KR20080022818A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은 기판 상에 순차적으로 n형 전극접촉층, 활성층, p형 전극접촉층을 형성하는 단계; 상기 p형 전극접촉층 위에 p형 러프니스 로드를 형성하는 단계; 상기 n형 전극접촉층의 일부분이 노출되도록 부분 식각을 수행하여, n형 전극접촉층위에 n형 러프니스 로드를 형성하는 단계; 상기 n형 전극접촉층 및 p형 전극접촉층 위에 n형 및 p형 전극을 각각 형성하는 단계를 포함한다.
질화물, 반도체, 발광소자, 러프니스

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{ Semiconductor light-emitting device and Manufacturing method thereof}
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 3a~3d는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조 과정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명 실시 예에 따른 p형 러프니스 로드 생성 과정을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명 실시 예에 따른 고속 수소 어닐링에 의한 P형 러프니스 로드 생성 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 질화물 반도체 발광소자 111 : 기판
113 : 버퍼층 115 : n형 전극접촉층
117 : 활성층 119 : p형 전극접촉층
120 : 러프니스 로드 구멍 121 : p형 러프니스 로드
123 : p형 전극 125 : n형 러프니스 로드
127 : n형 전극
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화물 반도체 발광소자는 자외선, 청색 및 녹색 영역을 포괄하는 발광 영역을 가진다. 특히, GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색/녹색 LED의 광소자 및 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HEMT (Hetero junction Field ― Effect Transistors) 등의 고속 스위칭, 고출력 소자인 전자소자에 응용되고 있다.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, GaN계 질화물 반도체 발광소자(10)는 주로 사파이어 기판(11) 또는 SiC 기판 위에서 상기 버퍼층(12)을 형성하고 그 상부에 n형 GaN 층(13), 다중양자우물구조로 형성되어 광을 방출하는 활성층(14) 및 p형 GaN층(15)을 포함하여 구성된다. 그리고 상기 p형 GaN층(15)에는 p형 전극(16)이 형성되며, 상기 n형 GaN층(13)의 일부분에는 n형 전극(17)이 형성된다.
이러한 질화물 반도체 발광소자(10)의 동작을 보면, p-n 접합구조상에서 상기 n형 GaN층(13)은 질화갈륨(GaN)에 규소(Si)와 같은 도펀트(dopant)를 도핑시켜 형성된다. 상기 p형 GaN층 (15)은 질화갈륨(GaN)에 도펀트로는 주로 마그네슘(Mg)을 도핑시켜 형성된다.
전압이 인가되는 경우 상기 활성층(14)으로 전자와 정공이 유입되어 활성층(14)의 밴드 갭 또는 에너지 레벨차이에 해당하는 빛을 방출하게 됨으로써 발광소자로써 역할을 하게 되는 것이다.
이러한 질화물 반도체 발광소자의 외부 발광 효율을 증대시켜 주기 위한 여러 가지의 시도가 진행되어 왔다.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 외부 발광 효율 개선을 위해 p형 러프니스 로드를 이용하여 n형 러프니스 로드도 생성될 수 있도록 한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은 기판 상에 순차적으로 n형 전극접촉층, 활성층, p형 전극접촉층을 형성하는 단계; 상기 p형 전극접촉층 위에 p형 러프니스 로드를 형성하는 단계; 상기 n형 전극접촉층의 일부분이 노출되도록 부분 식각을 수행하여, n형 전극접촉층위에 n형 러프니스 로드를 형성하는 단계; 상기 n형 전극접촉층 및 p형 전극접촉층 위에 n형 및 p형 전극을 각각 형성하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 전극접촉층; 상기 n형 전극 접촉층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p형 전극접촉층; 상기 p형 전극 접촉층 위에 형성된 p형 러프니스 로드; 상기 n형 전극접촉층 위에, 상기 p 형 러프니스 로드 및 p형 전극 접촉층의 식각 공정에 의해 형성된 n형 러프니스 로드; 상기 n형 전극접촉층 및 p형 전극접촉층 위에 n형 및 p형 전극을 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 적층 구조를 나타낸 도면이며, 도 3a~3d는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조 과정을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명 실시 예에 따른 p형 러프니스 로드 생성 과정을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명 실시 예에 따른 고속 수소 어닐링에 의한 P형 러프니스 로드 생성 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(111), 버퍼층(113), n형 전극접촉층(115), 활성층(117), p형 전극접촉층(119), p형 러프리스 로드(121), p형 전극(123), n형 러프니스 로드(125), n형 전극(127)을 포함한다.
상기 기판(111)은 사파이어, GaN, SiC, ZnO, GaAs 또는 Si중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 기판(111) 위에는 버퍼층(113)이 형성될 수 있는데, 상기 버퍼층(113)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 AlGaInN 등이 이용될 수 있다.
상기 버퍼층(113) 위에는 n형 전극접촉층(115)이 형성되는데, 상기 n형 전극접촉층(115)은 질화갈륨(GaN)계에 규소(Si)와 같은 도펀트(dopant)를 도핑시켜 형성될 수 있다. 또한 n형 전극접촉층(115)은 인듐을 포함하는 GaAlInN계로 형성할 수도 있다.
