KR20080052016A - 전류 확산층을 포함하는 발광소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체를 이용한 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 이종 접합 구조를 이용한 n-형 및 p-형 전류 확산층(current spreading layer)을 형성하는 단계, n-형 및 p-형 전류 확산층에 건식 식각을 통한 트렌치 형성단계, n-형 전류 확산층내에 형성된 트렌치에 n-형 금속 전극을 형성하는 단계, p-형 전류 확산층내에 형성된 트렌치에 p-형 금속 전극을 형성하는 단계 및 p-형 금속 전극층 상에 투명 전극(transparent metal)층을 형성하는 단계를 포함함으로써, 종래의 발광소자 제조방법에 비해 n-형 및 p-형 전극층에서 전류 확산 특성을 개선하여 발광소자의 동작 특성을 높이기 위한 구조이다.
질화물 반도체, 발광소자, 트렌치, 전류 확산층

Description

전류 확산층을 포함하는 발광소자의 제조방법{The Manufacturing Method of Light Emission Device including Current Spreading Layer}
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 개략적인 단면구조도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 구체적인 제조공정 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 n-형 전류 확산층에 형성된 트렌치 및 금속전극이 증착된 질화물계 발광소자의 부분 측단면도이다(도 2d의 A영역).
도 4는 본 발명에 따른 p-형 전류 확산층에 형성된 트렌치 및 금속 전극이 증착된 질화물계 발광소자의 부분 측단면도이다(도 2f의 B영역).
도 5는 본 발명에 따라 증착된 n-형 전류 확산층 및 p-형 전류 확산층을 이용한 전류의 이동을 나타내는 전류 흐름도이다.
도 6은 본 발명에서 이루고자 하는 전류 확산층을 포함한 n-형 및 p-형 전극층의 배치를 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 기판 12: 저온 완충(buffer)층
13: 언도핑된(Undoped) GaN 지지층 14: n-형 전극층
14a: n-GaN층 14b: n형 전류 확산층
14c: n+- GaN층 15: 활성층 (active layer)
16: p-형 클래딩(cladding)층 17: p-형 전극층
17a: p-GaN층 14b: p형 전류 확산층
17c: p형 장벽층 18, 19: 트렌치
20, 21: 금속 전극층 22: 투명 전극층
본 발명은 칼륨(Gallium; Ga), 알루미늄(Aluminum; Al), 인듐(Indium; In) 등의 Ⅲ족 원소와 질소를 포함하는 Ⅲ족-질화물 반도체를 이용하여 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, n-형 및 p-형 전극을 형성하는 공정에서 저 저항 및 높은 표면 전자 농도 또는 정공 농도를 갖는 이차원 전자가스층(2 dimensional electron gas: 2-DEG) 및 이차원 정공가스층(2 dimensional hole gas: 2-DHG)을 형성하는 공정을 포함하는 질화물계 발광소자 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, GaN계 화합물 반도체는 직접 천이형 반도체로서, 가시광선에서 자외선까지 파장 제어가 가능하며, 높은 열적·화학적 안정성, 높은 전자 이동도 및 포화 전자속도, 큰 에너지 밴드갭 등 기존의 GaAs 및 InP계 화합물 반도체에 비하여 뛰어난 물성을 가지고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 가시광 영역의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD) 등의 광소자, 고출력 및 고주파 특성이 요구되는 차세대 무선통신 및 위성통신 시스템에 사용되는 전자소자 등 기존의 화합물 반도체로는 한계성을 가지는 분야로 응용범위가 확대되고 있다. GaN계 발광소자는 InGaN, InAlGaN등으로 구성되는 활성층과 활성층에서 방출된 빛을 외부로 끌어내는 p-형 전극층에 따라 발광특성이 좌우된다.
