KR20060115762A - 질화 갈륨계 화합물 반도체 다층 구조 및 그 제조방법 - Google Patents
질화 갈륨계 화합물 반도체 다층 구조 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 목적은 충분한 발광 출력이 유지되면서, 낮은 전압에서 구동되는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자를 제조하는데 유용한 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조는 기판; 및 상기 기판 상에 형성된 n형층, 활성층 및 p형층을 포함하고, 상기 활성층은 상기 n형층 및 상기 p형층 사이에 끼워져 있으며, 후박부 및 박막부를 포함하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조에 있어서, 상기 활성층은 평평한 하면(기판측) 및 불균일한 상면을 가져 후막부 및 박막부를 형성한다.
Description
본 발명은 청색광 또는 녹색광에 대해 자외선을 발하는 고전력 발광 소자를 제조하는데 유용한 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조에 관한 것이고, 또한, 상기 반도체 다층 구조의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 단파장의 광을 발하는 발광 소자를 제조하기 위한 재료로서 질화 갈륨 화합물 반도체가 주목되고 있다. 일반적으로, 질화 갈륨 화합물 반도체는 사파이어 단결정 등의 산화물 결정, 탄화 규소 결정, 또는 III-V 족 화합물 단결정으로 이루어지는 기판 상에, 금속유기 화학기상 증착법(MOCVD; metal-organic chemical vapor deposition), 분자빔 에피택시(MBE) 또는 수소화물 기상 에피택시(HVPE) 등의 방법에 의해 성장된다.
현재, 본 공업에서 가장 널리 사용되는 결정 성장법은 사파이어, SiC, GaN 또는 AlN 등의 기판 상에 금속유기 화학기상 증착법(MOCVD)에 의해 반도체 결정을 성장시키는 것이 포함된다. 구체적으로는, 약 700℃~약 1,200℃에서 III족 유기금속 화합물 및 V족 원료 가스를 사용하여 반응관에 위치된 상기 기판 상에 n형층, 활성층 및 p형층을 성장시킨다.
상기 층의 성장 후, 상기 기판 또는 n형층 상에 음극이 형성되고, 상기 p형층 상에 양극이 형성되어 발광 소자가 제작된다.
종래, 이러한 활성층은 발광 파장을 조정하기 위해서, 조성이 제어된 InGsN으로부터 형성된다. 상기 활성층은 InGaN 보다 밴드갭(bandgap)이 큰 층으로 끼워져 있어 이중 헤테로 구조를 형성하거나, 또는 양자 우물 효과(quantum well effect)를 기초로 다중 양자 우물 구조(multiple quantum well structure)로 조합된다.
다중 양자 우물 구조에 포함된 활성종을 갖는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광소자에 있어서, 우물층의 두께가 20~30Å로 조정되는 경우, 충분한 출력이 달성되지만, 높은 구동 전압이 요구되어 문제가 된다. 한편, 우물층의 두께가 20Å이하이면, 구동 전압은 낮지만, 출력이 불충분하다.
또한, 후술하는 바와 같이, 도트 패턴의 형상으로 활성층이 형성되는 양자 도트 구조가 제안되어 있다.
예컨대, 일본특허출원공개 평10-79501호 및 동11-354839호에는 양자 도트 구조의 활성층을 갖는 발광 소자가 기재되어 있다. 상기 양자 도트 구조는 항계면활성제(anti-surfactant) 효과에 의해 형성된다. 그러나, 상기 제안된 양자 도트 구조는 문제가 있다. 즉, 도트(발광 도트)의 총면적이 전류가 흐르는 면적에 대하여 매우 적으므로, 각각의 발광 도트의 발광 효율이 향상되더라도 입력 전류에 대한 전체적인 발광 출력은 낮아진다. 이들 특허문헌은 도트로 덮여 있는 면적을 규정하 지 않는다. 그러나, 본 명세서에 기재된 바람직한 도트 밀도 및 도트 사이즈로부터 산출되는 바와 같이, 도트로 덮여 있지 않은 면적이 도트로 덮여 있는 면적보다 상당히 크다.
또한, 발광 도트 보다 큰 면적을 갖는 발광 박스를 포함한 양자 박스 구조가 제안되어 있다.
예컨대, 일본특허공개 제2001-68733호에는 우물층을 승화시키기 위해, 수소 중에서 형성된 양자 우물 구조를 어닐링함으로써 형성된 In 함유 양자 박스 구조가 기재되어 있다. 각각의 발광 박스의 치수는 이하와 같은 것이 바람직하다: 0.5nm≤높이≤50nm 및 0.5≤폭≤200nm이고, 실시예에 있어서, 발광 박스(높이:6nm, 폭:40nm)가 제작된다. 상기 발광 박스 밀도는 규정되어 있지 않지만, 첨부된 도면에 나타낸 바와 같이, 발광 박스로 덮여 있지 않은 면적이 발광 박스로 덮여 있는 면적과 동등하거나 또는 그 보다 크다.
간단히 말하면, 상기 기술에 기초한 각각의 구조는 양자 도트 또는 박스가 형성되어 있지 않은 면적에 있어서, 양자 도트 또는 양자 박스를 포함하지 않는다. 또한, 양자 박스 또는 도트로 덮여 있는 면적이 매우 작고, 반대로, 양자 박스 또는 도트로 덮여 있지 않은 면적이 크다.
발광 박스 또는 도트로 덮여 있는 면적이 매우 작고, 양자 박스 또는 도트로 덮여 있지 않은 면적에서, 발광 소자가 형성되어 있지 않은 이러한 구조에 있어서, 상기 구동 전압은 낮아질 수 있지만, 발광 출력이 감소되어 문제가 된다. 따라서, 이러한 구조는 실용화될 수 없다.
또한, 일본특허공개 제2001-68733호에는 종래의 양자 우물 구조를 형성하고, 수소 중에서 상기 구조를 어닐링하여, 스루홀 전위상에 형성된 InGaN 결정을 분해함으로써, 양자 박스 구조가 제작되는 것이 기재되어 있다. 그러나, 수소 중의 양자 우물 구조를 어닐링하는 것은 양자 박스 구조로서의 역할을 하기 위한 부분에서 In의 탈리가 유도되어 발광 파장을 블루 시프트(blue-shift)시켜 바람직하지 않다.
또한, 미국특허 제 US2003/0160229A1에 있어서, 우물층이 주기적으로 변화하는 두께를 갖는 다중 우물 구조가 기재되어 있다. 상기 우물층은 상면(upper surface) 및 하면(lower surface)에 있어서, 오목부 및 돌출부를 갖고, 이것은 상기 우물층의 오목부를 메운 배리어층의 상면이 평탄화되지 않는 것을 의미한다. 이러한 구조에 있어서, 상기 구동 전압이 낮아질 수 있더라도, 발광 출력은 감소된다.
본 발명의 목적은, 충분한 발광 출력을 유지하면서, 낮은 전압에서 구동되는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자를 제조하는데 유용한 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 발광의 블루 시프팅을 억제하는 활성층을 형성하는 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은 이하를 제공한다.
