KR20080089904A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 제 1도전성 질화물층; 상기 제 1도전성 질화물층 위에 실리콘 델타 도핑된 실리콘 델타 도핑층; 상기 실리콘 델타 도핑층 위에 형성된 InGaN층; 상기 InGaN층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 질화물층을 포함한다.

질화물 반도체 발광소자, 내부 양자 효율

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride semiconductor LED and fabrication method thereof}

도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

30 : 질화물 반도체 발광소자 31 : 기판

33 : 버퍼층 35 : 제 1도전성 질화물층

37 : 실리콘 델타 도핑층 39 : InGaN층

41 : 활성층 42 : 우물층

43 : 장벽층 45 : 제 2도전성 질화물층

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 발광소자(LED : Light Emitting Diode)는 자외선, 청색 및 녹색 영역을 포괄하는 발광 영역을 가진다. 특히, GaN계 질화물 반도체 발광소 자는 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 1에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(11) 상에 버퍼층(13)을 형성하고 그 상부에 n-GaN 층(15), InGaN/GaN 양자우물구조로 형성되어 광을 방출하는 활성층(17)과, p-GaN층(19)을 포함하여 구성된다.

상기 p-GaN층(19) 상에는 투명 전극(미도시)이 형성되며, 상기 투명 전극부터 n-GaN 층(15)까지 부분 식각하여 n-GaN층(15)의 일부분을 노출시키고, 그 노출된 n-GaN층(15)에 n형 전극(미도시)을 형성시키고, 상기 투명전극(미도시) 상에는 p형 전극(미도시)을 형성시켜 준다.

이와 같이 질화물 반도체를 이용하여 반도체 발광소자를 상용화하고 있는데, 이들 발광소자에서는 주로 InxGa1-xN(0<x<1)을 발광소재 즉, 활성층으로 사용하고 있다.

이러한 질화물 반도체 발광소자는 pn 접합 사이의 활성층(17)에서의 전자와 정공의 재 결합에 의해 광자(Photon)가 발생되고, 상기 광자가 발광 소자의 외부로 탈출하면서 빛이 발생되는 원리를 가지고 있다.

그러나, 활성층의 성장시 n-GaN층과의 격자 정합 문제로 인해 발광 효율의 특성의 개선이나 신뢰성 있는 소자 제작에 한계가 있다.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 활성층 아래에 러프한 실리콘 델타 도핑층 및 InGaN층을 형성하여, 활성층의 발광 면적을 증대시켜 줄 수 있도록 한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 활성층 아래에 실리콘 델타 도핑을 이용하여 InGaN층을 울퉁 불퉁한 구조로 성장시켜 줌으로써, 활성층과의 결합 밀도를 낮추어 주어, 내부 양자 효율을 증가시켜 줄 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 제 1도전성 질화물층; 상기 제 1도전성 질화물층 위에 실리콘 델타 도핑된 실리콘 델타 도핑층; 상기 실리콘 델타 도핑층 위에 형성된 InGaN층; 상기 InGaN층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 질화물층을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 위에 제 1도전성 질화물층을 형성하는 단계; 상기 제 1도전성 질화물층 위에 실리콘 델타 도핑층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 델타 도핑층 위에 InGaN층을 형성하는 단계; 상기 InGaN층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 질화물층을 형성하는 단계를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광 소자(30)는 기판(31), 버퍼층(33), 제 1도전성 질화물층(35), 실리콘 델타 도핑층(37), InGaN층(39), 활성층(41), 제 2도전성 질화물층(45)을 포함한다.

상기 기판(31)은 사파이어 기판, SiC, Si 기판 등을 포함하며, 기판 표면에는 요철 패턴이 형성될 수도 있는데, 상기 요철 패턴은 기판 표면으로 입사되는 광을 난반사시켜 주어 외부 양자 효율을 개선시켜 줄 수 있다.

상기 버퍼층(33)은 기판(31) 위에 형성된다. 이러한 버퍼층(33)은 기판(31)과 제 1도전성 질화물층(35)과의 격자 상수 차이를 줄여 주기 위한 것으로서, 예컨대 GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 AlGaInN층 중에서 한 층 이상을 선택적으로 이용하여 형성할 수 있다.

