KR20080062548A

KR20080062548A - ｐ형 ＺｎＯ층을 구비하는 발광다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20080062548A
Application number: KR20060138488A
Authority: KR
Inventors: 남기범
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-07-03
Also published as: KR101321936B1

Abstract

본 발명은 기판위에 n형 GaN계 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 n형 GaN계 반도체층위에 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층에 p형 ZnO층을 형성하는 단계와, 상기 p형 ZnO층위에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면 질화갈륨계 화합물 반도체는 p형 ZnO층을 구비하고 있다. p형 ZnO층은 종래의 발광다이오드에서 사용되는 p형 GaN층에 비하여 정공 이동도가 높음에 따라 전류확산 특성이 뛰어나고 광방출 효과가 개선된다.

사파이어,ZnO, Gan, P형반도체층, 발광다이오드,정공밀도,전류확산, sb

Description

ｐ형 ＺｎＯ층을 구비하는 발광다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE HAVING ZnO LAYER P-TYPED AND THE METHOD OF FABRICATING THE LIGHT EMITTING DIODE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조 방법의 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 사파이어 기판 200 : 버퍼층

300 : Undoped GaN층 400 : n형 GaN층

500 : 활성층 600 : p형 ZnO층

700 : 투명전극 800a,800b : 전극패드

본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 상세하게는, p형 ZnO층을 p형 반도체층으로 구비하는 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

III-V족 화합물 반도체는 고속 및 고온 전자제품들, 광 방출기 및 광 검출기 등의 응용제품들에서 우수한 성능을 제공한다. 특히, 질화갈륨계 화합물 반도체에 포함되어 있는 갈륨 나이트라이드(GaN)는 청색 레이저 및 청색 파장의 스펙트럼을 방출하는 발광다이오드에 요구되는 밴드갭을 가지고 있어, 이에 대한 연구가 많이 진행되어 왔으며, 그 사용이 증가하고 있다. 또한, 알루미늄 나이트라이드(AlN), 인디움 나이트라이드(InN) 및 갈륨 나이트라이드(GaN)의 얼로이(alloy)는 가시영역 전범위에 걸친 스펙트럼을 제공한다.

일반적으로 질화갈륨계 화합물 반도체는 기판위에 버퍼층, n형 GaN층, 활성층, p형 콘택층, 투명전극이 형성된다.

종래의 경우 투명전극아래에 형성되는 p형 콘택층으로 p-GaN을 사용한다. 그렇지만, p형 GaN의 정공 밀도는 p형 GaN에 들어있는 Mg원자의 억셉터(acceptor)에 기인하기 때문에 10¹⁸cm^- ³이하의 정공밀도와 10㎠/V.s에 불과한 낮은 이동도를 가지고 있다. p형 GaN은 이동도가 낮기 때문에 전류 확산(current spreading)이 떨어질 뿐 아니라 그로 인해 광방출의 한계가 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 질화갈륨계의 화합물 반도체층이 적층되고 그 위에 투명전극이 형성되는 발광다이오드에서 투명전극의 하부에 형성되는 p형 반도체층에서 정공 밀도를 높이고 향상된 전류 확산 특성을 가지게 하는 데 있다.

이러한 기술적 과제들을 달성하기 위해 본 발명의 일측면에 의하면, 기판위에 n형 GaN계 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 n형 GaN계 반도체층위에 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층에 p형 ZnO층을 형성하는 단계와, 상기 p형 ZnO층위에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드 제조방법을 제공한다.

바람직하게 상기 p형 ZnO층 형성 단계는 ZnO에 P형 도펀트로 Sb 또는 As중 적어도 어느 하나를 도핑한다.

바람직하게 상기 p형 ZnO층 형성 단계는 200 ∼ 300℃의 온도에서 수행된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판과, 상기 기판위에 형성된 n형 GaN계 반도체층과, 상기 n형 GaN계 반도체층위에 형성된 활성층과, 상기 활성층위에 형성된 p형 ZnO층과, 상기 p형 ZnO층 위에 형성된 투명전극층을 포함하는 발광다이오드를 제공한다.

