KR20060068856A

KR20060068856A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20060068856A
Application number: KR20040107781A
Authority: KR
Inventors: 김태윤
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-21
Also published as: KR101172059B1

Abstract

본 발명은 저 구동 전압과 고 발광 효율을 갖는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법은, p형 전극 접촉층으로 사용되는 p형 질화물 반도체층을 낮은 온도에서 성장시킴으로써 전류의 퍼짐현상을 강화시키고, 버퍼층으로는 GaN 버퍼층과 함께 InAlN 버퍼층을 사용함으로써 이종 기판 상에 형성되는 질화물 반도체의 결정성을 높여 주는 것에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 따라서 저 구동 전압과 고 발광 효율을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 제작을 가능하도록 하였다.

발광소자, 질화물 반도체, 버퍼층, 저온 성장

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride compound semiconductor LED and fabricating method thereof}

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 도면

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 도면

도 3은 질화물 반도체 발광소자의 버퍼층의 구성에 따른 광출력 특성을 도시한 도면

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200 : 기판 210 : 버퍼층

220 : un-GaN층 230 : n형 질화물 반도체층

240 : 활성층 250 : p형 질화물 반도체층

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 종래의 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 도면이다.

종래의 질화물 반도체 발광소자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어(Al₂O₃) 등으로 구성된 기판(100)과, 상기 사파이어 기판(100)상에 형성된 질화물 버퍼층(110)과, 상기 질화물 버퍼층(110) 위에 형성된 도핑원소를 포함하지 않은 un-GaN층(120)과, n형 질화물 반도체층(130)과, 상기 n형 질화물 반도체층(130)위에 InGaN/GaN으로 형성된 된 활성층(140)과, 상기 활성층(140)위에 형성된 p형 질화물 반도체층(150)으로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 질화물 반도체 발광소자의 동작과정을 살펴보면 다음과 같다.

P-N 접합구조상에서 상기 n형 질화물 반도체층(130)은 질화갈륨(GaN)에 규소(Si)와 같은 도펀트(dopant)를 도핑시켜 형성하며 n형 전극 접촉층으로 사용된다. 상기 p형 질화물 반도체층(150)은 질화갈륨(GaN)에 도펀트로는 주로 마그네슘(Mg)이 사용되고 p형 전극 접촉층으로 사용된다.

전압이 인가되는 경우 상기 활성층(140)으로 전자와 정공이 유입되어 활성층 (140)의 밴드갭 또는 에너지 레벨차이에 해당하는 빛을 방출하게 됨으로써 발광소자로써 역할을 하게 되는 것이다.

상기와 같이 구성되는 종래의 질화물 반도체 발광소자는 다음과 같은 문제점을 가지게 된다.

종래의 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 과정에서 p형 질화물 반도체층(150)은 일반적으로 성장시에 높은 온도에서 성장되며 낮은 전하 이동체의 농도를 갖게 된다. 그로 인하여 p형 질화물 반도체층(150)위에 전극 물질로서 증착된 Ni-Au와 높은 저항성을 가지며 또한 높은 동작 전압을 가지게 된다.

또한, 이종 물질을 기판으로 사용하는 LED(Light Emitting Diode) 웨이퍼 제작의 경우 사파이어 기판과 질화물(GaN) 박막 사이에 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인한 변형력이 발생되고, 그 힘은 우수한 결정성을 갖는 질화물 반도체 박막이 형성되기 위한 핵으로서의 역할에 결함으로 작용한다.

그러므로, 고효율 질화물 반도체 발광소자에서 격자 상수 및 열팽창 계수 차이가 있는 기판 상에 양질의 질화물 반도체 박막을 형성하기 위해서는 최적의 조건을 제공해 줄 수 있는 버퍼층의 형성이 필수적이다.

본 발명은 p형 전극 접촉층으로 사용되는 p형 질화물 반도체층을 낮은 온도에서 성장시킴으로써 전류의 퍼짐현상을 강화시키고, GaN 버퍼층과 함께 InAlN 버퍼층으로 된 초격자 구조의 버퍼층을 사용하여 이종 기판 상에 형성되는 질화물 반 도체의 결정성을 높여 줌으로써, 저 구동 전압과 고 발광 효율을 갖는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 버퍼층과, 상기 버퍼층 위에 형성된 제1 질화물 반도체층과, 상기 제1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층과, 상기 활성층 위에 저온 성장 조건으로 형성된 제2 질화물 반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로한다.