(1)기판; 및 상기 기판상에 형성된 n형층, 활성층 및 p형층을 포함하고, 상기 활성층은 상기 n형층 및 상기 p형층 사이에 끼워져 있으며, 후막부(thick portion) 및 박막부(thin portion)를 포함하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조에 있어서, 상기 활성층은 평평한 하면(기판측) 및 불균일한 상면을 가져 후막부 및 박막부를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(2)상기 (1)에 있어서, 상기 활성층은 In을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(3)상기 (2)에 있어서, 상기 활성층의 상면은 In을 함유하지 않는 박층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(4)상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 후막부의 두께는 15Å~50Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(5)상기 (4)에 있어서, 상기 후막부의 두께는 15Å~30Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(6)상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 다층 구조의 단면에서 측정된 상기 후막부의 산술 평균폭이 10nm이상인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(7)상기 (6)에 있어서, 상기 다층 구조의 단면에서 측정된 상기 후막부의 폭이 100nm이상인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(8)상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 박막부의 두께는 15Å이하인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(9)상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 다층 구조의 단면에서 측정된 상기 박막부의 산술 평균폭이 100nm이하인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(10)상기 (9)에 있어서, 상기 다층 구조의 단면에서 측정된 상기 박막부의 폭이 50nm 이하인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(11)상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 있어서, 상기 후막부 및 박막부간의 두께차가 10Å~30Å의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(12)상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 있어서, 상기 후막부의 면적은 상기 활성층 전체 면적의 30%이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(13)상기 (12)에 있어서, 상기 후막부의 면적은 상기 활성층 전체 면적의 50%이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(14)상기 (1) 내지 (13) 중 어느 하나에 있어서, 상기 활성층은 다중 양자 우물 구조에서, 적어도 하나의 우물층인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(15)상기 (14)에 있어서, 상기 다중 양자 우물 구조는 3~10회 반복적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(16)상기 (15)에 있어서, 상기 다중 양자 우물 구조는 3~6회 반복적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(17)상기 (14) 내지 (16) 중 어느 하나에 있어서, 상기 다중 양자 우물 구조는 GaN, AlGaN 및 상기 활성층을 형성하는 InGaN 보다 낮은 In 함량을 갖는 InGaN으로부터 선택되는 질화 갈륨 화합물 반도체로 이루어진 배리어층을 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(18)상기 (17)에 있어서, 상기 배리어층은 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(19)상기 (17) 또는 (18)에 있어서, 상기 배리어층의 두께는 70Å~500Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(20)상기 (19)에 있어서, 상기 배리어층의 두께는 160Å이상인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
(21)상기 (1) 내지 (20) 중 어느 하나에 기재된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 n형층 및 p형층상에 각각 형성되는 음극 및 양극을 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자.
(22)상기 (21)에 있어서, 플립칩형(flip-chip-type) 소자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자.
(23)상기 (22)에 있어서, 포지티브 전극은 반사형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자.
(24)기판; 및 상기 기판상에 형성된 n형층, 활성층 및 p형층을 포함하고, 상기 활성층은 상기 n형층 및 상기 p형층 사이에 끼워져 있으며, 후막부 및 박막부를 포함하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 제조하는 방법에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 공정은 질화 갈륨 화합물 반도체를 성장시키는 공정; 및
상기 질화 갈륨 화합물 반도체의 일부분을 분해 또는 승화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(25)상기 (24)에 있어서, 상기 활성층은 In을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(26)상기 (25)에 있어서, 상기 활성층은 질소원 및 In과 Ga를 함유하는 III족 금속원을 연속적으로 공급함으로써 성장하고, 이어서, 상기 In 금속원의 공급을 정지함으로써 In을 함유하지 않는 박층이 상기 활성층의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(27)상기 (24) 내지 (26) 중 어느 하나에 있어서, 상기 성장시키는 공정은 기판 온도 T1에서 행해지고, 상기 분해 또는 승화시키는 공정은 기판 온도 T2에서 행해지며, T1과 T2의 관계는 T1≤T2를 만족시키는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(28)상기 (27)에 있어서, 상기 T1은 650~900℃의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(29)상기 (28)에 있어서, 상기 T2는 700~1000℃의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(30)상기 (24) 내지 (29) 중 어느 하나에 있어서, 상기 성장시키는 공정은 질소원 및 III족 금속원을 함유하는 분위기 중에서 행해지고, 상기 분해 또는 승화시키는 공정은 질소원을 함유하지만, III족 금속원을 함유하지 않는 분위기 중에서 행해지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(31)상기 (30)에 있어서, 상기 분해 또는 승화시키는 공정은 기판 온도 T1을 T2로 상승시키면서 행하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(32)상기 (31)에 있어서, 상기 기판 온도 T1은 온도 상승 속도 1℃/분~100℃/분으로 T2로 상승되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(33)상기 (32)에 있어서, 상기 온도 상승 속도가 5℃/분~50℃/분인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(34)상기 (31) 내지 (33) 중 어느 하나에 있어서, 상기 기판 온도 T1은 30초~10분에 걸쳐 T2로 상승되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(35)상기 (34)에 있어서, 상기 기판 온도 T1은 1분~5분에 걸쳐 T2로 상승되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(36)상기 (27) 내지 (35) 중 어느 하나에 있어서, 상기 활성층은 다중 양자 우물 구조에서 적어도 하나의 우물층이고, 상기 다중 양자 우물 구조에서 적어도 하나의 배리어층은 T2에서 성장된 후, 이어서, T3로 기판 온도를 낮춰서 더욱 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
(37)상기 (36)에 있어서, 상기 T3는 T1과 동일한 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
본 발명의 요점, 즉, 평평한 하면(기판측) 및 불균일한 상면을 가져 후막부 및 박막부를 형성하는 활성층에 의하여, 충분한 출력을 유지하고, 감소된 구동 전압을 나타내는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광소자가 제조될 수 있다.
질소원의 존재하에서 상기 활성층의 박막부의 형성에 의해, 상기 활성층으로부터 발광하는 광의 블루시프팅을 억제시킬 수 있다.
도 1은, 실시예 1에서 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 대표적인 단면 TEM 사진이다.
도 2는, 실시예 1에서 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 다른 대표적인 단면 TEM사진이다.
도 3은, 실시예 1에서 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 단면의 개략도이다.
도 4는, 실시예 1 및 2에서 제작된 발광 다이오드의 전극 구성의 개략도이다.
도 5는, 비교예 1에서 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 대표적인 단면 TEM 사진이다.
도 6은, 비교예 1에서 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 다른 대표적인 단면 TEM 사진이다.
질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자의 n형층, 활성층 및 p형층은 식 AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1; 0≤y＜1; 0≤x+y＜1)으로 나타내어지는 각종 질화 갈륨 화합 물 반도체로부터 형성되는 것이 널리 알려져 있다. 본 발명에 사용되는 n형층, 활성층 및 p형층을 형성하기 위한 질화 갈륨 화합물 반도체에 대하여 특별한 제한은 없고, 식 AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1; 0≤y＜1; 0≤x+y＜1)으로 나타내어지는 질화 갈륨 화합물 반도체가 사용되어도 좋다.
기판의 종류에 대해서는 특별한 제한은 없고, 사파이어, SiC, GaP, GaAs, Si, ZnO 및 GaN 등의 종래의 공지된 기판 종류가 사용되어도 좋다.