상기 버퍼층(33) 위에는 제 1도전성 질화물층(35)이 형성된다. 상기 제 1도전성 질화물층(35)은 질화갈륨(GaN)계로 형성될 수 있으며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑된다. 또는 상기 제 1도전성 질화물층(35)은 인듐(In)을 포함하는 GaAlInN층으로 형성될 수도 있다. 또한 상기 버퍼층(33)과 제 1도전성 질화물층(35) 사이에는 언도프드(Undopped) GaN층이 형성될 수도 있다.

상기 제 1도전성 질화물층(35) 위에는 실리콘 델타 델타 도핑층(37) 및 InGaN층(39)이 순차적으로 형성된다. 상기 실리콘 델타 도핑층(37)은 예컨대, 860~1060℃ 분위기 온도에서 실란가스(SiH₄)를 이용하여 실리콘(Si)을 약 50~70sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute) 정도, 5~10초 동안 공급하여 형성시켜 준다. 이때 형성되는 실리콘 델타 도핑층(37)은 표면이 울퉁 불퉁 형상으로 형성된다.

상기 실리콘 델타 도핑층(37)이 형성되면, 상기 실리콘 델타 도핑층(37) 위에는 InGaN층(39)이 형성된다. 상기 InGaN층(39)은 활성층(41)의 우물층(42) 성장 전에 형성되는 것으로, 예컨대 760℃ 분위기 온도에서 소스 물질로 트리메탈인듐(TMIn: trimethylindium), 트리메탈갈륨(TMGa), NH₃를 공급하여 소정 두께의 InGaN층(39)을 성장시켜 준다.

여기서, InGaN층(39)의 성장시 실리콘(Si) 도펀트를 0~5sccm 정도로 공급하여 줄 수도 있다. 이때의 실리콘 도펀트는 실린콘 델타 도핑층(37)에 공급된 실리콘 양에 비해 최대 1/10로 공급된다. 또한 상기 InGaN층(39)의 성장 두께 또는 시간은 활성층의 우물층 두께 또는 우물층 성장 시간에 비해 몇 배(예: 3배) 이상이 될 수 있다. 예컨대, 우물층이 약 25Å 정도로 성장되면, InGaN층은 75Å 정도로 성장될 수 있다.

이와 같이 실리콘 델타 도핑층(37) 위에 성장되는 InGaN층(39)은 상기 실리콘 델타 도핑층(37)의 울퉁불퉁한 표면 위에 러프하게 성장된다. 즉, 3차원적으로 러프하게 또는 울퉁불퉁하게 성장됨으로써, 활성층의 발광 면적이 InGaN층의 표면 적에 비례하게 증가될 수 있다.

상기 InGaN층(39) 위에는 양자 우물층/장벽층(42,43)을 한 주기로 하는 단일 또는 다중 양자 우물 구조의 활성층(41)이 형성된다. 이때의 우물층(42)은 In_xGa_{1 -x}N(0<x<1)로 이루어질 수 있으며, 장벽층(43)은 GaN 또는 AlGaN층의 구조로 이루어질 수 있다.

이러한 활성층(41)은 청색 LED에서 InGaN/GaN 다중 양자 우물 구조, UV LED에서는 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN, InGaN/AlGaN 다중 양자 우물 구조가 사용되고 있으며, 또한 In 또는 Al의 조성비율을 변화시켜 주어 빛의 파장을 조절하거나, 활성층 내의 양자 우물의 깊이, 활성층의 수, 두께를 변화시켜 줄 수도 있다.

이러한 활성층(41)은 예컨대, 780℃의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH₃, TMGa, 및 트리메틸인듐(TMIn)을 공급하여, InGaN/GaN으로 이루어진 활성층을 120Å 내지 1200Å의 두께로 성장시킨다.

상기 활성층(41)이 형성된 후, 활성층(41) 상에 p형 도펀트를 함유한 제 2도전성 질화물층(45)이 형성된다. 이러한 제 2도전성 질화물층(45)은 p-GaN층으로서 수백에서 수천 Å의 두께로 성장된다.

