a predetermined wavelength (blue) is emitted from the InGaN light emitting layer 16.
도 3의 구성에서는, p형 전극(22)에서 n형 전극(20)을 향해 전류가 흐르고, 특히 p형 전극(22)의 하부에서 전류가 최대로 많이 흐르기 때문에, p형 전극(22)의 하부에서 발광이 가장 강해진다. 그러나, InGaN 발광층(16)으로부터 사출한 빛은 p형 전극(22)에 의해 차단되어 버려, 발광한 빛을 효율적으로 외부로 사출하는 것이 불가능하다.In the configuration of FIG. 3, since the current flows from the p-type electrode 22 toward the n-type electrode 20, and in particular, a large amount of current flows in the lower portion of the p-type electrode 22. The light emission is strongest at the bottom. However, light emitted from the InGaN light emitting layer 16 is blocked by the p-type electrode 22, and it is impossible to efficiently emit light emitted to the outside.
따라서, p형 GaN층(18) 위에 금속의 p형 전극(22)을 형성함과 동시에, 투명전극을 형성하는 것이 제안되고 있다. 투명전극을 형성함으로서, p형 전극(22)의 하부에만 전류를 흐르게 하는 것이 아닌, InGaN 발광층(16)의 거의 전면에 걸쳐서 전류를 균일하게 흐르게 할 수 있으며, 또한, 투명전극에서 빛을 모아 방출함으로써, 발광효율을 향상시킬 수 있다.Therefore, it is proposed to form a metal p-type electrode 22 on the p-type GaN layer 18 and to form a transparent electrode. By forming the transparent electrode, the current can flow uniformly over almost the entire surface of the InGaN light emitting layer 16, instead of allowing the current to flow only under the p-type electrode 22, and also collect and emit light from the transparent electrode. By doing so, the luminous efficiency can be improved.
그러나, 투명전극으로서는 Ni/Au 혹은 ITO(Indium Tin Oxide)등이 이용되고 있다. Ni/Au는 금속이기 때문에 전극의 두께가 두꺼우면 전류 확장에는 이로우나, 빛의 투과율이 나빠지고, 전극의 두께가 얇으면 빛이 쉽게 투과하는 막의 횡 방향 저항이 높아지기 때문에 전류 확장이 발생하기 어려운 문제가 있다. 또한, ITO는 파장 400nm이상에서는 빛의 투과율이 높으나, n형의 전도 특성을 가지고, 저항률도금속만큼 작지 않으므로, p형 GaN층(18)과 오믹접촉이 좋지 않고, 전류가 균일하게 흐르기 어려운 문제가 있다. 또한, ITO는 에칭이 비교적 곤란하여, 에칭한 패턴 끝의 형태가 손상되기 쉬워, 전극으로서 가공하는 경우에 원하는 형태을 얻을 수 없는 문제도 있다.However, Ni / Au or ITO (Indium Tin Oxide) or the like is used as the transparent electrode. Since Ni / Au is a metal, the thickness of the electrode is good for current expansion, but the light transmittance is poor, and if the thickness of the electrode is thin, the current resistance is difficult to occur because the transmembrane resistance of the light is easily transmitted. there is a problem. In addition, ITO has a high light transmittance at a wavelength of 400 nm or more, but has an n-type conductivity and resistivity is not as small as that of metal, so that ohmic contact with the p-type GaN layer 18 is not good, and current does not flow uniformly. There is. In addition, ITO has a problem that etching is relatively difficult, and thus the shape of the etched pattern tip is easily damaged, and a desired shape cannot be obtained when processing as an electrode.
본 발명의 목적은 GaN계 발광층을 가진 GaN계 화합물 반도체 장치에 있어서 발광효율를 향상시키는 것이다.An object of the present invention is to improve luminous efficiency in a GaN compound semiconductor device having a GaN light emitting layer.
도 1은 본 발명의 실시형태의 구성도이다.1 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 나타난 반도체장치의 제조 플로챠트이다FIG. 2 is a manufacturing flowchart of the semiconductor device shown in FIG.
도 3은 종래 반도체장치의 구성도이다.3 is a block diagram of a conventional semiconductor device.