상기 질화 갈륨 화합물과 이론적으로 격자 정합되지 않는 상기 기판(GaN기판 제외) 중 어느 하나에 질화 갈륨 화합물 반도체를 형성하기 위해, 저온 버퍼법(예컨대, 일본특허 제3026087호 및 일본특허공개 평4-297023호에 기재되어 있음) 및 "시딩법(SP; seeding process)"라 불리는 격자 부정합(lattice-mismatch) 결정 에피택셜 성장기술(일본특허공개 2003-243302호)이 사용될 수 있다. 이들 방법 중, 생산성 및 기타 요인의 관점에서, 상기 SP법이 GaN결정을 형성시킬 수 있는 고온에서 AlN결정 필름을 제조할 수 있는, 특히 바람직한 격자 부정합 결정 에피택셜 성장 기술이다.
저온 버퍼법 또는 SP법 등의 격정 부정합 결정 에피택설 성장 기술이 사용되는 경우, 언더코트층으로서 버퍼층상에 형성되는 질화 갈륨 화합물 반도체는 언도프(undope) 또는 가볍게 도프(도프 농도는 약 5×1017cm-3)된 GaN이 바람직하다. 상기 언더코트층의 두께는 1~20㎛인 것이 바람직하고, 5~15㎛인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 활성층은 후막부 및 박막부로 형성된다. 여기서 사용되는 "후막부"란, 상기 활성층의 평균 두께 이상인 두께 부분을 의미하고, "박막부"란, 상기 활성층의 평균 두께 미만인 두께 부분을 의미한다. "평균 두께"란, 최대 두께 및 최소 두께의 산술적 평균이다. 상기 박막부가 활성층으로 덮여 있지 않거나, 또는 매우 얇은 활성층인 면적을 포함하는 경우, 상기 후막부는 상기 활성층의 최대 두께의 1/2이상인 부분을 의미하고, 상기 박막부는 상기 활성층의 최대 두께의 1/2미만인 부분을 의미한다.
상기 후막부 및 박막부는 질화 갈륨 화합물 반도체의 TEM 단면 사진으로부터 육안으로 또한 정량적으로 측정할 수 있다. 예컨대, 500,000~2,000,000배 확대의 화합물 반도체의 TEM 단면 사진으로부터, 상기 후막부 또는 박막부의 두께 및 폭이 측정될 수 있다. 도 1은, 2,000,000배의 확대로 실시예 1에서 제작된 반도체 샘플의 TEM 단면 사진을 나타낸다. 도 1에 있어서, 참조 번호 1은 활성층(우물층)을 나타내고, A, B 및 C는 각각 박막부를 나타낸다. 참조 번호 2, 3 및 4는 각각 배리어층, n형 클래딩층 및 p형 클래딩층을 나타낸다. 후박부 또는 박막부의 폭 및 두께는 확대하여 산출할 수 있다. 도 2는 500,000배 확대로 동일한 샘플 1의 TEM 단면 사진을 나타낸다. 도 2에 있어서, 참조 번호 1은 활성층(우물층)을 나타내고, D, E, F 및 G는 각각 박막부를 나타낸다. 참조 번호 2, 3 및 4는 배리어층, n형 클래딩층 및 p형 클래딩층을 각각 나타낸다. 후막부 및 박막부의 폭 및 두께는 확대하여 산출할 수 있다.
후막부 또는 박막부의 두께 또는 폭은 TEM 단면 사진에서 측정을 위한 복수 의 관찰 장소(예컨대, 10㎛의 피치 간격을 두고 인접한 10장소에서 관찰됨)에서 얻어진 기하학적 평균값이다.
상기 활성층은 후막부 및 박막부를 형성하도록 실제적으로 평평한 하면(기판측) 및 불균일한 상면을 가져 오목부 및 볼록부를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 구조의 사용에 의해, 경시로 인한 발광 강도의 저하 및 열화를 억제할 수 있다.
여기서 사용되는 표현 "평평한"이란, 상기 TEM 단면 사진으로부터 관찰된 오목부 및 볼록부간의 높이 차가, 예컨대, 1nm이하인 경우를 의미한다. 상기 차는 0.5nm이하가 바람직하고, 오목부 및 볼록부가 거의 육안으로 확인되지 않는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 하면에서의 차가 상면에서의 차와 비교하여 1/5이하인 경우, 상기 활성층의 기판측에 인접한 층(예컨대, 다중 양자 우물 구조인 경우에 배리어)은 우수한 결정성을 가져 특성이 개선된다. 상기 하면에서의 차가 상기 상면에서의 차와 비교하여 1/10이하인 것이 더욱 바람직하다. 상기 하면에서, 오목부 및 볼록부가 거의 육안으로 확인되지 않는 것이 가장 바람직하다.
상기 후막부의 두께는 약 15Å~약 50Å인 것이 바람직하다. 상기 후막부의 두께가 상기 범위를 벗어나면, 발광 출력이 저하된다. 더욱 바람직하게는, 상기 두께는 15Å~30Å이다. 상기 후막부의 폭은 10~5,000nm가 바람직하고, 100~1,000nm가 더욱 바람직하다.
상기 활성층은 두께가 0인 박막부를 포함해도 좋다. 즉, 상기 활성층은 활성층으로 덮여 있지 않은 면적을 포함해도 좋다. 그러나, 이러한 면적은 활성층의 부 재가 발광 출력의 저하를 야기하므로 좁은 것이 바람직하다. 따라서, 상기 면적은 상기 활성층의 전체 면적을 30% 이하 차지하는 것이 바람직하고, 20% 이하인 것이 더욱 바람직하며, 10% 이하인 것이 특히 바람직하다.
상기 박막부의 폭은 1~100nm이고, 5~50nm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 후막부 및 박막부간의 두께차는 약 10~약 30Å의 범위내인 것이 바람직하다. 상기 박막부의 두께는 15Å이하인 것이 바람직하다.
전류가 흐르는 면적에 있어서, 후막부로 덮여 있는 면적이 전체 활성층을 30~90% 차지하는 것이 바람직하다. 상기 면적이 상기 범위에 포함되면, 구동 전압을 낮출 수 있고, 출력을 유지할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 후막부로 덮여 있는 면적이 박막부로 덮여 있는 면적보다 크다(즉, 전체 활성층을 50% 이상 차지).
상기 활성층은 단일층으로 이루어지는 단일 양자 우물 구조를 가져도 좋다. 그러나, 상기 활성층은 발광 출력 향상의 관점에서, 활성층으로서 우물층 및 배리어층이 반복적으로 번갈아 적층된 다중 양자 우물 구조를 갖는 것이 바람직하다. 적층의 반복은 약 3~10회가 바람직하고, 약 3~6회가 더욱 바람직하다. 다중 양자 우물 구조에 포함된 모든 우물층(활성층)은, 반드시 후막부 및 박막부를 가질 필요는 없고, 상기 후박부 및 박막부의 각각의 치수 및 면적비는 각층에 의해 달라질 수 있다. 본 명세서에 있어서, 다중 양자 우물 구조가 사용되는 경우, 상기 배리어층과 결합된 우물층(활성층)의 전체를 발광층으로 한다.
바람직한 형태로는, 배리어층이 우물층의 박막부를 채우고, 평평한 상면을 갖는다. 상기 바람직한 형태에 따라서, 연속적으로 적층된 우물층의 하면은 평평하게 된다.
상기 배리어층의 두께는 70Å 이상인 것이 바람직하고, 140Å 이상인 것이 더욱 바람직하다. 상기 배리어층이 과도하게 얇으면, 상기 배리어층의 상면의 평탄화가 달성될 수 없고, 경시로 인한 특성의 열화와 발광 효율의 저하가 야기되는 반면에, 상기 배리어층이 과도하게 두꺼우면, 구동전압이 증가되어 발광이 약하게 된다. 따라서, 상기 배리어층의 두께는 500Å이하인 것이 바람직하다.