상기 활성층(117)은 소정 온도(예: 700℃)에서 트리메틸 갈륨 및 트리메틸 인듐을 주입하면서 질소 분위기에서 성장시킨다. 이러한 활성층은 공지된 기술을 이용하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다.
상기 활성층(117) 위에는 p형 전극접촉층(119)이 성장되는데, 성장 온도를 1000℃ 이상으로 상승시키고 트리메틸갈륨 및 cp2Mg을 주입시킴으로써 p-GaN층으로 사용된다. 이러한 p형 전극접촉층(119)은 n형 전극접촉층(115)과 마찬가지로 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체로 이루어질 수 있으며, p형 전극접촉층(119)의 정공과 n형 전극접촉층(115)의 전자가 활성층에서 결합되는 과정에서 광이 방출된다.
상기 p형 전극접촉층(119) 위에 p형 러프리스 로드(roughness rod)(121)를 형성하게 된다. 이를 위해, p형 전극접촉층(119) 성장시 도핑되는 마그네슘(Mg) 양은 기존에 사용되는 마그네슘(Mg) 양 보다 5배 정도의 많은 양을 사용하며, 갈륨(Ga) 양은 기존에 사용되는 갈륨(Ga) 양 보다 1/5 정도의 양을 사용하게 된다. 이에 따라 마그네슘 양이 과도하게 도핑된 약한 p형 전극접촉층이 형성된다. 여기서, 상기 마그네슘 양은 기존에 1u몰/분이면 본 발명은 5u몰/분 이상 정도로 하고, 상기 갈륨 양은 기존에 100u몰/분이면 본 발명은 20u몰/분 정도로 한다.
구체적으로, 상기 p형 전극접촉층(119)은 분위기 가스인 H2, N2, NH3 중 H2와 NH3만을 이용하거나 NH3만을 이용할 수 있으며, Cp2Mg의 양은 일반적인 p형 전극접촉층의 형성 양 보다 5배 이상으로 사용하며, 흘려주는 시간은 0~180초로서 바람직하게는 10~60초로 사용할 수 있다. 또한 온도는 800~1000℃로서 바람직하게는 850~900℃를 사용할 수 있다.
그리고 p형 전극접촉층(119)이 도 3의 (a) 및 도 4의 (a)와 같이 형성되면, 고온(예: 약 1000℃)의 수소 분위기에서 어닐링을 실시함으로써, 약하게 결합된 p-GaN층의 불균일한 Mg-H의 결합체가 끓어져 소정 깊이의 러프니스 로드 구멍(120)이 도 4의 (b)와 같이 형성된다. 즉, 고온의 수소 분위기에서 어닐링 공정을 통하여 시드 층(seed layer)이 형성된다.
도 4의 (b) 및 도 5의 (a)와 같이, 상기 p형 전극접촉층(119)에 형성되는 러프니스 로드 구멍(120)은 불규칙 위치에, 서로 다른 크기로 형성된다. 여기서, 상기 러프니스 로드 구멍(120)의 깊이(H)는 5~6nm 정도이고, 폭(W)은 1~1.4um 정도로 형성된다.
이와 같이, p형 전극접촉층(119)에 러프니스 로드 구멍(120)이 형성되면, p형 도펀트가 포함되지 않은 질화갈륨을 일정 이상 속도로 성장시켜 주면, p형 전극접촉층(119)의 Mg-H의 결합이 끓어져 활성화 에너지가 상대적으로 높은 러프니스 로드 구멍(120)에 GaN 러프니스 로드 즉, p형 러프니스 로드(121)가 성장된다. 즉, 도 4의 (c) 및 도 5의 (b)와 같이 형태의 러프니스 로드(121)가 비정형 또는 육각 로드 형태로 형성된다.
그리고 상기 p형 러프니스 로드(121)의 성장 속도는 기존에 p형 전극접촉층(또는 n형 전극접촉층)을 성장하는 속도보다 10배 이상 속도로서, 동일한 시간에 10배 이상의 두께(예: 1000~3000Å)가 형성될 수 있도록 한다. 이때의 온도는 950~1050℃로 설정할 수 있다.
여기서, p형 전극접촉층(119) 위에 도 3의 (b)와 같이 형성되는 p형 러프니스 로드(121)는 p형 질화물(p-GaN)층 사이에 과도하게 들어가 있던 Mg가 성장방향으로 빠져나오면서 Mg-H 결합이 끓어진 Mg+의 형태로 GaN 사이로 들어가게 되고, 결과적으로 성장되는 GaN 러프니스 로드(121)는 기존의 p-GaN 러프니스 로드 보다 결정성과 캐리어 농도가 우수한 p-GaN 러프니스 로드를 형성하게 된다.
그리고 p형 러프니스 로드(121)는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, p형 전극접촉층으로부터 소정 높이(H1)로 형성되는데, 그 높이는 0.08~0.1um 정도가 된다.