상기 버퍼층은 초격자 구조로 성장된 것을 특징으로 한다.

상기 초격자 구조의 버퍼층은 GaN/InAlN의 초격자 구조로 성장된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 기판 위에 버퍼층을 형성시키는 단계와, 상기 버퍼층 위에 제1 질화물 반도체층을 형성시키는 단계와, 상기 제1 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성시키는 단계와, 상기 활성층 위에 저온 성장 조건으로 제2 질화물 반도체층을 형성시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 저온 성장 조건으로 제2 질화물 반도체층을 형성시키는 단계는, 성장온도를 800 ℃ 이하에서 실시함을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 성장온도를 750 ~ 800 ℃ 로 유지시킨다.

상기 저온 성장 조건으로 제2 질화물 반도체층을 형성시키는 단계는, 분당 10cc 이하의 Mg를 첨가하여 저속 성장시키는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 초격자 구조 버퍼층을 사용함으로써 이종 기판상에 형성되는 질화물 반도체의 결정성이 높아지고, p형 질화물 반도체 층이 낮은 온도에서 성장됨으로써 p형 질화물 반도체 층을 통하여 발광되는 발광 효율이 증가되어 저구동 전압과 높은 발광 효율을 갖게 되는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 도면이고, 도 3은 질화물 반도체 발광소자의 버퍼층의 구성에 따른 광출력 특성을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판(200)과, 상기 기판(200) 위에 형성되는 초격자 구조의 버퍼층(210)과, 상기 초격자 구조의 버퍼층(210) 위에 형성되는 도핑원소를 포함하지 않은 un-GaN층(220)과, n형 질화물 반도체층(230)과, 상기 n형 질화물 반도체층(230) 위에 형성되는 활성층(240)과, 상기 활성층(240) 위에 형성되는 p형 질화물 반도체층(250)을 포함하여 구성된다.

상기 기판(200)으로는 실리콘, 사파이어(Al₂O₃) 기판 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등이 이용될 수 있다.

상기 버퍼층(210)은 GaN층(211)-InAlN층(212)-GaN층(213)-InAlN층(214)으로 구성되는 초격자 구조로 형성시키거나, GaN층(211)-InAlN층(212)-GaN층(213)-InAlN층(214)-GaN층(도면에 미도시)으로 구성되는 초격자 구조로 형성시킬 수 있다.

상기 버퍼층(210)은 질화물 반도체 박막을 형성하기 위한 온도 상승시 이종 물질과의 격자 부정합 및 열팽창에 의한 결정결함을 방지하기 위하여 GaN/In_xAl_1-xN(0≤x≤1)를 MOVCD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용하여 상기 기판(200) 위에 증착시켜 형성한다.

상기 버퍼층(210)은 일반적인 방법에 따라 500 ℃ 정도의 저온에서 성장되므로 완전한 단일 결정구조를 갖질 못하므로, 상기 버퍼층(210)과 나중에 형성될 n형 질화물 반도체층(230)사이의 격자 정합을 위해 상기 버퍼층(210) 위에 도핑원소를 포함하지 않은 un-GaN층(220)을 1000 ℃ 정도의 고온에서 성장시킨다.

상기 un-GaN층(220) 위에 n형 전극 접촉층으로 사용될 n형 질화물 반도체층(230)을 형성한다. 상기 n형 질화물 반도체층(230)은 일실시예로써 n-GaN층으로 형성된다. 상기 n형 질화물 반도체층(230)은 1050 ℃ 이상의 높은 온도에서 성장시킨다.

상기 n형 질화물 반도체층(230)은 상기 초격자 구조로 형성된 버퍼층(220)을 바탕으로 하여 상기 un-GaN층(220) 위에 형성시키거나 종래의 방법에 따른 버퍼층 위에 형성시킨 경우 모두 전자농도는 1 x 10¹⁷/㎤ 정도로 거의 유사한 수치를 나타낸다. 이로 보아서 상기 In_xAl_1-xN으로 구성되는 상기 버퍼층(210) 자체는 바탕전자 농도를 높이는 것에는 기여를 하지 않는 것을 알 수 있다.