상기 활성층은 In 함유 질화 갈륨 화합물 반도체가 후술하는 방법에 의해 후막부 및 박막부를 갖는 구조를 용이하게 달성하기 위한 결정계이므로, In을 함유하는 질화 갈륨 화합물 반도체로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 In 함유 질화 갈륨 화합물 반도체는 블루광 파장 영역에서 고강도 광을 발광할 수 있다.
상기 활성층이 In 함유 질화 갈륨 화합물 반도체로 형성되는 경우, 상기 활성층의 상면은 In을 함유하지 않는 박층으로 덮여 지는 것이 바람직하다. 상기 박층에 의해, 상기 활성층에 함유된 In의 분해/승화가 억제될 수 있어, 발광 파장이 일관되게 제어될 수 있으므로 바람직하다.
상기 활성층은 불순물 원소로 도프되어도 좋다. 발광 강도 향상을 위해, 도펀트는 도너로서 알려진 Si 또는 Ge가 바람직하다. 상기 도펀트 농도는 약 1×1017cm-3~1×1018cm-3가 바람직하다. 그 양이 상기 범위의 상한을 초과하면, 발광 강도가 저하된다.
상기 다중 양자 우물 구조가 사용되는 경우, 상기 배리어층은 GaN, AlGaN 및 우물층(활성층)을 형성하는 InGaN 보다 적은 In함량을 갖는 InGaN으로 형성되어도 좋다. 이들 중, GaN이 바람직하다.
상기 n형층의 두께가 약 1~10㎛인 것이 일반적이고, 약 2~5㎛인 것이 바람직하다. 상기 n형층은 음극을 형성하기 위한 n형 접촉층(contact layer) 및 상기 활성층 보다 밴드갭이 크고, 상기 활성층과 접촉하고 있는 n형 클래딩층으로 이루어진다. 또한, 상기 n형 접촉층은 n형 클래딩층의 역할을 해도 좋다. 상기 n형 접촉층은 고농도로 Si 또는 Ge로 도프되는 것이 바람직하다. 이렇게 도프된 n형층의 캐리어 농도는 약 5×1018cm-3~2×1019cm-3으로 제어되는 것이 바람직하다.
상기 n형 클래딩층은 AlGaN, GaN 또는 InGaN 등의 반도체로 형성되어도 좋다. 물론, InGaN이 사용되는 경우, 상기 InGaN은 상기 활성층을 형성하는 InGaN 보다 밴드갭이 큰 조성을 갖는 것이 바람직하다. 상기 n형 클래딩층의 캐리어 농도는 상기 n형 접촉층과 동등하거나 또는 그 보다 크거나 작아도 좋다. 상기 n형 클래딩층은 형성된 활성층의 고결정성을 달성하기 위해, 성장 속도, 성장 온도, 성장 압력 및 도펀트 농도를 포함하는 성장 조건을 적당히 조절함으로써 고평탄성을 갖는 표면을 갖는 것이 바람직하다.
상기 n형 클래딩층은 특정 조성 및 격자 상수를 갖는 각각의 층을 번갈아 반복적으로 적층시킴으로써 형성된다. 이 경우, 상기 조성 이외에, 적층된 층의 도펀트의 양 및 필름 두께 등이 변경되어도 좋다.
일반적으로, 상기 p형층은 0.01~1㎛의 두께를 갖고, 양극을 형성하기 위한 p형접촉층 및 활성층과 접촉되는 p형 클래딩층으로 이루어진다. 상기 p형 클래딩층은 p형 접촉층으로서의 역할을 해도 좋다. 상기 p형 클래딩층은 GaN 또는 AlGaN 등의 반도체로 형성되고, p형 도펀트로서 Mg로 도프된다. 전자의 오버플로우를 억제하기 위해, 상기 p형 클래딩층은 활성층을 형성하기 위한 재료 보다 밴드갭이 큰 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 활성층에 캐리어를 효율적으로 주입시키기 위해, p형 클래딩층이 높은 캐리어 농도를 갖는 것이 바람직하다.
n형 클래딩층과 동일하게, 상기 p형 클래딩층은 특정 조성 및 격자 상수를 갖는 각각의 층을 반복적으로 번갈아 적층시킴으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 조성 이외에, 적층된 층의 도펀트량, 필름 두께 등이 변경되어도 좋다.
상기 p형 접촉층은, GaN, AlGaN 또는 InGaN 등의 반도체로부터 형성되어도 좋고, 불순물 원소로서 Mg로 도프된다. 반응기로부터 제거되는 경우, 제거된 Mg 도프된 질화 갈륨 화합물 반도체는 일반적으로 고전기저항을 나타낸다. 그러나, 어닐링, 전자빔 조사 또는 마이크로파 조사 등의 활성화에 의해, 상기 Mg 도프된 화합물 반도체는 p형 도전성을 나타낸다.
상기 p형 접촉층은 p형 불순물 원소로 도프된 인화 붕소로부터 형성되어도 좋고, 이것은 p형 도전성을 달성하기 위해, 상기 처리를 행하지 않더라도 p형 도전성이 나타난다.
상기 n형층, 활성층 및 p형층을 형성하기 위해 질화 갈륨 화합물 반도체를 성장시키기 위한 방법에 대해서는 특별한 제한은 없고, 공지의 조건하에서 MBE, MOCVD 및 HVPE 등의 공지의 방법 중 어느 하나를 사용해도 좋다. 이들 중, MOCVD가 바람직하다.
반도체를 형성하기 위한 원료에 관해서는, 질소원으로서 암모니아, 히드라진, 아지드 또는 유사한 화합물이 사용되어도 좋다. 본 발명에서 사용되어도 좋은 III족 유기금속원의 예로는, 트리메틸갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa), 트리메틸인듐(TMIn) 및 트리메틸알루미늄(TMAl)이 포함된다. 사용할 수 있는 도펀트원의 예로는, 실란, 디실란, 게르만, 유기성 게르마늄원, 및 비스시클로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg)이 포함된다. 질소 또는 수소는 캐리어 가스로서 사용되어도 좋다.
바람직하게는, 후막부 및 박막부를 포함한 활성층은 질화 갈륨 화합물 반도체를 성장시키고, 상기 성장된 반도체의 일부분을 분해 또는 승화시킴으로써 형성된다. 상기 반도체는 쉽게 분해 또는 승화되므로, In 함유 질화 갈륨 화합물 반도체가 바람직하다.
상기 In 함유 활성층은 기판 온도 650~900℃에서 성장되는 것이 바람직하다. 상기 기판 온도가 650℃ 미만이면, 고결정성의 활성층이 형성될 수 없는 반면에, 상기 기판 온도가 900℃를 초과하면, 상기 활성층에 조합된 In 양이 감소되어 의도된 파장의 광을 발하는 발광 소자를 제작할 수 없다.
상술한 바와 같이, 상기 활성층은 In을 함유하는 경우, 상기 활성층의 표면상에 In을 함유하지 않는 박층이 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, In 함유 질화 갈륨 화합물 반도체의 성장의 완료 후, 상기 In원의 공급을 중지하면서 동일한 기판 온도에서 질화 갈륨 화합물 반도체를 성장시킨다.