이후, p형 전극접촉층(119)의 일 부분에서 n형 전극접촉층(115)의 일부분까지 식각을 수행하게 준다. 이때, 식각 방법은 건식 식각 방법으로서, 일 예로ICP(inductively coupled plasma etching) 을 이용할 수 있다. 이러한 식각이 수행되면 p형 러프니스 로드(121)와 p형 전극접촉층 사이의 결정질 차이로 인해서 p형 러프니스 로드(121)와p형 전극접촉층 사이에 식각 정도의 차이가 발생한다. 이는 식각될 영역에서 p형 러프니스 로드(121)와 p형 전극접촉층(119) 사이의 식각 정도의 차이에 의해 도 3의 (c)와 같이, n형 전극접촉층(115)의 일부분까지 식각되면, 상기 n형 전극접촉층(115) 위에 n형 러프니스 로드(125)가 형성된다.
이는 p형 러프니스 로드(121)가 기존의 러프니스 로드 보다 높은 결정질을 갖고 형성됨으로써, p형 러프니스 로드(121)의 식각이 p형 전극접촉층 보다는 더디게 식각되어 n형 전극접촉층(115)의 일부분까지 식각될 때 식각 정도의 차이로 인하여 n형 러프니스 로드(125)가 된다.
이와 같이 p형 전극접촉층(119) 위에 p형 러프니스 로드(121)를 형성한 후 ICP 식각 공정을 통해 n형 전극접촉층(115) 및 그 위에 n형 러프니스 로드(125)가 형성된다. 즉, 한 번의 p형 러프니스 로드(121)를 생성한 후 이를 이용하여 n형 러프니스 로드(125)가 형성되도록 할 수 있다.
이후 p형 전극접촉층(119) 위에 p형 전극(123)을 형성하고, n형 전극접촉층(115) 위에 n형 전극(127)을 형성하게 된다(도 3의 d). 여기서, p형 전극은 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 하나로 이루어진 투명전극이 될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명 실시 예에 의한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 전극 접촉층에 형성되는 p형 러프니스 로드를 이용하여 n형 러프니스 로드가 생성될 수 있도록 함으로써, n형 러프니스 로드를 별도로 생성하지 않아도 되므로, 공정이 단축되는 효과가 있다. 또한 한 번의 러프니스 로드의 생성 공정으로 p형 및 n형 러프니스 로드가 생성됨으로써, 외부 발광 효율을 증대시켜 줄 수 있다.

Claims (18)

  1. 기판 상에 순차적으로 n형 전극접촉층, 활성층, p형 전극접촉층을 형성하는 단계;
    상기 p형 전극접촉층 위에 p형 러프니스 로드를 형성하는 단계;
    상기 n형 전극접촉층의 일부분이 노출되도록 식각을 수행하여, n형 전극접촉층위에 n형 러프니스 로드를 형성하는 단계;
    상기 n형 전극접촉층 및 p형 전극접촉층 위에 n형 및 p형 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 p형 전극접촉층 성장시, 마그네슘을 도핑하여 성장한 후 어닐링을 수행하여 러프니스 로드 구멍을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 러프니스 로드 구멍에 p형 러프니스 로드가 형성되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 p형 전극접촉층은 5μ몰/분 이상의 마그네슘을 도핑하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 p형 전극접촉층은 20u몰/분 갈륨을 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 p형 러프니스 로드의 성장속도는 상기 p형 전극 접촉층의 성장 속도 보다 10배 이상으로 성장되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 식각은 ICP 식각을 이용하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 러프니스 로드는 비정형 또는 육각 로드 형태로 형성되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 p형 전극접촉층은 H2, N2, NH3의 분위기 가스 중 하나 이상을 공급한 상태에서 800~1000℃로 CP2Mg를 10~180초 동안 유지하여 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 러프니스 로드 구멍은 높이가 5~6nm, 폭이 1~1.4um 로 형성되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 p형 러프니스 로드는 p형 전극접촉층 위에 0.08~0.1um로 형성되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 n형 전극접촉층;
    상기 n형 전극 접촉층 위에 형성된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 p형 전극접촉층;
    상기 p형 전극 접촉층 위에 형성된 p형 러프니스 로드;
    상기 n형 전극접촉층 위에, 상기 p 형 러프니스 로드 및 p형 전극 접촉층의 식각 공정에 의해 형성된 n형 러프니스 로드;
    상기 n형 전극접촉층 및 p형 전극접촉층 위에 n형 및 p형 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 p형 러프니스 로드는 p형 전극접촉층에 형성된 러프니스 로드 구멍에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 p형 전극접촉층에는 5μ몰/분 이상의 마그네슘이 도핑되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 p형 전극 접촉층에는 20u몰/분 갈륨이 사용되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 러프니스 로드는 비정형 또는 육각 로드 형태로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 러프니스 로드 구멍은 높이가 5~6nm, 폭이 1~1.4um 로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 p형 러프니스 로드는 p형 전극접촉층 위에 0.08~0.1um로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
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