본 발명의 GaN계 화합물 반도체장치는, 기판과, 상기 기판 위에 형성된 제 1 도전형 GaN계 층과, 상기 제 1 도전형 GaN계 층위에 형성 된 GaN계 발광층과, 상기 GaN계 발광층 위에 형성된 제 2 도전형 GaN계 층과, 상기 제 1 도전형 GaN계 층위에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 2 도전형 GaN계 층위에 형성된 제 2 전극을 포함한다. 상기 제 2 전극의 일부는, ZnO 투명전극으로 형성된다. 제 1 도전형은 예를 들면 n형, 제 2 도전형은 예를 들면 p형으로 하는 것이 가능하다. ZnO는 소정의 파장(350nm)이상에서 투명해지며, GaN계 발광층으로부터의 빛을 차단하지 않고외부로 방출하는 것이 가능하다. 또한, ZnO의 저항률은 금속막에 비하여 작고, 또한 GaN계 층과의 오믹접촉에도 우수하므로, 발광층내로 균일하게 전류를 흐르게 하는 것이 용이해진다.A GaN compound semiconductor device of the present invention includes a substrate, a first conductivity type GaN layer formed on the substrate, a GaN emission layer formed on the first conductivity type GaN layer, and a second formation formed on the GaN emission layer. And a conductive GaN-based layer, a first electrode formed on the first conductive GaN-based layer, and a second electrode formed on the second conductive GaN-based layer. Part of the second electrode is formed of a ZnO transparent electrode. The first conductivity type can be, for example, n-type, and the second conductivity type can be, for example, p-type. ZnO becomes transparent at a predetermined wavelength (350 nm) or more, and can be emitted outside without blocking light from the GaN-based light emitting layer. In addition, the resistivity of ZnO is smaller than that of the metal film and excellent in ohmic contact with the GaN-based layer, so that it is easy to flow a current uniformly into the light emitting layer.
본 발명의 일 실시예에서는 기판상에 n형 GaN계 층, GaN계 발광층, p형 GaN계 층이 차례로 형성된다. p형 GaN계 층 위에 p형 전극이 형성되고, n형 GaN계 층의 일부가 노출되어 n형 전극이 형성된다. p형 GaN계 층 위의 p형 전극에 인접하여 ZnO 투명전극이 형성된다. ZnO 투명전극과 p형 전극을 동일하게 p형으로 함으로써, 도전성이 향상한다.In an embodiment of the present invention, an n-type GaN-based layer, a GaN-based light emitting layer, and a p-type GaN-based layer are sequentially formed on the substrate. A p-type electrode is formed on the p-type GaN-based layer, and a portion of the n-type GaN-based layer is exposed to form an n-type electrode. A ZnO transparent electrode is formed adjacent to the p-type electrode on the p-type GaN-based layer. By making a ZnO transparent electrode and a p-type electrode the same as p-type, electroconductivity improves.
본 발명은 이하의 실시예를 참조함으로써 보다 명확하게 이해된다. 이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.The invention is more clearly understood by reference to the following examples. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described based on drawing.
도 1에는, 본 실시형태에 관한 GaN계 반도체장치의 구성이 나타나 있다. 도 3에 나타난 구성과 거의 동일한 형태이지만, 도 3과 다르고, p형 GaN층(18) 위에 p형 전극(22)이 형성됨과 동시에, p형 전극에 인접하여 투명전극(21)이 형성되어 있다. 전극으로서 p형 전극(22)과 투명전극(21)은 일체화되어 있다. 이 투명전극(21)은 ZnO로 형성된다.1, the structure of the GaN type semiconductor device which concerns on this embodiment is shown. Although the configuration is almost the same as that shown in FIG. 3, it is different from FIG. 3, and the p-type electrode 22 is formed on the p-type GaN layer 18, and the transparent electrode 21 is formed adjacent to the p-type electrode. . As the electrode, the p-type electrode 22 and the transparent electrode 21 are integrated. This transparent electrode 21 is made of ZnO.