바람직하게 상기 p형 ZnO층은 ZnO에 P형 도펀트로 Sb 또는 As중 적어도 어느 하나가 도핑된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설 명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 단면도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 사파이어 기판(100), 버퍼층(200), Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500), p형 ZnO층(600),투명전극(700), 전극패드(800a,800b)를 포함한다.

사파이어 기판(100)은 안정성이 높은 사파이어로 이루어져 있으며 기판(100)위로는 버퍼층(200)이 형성된다.

버퍼층(200), Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500), p형 ZnO층(600)은 금속유기 화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(MBE) 또는 수소화물 기상 성장(HVPE) 방법 등을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다.

버퍼층(200)은 사파이어 기판(100)과 Undoped GaN층(300)간의 격자 불일치를 완화하기 위해 개재된다. 예를 들어 버퍼층(200)은 Al_xGa₁ _- _xN(0≤x≤1)로 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 성장법(metalorganic chemical vapor phase epitaxy, MOCVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.

버퍼층(200)을 형성할 경우, Al 및 Ga의 소오스 가스로 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl, Al(CH₃)₃)과 트리메틸갈륨(trimethyl galium; TMG, Ga(CH₃)₃)을 사용하고, 반응가스로 암모니아(NH₃)를 사용한다. 이들 소오스 가스 및 반응가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 400 ~ 1200℃에서 버퍼층(200)을 형성할 수 있다.

Undoped GaN 층(300)은 버퍼층(200)위에 n형 GaN층(400)을 성장시키기 위하여 성장된다.

n형 GaN층(400)은 GaN에 실리콘(Si)을 도우핑하여 형성할 수 있다.

활성층(500)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN/GaN을 포함하여 이루어진다. 활성층(500)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광다이오드에서 방출되는 발광 파장이 결정된다. 활성층(500)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 양자우물층과 장벽층은 일반식 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.

p형 ZnO층(600)은 ZnO에 Sb 또는 As를 도우핑하여 형성할 수 있다. p형 ZnO층(600)의 형성 두께는 약 0.2㎛ 이하가 바람직하다.

투명 전극(700)은 p형 ZnO(700)위에 형성된다. 투명전극(800)은 판상 형태로서 활성층(500)에서 방출되는 빛을 외부로 투과시킨다.

투명전극(700)은 Ni/Au 또는 인디움틴산화막(ITO)와 같은 투명물질로 형성될 수 있다.

투명전극(700)은 전극패드(800a)를 통해 입력되는 전류를 골고루 분산시켜 발광효율을 높이는 역할도 수행한다.

전극 패드(800a,800b)는 투명전극(700) 위 및 n형 GaN층(400)위에 형성된다. 전극패드(800a, 800b)는 와이어(wire)에 의해 리드(lead)(미도시)와 연결되어 외부전원으로부터 전원을 공급받는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 제조 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면 사파이어 기판(100)을 준비한다(S1).

그 후, 사파이어 기판(100)위에 버퍼층(200)을 형성한다(S2).

버퍼층(200)은 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 성장법(metalorganic chemical vapor phase epitaxy, MOCVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.

버퍼층(200)은 400 내지 1200℃에서 압력이 약 10 torr 내지 약 780 torr인 상태에서 상술한 결정 성장 방법 중 어느 하나를 이용하여 성장될 수 있다.

버퍼층(200)이 형성된 이후에 버퍼층(200)위에 예컨대 1㎛ 이하 두께의 Undoped GaN 층(300)과 2㎛이하 두께의 n형 GaN층(400)과, 활성층(500)를 1000℃에서 차례대로 성장시킨다(S3)

Undoped GaN층(300), n형 GaN층(400), 활성층(500)은 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 수소화물 기상 성장법(HVPE) 또는 분자선 성장법(MBE) 등을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 동일한 공정 챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다.

활성층(500)이 형성되면 그 위에 p형 ZnO층(600)을 0.2㎛이하의 두께로 형성한다(S4).

p형 ZnO층(600)은 활성층(500)위에 금속 촉매를 사용하지 않는 유기금속 화학 증착법에 의해 형성된다.