버퍼층의 구성에 따라서 나타나는 광출력 특성을 도 3에 비교하여 나타내었다. 질화물 반도체 발광소자의 버퍼층의 구성에 따른 광출력 특성을 도시한 도면인 도 3에 나타나듯이, InAlN을 버퍼층으로 사용한 질화물 반도체(b)가 GaN 버퍼층을 사용한 질화물 반도체(a) 보다 밴드 에지(Band-edge)영역(360㎚ 영역)에서 높은 발광세기를 가지므로 더 우수한 결정성을 보여 주고 있다.

즉, 본 발명의 구성에 따른 질화물 반도체 발광소자에서 처럼 InAlN을 버퍼층으로 사용한 질화물 반도체층(b)이 GaN을 버퍼층으로 사용한 질화물 반도체층(a) 보다 결정성이 더 좋은 것을 알 수 있다.

상기 질화물 반도체층(230)의 형성 단계가 완료되면, 상기 질화물 반도체층(230)위에 원하는 파장 대역의 빛을 방출시키기 위한 활성층(240)을 형성시킨다. 상기 활성층(240)은 우물층/장벽층을 한 주기로 하는 In_xGa_1-xN/In_yGa _1-yN 구조의 단일 양자무물층(single quantum well) 또는 다중 양자무물층(multi quantum well)으로 형성될 수 있다.

상기 활성층(240)이 형성되고 나면, 상기 활성층(240)위에 p형 질화물 반도체층(250)을 저온 조건하에서 낮은 성장속도를 유지시켜 가면서 형성시킨다. 상기 p형 질화물 반도체층(250)은 일실시예로써 p-GaN층으로 형성된다.

기존의 p형 질화물 반도체층 형성과정의 경우, 성장 온도가 InGaN 활성층에 비해 매우 높아서 활성층 성장 후 p형 질화물 반도체층을 성장을 위해 p형 질화물 반도체층 성장 온도로 온도를 상승시키면, 활성층의 계면이 고온상태에서 불가피하게 노출됨으로써 활성층 계면이 손상되어 고성능의 소자를 제조하는데 문제점으로 작용하였다.

한편, 높은 성장 온도에서 p형 질화물 반도체층을 성장시키는 경우는 Mg의 농도를 분당 100cc 이상으로 유지시키게 되고, 이로 인한 Mg의 과다 도핑에 의해 결함 농도가 증가되는 것 또한 문제점으로 작용하게 된다.

상기 문제점을 방지하고자 본 발명에서는, 상기 p형 질화물 반도체층(250)의 성장 온도는 활성층의 성장 온도와 같거나 더욱 낮도록 800 ℃ 이하로 유지시킨다. 바람직하게는 상기 활성층의 성장 온도를 750 ~ 800 ℃ 사이에서 유지한다.

한편, 상기와 같은 낮은 온도에서 상기 p형 질화물 반도체층(250)을 형성시키는 경우 일반적으로 그 표면에는 깊이가 1000 Å 이상 되는 V자형 결함이 발생되어 활성층에까지 다다르게 된다. 이는 전압을 인가하였을 경우 소자내에 누설전류(Curren t Leakage)를 발생시키는 요인으로 작용하게 된다.

이를 방지하기 위하여, 상기와 같은 낮은 온도에서의 성장을 위해서는 동시에 성장 속도의 조정이 필요하게 된다. 이를 위해 장시간에 걸쳐서 분당 10cc 이하의 적은 양의 Mg를 첨가시키는 것과 함께 저 성장 비율(low growth rate), 최적 캐리어 가스 분위기(Optimum carrier gas ambient)를 조절하여 도핑 효율을 증가시키고 격자 품질을 향상시키도록 한다.

상기 과정에 따라서 V자형 결함이 감소되어 양질의 p-n 계면을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 적은 양의 Mg 투입에 의한 격자 품질 향상과 p형 질화물 반도체층 (250)에서의 정공 농도 증가에 따른 정공 주입 효율의 증가를 가져오게 된다.

상기 언급한 바와 같이, 낮은 온도에서 p형 질화물 반도체층 성장시 평균 거칠기가 증가하게 되며, 질소 가스를 사용하여 거칠기를 보다 크게한 표면을 성장시킬 수 있다. 이로 인해, p형 질화물 반도체층을 광이 통과할 경우 내부에서의 빛의 전반사가 감소되고 빛이 난반사를 일으키게 되므로 밴드갭에 해당되는 에너지를 갖는 빛이 보다 쉽게 방출될 수 있도록 한다.