상기 In 함유 질화 갈륨 화합물 반도체가 III족 금속(In 함유)원 및 질소원을 연속적으로 공급하여 소정 두께로 성장된 후, 상기 III족 금속원의 공급이 중지된다. 상기 기판 온도는 상기 조건하에 유지 또는 상승되어 상기 화합물 반도체의 일부분을 분해 또는 승화시킨다. 상기 캐리어 가스는 질소가 바람직하다. 상기 분해 또는 승화는 상기 기판 온도가 상기 성장 온도에서 700~1000℃까지 상승되는 경우, 또는 기판 온도를 상승시키면서 행하는 것이 바람직하다.
상기 활성층이 다중 양자 우물 구조를 갖는 경우, 상기 우물층(활성층)의 성장을 위해 사용되는 것 보다 높은 기판 온도에서 배리어층이 성장되는 것이 바람직하다. 상기 기판 온도는 700~1,000℃가 바람직하다.
상기 우물층이 성장되는 온도가 T1으로 나타내어지고, 상기 배리어층이 성장되는 온도가 T2로 나타내어지는 경우, T1 및 T2는 관계: T1≤T2를 만족시킨다. 상기 우물층의 성장 후, T1에서 T2로 온도 상승 중에, 상기 질소원 및 질소 함유 캐리어 가스가 연속적으로 공급되면서, III족 원소의 공급이 중지됨으로써, 상기 우물층에 후막부 및 박막부가 효율적으로 형성된다. 상기 절차 중에, 캐리어 가스의 변화는 필요하지 않다. 상기 캐리어 가스가 수소로 변화되면 발광의 파장은 블루시프트된다. 이러한 파장 변동이 확실히 제어되기 곤란하므로, 상기 변동은 소자 생산성을 저하시킨다.
T1에서 T2까지의 온도 상승의 속도는 약 1~100℃/분이 바람직하고, 약 5~50℃/분이 더욱 바람직하다. T1에서 T2까지의 온도 상승을 위해 요구되는 시간은 약 30초~10분이 바람직하고, 약 1분~5분이 더욱 바람직하다.
상기 배리어층의 성장은 다른 성장 온도에서 행해지는 복수의 공정이 포함되어도 좋다. 예컨대, 소정 두께를 갖는 배리어층은 후막부 및 박막부를 갖는 우물층상에서 T2로 형성되고, 이어서, 그 상에 다른 배리어층이 성장 온도 T3에서 형성된다. T3가 T2 보다 낮으면, 경시로 인한 특성의 열화가 억제될 수 있으므로 바람직하다. T3는 T1과 동일해도 좋다.
각종 조성 및 구조의 음극은 공지되어 있고, 본 발명에서 사용되는 음극에 대한 특별한 제한은 없다. n형 접촉층과 접촉되는 음극을 위해 사용할 수 있는 접촉 재료의 예로는 Al, Ti, Ni, Au, Cr, W 및 V가 포함된다. 물론, 상기 음극은 전체가 다층 구조이므로, 상기 전극은 접착성 및 그 밖의 특성이 부여될 수 있다.
각종 조성 및 구조의 양극이 공지되어 있고, 본 발명에 사용될 수 있는 양극에 대한 특별한 제한은 없다.
상기 투광성 양극 재료의 예로는, Pt, Pd, Au, Cr, Ni, Cu 및 Co가 포함된다. 상기 양극의 일부분 산화에 의해, 투광성이 향상된다고 알려져 있다. 사용할 수 있는 반사형 양극 재료의 예로는, 상술의 재료, Rh, Ag 및 Al이 포함된다.
상기 양극은 스퍼터링법 또는 진공 기상 증착법 등의 방법에 의해 형성되어도 좋다. 특히, 적절하게 제어된 스퍼터링 조건하에서 스퍼터링법을 사용하면, 전극 필름이 필름의 형성후에 어닐링되지 않아도, 오믹 접촉(ohmic-contact)이 확립될 수 있어 바람직하다.
상기 발광 소자는 반사형 양극을 포함하는 플립칩형(flip-chip-type) 구조 또는 투광성 양극 또는 격자상 또는 빗형상 양극을 포함하는 페이스업형(face-up-type) 구조이어도 좋다.
후막부 및 박막부를 포함한 본 발명의 활성층에 따라서, 상기 후막부 및 박막부 사이의 경계 영역에 있어서, 상기 활성층의 것과 다른 재료로 이루어지는 p형층과 활성층 사이의 계면(다중 양자 우물 구조인 경우, 상기 우물층(활성층) 및 배리어층 사이의 계면)은 상기 기판 표면에 대하여 기울어져 있다. 따라서, 상기 기판 표면에 대하여 수직 방향에 있어서, 추출된 광의 양이 증가한다. 특히, 발광 소자가 반사형 전극을 포함하는 플립칩형 구조인 경우, 발광 강도가 더욱 향상된다.
(실시예)
본 발명은 실시예로 더욱 자세히 설명되고, 이들로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 3은, 실시예 1에서 제작된 반도체 발광 소자를 제작하기 위한 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 격자 부정합 결정 에피택셜 성장법에 의해 c면을 갖는 사파이어 기판상에 AlN으로 형성된 SP층이 적층되었다. 상기 SP층상에 하기 층이 순서대로 형성되었다: 언도프 GaN 언더코트층(두께: 2㎛); 고Si 도프 n-GaN 접촉층(전자 농도: 1×1019cm-3, 두께: 2㎛); n-In0.1Ga0.9N 클래딩층(전자 농도: 1×1018cm-3, 두께: 125Å); GaN 배리어층(6층, 각 층의 두께: 160Å) 및 우물층(활성층)(5층, 각각의 층은 언도프 In0.2Ga0.8N층 및 GaN층(두께: 0~5Å)을 형성을 포함하는 다중 양자 우물 구조의 발광층); Mg 도프 p형 Al0.07Ga0.93N(두께: 25Å) 클래딩층(두께: 100Å); 및 Mg 도프 p-GaN 접촉층(정공 농도: 8×1017cm-3, 두께: 0.1㎛).
상기 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조는 하기 절차에 의해 MOCVD로 제작되었다.
우선, 인덕션 히터를 사용하여 가열된 탄소 서스셉터로 복수의 기판을 가열할 수 있는 스테인레스 반응로에 사파이어 기판이 위치되었다. 상기 서스셉터는 상기 서스셉터 자체가 회전가능한 메카니즘을 갖고, 상기 기판을 회전시킨다. 상기 사파이어 기판은 질소 치환 글로브 박스 중에서 가열용 탄소 서스셉터상에 위치되었다. 기판의 도입 후, 상기 반응로가 질소로 퍼지되었다.
8분 동안 질소를 유통시킨 후, 상기 기판 온도는 10분에 걸쳐, 인덕션 히터로 600℃까지 상승되었고, 상기 로내부의 압력은 150mbar(15kPa)로 조절되었다. 상기 기판 온도가 600℃에서 유지되면서, 상기 기판을 수소 및 질소의 유통하에 2분 동안 방치시켜 상기 기판 표면이 열세척(thermally clean)되었다.
열세척 완료 후, 질소 캐리어 가스 공급관의 밸브가 폐쇄되었고, 상기 반응로에 수소만이 공급되었다.
상기 캐리어 가스가 수소로 변경된 후, 상기 기판 온도가 1,180℃로 상승되었다. 일정한 온도 1,180℃로 도달한 것을 확인한 후, 그 상응하는 밸브를 개방하 여 TMAl 증기를 함유하는 가스가 반응로에 공급되었다. 공급된 TMAl은 상기 반응로의 내벽상의 부착물의 분해에 의해 방출되는 N원소와 반응하여 상기 사파이어 기판상에 AlN을 부착시킨다.