그러나 GaN계 발광소자는 활성층과 전극층 사이의 격자 부정합 및 성장온도의 차이 등으로 인하여 내부 양자효율을 높이는 데 어려움이 있으며, 특히 절연성을 띄는 사파이어 기판을 사용하여 GaN계 발광소자를 제조하는 경우에는, n-형 및 p-형 전극이 동일 평면상에 존재하는 전극 구조로 인하여 전류 밀집현상(current crowding)이 쉽게 발생된다. 또한, p-형 GaN의 경우에는 높은 박막 저항 및 낮은 이동도 특성으로 인하여 전류 확산이 어려우며, 이는 불균일한 발광특성 및 열 발생으로 인하여 소자 특성을 저하시키는 주요한 원인이 되고 있다. 따라서, 발광소자의 특성을 개선하기 위하여, 전류 밀집현상을 감소시킬 수 있는 다양한 소자 구조 및 제조 공정에 대한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 발명으로, 본 발명의 목적은 n-형 및 p-형 전극층에 포함되어 있는 이차원 전자가스층 및 이차원 정공가스층 을 전류 확산층으로 이용하고, n-형 및 p-형 전류 확산층 내에 트렌치를 형성하여 금속 전극층을 증착하는 질화물계 발광소자 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하고, 발광소자의 전류 확산특성을 개선하기 위하여 본 발명에서는 n-형 및 p-형 전극층 내부에 전류 확산층을 형성하며, 각각의 전극층에 식각 공정을 통한 트렌치 형성 및 금속 전극을 증착하는 구조를 주된 특징으로 한다.
전술한 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발광소자의 제조방법은 a) 기판 상에 완충층을 형성하는 단계; b) 상기 완충층 상에 이종 접합구조를 이용한 n형 전류 확산층을 포함하는 다층 구조의 n-형 전극층을 형성하는 단계; c) 상기 n-형 전극층 상에 활성층을 형성하는 단계; d) 상기 활성층 상에 이종 접합 구조를 이용한 p형 전류 확산층을 포함하는 다층 구조의 p-형 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 발광소자의 제조방법은 e) 상기 p-형 전극층이 형성된 다음, n-형 전극층에 형성된 n형 전류 확산층이 노출되도록 식각하는 단계; f) 식각 공정을 이용하여 상기 노출된 n형 전류 확산층과 상기 p형 전류 확산층 각각에 n-형 트렌치 및 p-형 트렌치를 형성하는 단계; g) 상기 각각의 트렌치에 금속 전극층을 삽입하여 n-형 금속 전극층 및 p-형전극층을 형성하는 단계; 및 h) 상기 p-형 금속 전극층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 b) 단계는 b1) 전자를 공급하는 n-GaN층을 형성하는 단계; b2) 상기 n- GaN층 상에 AlGaN/GaN 이종 접합 구조인 n-형 전류 확산층을 형성하는 단계; 및 b3) 상기 n-형 전류 확산층 상에 형성된 n+-GaN층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 d) 단계는 d1) 정공을 공급하는 p-GaN층을 형성하는 단계; d2) 상기 p-GaN층 상에 p-AlGaN/GaN 이종 접합 구조인 p-형 전류 확산층을 형성하는 단계; 및 d3) 상기 n-형 전류 확산층 상에 p형 장벽층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 n-형 트렌치 및 p-형 트렌치의 두께는 상기 이종 접합 구조의 1 ~ 3주기 범위이며, 상기 p형 장벽층은 30 ~ 100Å 두께 범위의 p+-AlGaN층이다. 상기 n형 전류 확산층을 이차원 전자 가스층으로 이용하기 위해, AlGaN/GaN 이종접합구조에서 AlGaN층은 도핑하지 않고, GaN층은 실리콘으로 도핑한다. 상기 p형 전류 확산층을 이차원 전공 가스층으로 이용하기 위해, p-AlGaN/GaN 이종접합구조에서 p-AlGaN층은 1017/㎤ 이하로 GaN층은 1017/㎤ 이상으로 Mg 도핑한다.
이하, 첨부된 본 발명의 실시 예 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 에피구조를 도시한 단면 구조도이다. 도 1을 참조하면, 본 질화물계 발광소자(10)는 기판(11), 기판(11) 상에 형성된 완층층(buffer layer,12), 완충층(12) 상에 형성된 GaN 지지층(13), GaN 지지층(13) 상에 형성된 n-형 전극층(14), n-형 전극층(14) 상에 형성된 활성층(15), 활성층(15) 상에 형성된 p형 클래딩층(16), 및 p형 클래딩층(16) 상에 형성된 p-형 전극층(17)을 포함한다.
구체적으로, 본 실시 예에서 기판(11)은 사파이어 기판을 사용하며, 상기 기판(11) 상에 형성되는 완충층(12)은 저온으로 성장된 저온 완충층이다. 저온 완충층(12) 상에 형성되는 GaN지지층(13)은 결정성을 향상시키기 위하여 도핑하지 않은(undoped) GaN층으로, 2 ~ 3㎛의 두께로 성장한다.