따라서, 본 발명에서는 수소 가스 분위기보다는 질소 가스 분위기에서 상기 p형 질화물 반도체층(250)을 형성시키도록 한다. 이에 따라, 질소 가스 분위기의 조절에 의해 Mg-H의 수동화를 줄일 수 있는 효과도 얻을 수 있게 된다.

1000 ~ 1050 ℃ 의 높은 온도에서 성장된 p형 질화물 반도체층을 사용하는 종래의 질화물 반도체 발광소자는 p형 전극과 상기 p형 전극과의 접촉층으로 사용되는 p형 질화물 반도체층 사이에 작용하는 높은 저항에 의해 20 ㎃의 구동 전류에서 동작 전압은 높은 값을 보인다. 반면에, 본 발명에 따라 800 ℃ 이하의 낮은 온도에서 성장된 p형 질화물 반도체층을 사용하는 발광소자는 더욱 낮은 동작 전압을 나타내었다.

상기 제조과정을 통해 제조되는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 작용을 살펴본다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자가 P-N 접합구조로 사용될 때 상기 n형 질화물 반도체층(230)은 n형 전극 접촉층으로 사용되고, 상기 p형 질화물 반도체층(250)은 p형 전극 접촉층으로 사용된다.

전압이 인가되는 경우 상기 활성층(240)으로 전자와 정공이 유입되어 활성층(240)의 밴드갭 또는 에너지 레벨차이에 해당하는 빛을 방출하게 됨으로써 발광소자로써 역할을 하게 되는 것이다.

이때 발광소자 구조내부의 초 격자 구조로 형성된 버퍼층(220)에 의하여 온도 상승시에도 이종 물질과의 격자 부정합 및 열팽창에 의한 결정결함이 방지된다. 또한, p형 질화물 반도체층(250)의 정공 이동도가 종래에 비하여 증가되기 때문에 상기 활성층(240) 내로 유입된 전자와 정공의 발광 작용이 보다 활성화되고 상기 p형 질화물 반도체층(250)을 통과한 빛의 난반사에 따라 밴드 갭에 해당되는 에너지를 갖는 빛이 보다 쉽게 방출됨으로써 보다 우수한 광출력 특성을 나타내게 된다.

이상에서 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 상세히 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 기술적 사상의 기초를 벗어나지 않고 변경 및 수정을 하더라도 본 발명에 포함되는 것이며, 그러한 사실은 당업자에게 자명할 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 의하면, 먼저 버퍼층으로 GaN 버퍼층과 InAlN 버퍼층으로 된 슈퍼격자 구조 버퍼층을 사용함으로써 이종 기판상에 형성되는 질화물 반도체의 결정성을 높여 주어 질화물 반도체 발광소자가 저 구동 전압으로 동작이 가능토록 한다.

또한, p형 질화물 반도체 층이 낮은 온도에서 성장됨으로써 거칠기 및 결정 품질이 저하되는 반면에 Mg의 활성효율이 증가에 따른 이동체 들의 퍼짐현상이 보다 형상되어 정공의 농도가 증가되고, 표면의 거칠기로 인한 내부 반사율을 떨어뜨림으로써 p형 질화물 반도체 층을 통하여 발광되는 발광 효율이 증가된다.

Claims

기판 위에 형성되는 버퍼층과;

상기 버퍼층 위에 형성된 제1 질화물 반도체층과;

상기 제1 질화물 반도체층 위에 형성된 활성층과;

상기 활성층 위에 저온 성장 조건으로 형성된 제2 질화물 반도체층;

을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서, 상기 버퍼층은 초격자 구조로 형성됨을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서, 상기 버퍼층은 GaN/InGaN 초격자 구조로 형성됨을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
기판 위에 버퍼층을 형성시키는 단계와;

상기 버퍼층 위에 제1 질화물 반도체층을 형성시키는 단계와;

상기 제1 질화물 반도체층 위에 활성층을 형성시키는 단계와;

상기 활성층 위에 저온 성장 조건으로 제2 질화물 반도체층을 형성시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 저온 성장 조건으로 제2 질화물 반도체층을 형성시키는 단계는, 성장온도를 800 ℃ 이하에서 실시함을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 저온 성장 조건으로 제2 질화물 반도체층을 형성시키는 단계는, 분당 10cc 이하의 Mg를 첨가하여 저속 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.