KR20060000465A - Ｉｎ 첨가 ｐ형 질화물 반도체층을 갖는 질화물 반도체발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 p형 질화물 반도체층의 성장시 In을 첨가함으로써 발광소자의 동작전압 및 누설전류를 감소시키고 동시에 휘도 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성되며 n형 도펀트로 도핑된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, p형 도펀트로 도핑되고 In을 포함하는 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 본 발명에 따르면, In을 첨가함으로써 p형 질화물 반도체층의 도펀트로 사용되는 Mg의 캐리어 농도를 증가시킬 수 있다. 이로 인해, 캐리어로 사용되는 Mg의 양이 증가함으로써 발광소자의 동작전압을 낮출 수 있다. 또한, 비활성화된 Mg의 양이 감소하게 되므로 p형 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킴으로써, p형 질화물 반도체층의 투과도가 개선되고 역전압 및 누설전류에 대한 특성이 향상되며 p형 질화물 반도체층에서의 전류확산이 개선되는 효과가 있다.

질화물 반도체 발광소자, p형 질화물 반도체층, GaN, Mg, In

Description

Ｉｎ 첨가 ｐ형 질화물 반도체층을 갖는 질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE COMPRISING INDIUM INCORPORATED P-TYPE NITRIDE SEMICONDUCTOR LAYER}

도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 p형 질화물 반도체층의 In 첨가량에 따른 XRD 반치폭의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 2b는 본 발명에 따른 p형 질화물 반도체층의 In 첨가량에 따른 p형 GaN층의 피크와 사파이어 기판의 피크의 간격 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 p형 질화물 반도체층의 In 첨가량에 따른 라만 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 p형 질화물 반도체층의 In 첨가량에 따른 캐리어 농도 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5a 및 5b는 종래의 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 전류-전압 특성을 비교한 그래프이다.

도 6은 종래의 p형 질화물 반도체층의 투과도와 본 발명의 In 첨가 p형 질화물 반도체층의 투과도를 비교한 그래프이다.

도 7은 종래의 질화물 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 광출력 특성을 비교한 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : 기판 11a : 버퍼층

12 : n형 질화물 반도체층 13 : 활성층

14 : p형 질화물 반도체층 15 : 투명전극층

16a : n측 본딩전극 16b : p측 본딩전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 더 구체적으로는 p형 질화물 반도체층의 성장시 In을 첨가함으로써 발광소자의 동작전압 및 누설전류를 감소시키고 동시에 휘도 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

근래에 반도체 발광소자, 예를 들면 발광 다이오드는 녹색, 청색 및 자외 영역까지의 광을 생성할 수 있으며 지속적인 기술 발전으로 인해 그 휘도가 비약적으로 향상됨에 따라 총천연색 전광판, 조명장치 등의 분야에도 확대 적용되고 있다. 특히, GaN를 비롯한 질화물을 이용한 질화물 반도체는 그 우수한 물리, 화학적 특 성에 기인하여 현재 광전재료 및 전자소자의 핵심 소재로 각광 받고 있다.

이와 같은 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광소자로서, Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체물질로 제조되고 있다. 질화물 반도체 결정은 격자정합을 고려하여 사파이어기판과 같은 질화물 단결정성장용 기판에서 성장된다. 상기 사파이어 기판은 전기적 절연성 기판이므로, 최종 질화물 반도체 발광소자는 p측 전극과 n측 전극이 동일면 상에 형성된 구조를 갖는다.

도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 단면도이다. 도 1과 같이 일반적인 질화물 반도체 발광소자는, 기판(11) 상에 버퍼층(11a), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13), p형 질화물 반도체층(14)을 적층구조로 성장시키고, 상기 n형 질화물 반도체층(12) 및 p형 질화물 반도체층(13) 상에 각각 전극(15, 16a, 16b)을 형성하여 반도체층(12, 14)으로부터 주입되는 정공과 전자의 재결합에 의해 상기 활성층(13)에서 광을 발생시킨다. 이 때, 상기 활성층(13)에서 발생된 광은 상기 p형 질화물 반도체층(14) 상의 투명전극층(15) 또는 상기 기판(11)으로 방출된다. 상기 투명전극층(15)은 상기 p형 질화물 반도체층(14)의 거의 전면에 형성된 금속박막 또는 투명 도전막으로 이루어지는 광투과성 전극으로서 오믹 콘택을 형성하기 위한 것이다.

상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 기판의 하부를 리드프레임 등에 부착시 키고 상기 활성층(13)에서 생성된 광은 상기 투명전극층(15)의 상면을 광출사면으로 사용하여 소자 외부로 방출시킨다.

이러한 구조를 갖는 종래의 질화물 반도체 발광소자에서는, p형 질화물 반도체층(14)을 성장시킬 때, 주로 Mg를 도펀트로 사용하여 성장시키게 된다. Mg는 Ga에 비해 인입율이 현저히 낮으며, p형 질화물 반도체층의 에너지 대역폭이 크고 Mg의 활성화 에너지가 높아 활성도가 매우 떨어지므로 p형 질화물 반도체층의 전기적 특성을 매우 저하시킨다. 즉, 캐리어로서 동작하는 Mg의 농도가 매우 낮기 때문에, 동작전압을 상승시키게 된다.

또한, 캐리어로서 활성화되지 않은 Mg는 수소와 결합하여 결함을 발생시킴으로써 p형 질화물 반도체층의 결정성을 저하시킨다. 이러한 결정성의 저하로 인해 소자의 누설전류가 증가하고 역전압 특성이 나빠지며 전류확산이 잘 이루어지지 않고 p형 질화물 반도체층의 투과도가 저하되면서 질화물 발광소자의 발광효율이 저하되고 휘도가 감소하는 등의 문제가 발생한다.

따라서, 당 기술분야에서는 질화물 반도체 발광소자의 p형 질화물 반도체층에서 도펀트로 사용되는 Mg의 캐리어 농도를 증가시켜 전기적 특성을 향상시키고, 동시에 활성화되지 않은 Mg로 인한 결함을 감소시켜 p형 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은, 질화물 반도체 발광소자의 p형 질화물 반도체층의 성장시 도펀트로 사용되는 Mg와 함께 In을 첨가함으로써 전기적 광학적 특성을 개선할 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적 구성으로서 본 발명은,

기판;

상기 기판 상에 형성되며 n형 도펀트로 도핑된 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성되며, p형 도펀트로 도핑되고 In을 포함하는 p형 질화물 반도체층; 및

상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

상기 p형 질화물 반도체층에 포함된 In의 양은 상기 p형 도펀트 도핑량 이하인 것이 바람직하며, 상기 p형 도펀트는 Mg인 것이 바람직하다. 특히, 상기 질화물 반도체 물질은 AlGaN일 수 있다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(10)는, 기판(11); 상기 기판(10) 상에 형성되며 n형 도펀트로 도핑된 n형 질화물 반도체층(12); 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층(13); 상기 활성층(13) 상에 형성되며, p형 도펀트로 도핑되고 In을 포함하는 p형 질화물 반도체층(14); 및 상기 n형 질화물 반도체층(12)과 p형 질화물 반도체층(14) 상에 각각 형성된 전극(15, 16a, 17a)을 포함하여 구성된다.

각 구성요소에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 기판(11)은, 그 위에 성장되는 질화물 반도체 물질의 결정과 결정구조가 동일하면서 격자정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문에 격자정합을 고려하여 사파이어 기판이 주로 사용된다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 격자간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 특징이 있다. 이러한 사파이어 기판의 C면의 경우 비교적 질화물 반도체 물질의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 청색 또는 녹색 발광소자용 기판으로 사파이어 기판이 주로 사용된다.

상기 기판(11)의 상면에 형성된 n형 질화물 반도체층(12)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, GaInN가 있다. 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 도핑에 사용되는 도펀트로는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 이중 Si가 대표적으로 사용된다. 상기 n형 질화물 반도체층(12)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE) 또는 하이브리드 기상증착법(Hybride Vapor Phase Epitaxy : HVPE)과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 기판(11) 상에 성장시킴으로써 형성된다.

일반적으로, 상기 기판(11)과 n형 질화물 반도체층(13) 사이에는 격자부정합을 완화하기 위한 버퍼층(12)이 형성될 수 있다. 이 버퍼층(12)으로는 통상 수 십 ㎚의 두께를 갖는 GaN 또는 AlN 등의 저온핵성장층이 사용된다.

상기 활성층(13)은 빛을 발광하기 위한 층으로서, 통상 InGaN층을 우물로 하고, (Al)GaN층을 벽층(barrier layer)으로 하여 성장시켜 다중양자우물구조(MQW)를 형성함으로써 이루어진다. 청색 발광다이오드에서는 InGaN/GaN 등의 다중 양자 우물 구조, 자외선 발광다이오드에서는 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN 및 InGaN/AlGaN 등의 다중 양자 우물 구조가 사용되고 있다. 이러한 활성층의 효율 향상에 대해서는, In 또는 Al의 조성비율을 변화시킴으로써 빛의 파장을 조절하거나, 활성층 내의 양자 우물의 깊이, 활성층의 수, 두께 등을 변화시킴으로써 발광다이오드의 내부 양자 효율을 향상시키고 있다. 상기 활성층(13)은 상기 n형 질화물 반도체층(12)과 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 n형 질화물 반도체층(12) 상에 형성될 수 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(14)은 상기 n형 질화물 반도체층(12)과 마찬가지로, Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 p 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, GaInN가 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(14)의 도핑에 사용되는 도펀트로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 있으며, 이중 Mg가 대표적으로 사용된다. 상기 p형 질화물 반도체층(14)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 활성층(13) 상에 성장시킴으로써 형성된다.

본 발명의 특징은 상기 p형 질화물 반도체층(14)을 성장시킬 때, 도펀트와 함께 In을 첨가한다는 것이다. 일반적으로 p형 질화물 반도체층(14)을 성장시킬 때 p형 도펀트로 사용되는 Mg는 성장시 인입율이 Ga에 비해 현저히 떨어지기 때문에 높은 도핑농도로 도핑되기 어렵다. 또한, 도핑된 Mg는 활성화 에너지가 매우 높고 p형 질화물 반도체층의 에너지 대역폭이 크기 때문에 많은 양이 활성화되지 못한다. 즉, 도핑된 Mg는 캐리어 농도가 낮으며, 활성화되지 못한 Mg가 다량 존재하게 된다. 특히, p형 질화물 반도체층(14)의 재료로 사용되는 질화물이 고농도의 Al 조 성비를 갖는 AlGaN인 경우, Al의 조성비가 커질수록 도펀트인 Mg는 보다 높은 활성화 에너지를 갖게 되므로 더욱 활성도가 떨어진다.

앞서 설명하였듯이, Mg의 캐리어 농도가 낮기 때문에, 발광소자의 동작전압이 상승하게되고, 활성화되지 못한 Mg는 수소와 결합하여 p형 질화물 반도체층에 결함을 형성하게 되어 역전압 특성저하, 누설전류 증가, p형 질화물 반도체층의 투과도 저하, 전류확산 저하 등의 문제를 발생시킨다.

본 발명에서는 p형 질화물 반도체층(14)을 성장시킬 때, 도펀트인 Mg와 함께 In을 첨가하여 In의 계면활성제의 역할을 이용함으로써 도핑된 Mg의 활성화 에너지를 감소시켜 보다 높은 캐리어 농도를 얻을 수 있게된다. In 첨가를 통해 보다 도핑된 Mg의 캐리어 농도를 증가시킴으로써, 동작전압을 낮출 수 있다. 또한 Mg의 캐리어 농도가 증가함으로 활성화되지 못한 Mg가 감소하여, p형 질화물 반도체층에 결함이 감소하고 이로 인해 역전압 특성이 개선되며, 누설전류가 감소하고, p형 질화물 반도체층의 투과도를 증가시킬 수 있으며, 전류확산을 개선할 수 있다. 특히, Mg의 활성도가 보다 낮은 고농도의 Al 조성비를 갖는 AlGaN에서는 더욱 효과적으로 Mg의 활성도를 높일 수 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(14)에 포함되는 In은 MOCVD법을 이용한 p형 질화물 반도체층(14)의 성장시 TMIn의 형태로 주입될 수 있으며, 대체로 주입되는 In의 양이 증가할수록 우수한 특성의 p형 질화물 반도체층이 형성될 수 있다. 그러나, 과다한 In의 주입으로 인해 In이 p형 질화물 반도체층 내에서 서로 뭉쳐 결함이 발생할 수 있으므로, p형 질화물 반도체층에 포함된 In의 양은 p형 질화물 반도체층 에 도핑된 Mg 농도 이하인 것이 바람직하다.

또한, 일반적으로 InGaN와 같은 In을 조성물질로 하는 질화물 반도체층은 약 750 내지 800℃의 저온에서 성장되고 1000℃ 이상의 고온에서는 In을 조성물질로 하는 질화물 반도체층이 형성되기 어려우므로, In이 질화물 반도체층의 조성을 변화시키지 않고 단순히 첨가된 상태로 존재하기 위해서 상기 p형 질화물 반도체층(14)은 약 1000℃ 이상의 고온에서 성장시키는 것이 바람직하다.

상기 전극(15, 16a, 16b)은 상기 p형 질화물 반도체층(14)의 상면의 거의 전 영역에 형성되는 투명전극층(15)과 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 상면에 형성되는 n측 본딩전극(16a)과 상기 투명전극층(15) 상면에 형성되는 p측 본딩전극(16b)을 포함한다.

상기 투명전극층(15)은 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 p형 질화물 반도체층(14)과의 접촉저항을 낮추는데 적절하면서 동시에 상기 활성층(13)에서 생성되는 광이 상부로 방출되기 위해 양호한 투광성을 갖는 물질로 형성될 것이 요구된다. 일반적으로 상기 투명전극층(15)은 Ni/Au의 이중층 구조를 주로 사용하며, 접촉저항은 비교적 높으나 양호한 투광성을 확보하기 위해 산화인듐주석(ITO), 산화카드뮴주석(CTO) 또는 질화티탄텅스텐(TiWN)으로 재료로 사용할 수 있다. 상기 투명전극층(15)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD) 및 전자빔 증발법(E-beam evaporator)과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 공정에 의해 형성될 수 있으며, 오믹콘택의 특성을 향상시키기 위해서 약 400 내지 900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.

상기 n측 본딩전극(16a)은 상기 n형 질화물 반도체층(12) 상에 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 상기 n측 본딩전극(16a)은 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 상기 n형 질화물 반도체층(12) 상에 형성될 수 있다.

상기 p측 본딩전극(16b)은 상기 투명전극층(15) 상에 형성된다. 상기 p측 본딩전극(26b)은 와이어 본딩을 통해 리드 상에 탑재될 최외곽 전극층으로서, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금을 재료로 하여 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 발명자들은 In 첨가 p형 질화물 반도체층의 특성을 분석하기 위해, 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)을 통해 In을 첨가하여 사파이어 기판 상에 p형 GaN층을 성장시켜 질화물 반도체 발광소자를 제작하고, 성장시킨 p형 GaN층 및 제작된 질화물 반도체 발광소자에 대해 여러 가지 실험을 진행하였다. 상기 p형 GaN층에는 Mg를 도펀트로 사용하였다. 이하, 이 실험에 대한 결과를 설명한다.

◎ XRD(X-Ray Diffraction) 분석

도 2는 In 첨가 p형 GaN층의 XRD(X-Ray Diffraction) 분석 결과를 나타낸다.

도 2a는 In 첨가량에 따른 p형 GaN층의 반치폭(FWHM)의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2a 같이, TMIn의 양을 달리 첨가하여 p형 GaN층을 성장시킨 후 XRD 분석을 진행해 본 결과, TMIn의 양을 증가시킬수록 p형 GaN층의 반치폭은 점차 감소한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 p형 질화물 반도체층(GaN층)에 첨가된 In의 양이 증가할수록 p형 GaN층의 결정성이 향상됨을 나타낸다. 이는 첨가된 In이 도펀트로 사용된 Mg의 활성도를 증가시켜 p형 GaN층의 결함으로 작용하는 Mg의 양을 감소시킴으로써 p형 GaN층의 결정성을 향상시킨 것이다.

도 2b는 In 첨가량에 따른 p형 GaN층의 피크와 사파이어 기판의 피크의 간격 변화를 나타낸 그래프이다. 각 물질은 XRD 분석에서 나타나는 피크값이 형성되는 고유한 위치를 갖는다. 일반적으로 GaN층의 피크는 사파이어 기판의 피크와 InGaN층의 피크 사이에 존재한다. 따라서, In의 첨가량이 증가하여 InGaN이 생성된다고 가정하면, GaN의 피크가 InGaN의 피크에 가깝게 이동함으로써 GaN의 피크와 사파이어 기판의 피크 간격은 점점 증가하여야 한다. 그러나, 도 2b와 같이 P형 GaN층을 성장시킬 때 In의 첨가량의 증가할수록 GaN의 피크와 사파이어 기판의 피크 간격은 점점 감소한다. 이러한 결과는 In의 첨가량이 증가하여도 InGaN층이 형성되지 않음을 나타내는 것이다. 통상 InGaN층은 비교적 저온(약 750 내지 800℃)에서 성장시키므로 본 발명에서와 같이 고온(약 1000℃ 이상)에서 GaN층을 성장시키는 경우에는 InGaN층이 형성되는 것이 아니라 단지 In이 첨가된 GaN층이 형성되는 것이다.

◎ 라만(Raman) 분석

도 3은 In 첨가 p형 GaN층의 라만(Raman) 분석 결과를 나타낸다. 도 3에 도시된 라만 분석 결과는 상기 도 2에 도시된 XRD 분석 결과와 같이 p형 GaN층의 결정성 향상 및 In 첨가에 따른 InGaN의 형성여부를 나타낸다.

먼저, 도 3의 곡선(31)과 같이 TMIn의 양을 달리 첨가하여 p형 GaN층을 성장시킨 후 라만 분석을 진행해 본 결과, TMIn의 양을 증가시킬수록 p형 GaN층의 반치폭은 점차 감소한 것으로 나타났다. In을 첨가하지 않은 p형 GaN층의 반폭치는 약 4.51cm^-1이었으나, p형 GaN층 성장시 TMIn을 30μmol/min으로 첨가한 경우에는 반폭치가 약 4.28cm^-1이었다. 이러한 결과는 상기 도 2a에 도시된 p형 GaN층의 XRD 분석 결과와 마찬가지로, p형 GaN층에 첨가된 In의 양이 증가할수록 p형 GaN층의 결정성이 향상됨을 나타낸다. 이는 첨가된 In이 도펀트로 사용된 Mg의 활성도를 증가시켜 p형 질화물 반도체층(GaN층)의 결함으로 작용하는 Mg의 양을 감소시킴으로써 p형 GaN층의 결정성을 향상시킨 것이다.

이어, 도 3의 곡선(32)과 같이 TMIn의 양을 달리 첨가하여 p형 GaN층을 성장시킨 후 라만 분석을 진행해 본 결과, TMIn의 양을 증가시킬수록 피크가 나타나는 위치가 점차 큰 값으로 이동하였다. 이는 상기 도 2b에 나타난 XRD 분석의 피크 간격 변화 결과와 마찬가지로, GaN의 피크의 위치가 점차 사파이어 기판의 피크의 위치와 가까워진다는 것을 의미한다. 다시 말하면, GaN의 피크 위치가 InGaN의 피크 위치와는 멀어짐을 나타내는 것으로 In의 첨가량이 증가하더라도 InGaN층이 생성되 지 않음을 알 수 있다. 전술한 XRD 분석 결과에서 설명하였듯이, 통상 InGaN층은 비교적 저온(약 750 내지 800℃)에서 성장시키므로 본 발명에서와 같이 고온(약 1000℃ 이상)에서 GaN층을 성장시키는 경우에는 InGaN층이 형성되는 것이 아니라 단지 In이 첨가된 GaN층이 형성되는 것이다. 또한, 피크의 위치에 따른 스트레스를 분석해본 결과, In이 첨가되지 않은 경우에는 0.99GPa을 나타내었으나, p형 GaN층 성장시 TMIn을 30μmol/min으로 첨가한 경우에는 스트레스가 1.22GPa로 증가하였다. 질화물 반도체층의 성장시 스트레스로 인한 결함이 발생함으로써 스트레스가 감소하게 되는데, 이와 같이 스트레스가 증가한 결과는 결정 성장시 결함이 감소한 것에 의한 것으로서, In을 첨가하여 성장된 p형 GaN은 결정성이 향상되었음을 알 수 있다.

◎ 캐리어 농도 분석

도 4는 In 첨가 p형 GaN층의 캐리어 농도 분석 결과를 나타낸다. 이 실험은 p형 GaN층을 성장시킬 때 첨가되는 TMIn의 양을 달리하여 소자를 제작하고 930℃에서 30초간 열처리를 한 이후 진행하였다. 도 4와 같이 첨가되는 TMIn의 양이 증가할수록 캐리어 농도는 증가한다. TMIn이 첨가되지 않는 경우 열처리를 수행하더라도 p형 GaN층의 캐리어 농도는 약 5×10¹⁷ 정도에 불과하였으나, TMIn의 양을 증가시킬수록 캐리어 농도가 증가하여 TMIn의 첨가비가 30μmol/min인 경우에는 약 9.0×10¹⁷으로 향상되었다.

p형 GaN층에 도핑된 Mg는 활성화 에너지가 높아 활성도가 떨어지며, 활성화되지 못한 Mg는 수소와 결합하여 결함으로 작용하기 때문에 소자의 특성에 여러 가지 악영향을 끼치게 된다. 본 실험에서 알 수 있듯이 p형 GaN층을 성장시킬 때 In을 첨가하면, Mg의 활성도가 높아져 캐리어로 동작하는 Mg의 양이 증가하고 이로 인해 발광소자의 동작 전압을 저하시킬 수 있게 된다. 더불어 동일한 도핑량에 대해서 캐리어 농도가 증가하게 되므로 결함으로 작용하게 되는 Mg의 양이 상대적으로 감소하게 되고, 이로 인해 p형 GaN층의 결함이 감소하고 결정성이 향상된다. 결정성 향상은 발광소자의 역전압 및 누설전류 특성을 향상시키고, p형 GaN층의 투과도를 증가시켜 소자의 발광효율 및 휘도를 개선시킬 수 있게 된다.

◎ 전류-전압 특성 분석

도 5는 종래의 In을 첨가하지 않은 질화물 반도체 발광소자와 본 발명의 In 첨가 p형 GaN층을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 전류-전압 특성을 비교한 그래프이다.

도 5a는 순방향 전류-전압 특성을 비교한 그래프로서, 도 5a와 같이 20mA의 전류가 흐를 때, In을 첨가하지 않은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 동작전압은 3.78V인 반면 In을 첨가한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 동작전압은 3.63V로 동작전압의 저하를 보였다. 이는 앞서 설명하였듯이, p형 GaN층을 성장시킬 때 In을 첨가함으로써 Mg의 활성도가 높아져 캐리어로 동작하는 Mg의 양이 증가하기 때문이다.

도 5b는 역방향 전류-전압 특성을 비교한 그래프로서, 도 5b와 같이 -10μA의 전류가 흐를 때, In을 첨가하지 않은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 전압은 -13.3V인 반면 In을 첨가한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 전압은 -15.1V를 보였다. 이는 소자의 항복전압이 증가함과 동시에 누설전류가 감소하였음을 나타내는 것이다. 이는 앞서 설명하였듯이, In의 첨가로 인해 도핑된 Mg의 캐리어 농도가 증가하게 되므로 결함으로 작용하게 되는 Mg의 양이 감소하게 되고, 이로 인해 p형 GaN층의 결함이 감소하고 결정성이 향상되었기 때문이다.

◎ p형 GaN층의 투과도 분석

도 6은 종래의 In을 첨가하지 않은 p형 GaN층의 투과도와 본 발명의 In 첨가 p형 GaN층의 투과도를 비교한 그래프이다. 도 6과 같이, 종래의 GaN층의 투과도(62)에 비해 In을 첨가한 p형 GaN층의 투과도(61)가 400 내지 550㎚의 전 발광영역에서 향상되었다. 이는 앞서 설명하였듯이, In의 첨가로 인해 p형 GaN층에 도핑된 Mg의 캐리어 농도가 향상됨으로써 상대적으로 결함으로 작용하는 활성화되지 못한 Mg의 수가 감소하고, 활성화되지 못한 Mg가 발생시키는 결함들에 의해 발생되는 광흡수 작용을 감소시킴으로써 p형 GaN층의 투과도가 증가된 것이다.

◎ 발광소자의 광출력 분석

도 7은 종래의 In을 첨가하지 않은 질화물 반도체 발광소자와 본 발명의 In 첨가 p형 GaN층을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 광출력 특성을 비교한 그래프이 다. 도 7과 같이, 종래의 질화물 반도체 발광소자의 광출력(72)에 비해 본 발명의 In을 첨가한 질화물 반도체 발광소자의 광출력(71)이 향상되었음을 알 수 있다. 이는 상기 도 6에서 알 수 있듯이 In의 첨가로 인해 비활성화된 도펀트 Mg에 의한 p형 GaN층의 결함이 감소함으로써 p형 GaN층의 투과도가 향상되었으며, 더불어 비활성화된 도펀트 Mg에 의한 p형 GaN층의 결함이 감소함으로써 p형 GaN층에서 전류의 확산이 개선됨으로써 보다 넓은 면적의 활성층에서 광이 생성될 수 있게 되어 발광효율이 개선되었기 때문이다. 즉, In 첨가를 통해 p형 GaN층의 결함이 감소함으로써, p형 GaN층의 투과도 및 p형 GaN층에서의 전류확산이 개선되었으며, 이로 인해 발광소자의 광출력이 증가하였다.

이상에서 설명한 실험 분석 결과에 나타난 바와 같이, p형 GaN층을 성장시킬 때 In을 첨가함으로써, p형 GaN층의 도펀트로 사용되는 Mg의 캐리어 농도를 증가시킬 수 있다. 캐리어로 사용되는 Mg의 양이 증가하기 때문에 발광소자의 동작전압을 낮출 수 있다.

또한, 활성화된 Mg의 양이 증가하면 p형 GaN층의 결함으로 작용하는 비활성화된 Mg의 양이 감소하게 되므로, p형 GaN층의 결정성을 향상시킬 수 있다. p형 GaN층의 결함감소 및 결정성 향상으로 인해 투과도가 개선되고 역전압 및 누설전류에 대한 특성이 향상되며 p형 GaN층에서의 전류확산이 개선된다. p형 GaN층의 투과도 및 누설전류 특성의 향상으로 인해 발광소자의 발광효율 및 방출되는 광의 휘도가 개선된다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, p형 질화물 반도체층을 성장시킬 때 In을 첨가함으로써 p형 질화물 반도체층의 도펀트로 사용되는 Mg의 캐리어 농도를 증가시킬 수 있다. 이로 인해, 캐리어로 사용되는 Mg의 양이 증가함으로써 발광소자의 동작전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 p형 질화물 반도체층의 결함으로 작용하는 비활성화된 Mg의 양이 감소하게 되므로 p형 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킴으로써, p형 질화물 반도체층의 투과도가 개선되고 역전압 및 누설전류에 대한 특성이 향상되며 p형 질화물 반도체층에서의 전류확산이 개선된다. 이로 인해 발광소자의 발광효율 및 방출되는 광의 휘도가 개선되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성되며 n형 도펀트로 도핑된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성되며, p형 도펀트로 도핑되고 In을 포함하는 p형 질화물 반도체층; 및

   상기 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
2. 제1항에 있어서,

   상기 p형 질화물 반도체층에 포함된 In의 양은 상기 p형 도펀트 도핑량 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 p형 도펀트는 Mg인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 질화물 반도체 물질은 AlGaN인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

Images