KR20070080963A

KR20070080963A - Nitride semiconductor light emitting device and method for manufacturing the same

Info

Publication number: KR20070080963A
Application number: KR20060012555A
Authority: KR
Inventors: 정용희
Original assignee: 삼성코닝 주식회사
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-14

Abstract

A nitride semiconductor light emitting device is provided to improve the optical and electrical characteristics of a nitride semiconductor light emitting device by forming a quantum dot inside and outside a well. A nitride semiconductor light emitting device has an active layer(13) in which gallium indium nitride well layer and a gallium nitride-based barrier layer are alternately stacked. A quantum dot of GaxIn1-xN(0<=x<1) is grown inside and outside the gallium indium nitride well layer. The active layer can be a single or multiple quantum well structure or a quantum dot of a single or multiple GaxIn1-xN(0<=x<1) formed inside and outside the gallium indium nitride well layer.

Description

Nitride semiconductor light emitting device and its manufacturing method {NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자로서의 발광 다이오드의 기본 구조를 나타내는 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a light emitting diode as a general nitride semiconductor light emitting device,

도 2는 도 1의 질화물 발광 다이오드의 활성 층 구조의 상세 단면도로서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1) 양자 점이 웰 층의 하부에 위치함을 나타내는 활성 층의 단면도이고,FIG. 2 is a detailed cross-sectional view of the active layer structure of the nitride light emitting diode of FIG. 1, in which Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) quantum dots are positioned below the well layer according to an exemplary embodiment of the present invention. Is a cross-sectional view of the active layer,

도 3는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1) 양자 점이 웰 층의 내부 상부에 위치함을 나타내는 활성 층의 단면도이고,FIG. 3 is a cross _- sectional view of an active layer showing that Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) quantum dots are located on an inner top of a well layer, in accordance with another preferred embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따라 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1) 양자 점이 웰 층의 내부 상부에 위치함을 나타내는 활성 층의 단면도이고,4 is a cross _- sectional view of an active layer showing that Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) quantum dots are located on an inner top of a well layer, in accordance with another preferred embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따라 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1) 양자 점이 웰 층의 외부 상부에 위치함을 나타내는 활성 층의 단면도이다.5 is a cross _- sectional view of an active layer showing that Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) quantum dots are located on the outer top of the well layer in accordance with another preferred embodiment of the present invention.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)

10 : 발광 다이오드 11 : 사파이어 또는 GaN 기판10 light emitting diode 11 sapphire or GaN substrate

12 : n 타입 도핑된 GaN 박막층 13 : 활성층12 n type doped GaN thin film layer 13 active layer

14 : p 타입 도핑된 GaN 박막층 21 : Ga_xIn₁ _-xN(0≤x<1)의 양자 점14: p-type doped GaN thin film layer 21: Ga _x In ₁ _-x N (0≤x <1)

22 : 양자웰 층 23 : 배리어 층22 quantum well layer 23 barrier layer

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화인듐갈륨(InGaN)계 다중 활성우물 내부에 인듐 또는 갈륨 드롭릿(In or Ga droplet)을 통해 질화인듐갈륨(Ga_xIn_1-xN)(0≤x<1)의 다중 양자 점을 형성시킴으로서 발광 효율을 도모할 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly, indium gallium nitride (Ga _x ) through an indium or gallium droplet (In or Ga droplet) inside an indium gallium nitride (InGaN) -based multiple active well. A nitride semiconductor light emitting device capable of achieving luminous efficiency by forming multiple quantum dots of In _1-x N) (0 ≦ x <1) and a method of manufacturing the same.