도 2에는, 도 1에 나타난 반도체장치의 제조 플로챠트가 나타나 있다. 우선, 사파이어 기판(10) 상에 MOCVD법 등에 의해 n형 GaN버퍼층(12)을 형성한다(S101). GaN버퍼층(12)은 비교적 저온으로 형성하는 것이 바람직하고, 또한 GaN버퍼층(12)을 형성하기에 앞서서 우선 SiN을 형성하고, 그 SiN 위에 GaN버퍼층(12)을 형성하는 것도 바람직하다. 다음으로, MOCVD법에 의해 GaN버퍼층(12) 위에 n형 GaN층(14)을 형성한다(S102). n형 GaN층(14)은 그 형성과정에서 실리콘 등을 도핑하는 것도 바람직하다. n형 GaN 버퍼층(12)은 예를 들면, 3㎛, n형 GaN층(14)은 0.1㎛정도 형성하는 것이 가능하다. n형 GaN층(14)을 형성한 후, MOCVD법에 의해 n형 InGaN발광층(16)을, 예를 들면 2nm정도 형성한다(S103). 발광층을 형성 한 후, 발광층(16) 위에 MOCVD법에 의해 p형 GaN층(18)을 형성한다(S104). p형 GaN층은, 예를 들면 0.1㎛정도 형성하는 것이 가능하다. p형 GaN층(18)을 형성 한 후, 그 표면의 일부를 0.2㎛정도의 깊이까지 에칭하여, n형 GaN 버퍼층(12)의 표면을 노출한다(S105). 그리고, 노출된 n형 GaN 버퍼층(12) 위에 n형 전극으로서 Al전극을 증착이나 스퍼터링 등에 의해 형성한다(S106). 또한, p형 GaN층(18) 위에 Pt/Au 전극(22)을 증착 또는 스퍼터링에 의해 형성한다.(S107).FIG. 2 shows a manufacturing flowchart of the semiconductor device shown in FIG. 1. First, an n-type GaN buffer layer 12 is formed on the sapphire substrate 10 by MOCVD or the like (S101). Preferably, the GaN buffer layer 12 is formed at a relatively low temperature, and prior to forming the GaN buffer layer 12, SiN is first formed, and the GaN buffer layer 12 is preferably formed on the SiN. Next, an n-type GaN layer 14 is formed on the GaN buffer layer 12 by MOCVD (S102). The n-type GaN layer 14 may also be doped with silicon or the like during its formation. For example, the n-type GaN buffer layer 12 may be formed to have a thickness of about 3 μm and the n-type GaN layer 14 may be about 0.1 μm. After the n-type GaN layer 14 is formed, the n-type InGaN light emitting layer 16 is formed, for example, by about 2 nm by the MOCVD method (S103). After the light emitting layer is formed, a p-type GaN layer 18 is formed on the light emitting layer 16 by MOCVD (S104). The p-type GaN layer can be formed, for example, about 0.1 m. After the p-type GaN layer 18 is formed, part of the surface is etched to a depth of about 0.2 µm to expose the surface of the n-type GaN buffer layer 12 (S105). On the exposed n-type GaN buffer layer 12, an Al electrode is formed as an n-type electrode by vapor deposition, sputtering, or the like (S106). Further, a Pt / Au electrode 22 is formed on the p-type GaN layer 18 by vapor deposition or sputtering (S107).
이상과 같이 하여, p형 전극(22) 및 n형 전극(20)을 형성 한 후, 추가로 p형 GaN층(18) 상에 p형 전극(22)과 접하도록 p형 ZnO 투명전극(21)을 스퍼터링법 등을 이용하여 형성한다(S108). ZnO는 파장 350nm이상에서 투명해지고, 10-3Ω㎝정도의 막을 스퍼터링법으로 형성 가능한 것이 알려져 있다(K. Tominaga, et al, Thin Solid Films 253(1994)9-13). 그리고, ZnO와 GaN은 격자정수(ZnO: a=3.252Å, c=5.213Å, GaN: a=3.189Å, c=5.185Å, ITO:10.13Å), 열팽창계수(ZnO: a축 방향 2.9 ×10-6K-1, C축 방향 4.75×10-6K-1, GaN : a축 방향 5.59 ×10-6K-1, C축 방향 3.17 ×10-6K-1)가 모두 근사하기 때문에, p형 GaN층(18)과의 밀착성이 우수하고, 또한 에칭특성도 우수하다. 또한, p형 ZnO의 막을 형성하는 것도 가능한 것으로 알려져 있어(Jpn. J. AppL. Phys. Vol.38 (1999) L1205-L1207 Part2, No.11A. 1 November 1999), p형 GaN층(18)과의 전기적 접촉도 양호하게 할 수 있다.As described above, after the p-type electrode 22 and the n-type electrode 20 are formed, the p-type ZnO transparent electrode 21 is further contacted with the p-type electrode 22 on the p-type GaN layer 18. ) Is formed using a sputtering method or the like (S108). It is known that ZnO becomes transparent at a wavelength of 350 nm or more and can form a film of about 10 −3 Ωcm by sputtering (K. Tominaga, et al, Thin Solid Films 253 (1994) 9-13). ZnO and GaN are lattice constants (ZnO: a = 3.252Å, c = 5.213Å, GaN: a = 3.189Å, c = 5.185Å, ITO: 10.13Å), and coefficient of thermal expansion (ZnO: axial direction 2.9 × 10 -6 K -1 , C-axis direction 4.75 × 10 -6 K -1 , GaN: a-axis direction 5.59 × 10 -6 K -1 , C-axis direction 3.17 × 10 -6 K -1 ) It is excellent in adhesiveness with the p-type GaN layer 18 and also excellent in etching characteristics. It is also known to form a p-type ZnO film (Jpn. J. AppL. Phys. Vol. 38 (1999) L1205-L1207 Part 2, No. 11A. 1 November 1999), and the p-type GaN layer 18 Electrical contact with can also be made favorable.