8분 30초 동안 TMAl을 공급한 후, 상기 밸브를 폐쇄하여 반응로에 TMAl 증기를 함유하는 가스의 공급을 정지시킨다. 상기 조건은 4분 동안 유지되어 상기 반응로에 잔존하는 TMAl 증기가 완전히 제거되었다. 이어서, 그 상응하는 밸브를 개방하여 상기 로에 암모니아 가스가 공급되었다.
암모니아 가스의 공급의 시작 4분 후, 암모니아 흐름하에 서스셉터 온도가 1,040℃로 낮아졌다. 상기 서스셉터 온도의 저하 동안에, 유량 조절기로 TMGa의 유량을 조절하였다.
상기 서스셉터 온도가 1,040℃로 저하되었고, 상기 서스셉터가 일정한 온도 1,040℃가 유지된 것을 확인 후, 그 상응하는 밸브를 개방하여 상기 로에 TMGa가 공급되어 언도프 GaN가 성장되었다. 약 1시간 동안 성장이 행해짐으로써 상기 GaN층이 형성되었다.
이와 같이, 두께가 2㎛인 언도프 GaN 언더코트층이 형성되었다.
언도프 GaN 언더코트층 상에, 고Si 도프 n형 GaN층이 성장되었다. 상기 언도프 GaN 언더코트층의 성장의 종료 후, 1분 동안 상기 로에 TMGa의 공급이 중단되었고, 흐름의 중단 동안에 SiH4의 유량이 조절되었다. 가할 유량은 미리 결정되어 있고, 고Si 도프 GaN층의 전자 농도가 1×1019cm-3로 조절되도록 상기 유량은 제어되었 다. 암모니아가 상기 로에 연속적으로 공급되었지만, 상기 유량은 변동하지 않았다. 1분 동안 TMGa 공급의 중단 동안에, 상기 서스셉터 온도는 1,040℃에서 1,060℃로 상승되었다.
1분 동안 TMGa 공급의 중단 후, TMGa 및 SiH4가 공급되었고, 1시간 동안 성장이 행해져 두께가 2㎛인 고Si 도프 n-GaN 접촉층이 형성되었다.
상기 고Si 도프 n-GaN 접촉층의 성장 후, 그 상응하는 밸브를 폐쇄하여 상기 로에 TMGa 및 SiH4의 공급을 중단시켰다. 암모니아가 연속적으로 공급되면서, 밸브 조작에 의해, 상기 캐리어 가스가 수소에서 질소로 변화되었다. 그 후, 상기 기판 온도가 1,060℃에서 730℃로 저하되었다.
상기 로내부의 온도를 저하시키는 동안에, SiH4의 유량이 변경되었다. 가할 상기 유량은 미리 결정되어 있고, 상기 Si 도프 n-InGaN 클래딩층의 전자 농도를 1~1018cm-3로 제어하기 위해, 상기 유량이 조절되었다. 상기 로에 암모니아가 연속적으로 공급되었지만, 유량은 변화되지 않았다.
이어서, 상기 로내의 상태가 안정된 후, 그 상응하는 밸브를 동시에 개방하여 TMIn, TEGa 및 SiH4가 상기 로에 공급되었다. 상기 공급이 소정 시간 동안 계속되어 두께가 125Å인 Si 도프 n-In0.1Ga0.9N 클래딩층을 형성하였다. 그 상응하는 밸브를 폐쇄하여 상기 원료(TMIn, TEGa 및 SiH4)의 공급을 중지하였다.
Si 도프 n-In0.1Ga0.9N 클래딩층의 성장 종료 후, 상기 서스셉터 온도가 930℃로 상승되었고, 상기 서스셉터가 일정한 온도 930℃에서 유지되었고, 기판 온도, 로내부의 압력, 암모니아와 캐리어 가스의 유량, 및 캐리어 가스의 종류가 일정하게 유지되면서, 그 상응하는 밸브를 개방하여 TEGa가 로에 공급되었다. 서스셉터 온도 930℃에서 소정 기간 동안 성장이 행해졌다. 이어서, 상기 서스셉터 온도가 730℃로 저하되었고, TEGa가 공급되어 성장이 행해졌다. 그 상응하는 밸브를 폐쇄하여 TEGa의 공급을 중지시켜 GaN 배리어층의 성장이 종료되었다. 그 결과, 총 두께 160Å인 GaN 배리어층이 형성되었다.
상기 GaN 배리어층의 성장 종료 후, III족 원소의 공급이 30초 동안 정지되었다. 이어서, 기판 온도, 로내부의 압력, 암모니아와 캐리어 가스의 유량, 및 캐리어 가스의 종류가 일정하게 유지되면서, 그 상응하는 밸브를 개방하여 TEGa 및 TMIn이 로에 공급되었다. 소정 기간 동안 TEGa 및 TMIn이 공급되었고, 그 상응하는 밸브를 폐쇄하여 TMIn의 공급이 정지됨으로서 In0.2Ga0.8N 우물층(활성층)의 성장이 종료되었다. 이 경우, 두께가 25Å인 In0.2Ga0.8N층이 형성되었다.
In0.2Ga0.8N층의 성장 종료 후, 소정 기간 동안 상기 로에 TEGa만이 연속적으로 공급되어 InGaN층상에, In의 방출을 억제하기 위한 GaN 박층(캐핑층(capping layer))이 형성되었다. 그런 후, TEGa의 공급이 정지되었다.
이어서, 캐리어 가스로서 N2 및 NH3가 연속적으로 공급되면서, 2분 동안 상 기 서스셉터 온도가 930℃로 상승되었다. 상기 조작에 의해, In0.2Ga0.8N층의 일부분이 분해 및 승화되어 상기 In0.2Ga0.8N층의 일부분이 제거되었고, 상기 층의 두께가 감소되었다. 따라서, 상기 우물층(활성층)에 얇은 두께의 박막부가 형성되었다.
상기 절차가 5번 반복되어 5개의 배리어층 및 5개의 In0.2Ga0.8N 우물층이 형성되었다. 마지막으로, 또 다른 GaN 배리어층이 형성되어 다중 양자 우물 구조를 갖는 발광층이 제작되었다.
상기 발광층의 GaN 배리어층의 최외층에 Mg 도프 p형 Al0.07Ga0.93N 클래딩층이 형성되었다.
TEGa의 공급을 중지하여 마지막 GaN 배리어층의 성장의 종료 후, 상기 기판 온도는 1,020℃로 상승되었다. 상기 캐리어 가스가 수소로 변경되었고, 로내부의 압력이 150mbar(15kPa)로 조절되었다. 상기 로내부의 압력이 일정하게 된 후, 그 상응하는 밸브를 개방하여 상기 로에 원료(TMGa, TMAl 및 Cp2Mg)가 공급되었다. 약 3분 동안 성장이 행해진 후, TEGa 및 TMAl의 공급이 정지되어 Mg 도프 p형 Al0.07Ga0.93N 클래딩층의 성장을 종료하였다. 그 결과, 두께가 100Å인 Mg 도프 p형 Al0.07Ga0.93N 클래딩층이 형성되었다.
상기 Mg도프 p형 Al0.07Ga0.93N 클래딩층 상에 Mg도프 p형 GaN 접촉층이 형성되었다.