잘 알려진 바와 같이, 질화물 반도체 발광장치는 레이저 다이오드(LD: LASER DIODES) 장치 또는 발광다이오드(LED: LIGHT EMITTING DIODES)와 같은 발광장치 및 태양전지와 같은 광수신장치로 이루어진다. 질화물 반도체는 그들의 조성에 따라 1.95-6.0eV의 밴드갭 에너지를 가지며, 특히 질화인듐갈륨(InGaN)의 합금(alloy)은 발광다이오드(LED)장치 및 레이저 다이오드(LD)장치와 같은 발광장치의 재료로서 주목받아 왔다. 최근에는 이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 결과로서, 고휘도(high-brighness)의 청색 LED장치 및 녹색 LED장치가 실제로 사용되어 왔다. 이러 한 LED장치는 p-n접합을 가지는 이종 접합구조를 가지며 1mV를 초과하는 출력을 가진다.As is well known, the nitride semiconductor light emitting device is composed of a light emitting device such as a laser diode (LD) device or a light emitting diode (LED), and a light receiving device such as a solar cell. Nitride semiconductors have a bandgap energy of 1.95-6.0 eV, depending on their composition, in particular alloys of indium gallium nitride (InGaN) may be used as materials for light emitting devices such as light emitting diode (LED) devices and laser diode (LD) devices. It has been attracting attention as. Recently, as a result of using such nitride semiconductor materials, high-brightness blue LED devices and green LED devices have actually been used. This LED device has a heterojunction structure with a p-n junction and an output exceeding 1mV.

이러한 종래의 LED장치에 있어서의 이종 접합구조는 도 1을 참조하면, 기본적으로 사파이어, SiC, GaN, ZnO 등의 기판(11)상에 질화인듐갈륨계의 양자 웰 층과 질화갈륨계의 배리어층으로 이루어지는 활성 층(13)이 GaN 박막층으로 각각 이루어지는 n-타입과 p-타입의 피복층사이에 끼어있는 구조를 가진다.Referring to FIG. 1, a heterojunction structure of such a conventional LED device is basically an indium gallium nitride-based quantum well layer and a gallium nitride-based barrier layer on a substrate 11 such as sapphire, SiC, GaN, ZnO, or the like. The active layer 13 which consists of these has a structure sandwiched between the n-type and p-type coating layers which respectively consist of a GaN thin film layer.

InGaN/GaN은 우물층(well layer)(22)과 장벽층(barrier layer)(23)의 이종접합구조에서 에너지밴드의 차이로 양자 우물 구조(quantum well structure)를 형성시킨다. 이러한 양자 우물에 캐리어들이 속박되고, 홀과 전자의 재결합으로 인해 발광을 하게 된다. 상업적으로 고휘도 발광다이오드에서는 활성층 영역을 대부분 InGaN/GaN 다중 양자 우물(MQW: multi quantum well)을 사용한다.InGaN / GaN forms a quantum well structure due to the difference in energy bands in the heterojunction structure of the well layer 22 and the barrier layer 23. Carriers are bound to these quantum wells and emit light due to recombination of holes and electrons. Commercially, high brightness LEDs use InGaN / GaN multi quantum wells (MQWs) for the active layer region.

이와 같은 질화물 반도체의 제조기술은 최근 수년간 많은 발전을 하였고, 특히, 성장 방법과 구조에 있어서의 진전으로 인하여 광학적 특성, 전기적 특성 및 신뢰성에서 상당한 개선이 이루어졌다. 하지만, 계속적인 개선에도 불구하고 조명이나 디스플레이 광원으로 사용하기 위해서는 고 출력화 및 저구동전압에 대한 요구가 높아지고 있다.The manufacturing technology of such a nitride semiconductor has made a lot of developments in recent years, and in particular, significant improvements in optical properties, electrical properties, and reliability have been made due to advances in growth methods and structures. However, despite the continuous improvement, the demand for high output power and low driving voltage is increasing for use as an illumination or display light source.

본 발명은 상기한 바와 같은 요구 사항을 만족하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 웰 내부 및 외부에 양자 점(quantum dot)을 형성시켜 발광특성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 및 이 방법에 따라 제조된 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.The present invention has been made to satisfy the requirements as described above, an object of the present invention is to form a quantum dot (quantum dot) in the inside and the outside of the nitride semiconductor light emitting device that can improve the light emission characteristics and electrical characteristics To provide a method of manufacturing and nitride semiconductor light emitting device prepared according to the method.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은 질화인듐갈륨 웰층과 질화갈륨계 배리어층이 교대로 적층되어 있는 활성층을 가지는 질화물 반도체 발광 소자의 제조방법에 있어서, 상기 질화인듐갈륨 웰의 내부 및 외부에 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1) 양자 점을 성장시키는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, the method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device having an active layer in which an indium gallium nitride well layer and a gallium nitride barrier layer are alternately stacked. Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) quantum dots are grown inside and outside the well.

본 발명에 따라 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1)양자 점을 형성시키면, 질화물 반도체 발광소자의 광학적 특성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 온도나 전기적 에너지에 의한 파장 변이를 줄일 수 있는 효과를 가지며, 또한, 균일하고 고밀도의 양자 점 형성으로 인하여 균일한 파장 및 광 휘도를 얻을 수 있음에 따라 고신뢰성을 가지는 발광소자를 구현할 수 있는 효과를 가진다.According to the present invention, by forming Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) quantum dots, the optical and electrical characteristics of the nitride semiconductor light emitting device may be improved, and the wavelength variation due to temperature or electrical energy may be reduced. In addition, due to the formation of uniform and high-density quantum dots, it is possible to obtain a light emitting device having high reliability as a uniform wavelength and light brightness can be obtained.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical problems of the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1에는 일반적인 질화물 반도체 발광소자, 즉 발광 다이오드의 구조를 나타내며, 도시된 바와 같이, 이러한 발광 다이오드(10)는 사파이어, SiC, ZnO, GaN 등의 기판(11)상에 CVD(화학기상증착법)을 비롯한 다양한 방법에 의해서 n 타입 질 화갈륨(GaN) 박막층(12)을 성장시킨 다음, 도핑된 질화갈륨 박막층(12)의 상부에 질화인듐갈륨(InGaN)의 활성 층(13)을 형성하고, 이러한 활성 층(13)의 웰 층(22) 내부 또는 외부에 질소 분위기에서 수~수십초 동안 인듐(In)또는 갈륨(Ga)을 공급해주면, 표면장력과 응집력에 의해서 물방울 모양의 드롭릿(droplet)이 형성되고, 이어서 암모니아를 흘려보내주면 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1)의 양자 점(21)이 생성된다. 이와 같이, 질화인듐갈륨(InGaN)의 웰 층 (22) 내부 또는 외부에 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1) 양자 점(21)의 형성이 완료되면, 도핑하지 않은 또는 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 인듐(In) 등이 도핑된 GaN 베리어 층(23)을 증착시키고, 웰 층(22)과 배리어 층(23)을 순차적으로 반복하여 형성된 활성 층(13)을 구성하고, 상기 활성 층(13)의 상측면에 p타입 GaN 박막층(14)을 형성시킨다.1 shows a structure of a general nitride semiconductor light emitting device, that is, a light emitting diode, and as shown, the light emitting diode 10 is CVD (chemical vapor deposition) on a substrate 11 such as sapphire, SiC, ZnO, GaN, or the like. The n-type gallium nitride (GaN) thin film layer 12 is grown by various methods, including, and then an active layer 13 of indium gallium nitride (InGaN) is formed on the doped gallium nitride thin film layer 12, When indium (In) or gallium (Ga) is supplied to the inside or outside of the well layer 22 of the active layer 13 in a nitrogen atmosphere for several to several seconds, droplets of water droplets are formed by surface tension and cohesion. ) Is formed, followed by flowing ammonia to form quantum dots 21 of Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1). As such, when the formation of Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) quantum dots 21 is completed inside or outside the well layer 22 of indium gallium nitride (InGaN), undoped or silicon ( An active layer 13 formed by depositing a GaN barrier layer 23 doped with Si), aluminum (Al), indium (In), etc., and sequentially repeating the well layer 22 and the barrier layer 23. The p-type GaN thin film layer 14 is formed on the upper side of the active layer 13.

이때, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 다양한 위치에 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1)의 양자 점(21)을 생성하고, 인듐 또는 갈륨 유량 및 암모니아의 유량 , 성장 온도 및 압력을 조절하여 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1)의 양자 점의 크기 및 밀도를 제어할 수 있다. 좀 더 상세하게 설명하면, 활성 층(13)의 웰 층(22)의 내부 및 외부에 Ga_xIn_1-xN(0≤x<1)의 양자점 층이 증착되는 환경은 질소분위기에서 TMGa가 1~100 ㎛ol, NH3가 1~100 L, 성장 온도는 500~1200 ℃, 성장 압력은 1~100 mbar에서 인듐 또는 갈륨을 3내지 30초동안 공급해주고, 암모니아를 수초내지 수십초 흘려주면, 도 2내지 도 5에 도시된 바와 같이 질화인듐갈륨의 웰 층(22) 내부나 외부 위치에 Ga_xIn_1-xN(0≤ x<1)의 양자 점(21)이 형성된다. Ga_xIn_1-xN(0≤x<1)의 양자 점은 1~10 ㎚의 크기인 것이 바람직하다.In this case, as shown in FIGS. 2 to 5, the quantum dots 21 of Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) are generated at various positions, and indium or gallium flow rates, ammonia flow rates, growth temperatures, and the like. And the pressure may be controlled to control the size and density of Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1). In more detail, an environment in which a quantum dot layer of Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) is deposited inside and outside the well layer 22 of the active layer 13 may be used in a nitrogen atmosphere. 1 to 100 µm, NH3 is 1 to 100 L, growth temperature is 500 to 1200 ° C, growth pressure is 1 to 100 mbar, supplying indium or gallium for 3 to 30 seconds, and ammonia is flowed for several seconds to several tens of seconds, As shown in FIGS. 2 to 5, quantum dots 21 of Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) are formed in or outside the well layer 22 of indium gallium nitride. The quantum dot of Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) is preferably 1-10 nm in size.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 상술한 실시예에 있어서, 단일 양자우물 구조 또는 단일 양자 점 구조로 활성층을 형성하는 것을 예시하였으나, 이와 달리 다중 양자우물 구조 또는 다중 양자 점 구조로 활성층을 형성하여도 본원 발명에 속하는 것임은 물론이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. I can understand that. For example, in the above-described embodiment, the active layer is formed by a single quantum well structure or a single quantum dot structure. Alternatively, the active layer may be formed by a multi-quantum well structure or a multi-quantum dot structure. Of course it is. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 양자 점을 형성시키면, 질화물 반도체 발광소자의 광학적 특성 및 전기적 특성을 향상시키게 되며, 온도나 전기적 에너지에 의한 파장 변이를 줄일 수 있는 효과를 가진다.As described above, when the quantum dots are formed in accordance with the present invention, the optical and electrical characteristics of the nitride semiconductor light emitting device are improved, and the wavelength variation due to temperature or electrical energy can be reduced.

Claims

In the manufacturing method of the nitride semiconductor light emitting element which has an active layer in which an indium gallium nitride well layer and a gallium nitride system barrier layer are alternately laminated | stacked,

And manufacturing Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) quantum dots in and out of the indium gallium nitride well.

The method of claim 1,

The quantum dots of Ga _x In _1-x N (0≤x <1) are formed by supplying indium or gallium in a nitrogen atmosphere to form droplets of water droplets by surface tension and cohesion and then flowing ammonia to grow. A method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device.

The method of claim 1,

The quantum dot size of the Ga _x In _1-x N (0≤x <1) is 1 ~ 10 nm manufacturing method of the nitride semiconductor light emitting device.

The method of claim 1,

The active layer is formed of a single or multiple quantum well structure, or a nitride characterized in that a single or multiple Ga _x In _1-x N (0≤x <1) quantum dots are formed inside and outside the indium gallium nitride well layer Method of manufacturing a semiconductor light emitting device.

The method of claim 2,

The Ga _x In _1-x N (0≤x <1) is deposited in a quantum dot of 1 ~ 100 ㎛ol TMGa, 1 ~ 100 L of NH ₃ in the nitrogen atmosphere, the growth temperature is 500 ~ 1200 ℃, The growth pressure is a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that 1 ~ 100 mbar.

In a nitride semiconductor light emitting device having an active layer in which an indium gallium nitride well layer and a gallium nitride barrier layer are alternately stacked,

A nitride semiconductor light emitting device in which a quantum dot of Ga _x In _1-x N (0 ≦ x <1) is grown inside or outside the well layer of indium gallium nitride.