상기 제 2도전성 질화물층(45) 상에는 투명전극(미도시)이 형성된다. 상기 투명전극은 투과성 산화막으로서 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다.

그리고 전극 패드 형성을 위해 상기 투명전극에서 제 1도전성 질화물층(35) 까지 부분 식각하여 제 1도전성 질화물층(35) 상에 n형 전극(미도시)을 형성하고, 상기 투명전극 상에 p형 전극(미도시)을 형성해 준다. 또한 상기 제 2도전성 질화물층(45) 상에 제 3도전성 질화물층(미도시)이 형성될 수 있는데, 제 3도전성 질화물층은 n-GaN층으로서 질화물 반도체 발광소자를 npn 구조로 만들어 줄 수 있다. 즉, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는 pn 접합 구조 또는 npn(pnp) 접합 구조에 적용될 수 있다. 또한 수직형 질화물 반도체 발광소자로 구현할 경우 상기 제 1도전성 질화물층 하부의 버퍼층, 기판 등을 제거하여 수직형 LED로 구현할 수 있다.

본 발명은 활성층과 그 하부의 제 1도전성 질화물층 사이에 다른 층이 더 성장될 수도 있으며, 활성층의 아래에 실리콘 델타 도핑층 및 InGaN층을 차례대로 형성해 주는 구조를 포함한다. 이러한 실리콘 델타 도핑층 및 InGaN층의 울퉁 불퉁한 형상으로 인해 활성층의 발광 면적이 증대될 수 있고, 울퉁 불퉁 구조로 인해 난 반사를 유도함으로써, 질화물 반도체층 내부에서의 내부 양자 효율을 개선시켜 주어, 고 광도의 활성층을 제공할 수 있다. 또한 활성층의 하부의 결함 밀도를 낮추어 주어 고 품위의 활성층을 얻을 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 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 활성층과 하부 질화물 반도체층 사이에 실리콘 델타 도핑층 및 InGaN층에 의해 러프한 표면 구조를 제공함으로써, 활성층의 결합 밀도를 낮추어 줄 수 있다.

또한 InGaN층의 러프한 표면 구조로 인해 내부 양자 효율이 개선될 수 있고, 고 광도의 활성층을 제공할 수 있다.

Claims (12)

1. 제 1도전성 질화물층;

   상기 제 1도전성 질화물층 위에 실리콘 델타 도핑된 실리콘 델타 도핑층;

   상기 실리콘 델타 도핑층 위에 형성된 InGaN층;

   상기 InGaN층 위에 형성된 활성층;

   상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 질화물층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 실리콘 델타 도핑은 실리콘(Si)이 50~70sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)로 도핑되어 울퉁불퉁한 표면을 갖는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 InGaN층은 상기 실리콘 델타 도핑층에 의해 입체 형상으로 러프하게 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 InGaN층은 상기 활성층의 우물층 두께의 3배 이상으로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 InGaN층은 75Å 두께로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2도전성 질화물층 위에 형성된 제 3도전성 질화물층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계;

   상기 버퍼층 위에 제 1도전성 질화물층을 형성하는 단계;

   상기 제 1도전성 질화물층 위에 실리콘 델타 도핑층을 형성하는 단계;

   상기 실리콘 델타 도핑층 위에 InGaN층을 형성하는 단계;

   상기 InGaN층 위에 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 질화물층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 실리콘 델타 도핑층은 860~1060℃ 분위기 온도에서 실란가스(SiH₄)를 이용하여 실리콘(Si)을 약 50~70sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)로, 5~10초 동안 공급하여 형성되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 InGaN층의 성장시 실리콘(Si) 도펀트를 0~5sccm로 공급되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 InGaN층은 활성층의 우물층 두께의 3배 이상으로 형성하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 InGaN층은 75Å 두께로 성장되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
12. 제 7항에 있어서,

    상기 제 2도전성 질화물 상에는 투명전극 또는 제 3도전성 질화물층이 형성되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.

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