다음, GaN지지층(13) 상에는 n-형 전극층(14)이 형성되는데, n-형 전극층(14)은 전자를 공급하여 주는 n-GaN층(14a)와, n-GaN층(14a) 상에 형성되어 전류를 확산하기 위해 AlGaN/GaN 이종접합 구조로 형성된 n형 전류 확산층(14b)과, 상기 전류 확산층(14b) 상에 형성되는 n+형 전극층인 n+ GaN층(14c)을 포함한다. 이때 n-GaN층(14a)은 3 ~ 5 ⅹ1018 ㎝-3의 전자 농도를 가지며 그 두께는 2 ~ 3㎛이다. 전류 확산층(14b)인 AlxGa1-xN/GaN 이종접합 구조는 Al 조성비인 x의 범위가 0.1 ~ 0.3 사이이며, 그 두께는 AlGaN, GaN이 각각 30 ~ 300Å 범위이다. n형 전류 확산층(14b)을 이차원 전자가스층(2-DEG)으로 형성하기 위해서는, AlGaN/GaN 이중 접합 구조중 AlGaN층은도핑하지 않으며, GaN층은 Si로 도핑한다. 다음, n형 전류 확산층(14b) 상에 형성되는 n+ GaN층(14c)은 3 ~ 5ⅹ1018 cm-3의 전자농도를 가지며, 0.5 ~ 1㎛의 두께 범위로 증착된다.
그 다음, n+ GaN층(14c) 상에는 활성층(15)이 형성된다. 활성층(15)은 발광 파장을 결정하는 InGaN/GaN 다중 양자 우물(MQW:Multiple quantum well) 구조로 성장한다. 활성층인 InGaN/GaN MQW(15) 상에는 전류 장벽 역할을 수행하는 p-형 클 래딩층(16)이 형성된다. p-형 클래딩층(16)은 p-AlxGa1 - xN 배리어층(barrier)으로, Al의 조성비인 x의 범위는 0.1 ~ 0.2이며, 두께는 30 ~ 1000Å 범위이다.
p-형 클래딩층(16) 상에는 p형 전극층(17)이 형성된다. p-형 전극층(17)은 정공을 공급하여 주는 p-GaN층(17a)과, p-GaN층(17a) 상에 형성되어 전류를 확산하기 위해 AlGaN/GaN 이종접합 구조로 형성된 p형 전류 확산층(17b)과, 상기 전류 확산층(17b) 상에 형성되는 p형 장벽층(17c)을 포함한다. p-GaN층(17a)의 두께는 500 ~ 5000Å 범위이다. p-GaN층(17a) 상에 형성된 p-형 전류 확산층(17b)은 p-AlxGa1-xN/GaN이며, x의 범위는 0.1 ~ 0.3이고, 두께는 AlGaN, GaN이 각각 30 ~ 300Å 범위이다. 이차원 정공가스층(2-DHG)을 형성하기 위해서는, p-AlGaN층에는 Mg를 1017 cm-3 이하로 도핑하고, GaN층에는 1017 cm-3 이상으로 도핑한다.
p-형 전류 확산층(17b) 상에는 p-형 장벽층(17c)이 형성된다. p-형 장벽층(17c)의 구조는 p+-AlGaN이며, x의 범위는 0.1 ~ 0.3이고, 두께는 30 ~ 100Å 이내로 하며, Mg를 1018 cm-3 이상 도핑한다. 전술과 같이 구성하는 이유는 시편의 가장 상층부를 AlGaN/GaN(17b)/AlGaN(17c)의 이중 이종접합 구조로 형성하여 표면에서의 캐리어 제한(carrier confinement) 효과를 높이며, 트렌치 구조에 의해 삽입되는 p-형 금속 전극층과 그 위에 증착되는 투명 전극층에 의하여 이중 전류 확산층을 구성하게 된다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 발광 소자의 제조 단계별 공정도이고, 도 3은 본 발명에 따른 n-형 전류 확산층에 형성된 트렌치 및 금속전극이 증착된 질화물계 발광소자의 부분 측단면도이고(도 2d의 A영역), 도 4는 본 발명에 따른 p-형 전류 확산층에 형성된 트렌치 및 금속 전극이 증착된 질화물계 발광소자의 부분 측단면도이다(도 2f의 B영역).
도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 소자의 에피 구조를 나타내는 것으로, 도 2a에는 기판(11), 저온 완충층(12), 언도핑된 GaN지지층(13), n-GaN층(14a), n-형 전류확산층(14b), n+-GaN층(14c), 활성층(15), p-형 클래딩층(16), p-GaN층(17a), p형 전류 확산층(17b) 및 p형 장벽층(17c)이 적층 형성되어 있다.
상기와 같이 에피 구조층이 적층 된 다음, 도 2b를 참조하면, 적층된 상기 에피 구조층 중 최상부층인 p형 장벽층(17c)에서부터 n+-GaN층(14c) 까지 건식 식각 공정을 이용하여 식각한다. 도 2c를 참조하면, 그 다음 공정에서는 p형 장벽층(17c)과 식각공정으로 노출된 n형 전류 확산층(14b)을 식각하여 트렌치(18, 19)를 형성한다. 트렌치(18, 19)를 형성하는 것은 n-형 및 p-형 금속 전극을 형성하기 위한 것으로, 트렌치(18, 19)를 형성하기 위한 식각 두께는 n-형 전류 확산층(14b) 및 p-형 전류확산층(17b) 내부에 트렌치(18, 19)를 형성할 수 있도록 설정해야 하며, AlGaN/GaN 이종접합의 1주기 보다 크며, 3주기 보다는 작도록 설정한다.
도 2d를 참조하면, 다음 단계에서는 n-형 전류 확산층(14b)에 형성된 트렌치(18) 내부에 n형 금속 전극층(20)을 증착한다. 더욱 구체적으로, 도 3을 참조하 면, 도 3에는 1차 식각 공정을 통하여 최상부층인 p형 장벽층(17c)에서부터 n형 전극층(14)에 포함된 n+GaN층(14c)까지 식각한 뒤, n형 전류 확산층(14b)에 2차 식각 공정을 통하여 트렌치(18)를 형성한 다음, 트렌치(18) 내에 금속 전극층(20)이 형성된 구조이다.
도 2e를 참조하면, 최상부에서 p-형 전류 확산층(17b)에 형성된 트렌치(19) 내부에 p형 금속 전극층(21)을 증착한다. 구체적으로, 도 4를 참조하면, 도 4에는 p형 장벽층(17c) 하부에 형성된 p형 전류 확산층(17b)까지 2차 식각 공정을 통하여 트렌치(20)를 형성한 다음, 트렌치(20) 내에 금속 전극층(21)을 형성하는 것으로, 트렌치(19) 내에 금속 전극층(21)이 형성된 다음, p형 장벽층(17c)과 금속전극층(21) 상에 투명 전극층(22)이 형성된 구조가 개시되어 있다.
도 2f를 참조하면, n형 및 p형 금속 전극층(20, 21)을 증착한 다음, p-형 전극층(17) 상에 투명 전극층(22)를 증착함으로써, 본 발명에 따른 질화물계 발광 소자(30)의 제작이 완료된다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 발광 소자의 n-형 전류 확산층 및 p-형 전류 확산층을 통한 전자 및 정공의 이동을 통한 전류의 흐름을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 전자는 n-GaN층(14a)을 통해 n형 전류 확산층(14b)으로 공급되고, n형 전류 확산층(14b)으로 공급된 전자는 n형 전류 확산층(14b)의 양측에 형성된 금속 전극층(20)로 이동되거나 상부에 형성된 n+형 전극층인 n+ GaN층(14c)을 통해 활성층(15)으로 이동한다. 정공은 p형 전류 확산층(17b)과 p형 금속 전극층(21)을 통해 p-GaN층(17a)으로 이동되어 활성층(15)으로 이동한다. 이처럼, 활성층(15)으로 이동된 전자와 정공가 재결합하면서 여기자를 형성하며, 이에 따라, 발광소자가 빛을 낸다.
도 6은 본 발명에서 이루고자 하는 발광소자의 평면구조를 도시한다. 도 6에 따르면, n-형 및 p-형 전류 확산층에 의한 발광소자의 특성 구현을 위하여 십자 형태의 금속 전극 배치 구조를 가지며, 이는 소자 전면에 일정한 전류 흐름을 형성하여 전류 확산특성을 향상시키기 위한 구조이다. 전류 확산 특성을 향상시키기 위하여, 발광 소자 면적을 4등분 하여 외부 및 내부 심자 형태로 n형 금속 전극층(20)을 배치하며, 4등분 된 각각의 내부에 다시 십자 구조의 p형 금속 전극층(21)을 배치한다. 그 다음, 그 전면에 투명 전극층(22, 도 4 참조)을 형성함으로써, 전류 확산 면적을 증대시켜 대면적 소자를 구현할 수 있는 구조이다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상, 전술에 따르면, 이종접합에 의해 형성된 2-DEG 및 2-DHG 구조를 n-형 및 p-형 전류 확산층으로 이용함에 따라, 기존의 n-GaN 및 p-GaN의 벌크(bulk) 구조에 비하여 이차원 평면상에서의 전류 이동이 빨라지며, 이는 현재의 대면적 발광소자에서 문제점으로 인식되는 부분적인 전류 밀집현상 및 발광특성의 불균일성을 줄여주게 되어 대면적 소자 제조를 가능하게 한다.
또한, 전술한 구성에 따르면, 금속 전극층을 형성함에 있어 트렌치를 형성한 뒤 내부에 금속을 삽입하는 구조를 이용함으로써, 기존의 표면에 증착되는 발광소자 구조에 비하여 후속 공정을 통한 표면 평탄화가 가능하며, 이는 다양한 종류의 소자를 함께 집적할 수 있다.
더불어, p-형 전극층의 경우 이종 접합구조에 의한 전류 확산층, 에피 구조의 마지막 층인 얇은 AlGaN층에 형성된 2-DHG층 및 투명 금속 전극층 등 전류 확산을 위한 다층 구조를 적용함으로써, 기존의 p-GaN의 낮은 정공 이동도 및 높은 박막 저항으로 인하여 전류 확산특성이 저하되는 단점을 극복하여 발광소자의 균일도 향상 및 대면적화가 가능하게 된다.

Claims (8)

  1. a) 기판 상에 완충층을 형성하는 단계;
    b) 상기 완충층 상에 이종 접합구조를 이용한 n형 전류 확산층을 포함하는 다층 구조의 n-형 전극층을 형성하는 단계;
    c) 상기 n-형 전극층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    d) 상기 활성층 상에 이종 접합 구조를 이용한 p형 전류 확산층을 포함하는 다층 구조의 p-형 전극층을 형성하는 단계
    를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    e) 상기 p-형 전극층이 형성된 다음, 상기 n-형 전극층에 형성된 상기 n형 전류 확산층이 노출되도록 식각하는 단계;
    f) 식각 공정을 이용하여 상기 노출된 n형 전류 확산층과 상기 p형 전류 확산층 각각에 n-형 트렌치 및 p-형 트렌치를 형성하는 단계;
    g) 상기 각각의 트렌치에 금속 전극층을 삽입하여 n-형 금속 전극층 및 p-형금속 전극층을 형성하는 단계; 및
    h) 상기 p-형 금속 전극층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 발광소자의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 b) 단계는
    b1) 전자를 공급하는 n-GaN층을 형성하는 단계;
    b2) 상기 n-GaN층 상에 AlGaN/GaN 이종 접합 구조인 상기 n-형 전류 확산층을 형성하는 단계;
    b3) 상기 n-형 전류 확산층 상에 n+-GaN층을 형성하는 단계
    를 포함하는 발광 소자의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 d) 단계는
    d1) 정공을 공급하는 p-GaN층을 형성하는 단계;
    d2) 상기 p-GaN층 상에 p-AlGaN/GaN 이종 접합 구조인 상기 p-형 전류 확산층을 형성하는 단계;
    d3) 상기 n-형 전류 확산층 상에 p형 장벽층을 형성하는 단계
    를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 n-형 트렌치 및 p-형 트렌치의 두께는 상기 이종 접합 구조의 1 ~ 3주기 범위인 발광소자의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 p형 장벽층은 30 ~ 100Å 두께 범위의 p+-AlGaN층인 발광소자의 제조방 법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 n형 전류 확산층을 이차원 전자 가스층으로 이용하기 위해, AlGaN/GaN 이종접합구조에서 AlGaN층은 도핑하지 않고, GaN층은 실리콘으로 도핑하는 발광소자의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 p형 전류 확산층을 이차원 전공 가스층으로 이용하기 위해, p-AlGaN/GaN 이종접합구조에서 p-AlGaN층은 1017/㎤ 이하로 GaN층은 1017/㎤ 이상으로 Mg 도핑하는 발광소자의 제조방법.
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