TMGa, TMAl 및 Cp2Mg의 공급을 중지함으로써 상기 Mg 도프 p형 Al0.07Ga0.93N 클래딩층의 성장 종료 후, 상리 로내부의 압력이 200mbar(20kPa)로 조절되었다. 상기 로내부 압력을 일정하게 한 후, 그 상응하는 밸브를 개방하여 상기 로에 원료(TMGa 및 Cp2Mg)가 공급되었다. Cp2Mg의 유량이 미리 설정되어 있고, 상기 Mg 도프 p-GaN 접촉층의 정공 농도가 8×1017cm-3로 조절되도록 상기 유량이 제어되었다. 그런 후, 약 4분 동안 성장이 행해진 후, TMGa 및 Cp2Mg의 공급이 중지되어 상기 Mg 도프 GaN 층의 성장이 종료되었다. 그 결과, 두께가 0.1㎛인 Mg 도프 p-GaN 접촉층이 형성되었다.
상기 Mg 도프 p-GaN 접촉층의 성장 종료 후, 상기 인덕션 히터에 전기 공급이 중단되었고, 상기 기판 온도가 20분 동안 실온으로 저하되었다. 상기 온도를 저하시키는 공정 동안에, 상기 반응로 중의 분위기는 질소만 존재하였다. 상기 기판 온도가 실온으로 저하된 것이 확인되면, 이와 같이 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조가 대기 중에서 제거되었다.
상술의 절차에 의해, 반도체 발광 소자를 제작하기 위한 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조가 제작되었다. 상기 Mg 도프 GaN 층이 p형 캐리어를 활성화시키기 위해 어닐링되더라도, 상기 GaN 층은 p형 도전성을 나타낸다.
상기 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 사용하여, 반도체 발광 소자의 일종인 발광 다이오드가 제작되었다.
이렇게 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 p형 GaN 접촉층의 표면 상에, 종래의 포토리소그래피법에 의해 상기 접촉층측상에 Pt, Rh 및 Au가 연속적으로 형성된 구조를 갖는 반사형 양극이 형성되었다.
이어서, 고Si 도프 n형 GaN 접촉층의 음극 부분이 노출되도록, 상기 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조가 건조 에칭되었다. 상기 접촉층의 노출된 부분에 Ti 및 Al이 연속적으로 형성되어 음극이 형성되었다. 이들 조작에 의해, 도 4에 나타낸 형태의 전극이 제작되었다.
상기 방법으로 양극 및 음극이 형성된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 사파이어 기판의 이면이 연삭 및 연마되어, 거울면이 형성되었다. 이어서, 상기 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조가 정사각형(350㎛×350㎛) 칩으로 잘라졌고, 각각의 칩은 상기 전극이 서브 마운트와 접촉되도록 서브 마운트상에 부착되었다. 이와 같이 형성된 서브 마운트 칩은 리드 프레임상에 위치되었고, 금선으로 상기 리드프레임을 권취하여 발광 소자가 제작되었다.
이와 같이 제작된 발광 다이오드의 양극 및 음극에 순방향으로 구동 전류가 가해지는 경우, 상기 다이오드는 20mA의 전류에서 순방향 전압 3.0mV, 발광 파장 455nm 및 발광 출력 10mW를 나타내었다. 이러한 상기 발광 다이오드의 특성은 발광 다이오드 컷 중에서 변화없이 달성되었고, 상기 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 전체로부터 실제적으로 제작될 수 있다.
이와 같이 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조는 단면 TEM하에 관찰되었고, 도 1 및 도 2는 그것의 사진을 나타낸다(확대: 2,000,000배(도 1) 및 500, 000배(도 2)).
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 활성층으로서 각각의 우물층은 후막부 및 박막부를 형성하고 있는 것이 확인된다.
관찰된 후막부는 두께가 25Å이고, 폭이 500Å라는 것이 확인되었고, 관찰된 박막부는 폭이 50Å이고, 두께가 10Å이하라는 것이 확인되었다. 상기 우물층의 부분이 완전히 제거된 것이 관찰되었다.
상기 TEM 단면 사진으로부터, 상기 후막부의 면적이 상기 활성층의 전체 면적이 90%~60%를 차지하는 것이 확인되었다.
상기 배리어층은 두께가 160Å라는 것이 확인되었다. 각각의 배리어층은 박막부 및 후막부를 갖는 각각의 우물층의 표면을 평평하게 하고, 각각의 우물층이 평평한 바닥면을 갖는다는 것이 확인되었다. 상기 후막부 및 박막부 사이의 두께 차는 주로 각각의 우물층의 상면상에 형성된 오목부 및 돌출부에 의해 기인된다.
<비교예 1>
비교예 1에 있어서, 다른 발광층이 사용되는 것을 제외하고는 실시예 1의 절차가 반복되어 동일한 구성의 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조가 제작되었다. 비교예 1의 발광층은 균일한 두께를 갖는 우물층(활성층) 및 균일한 두께를 갖는 배리어층이 반복적으로 적층된다는 점에서 실시예 1과 다르다.
질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 제작하기 위한 비교예 1의 절차는 이하의 것이 실시예 1과 다르다. 구체적으로는, 실시예 1에 있어서, 우물층의 캐핑층(GaN 박막층)의 형성 후에, TEGa의 공급이 중단되었고, 2분 동안 온도가 730℃에서 930℃로 상승되었다. 그런 후, 배리어층이 형성되었다. 그러나, 비교예 1에 있 어서, 상기 우물층의 GaN 박막층(캐피층)의 형성 후, TEGa가 연속적으로 공급되면서, 2분 동안 온도가 730℃에서 930℃로 상승되었다. 그런 후, 배리어층이 930℃에서 형성되었다.
실시예 1과 동일한 방법으로, 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조로부터 발광 다이오드가 제작되었고, 평가되었다. 그 결과, 상기 다이오드는 전류 20mA에서 순방향 전압 3.9V, 발광 파장 455nm 및 발광 출력 8.5mW를 나타내었다.
이와 같이 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조는 단면 TEM하에 관찰되었고, 도 5 및 도 6은 그것의 사진을 나타낸다(확대: 2,000,000배(도 5) 및 500,000배(도 6)). 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 각각의 우물층(활성층)은 실질적으로 약 25Å의 균일한 두께를 갖고, 위치에 의한 두께 변동은 확인되지 않았다.
<실시예 2>
본 실시예에 있어서, 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조는 이하와 같이 제작되었다.
AlN으로 이루어지는 SP층은 격자 부정합 결정 에피택셜 성장법에 의해 c면을 갖는 사파이어 기판에 적층되었다. 상기 SP층에, 이하의 층이 순차적으로 형성되었다: 언도프 GaN 언더코트층(두께: 8㎛); 고Ge 도프층 및 저Ge 도프 층이 번갈아 100회 적층된 n-GaN 접촉층(평균 전자 농도: 5×1018cm-3, 두께: 4㎛); n-In0.1Ga0.9N 클래딩층(전자 농도: 1×1018cm-3, 두께: 180Å); GaN 배리어층(6층, 각각의 층의 두 께: 160Å) 및 우물층(활성층)(5층, 각각의 층이 언도프 In0.2Ga0.8N층(두께: 25Å) 및 GaN층(두께: 0~5Å)으로 형성)을 포함하는 다중 양자 우물 구조의 발광층; Mg 도프 p형 Al0.07Ga0.93N 클래딩층(두께: 100Å); 및 Mg 도프 p-GaN 접촉층(정공 농도: 8×1017cm-3, 두께: 0.1㎛).
상기 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조는 실시예 1과 동일한 절차에 의해, MOCVD로 제작되었다.
다음에, 상기 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 사용하여, 반도체 발광 소자의 일종인 발광 다이오드가 하기 절차로 제작되었다.
이와 같이 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 p형 GaN접촉층의 표면상에, 종래의 포토리소그래피법에 의해, 접촉층측상에 Pt 및 Au가 순차적으로 형성된 구조를 갖는 투명형 양극이 형성되었다. 그런 후, 상기 양극 상에, Ti, Au, Al 및 Au가 상기 양극측에 순차적으로 형성된 구조를 갖는 패드 전극이 형성되었다.
이어서, n형 GaN접촉층의 음극부가 노출되도록 상기 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조가 건조 에칭되었다. 상기 접촉층의 노출면상에 Ti 및 Al이 순차적으로 형성되어 음극이 형성되었다. 이들 조작에 의해, 도 4에 나타낸 형태의 전극이 제작되었다.
상술한 방법으로 양극 및 음극이 형성된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 사파이어 기판의 이면이 연삭 및 연마되어 거울면이 형성되었다. 이어서, 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조가 정사각형(350㎛×350㎛) 칩으로 잘라졌다. 이와 같이 형성된 칩은 리드 프레임상에 위치되었고, 금속으로 상기 리드프레임을 권취하여 발광 소자를 제작하였다.
이와 같이 제작된 발광 다이오드의 양극 및 음극에 순방향으로 구동 전류를 가하면, 상기 다이오드는 전류 20mA에서 순방향 전압 3.2V, 발광 파장 470nm 및 발광 출력 6mW를 나타내었다. 상기 발광 다이오드의 이러한 특성은 발광 다이오드 컷 중에서 변화없이 달성되었고, 상기 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 전체로부터 실질적으로 제작될 수 있다.
<비교예 2>
비교예 2에 있어서, 실시예 2의 다이오드에 사용되는 동일한 전극 구조를 갖는 발광 다이오드가 비교예 1에서 제작된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 사용하여 제작되었다.
실시예 2과 동일한 방법으로, 제작된 발광 다이오드가 평가되었다. 그 결과, 상기 다이오드는 전류 20mA에서 순방향 전압 3.9V, 발광 파장 455nm 및 발광 출력 5mW를 나타내었다.
본 발명의 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조로부터 제작된 발광 소자는 충분한 발광 출력을 유지하면서, 낮은 전압에서 구동된다. 따라서, 본 발명은 산업상 매우 우수한 가치가 있다.
Claims (37)
- 기판; 및 상기 기판상에 형성된 n형층, 활성층 및 p형층을 포함하고, 상기 활성층은 상기 n형층 및 상기 p형층 사이에 끼워져 있으며, 후막부 및 박막부를 포함하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조에 있어서, 상기 활성층은 평평한 하면(기판측) 및 불균일한 상면을 가져 후막부 및 박막부를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항에 있어서, 상기 활성층은 In을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 2항에 있어서, 상기 활성층의 상면은 In을 함유하지 않는 박층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후막부의 두께는 15Å~50Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 4항에 있어서, 상기 후막부의 두께는 15Å~30Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 구조의 단면에서 측정된 상기 후막부의 산술 평균폭이 10nm이상인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 6항에 있어서, 상기 다층 구조의 단면에서 측정된 상기 후막부의 폭이 100nm이상인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박막부의 두께는 15Å이하인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 구조의 단면에서 측정된 상기 박막부의 산술 평균폭이 100nm이하인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 9항에 있어서, 상기 다층 구조의 단면에서 측정된 상기 박막부의 폭이 50nm 이하인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후막부 및 박막부간의 두께차가 10Å~30Å의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후막부의 면적은 상기 활성층 전체 면적의 30%이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 12항에 있어서, 상기 후막부의 면적은 상기 활성층 전체 면적의 50%이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은 다중 양자 우물 구조에서, 하나 이상의 우물층인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 14항에 있어서, 상기 다중 양자 우물 구조는 3~10회 반복적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 15항에 있어서, 상기 다중 양자 우물 구조는 3~6회 반복적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다중 양자 우물 구조는 GaN, AlGaN 및 상기 활성층을 형성하는 InGaN 보다 낮은 In 함량을 갖는 InGaN으로 부터 선택되는 질화 갈륨 화합물 반도체로 이루어진 배리어층을 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 17항에 있어서, 상기 배리어층은 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 17항 또는 제 18항에 있어서, 상기 배리어층의 두께는 70Å~500Å인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 19항에 있어서, 상기 배리어층의 두께는 160Å이상인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조.
- 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 기재된 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 n형층 및 p형층상에 각각 형성되는 음극 및 양극을 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자.
- 제 21항에 있어서, 플립칩형 소자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자.
- 제 22항에 있어서, 포지티브 전극은 반사형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 발광 소자.
- 기판; 및 상기 기판상에 형성된 n형층, 활성층 및 p형층을 포함하고, 상기 활성층은 상기 n형층 및 상기 p형층 사이에 끼워져 있으며, 후막부 및 박막부를 포함하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조를 제조하는 방법에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 공정은 질화 갈륨 화합물 반도체를 성장시키는 공정; 및상기 질화 갈륨 화합물 반도체의 일부분을 분해 또는 승화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 24항에 있어서, 상기 활성층은 In을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 25항에 있어서, 상기 활성층은 질소원 및 In과 Ga를 함유하는 III족 금속원을 연속적으로 공급함으로써 성장하고, 이어서, 상기 In 금속원의 공급을 정지함으로써 In을 함유하지 않는 박층이 상기 활성층의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 24항 내지 제 26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성장시키는 공정은 기판 온도 T1에서 행해지고, 상기 분해 또는 승화시키는 공정은 기판 온도 T2에서 행해지며, T1과 T2의 관계는 T1≤T2를 만족시키는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화 합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 27항에 있어서, 상기 T1은 650~900℃의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 28항에 있어서, 상기 T2는 700~1000℃의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 24항 내지 제 29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성장시키는 공정은 질소원 및 III족 금속원을 함유하는 분위기 중에서 행해지고, 상기 분해 또는 승화시키는 공정은 질소원을 함유하지만, III족 금속원을 함유하지 않는 분위기 중에서 행해지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 30항에 있어서, 상기 분해 또는 승화시키는 공정은 기판 온도 T1을 T2로 상승시키면서 행하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 31항에 있어서, 상기 기판 온도 T1은 온도 상승 속도 1℃/분~100℃/분으로 T2로 상승되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 32항에 있어서, 상기 온도 상승 속도가 5℃/분~50℃/분인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 31항 내지 제 33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 온도 T1은 30초~10분에 걸쳐 T2로 상승되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 34항에 있어서, 상기 기판 온도 T1은 1분~5분에 걸쳐 T2로 상승되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 27항 내지 제 35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은 다중 양자 우물 구조에서 하나 이상의 우물층이고, 상기 다중 양자 우물 구조에서 하나 이상의 배리어층은 T2에서 성장된 후, 이어서, T3로 기판 온도를 낮춰서 더욱 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
- 제 36항에 있어서, 상기 T3는 T1과 동일한 것을 특징으로 하는 질화 갈륨 화합물 반도체 다층 구조의 제조방법.
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