구체적으로는 p형 ZnO층(600)은 활성층(500)이 형성된 기판이 있는 반응기내로 아연 함유 유기 금속 및 산소 함유 기체 또는 산소 함유 유기물을 별개의 라인을 통해 각각 주입하고, p형 도펀트로 Sb 또는 As를 사용하여 0.1 내지 10torr의 압력 및 온도 200 ∼ 300℃의 반응 조건하에서 반응물의 전구체들을 화학반응시키는 유기금속 화학증착법에 의해 ZnO계 활성층(500)위에 형성된다.

p형 ZnO층(600)의 증착에 사용되는 아연 함유 유기 금속으로는 디메틸아연[Zn(CH₃)₂], 디에틸아연[ZnC₂H₅)₂], 아연아세테이트[Zn(OOCCH₃)₂ㆍH₂O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH₃)₂], 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C₅H₇O₂)₂]등을 예로 들 수 있고, 산소 함유 기체로는 O₂, O₃, NO₂, 수증기, CO₂ 등을 예로 들 수 있으며, 산소 함유 유기물로는 C₄H₈O를 예로 들을 수 있다.

p형 ZnO층(600)이 형성된 후 p형 ZnO층(600) 위에 투명전극(800)을 형성한다(S5).

투명전극(800)이 형성된 후, 사진 및 식각 공정을 사용하여 p형 ZnO층(600) 및 활성층(500)을 패터닝 또는 식각하여 n형 GaN층(400)의 일부 영역이 노출되도록 한다(S6).

그 후, 노출된 n형 GaN층(400)위에 전극패드(800b)를 형성하고 투명전극(700)위에 전극패드(800a)를 형성하고(S7) 절차를 종료한다. 여기에서 전극 패드들(800a,800b)은 리프트 오프(lift off)법을 사용하여 형성될 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 사파이어 기판을 중심으로 설명했으나 사파이어 기판 이외에도 스피넬(spinel) 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 등 다른 종류의 기판이 사용될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 의하면 발광다이오드를 구성하는 p형 반도체층으로서 p형 ZnO층을 구비하고 있다. p형 ZnO층은 종래의 발광다이오드에서 사용되는 p형 GaN층에 비하여 정공 이동도가 높음에 따라 전류확산 특성이 뛰어나고 광방출 효과가 개선된다.

예들 들어, Sb가 도핑되어 있는 p형 ZnO층의 경우 1 ∼ 2 ×10¹⁸cm^-3의 정공 밀도와 50㎠/V.s를 보여준다.

또한, p형 ZnO층의 밴드갭 에너지는 3.2 eV이기 때문에 종래의 발광다이오드에 사용되는 p형 GaN의 밴드갭이 3.42eV인 것에 비하여 정공 주입이 훨씬 수월하여 발광다이오드의 휘도를 향상시킬 수 있다.

또한, 종래의 발광다이오드에서는 p형 GaN층내에 있는 Mg을 활성화시키기 위하여 어닐링의 공정이 필요하였으나, p형 ZnO의 성장 온도는 200 ∼ 300℃ 근처이기 때문에 별도의 어닐링 과정이 필요없어 공정이 간소화된다.

Claims

기판위에 n형 GaN계 반도체층을 형성하는 단계와,

상기 n형 GaN계 반도체층위에 활성층을 형성하는 단계와,

상기 활성층에 p형 ZnO층을 형성하는 단계와,

상기 p형 ZnO층위에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 p형 ZnO층 형성 단계는,

ZnO에 P형 도펀트로 Sb 또는 As중 적어도 어느 하나를 도핑하는 발광다이오드 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 p형 ZnO층 형성 단계는,

200 ∼ 300℃의 온도에서 수행하는 발광다이오드 제조방법.
기판과,

상기 기판위에 형성된 n형 GaN계 반도체층과,

상기 n형 GaN계 반도체층위에 형성된 활성층과,

상기 활성층위에 형성된 p형 ZnO층과,

상기 p형 ZnO층 위에 형성된 투명전극층을 포함하는 발광다이오드.
청구항 4에 있어서, 상기 p형 ZnO층은 ZnO에 P형 도펀트로 Sb 또는 As 중적어도 어느 하나가 도핑된 발광다이오드.