이와 같이, Ni/Au 혹은 ITO로서 투명전극을 형성하지 않고, ZnO, 특히, p형ZnO로서 투명전극(21)을 형성함으로써, p형 GaN층(18)과의 전기적 정합성을 향상시켜, 균일한 전류을 얻을 수 있고, 또한 전극형상도 원하는 형상으로 가능하고, 빛을 효율적으로 방출할 수 있다.Thus, by forming the transparent electrode 21 as ZnO, in particular, p-type ZnO, without forming a transparent electrode as Ni / Au or ITO, the electrical compatibility with the p-type GaN layer 18 is improved and uniform. An electric current can be obtained, and also an electrode shape can be made into a desired shape, and light can be emitted efficiently.
본 출원인은 투명전극(21)의 재료로서, Ni/Au, ITO, n형 ZnO, p형 ZnO를 이용하여 발광소자를 형성하고, 그 발광 출력을 측정한 결과, 이하와 같은 값을 구할 수 있었다.Applicant formed a light emitting device using Ni / Au, ITO, n-type ZnO, and p-type ZnO as a material of the transparent electrode 21, and measured the light emission output. As a result, the following values were obtained. .
[표1]Table 1
상기에서, 발광파장은 모두 450nm 이다. 이 표에서 알 수 있는 바와 같이, 투명전극재료(Ni/Au 혹은 ITO)에 비하여, n형 ZnO 및 p형 ZnO는 모두 상대 출력파워가 우수하고, 특히 p형 ZnO에서는 종래에 비하여 약 2배 정도의 상대출력 파워를 얻을 수 있서, 효율적으로 빛을 외부로 응집 발산할 수 있다.In the above, the light emission wavelength is all 450 nm. As can be seen from this table, relative to the transparent electrode material (Ni / Au or ITO), both the n-type ZnO and the p-type ZnO have excellent relative output power, and in particular, about p-type ZnO is about twice as much as the conventional one. The relative output power of can be obtained, so that light can be efficiently coagulated and diverted to the outside.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 발광층으로서 InGaN을 이용하고 있지만, GaN계 화합물 반도체이면 임의의 재료를 이용할 수 있다.InGaN is used as the light emitting layer in the present embodiment, any material can be used as long as it is a GaN compound semiconductor.
또한, 본 실시형태에서는 기판/n-GaN층/GaN발광층/p-GaN층의 구성이지만, 기판/p-GaN층/GaN발광층/n-GaN층 구성도 가능하다. 이 경우 n-GaN층 위에 n형 전극이 형성되고, n형 전극에 인접하여 n형 ZnO투명전극이 형성된다.In addition, in this embodiment, although it is a structure of a board | substrate / n-GaN layer / GaN light emitting layer / p-GaN layer, the structure of a board | substrate / p-GaN layer / GaN light emitting layer / n-GaN layer is also possible. In this case, an n-type electrode is formed on the n-GaN layer, and an n-type ZnO transparent electrode is formed adjacent to the n-type electrode.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 투명전극으로 ZnO를 사용함으로써, 발광층에서 사출한 빛을 효율적으로 외부로 방출하는 것이 가능하게 된다. 이와 같은 방법을 발광소자에 적용한 경우에, 발광효율을 향상시키는 것이 가능해진다.As described above, according to the present invention, by using ZnO as the transparent electrode, it is possible to efficiently emit light emitted from the light emitting layer to the outside. When such a method is applied to a light emitting element, it becomes possible to improve luminous efficiency.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |