KR20060034451A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자를 이루는 활성층의 결정성을 향상시키고, 광출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 복수의 AlInN층; 복수의 AlInN층 위에 형성된 In-doped 질화물 반도체층; In-doped 질화물 반도체층 위에 형성된 제 1 전극 접촉층; 제 1 전극 접촉층 위에 형성된 활성층; 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층; 을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 예는, InGaN/InGaN 초격자 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InGaN/AlGaN 초격자 구조, InGaN/AlInGaN 초격자 구조 중에서 선택된 하나의 초격자층; 초격자층 위에 형성된 In-doped 질화물 반도체층; In-doped 질화물 반도체층 위에 형성된 제 1 전극 접촉층; 제 1 전극 접촉층 위에 형성된 활성층; 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층; 을 포함한다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride semiconductor LED and fabrication method thereof}
도 1은 종래 기술에 의한 질화물 반도체 발광소자의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3a 및 도 3b는 종래 기술에 의하여 성장된 질화물 반도체의 AFM 표면사진.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법에 의하여 성장된 질화물 반도체의 AFM 표면사진.
도 5는 종래 기술 및 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법에 의하여 성장된 질화물 반도체의 XRD 특성을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 2 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 형성되는 슈퍼 오버랩드(super overlapped) 질화물 반도체 구조를 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21... 기판 23... 버퍼층
25... 제 1 AlInN층 27... 제 2 AlInN층
29... In-doped GaN층 31... n-GaN층
33... 활성층 35... p-GaN층
37... 슈퍼 그레이딩 n-InGaN층 61... InGaN층
63... n-InGaN층
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 GaN계 질화물 반도체는 그 응용 분야에 있어서 청색/녹색 LED(Light Emitting Diode)의 광소자 및 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistors) 등의 고속 스위칭, 고출력 소자인 전자소자에 응용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 질화물 반도체 발광소자의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이와 같은 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 저온의 성장 온도에서 기판(사파이어 기판 또는 SiC 기판)(11) 위에 다결정 박막을 버퍼층(buffer layer)(13)으로 성장시킨다. 이후 고온에서 상기 버퍼층(13) 위에 n-GaN층(15)을 형성한다. 또한, 상부에 마그네슘(Mg)이 도핑된 p-GaN층(19)을 형성하여 질화물 반도체 발광소자가 제조된다. 그리고, 빛을 발광하는 활성층(단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조)(17)은 상기 n-GaN층(15)과 p-GaN층(19) 사이에 샌드위치 구조로 형성된다.
상기 p-GaN층(19)은 결정성장 중에 마그네슘(Mg) 원자를 도핑하여 형성하는데, 결정성장 중에 도핑원으로 주입된 Mg 원자가 Ga 위치로 치환되어 p-GaN층(19)으로 작용하여야 하는데, 캐리어 가스 및 소스에서 분해된 수소 가스와 결합하여 GaN 결정층에서 Mg-H 복합체를 형성하여 10㏁ 정도의 고저항체가 된다.
따라서, pn 접합 발광소자를 형성한 후, Mg-H 복합체를 끊어서 Mg 원자를 Ga 자리로 치환시키기 위한 후속의 활성화 공정이 요구된다. 그러나 상기 발광소자는 활성화 공정에서 발광에 기여하는 캐리어로 작용하는 양은 1017/㎤ 정도로, 1019/㎤ 이상의 Mg 원자 농도(atomic concentration) 보다 매우 낮아서 저항성 접촉 형성이 어려운 단점이 있다.
이를 개선하기 위하여 매우 얇은 투과성 저항성 금속물질을 사용하여 접촉 저항을 낮추어 전류 주입 효율을 증가시키는 방안이 이용되고 있다. 그런데, 접촉저항을 감소시키기 위해서 사용된 얇은 투과성 저항성 금속은 일반적으로 광투과도가 75~80% 정도이며, 그 외에는 손실로 작용한다. 또한, 내부양자효율을 증가시키기 위해 발광소자의 설계 및 활성층(17)과 p-GaN층(19)의 결정성을 향상시키지 않고 질화물 반도체의 결정성장 자체에서 광출력을 향상시키는 것은 한계가 있다.
한편, 종래 기술에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의하면, 사파이어 기판과 GaN 질화물 반도체와의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 의해서 발 생하는 결정결함을 최소화시키기 위해서 다음과 같은 제조공정을 통하여 제조된다.
먼저, 저온에서 비정질의 결정상을 갖는 GaN 또는 AlN계 질화물을 삽입/적용하여 고온에서 성장되는 n-GaN(Si)계 질화물 반도체의 결정성을 향상시킨다. 그리고, 다시 성장온도를 낮추어 활성층을 형성하고, 성장온도를 다시 증가시켜 Mg이 도핑된 p-GaN 질화물 반도체를 형성하여 pn-접합 구조의 질화물 반도체 발광소자를 제작한다. 여기서, 상기 발광소자의 제 1 전극 접촉층으로 n-GaN 질화물 반도체가 사용되며, 제 2 전극 접촉층으로 p-GaN 질화물 반도체로 구성된 p-/n-접합 발광소자로 구성된다. 그리고 상기 제 2 전극 접촉층의 도핑 형태에 따라 상부에 형성되는 투명전극의 구성 물질이 제한된다. 종래의 투명전극을 이루는 물질로는, 높은 저항성분을 갖는 p-GaN 질화물 반도체와의 접촉저항을 감소시키고 전류퍼짐(current spreading)을 향상시키기 위해 Ni/Au 합금 형태의 얇은 투과성 저항성 금속이 사용된다.
또한, 종래의 pn-접합 발광소자 제조방법에서는 사파이어 기판과 GaN 질화물반도체와의 격자상수 및 열팽창계수의 차이에 의해서 발생하는 결정결함을 억제시키기 위해서 저온의 GaN계 또는 AlN계의 버퍼층을 적용하여 ~10-8/㎤ 정도의 결정 결함밀도를 갖는 GaN 질화물 반도체를 얻을 수 있었다. 그러나 발광소자의 발광출력 및 ESD(electro-static discharge) 등과 같은 신뢰성을 향상시키기 위해서는 보다 낮은 결정결함을 갖는 GaN 질화물 반도체 성장이 요구되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 절연막 또는 고융점의 금속을 이용한 'lateral overgrowth' 또는 'pendeo-growth' 방법 등 여러 가지 성장기법이 적용되어 최소 ~10-7/㎤ 까지 감소시켰지만 제조방법에서 요구되는 복잡성의 문제를 가지고 있으며, GaN 기판을 적용하여 효과적으로 결정결함을 억제시킬 수 있으나 아직까지 기술적으로 가격, 대량생산에 적용되기 까지는 계속적인 기술적 발전이 요구되고 있다.
종래의 기술에 의한 질화물 반도체 발광소자 제조방법에서, 저온에서 비정질의 GaN계 또는 AlN계 버퍼층을 적용한 경우, 고온에서 재결정화시키면 'poly-like' 결정상을 형성하여 초기 GaN계 질화물 반도체의 표면상태가 매우 거칠고, 평탄도 또한 좋지 않았지만 성장이 계속될 수록 수직적 성장이 우선하다가, 점차 2차원적 성장이 우선되면서 양질의 질화물 반도체를 얻을 수 있게 된다. 이때, 성장 초기의 수직적 성장 과정에서 즉, GaN 섬(island)과의 융합의 경계면에서 결정결함이 형성된다. 결정결함의 형태는 발광소자 표면까지 전파되는 'threading dislocation'과 'screw dislocation', 'line dislocation', 'point defect', 또는 'mixture' 등 다양한 형태로 형성되어 소자의 신뢰성에 상당한 영향을 미치게 된다. 특히, 'threading dislocation'은 사파이어 기판에서 발광소자의 표면까지 전파되는데, 이 과정에서 빛을 방출하는 활성층을 투과하므로써 향후, 누설 전류 등의 전류통로(current path)가 되어 ESD 등과 같은 고전압이 순간적으로 인가될 때, 활성층이 파괴되거나 광출력 저하 같은 신뢰성에 막대한 영향을 미치는 근본적인 원인을 제공한다.
따라서 발광소자의 광출력 및 신뢰성을 효과적으로 향상시키기 위해서는, 근본적으로 기판으로부터 전파되는 결정결함을 최소화시킬 수 있는 결정성장 방법이 필연적으로 요구된다.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자를 이루는 활성층의 결정성을 향상시키고, 광출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 복수의 AlInN층; 상기 복수의 AlInN층 위에 형성된 In-doped 질화물 반도체층; 상기 In-doped 질화물 반도체층 위에 형성된 제 1 전극 접촉층; 상기 제 1 전극 접촉층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층; 을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 예는, InGaN/InGaN 초격자 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InGaN/AlGaN 초격자 구조, InGaN/AlInGaN 초격자 구조 중에서 선택된 하나의 초격자층; 상기 초격자층 위에 형성된 In-doped 질화물 반도체층; 상기 In-doped 질화물 반도체층 위에 형성된 제 1 전극 접촉층; 상기 제 1 전극 접촉층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층; 을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소 자 제조방법은, 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 위에 복수의 AlInN층을 형성하는 단계; 상기 복수의 AlInN층 위에 In-doped 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 In-doped 질화물 반도체층 위에 제 1 전극 접촉층을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 접촉층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 위에, InGaN/InGaN 초격자 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InGaN/AlGaN 초격자 구조, InGaN/AlInGaN 초격자 구조 중에서 선택된 하나의 초격자층을 형성하는 단계; 상기 초격자층 위에 In-doped 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 In-doped 질화물 반도체층 위에 제 1 전극 접촉층을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 접촉층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 질화물 반도체 발광소자를 이루는 활성층의 결정성을 향상시키고, 광출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(21)과, 상기 기판(21) 위에 형성된 버퍼층(23)을 포함하여 구성된 다. 여기서, 상기 기판(21)은 사파이어 기판 또는 SiC 기판 등이 이용될 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(23)은 AlInN/GaN/AlInN/GaN 적층구조 또는 AlxInyGa1-x-yN/In zGa1-zN/GaN 적층구조로 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 상기 버퍼층(23) 위에 복수의 AlInN층이 형성되는데, 도 2에서는 하나의 예로서 제 1 AlInN층(25)과 제 2 AlInN층(27)이 형성된 경우를 도시하였다. 부연하여 그 제조방법을 설명하면, 본 발명에서는 상기 기판(21) 위에 저온의 성장온도에서 AlInN계 버퍼층(23)을 성장시키고, 상기 비정질의 AlInN계 버퍼층(23)을 고온의 성장온도에서 재 결정화시켰으며, 성장온도를 낮추고 다시 단계별 성장온도를 증가시켜가면서 제 1 AlInN층(25)과 제 2 AlInN층(27)을 성장시켰다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 상기 제 2 AlInN층(27) 위에 형성된 In-doped GaN층(29)과, 상기 In-doped GaN층(29) 위에 형성된 제 1 전극 접촉층을 포함하여 형성된다. 도 2에서는 제 1 전극 접촉층의 한 예로서 n-GaN층(31)을 도시하였다. 부연하여 그 제조방법에 대하여 설명하면, 성장온도를 다시 증가시켜 인듐(Indium) 도핑된 In-doped GaN층(29)을 성장시켰으며, 상기 제 1전극 접촉층인 n-GaN층(31)으로서 실리콘-인듐(Si-In) 원소가 동시 도핑된 질화물 반도체층을 성장시켰다.
그리고, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 상기 제 1 전극 접촉층인 n-GaN층(31) 위에 형성된 활성층(33)과, 상기 활성층(33) 위에 형성된 p-GaN층(35) 을 포함하여 구성된다. 여기서, 원하는 파장 대역의 빛을 방출하는 상기 활성층(33)은 우물층/장벽층을 한 주기로 하는 InxGa1-xN/InyGa1-yN 구조의 단일양자우물층(single quantum well) 또는 다중양자우물층(multi quantum well)으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 p-GaN층(35)은 성장온도를 증가시켜 성장시키게 된다.
이후, 상기 p-GaN층(35) 상부에는 제 2 전극 접촉층을 형성시켰으며, 도 2에서는 하나의 예로서 인듐 함량이 순차적으로 제어하여 에너지 밴드갭이 조절된 구조를 갖는 슈퍼 그레이딩(super grading) n-InxGa1-xN층(37)을 성장시켰다.
한편, 이와 같은 구성을 갖는 npn-접합 발광소자의 제 2 전극 접촉층에는 전원을 인가하기 위한 투명전극이 형성된다. 이러한 투명전극의 물질은 형성되는 GaN계 질화물 반도체의 도핑상 또는 에너지 밴드갭 차이에 의해서 결정되는데, 상기 발광소자는 전류 주입 효과를 증가시키기 위해서 인듐 함량을 선형적으로 변화시겨 에너지 밴드갭을 제어한 슈퍼 그레이딩 구조이므로 다음과 같은 물질들이 선택될 수 있다.
즉, 상기 투명전극으로는 ITO(In-SnO), IZO(In-ZnO), ZGO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx을 포함하는 투과성 금속 산화물 또는 Ni 금속을 포함하는 Au 합금층의 투과성 저항성 금속 중에서 선택되어 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 질화물 반도체 발광소자는 기존의 질화물 반도체 발광소자보다 광 출력을 30~50% 이상 향상시킬 수 있으며, 신뢰성 또한 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
그러면, 본 발명에서 제시하는 질화물 반도체 발광소자의 특성에 대하여 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
상기에서 설명된 바와 같이, 본원 발명에서는 기존의 저온 버퍼층(23)과 고온의 GaN계 질화물 반도체층(29)(31) 사이에 단계별로 성장온도를 변화시켜 제 1 AlInN층(25), 제 2 AlInN층(27)을 형성시켰다. 이에 따라, GaN계 질화물 반도체층(29)(31)에 결정결함이 발생되는 것을 효과적으로 억제함으로써 발광소자의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
기존의 버퍼층은 GaN계 질화물 반도체를 성장시키기 위해서 고온의 성장온도에서 재 결정화를 수행하여 비정질의 결정상에서 폴리(poly) 결정상으로 상 변이가 이루어진다. 이러한 상 변이가 진행된 버퍼층 위에 성장되는 GaN계 질화물 반도체는 섬(island) 간의 융합과정을 통해서 결정성장이 이루어지는데, 이때 버퍼층의 성장온도에 따른 두께에 따라 고온의 재결정화 과정에서 그 상 변이 형태가 변화되어 표면의 스트레인(strain) 및 평탄도의 차이에 의해서 GaN계 질화물 반도체의 초기 성장 모드(mode)를 결정하게 된다. GaN계 질화물 반도체의 초기 성장 모드에서는 섬(island) 간의 융합과정에서 수직적 성장 모드가 우선하게 되며, 두께가 증가될 수록 전체적으로 수평적 성장 모드가 우선하게 된다.
여기서, 초기 섬(island) 간의 융합 과정에서 수직적 성장 모드 형태가 우선하는데, 이때 융합과정의 경계(boundary)에서 'threading dislocation'가 같은 결정결함이 형성되며, 이는 활성층을 투과하여 발광소자의 표면까지 진행된다. 이러 한 초기 결정결함을 효과적으로 억제 및 감소시키기 위해서, 본 발명은 버퍼층을 고온에서 재결정화시킨 후, 버퍼층보다 높은 성장온도에서 성장온도의 변화를 선형적으로 변화시켜가면서 AlInN 질화물 반도체를 성장시켰다. 이에 따라, 평탄도 및 거친 폴리(poly) 결정상을 가진 버퍼층의 표면을 개선할 수 있게 되며, 'tensile strain'를 받는 GaN계 질화물 반도체의 스트레스(stress)를 억제하여 양질의 결정상을 갖는 GaN계 질화물 반도체 발광소자를 성장시킬 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 특성을 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b를 참조하여 살펴 보기로 한다. 도 3a 및 도 3b는 종래 기술에 의하여 성장된 질화물 반도체의 AFM 표면사진이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 질화물 반도체 제조방법에 의하여 성장된 질화물 반도체의 AFM 표면사진이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 질화물 반도체는, 상기에서 설명된 제조방법을 적용하여 성장된 것이며, 사파이어 기판 위에 AlInN/GaN/AlInN/GaN 버퍼층 상부에 성장온도를 단계별로 변화시켜 적용한 제 1 AlInN층, 제 2 AlInN층을 형성하였으며, 상기 결과물 위에 In-doped GaN층을 성장시킨 경우를 나타낸 것이다. 그리고, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b 각각에 표기된 바와 같이, AFM 표면 분석은 각각 1㎛ x 1㎛, 5㎛ x 5㎛ 범위에서 실시하였다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 종래 제조방법에 의하여 성장된 GaN 질화물 반도체 표면은 여러 가지 'dislocation' 결함과 'pit'들에 의해서 나뉘어진 테라스(terrace) 형태를 갖는다. 또한, 종래 제조방법에 의하여 성장된 GaN 질화물 반도체는 흑점(dark spot)에서 보듯이 스크류(screw) 결함을 갖는 'threading dislocation'에 의해서 성장이 끝나는 것을 알 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 질화물 반도체 제조방법에 의하여 성장된 질화물 반도체는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 'dislocation' 및 'pit'와 같은 결정결함이 종래기술에 비해 크게 줄어들고 균일한 테라스(terrace) 형태를 갖는 질화물 반도체로 성장되었음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 제조방법에 의하여 성장된 질화물 반도체의 표면 평탄도는 1.8Å 정도로서, 기존 방식에 의하여 성장된 질화물 반도체의 표면 평탄도인 2.7Å에 비하여 많이 향상되었음을 확인할 수 있었다. 그리고 본 발명에 따른 질화물 반도체 제조방법에 의하여 성장된 질화물 반도체의 전기적 특성은 상온에서 기존의 250㎠/Vsec에서 500㎠/Vsec 로 2배 이상 증가하였다. 이러한 전기적 특성의 향상은 AFM 표면 분석과 일치하는 특성으로서, 성장 온도의 단계별 변화에 따라 성장된 AlInN층이 결정결함의 형성을 효과적으로 억제하였음을 확인할 수 있다.
또한, 도 5는 상기 AFM 표면 분석이 수행된 질화물 반도체에 대한 결정성 비교를 위해 수행한 DC-XRD 결과를 나타낸 것이다. 여기서 (a)로 표기된 것이 본 발명에 따른 질화물 반도체에 대한 분석결과이며, (b)로 표기된 것이 종래기술에 의한 질화물 반도체에 대한 분석결과이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 복수의 AlInN층이 형성된 질화물 반도체가, (0002) 방향에서 190arcsec로 250arcsec를 갖는 기존의 방식보다 매우 우수한 2배 이상의 결정성을 갖으며, 이는 상기에서 제시한 AFM 표면 및 전기적 특 성과 정확하게 일치한다.
그리고, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 있어, 단일양자우물 구조를 갖는 ITO 전극/npn-접합 발광소자의 전기적 특성은(at 20㎃), 적분구를 이용하여 패키지를 하지 않은 Blue LED chip die에서의 광 출력은 6.3㎽, 동작전압은 3.1V, 중심파장은 460㎚으로 측정된 바와 같이 매우 우수한 특성을 가짐을 알 수 있었다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예로서, 제 1 AlInN층과 제 2 AlInN층의 스트레인(strain)을 보다 효과적으로 제어하기 위해서, 제 2 AlInN층을 선형적으로 램프 업(ramp-up) 성장시킬 수도 있다. 이에 따라, 성장 온도가 증가하는 동안 인듐(Indium) 조성이 선형적으로 감소되고, 결정성이 우수한 AlN층의 성장 모드로 변화된다. 이러한 AlN 질화물 반도체는 표면 거칠기 및 평탄도가 우수하여 GaN 질화물 반도체의 초기 섬(island) 간의 융합에 의한 수직적 성장 보다는 수평적 성장이 우선하게 되는 장점이 있다. 따라서, 전체적으로 수평적 성장이 우세한 결정성장 모드로 변화되어 결정 결함을 효과적으로 억제시켜 고품질의 GaN 질화물 반도체를 성장시킬 수 있게 된다.
그리고, 도 6은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 2 실시 예의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 질화물 반도체 발광소자는 도 2에 도시된 질화물 반도체 발광소자에 비하여 InGaN층(61)과 n-InGaN층(63)을 더 포함하여 구성되는 데 그 특징이 있다.
상기 InGaN층(61)은 제 2 AlInN층(27)과 In-doped GaN층(29) 사이에 마련되 며, 상기 n-InGaN층(63)은 n-GaN층(31)과 활성층(33) 사이에 마련된다. 여기서, 상기 n-InGaN층(63)은 인듐 함량이 낮은 low-mole InxGa1-xN 층으로서 상기 활성층(33)의 내부양자효율(internal quantum efficiency)을 증가시키기 위해서 형성된 것이다.
한편, 도 2 및 도 6에 도시된 질화물 반도체 발광소자는, 버퍼층(23) 위에 복수의 AlInN층(25)(27)이 형성된 경우를 나타낸 것이다.
그러나, 또 다른 연구 결과에 의하면, 상기 버퍼층(23) 상에 복수의 AlInN층(25)(27)을 형성하지 않고, 상기 버퍼층(23) 상에 초격자 구조의 질화물 반도체를 성장시킨 발광소자의 경우에도 특성이 많이 향상됨을 알 수 있었다.
여기서, 상기 버퍼층(23) 위에 형성되는 초격자 구조의 질화물 반도체로는 InGaN/InGaN 초격자 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InGaN/AlGaN 초격자 구조, InGaN/AlInGaN 초격자 구조 중에서 선택되어 형성될 수 있다.
또한, 도 2 및 도 6에 도시된 질화물 반도체 발광소자는, 투명전극이 형성되어 전원이 인가되는 제 2 전극 접촉층으로서 인듐 함량이 순차적으로 제어되어 밴드갭이 조절된 슈퍼 그레이딩 n-InGaN층(37)이 채용된 경우에 대하여 나타낸 것이다.
그러나, 제 2 전극 접촉층으로는, 슈퍼 오버랩드(super overlapped) 구조의 p-GaN층이 형성되도록 할 수도 있다. 여기서, 슈퍼 오버랩드 구조의 p-GaN층(SOV p-GaN층)이란, 도 7에 나타낸 바와 같이, 도핑 농도 변화에 의하여 형성된 초격자 구조를 갖는 p-GaN층을 말하는 것이다. 도 7은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 형성되는 슈퍼 오버랩드 질화물 반도체 구조를 설명하기 위한 도면이다.
여기서, 도면부호 71은 낮은 도핑 농도를 갖는 p-GaN층의 밴드 갭을 나타낸 것이며, 도면부호 73은 높은 도핑 농도를 갖는 p-GaN층의 밴드 갭을 나타낸 것이다. 즉, 슈퍼 오버랩드 p-GaN층이란, 낮은 도핑 농도를 갖는 p-GaN층/높은 도핑 농도를 갖는 p-GaN층의 초격자 구조로 형성된 층을 말한다. 이에 따라, 캐리어의 집중도가 증가될 수 있게 되며, 이러한 SOV p-GaN층 상에 ITO, IZO 등의 투명전극을 적용할 수 있게 되는 것이다. 이때 하나의 예로서, 낮은 농도를 갖는 p-GaN의 Cp2Mg 플로우는 0 ≤X ≤1000 μmol의 조건에서, 높은 농도를 갖는 p-GaN의 Cp2Mg 플로우는 50 ≤X ≤10000 μmol의 조건에서 성장시킬 수 있다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 질화물 반도체 발광소자를 이루는 활성층의 결정성을 향상시키고, 광출력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, ITO/n-InGaN층/p-GaN층/(InGaN/InGaN)SQW층/n+-GaN(Si-In)층/GaN(In)층/(제 2 AlInN층/제 1 AlInN층)/(GaN/AlInN/GaN/AIInN)버퍼층/사파이어 기판 구조를 갖는 단일양자우물 발광소자의 광출력은 20㎃(460㎚)에서, 6.3㎽, 동작전압(VF) 3.1V의 전기적 성능 구현이 가능하고, ESD(human body mode) 값은 최소 -1KV로 2 인치 사파이어 기판 전체에서 90% 이상을 구현할 수 있다. 여기 서, 상기 측정 값들은 blue LED chip die 이며 광출력은 적분구를 이용하여 측정된 값들이다.

Claims (23)

  1. 복수의 AlInN층;
    상기 복수의 AlInN층 위에 형성된 In-doped 질화물 반도체층;
    상기 In-doped 질화물 반도체층 위에 형성된 제 1 전극 접촉층;
    상기 제 1 전극 접촉층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. InGaN/InGaN 초격자 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InGaN/AlGaN 초격자 구조, InGaN/AlInGaN 초격자 구조 중에서 선택된 하나의 초격자층;
    상기 초격자층 위에 형성된 In-doped 질화물 반도체층;
    상기 In-doped 질화물 반도체층 위에 형성된 제 1 전극 접촉층;
    상기 제 1 전극 접촉층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 AlInN층 또는 상기 초격자층 아래에, AlInN/GaN/AlInN/GaN의 적 층구조 또는 AlxInyGa1-x-yN/InzGa1-zN/GaN의 적층구조로 형성된 버퍼층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 In-doped 질화물 반도체층 하부에는 In 함유 질화물 반도체층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 AlInN층을 이루는 각 층은 서로 상이한 온도에서 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 AlInN층을 이루는 각 층은 단계별로 성장온도가 가변되어 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 AlInN층을 이루는 각 층은 선형적으로 인듐 조성이 감소되도록 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 AlInN층을 이루는 각 층은 선형적으로 인듐 조성이 감소되도록 성장되며, 최상부층은 AlN층으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전극 접촉층 상부에 n-InGaN층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전극 접촉층은 n형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전극 접촉층은 실리콘과 인듐이 동시 도핑된 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층 위에 제 2 전극 접촉층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2 전극 접촉층은 인듐 함량이 순차적으로 변화된 슈퍼 그레이딩 구조의 n형 질화물 반도체층 또는 도핑 농도의 차이에 의한 초격자 구조를 갖는 슈퍼 오버렙드 구조의 p형 GaN계층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2 전극 접촉층 위에 전극층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 전극층은 ITO(In-SnO), IZO(In-ZnO), ZGO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx을 포함하는 투과성 산화물 또는 Ni 금속을 포함하는 Au 합금층의 투과성 금속 중에서 선택되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  16. 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 위에 복수의 AlInN층을 형성하는 단계;
    상기 복수의 AlInN층 위에 In-doped 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 In-doped 질화물 반도체층 위에 제 1 전극 접촉층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 접촉층 위에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 위에, InGaN/InGaN 초격자 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InGaN/AlGaN 초격자 구조, InGaN/AlInGaN 초격자 구조 중에서 선택된 하나의 초격자층을 형성하는 단계;
    상기 초격자층 위에 In-doped 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 In-doped 질화물 반도체층 위에 제 1 전극 접촉층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 접촉층 위에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서
    상기 버퍼층은 AlInN/GaN/AlInN/GaN의 적층구조 또는 AlxInyGa1-x-yN/In zGa1-zN/GaN의 적층구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 복수의 AlInN층을 이루는 각 층은 단계별로 성장온도가 가변되어 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 복수의 AlInN층을 이루는 각 층은 선형적으로 인듐 조성이 감소되도록 성장되며, 최상부층은 AlN층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  21. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층 위에 제 2 전극 접촉층이 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제 2 전극 접촉층은 인듐 함량이 순차적으로 변화되는 슈퍼 그레이딩 구조의 n형 질화물 반도체층 또는 도핑 농도의 차이에 의한 초격자 구조를 갖는 슈퍼 오버렙드 구조의 p형 GaN계층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 제 2 전극 접촉층 위에, ITO(In-SnO), IZO(In-ZnO), ZGO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx을 포함하는 투과성 산화물 또는 Ni 금속을 포함하는 Au 합금층의 투과성 금속 중에서 선택되어 전극층이 형성되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
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