KR20090002165A

KR20090002165A - 반도체 발광소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20090002165A
Application number: KR1020070060306A
Authority: KR
Inventors: 김태윤
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-01-09

Abstract

본 발명에 의한 반도체 발광소자는 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 위에 형성된 도핑층; 상기 도핑층 위에 형성된 미세요철층; 상기 미세요철층 위에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성되는 p형 반도체층을 포함한다.

본 발명에 의하면, 활성층의 발광 면적이 넓어짐에 따라 발광효율을 극대화시킬 수 있고, 종래 기술에 비하여 보다 쉬운 공정 절차 및 조건을 통하여 활성층의 구조적 개선을 구현할 수 있으므로 생산 비용 및 시간이 적게 소요되며, 불량률을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 델타 도핑, 초격자 기술 등을 통하여 요철 구조를 형성할 수 있으므로 요철 구조의 밀도, 크기 등을 용이하게 제어할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자 및 그 제조 방법{Semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof}

도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 적층 구조를 예시한 측단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 적층 구조를 도시한 측단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100: 반도체 발광소자 110: 기판

120: 버퍼층 130: 언도프 반도체층

140: n형 반도체층 150: 도핑층

160: 미세요철층 170: 초격자층

180: 활성층 190: p형 AlGaN층

195: p형 반도체층

본 발명은 활성층에서의 발광효율이 향상된 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체로는 GaN계 질화물 반도체를 예로 들 수 있으며, 이러한 GaN계 질화물 반도체는 그 응용분야에 있어서 청색/녹색 LED의 광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다. 특히, 청색/녹색 LED 소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며 전 세계적으로 많은 주목을 받고 있다.

도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 적층 구조를 예시한 측단면도이다.

도 1을 참조하면, 사파이어, SiC 등으로 이루어진 기판(11) 위에 저온에서 Al_yGa_1-yN층의 다결정 박막이 버퍼층(12)으로 성장된다. 상기 버퍼층(12) 위로 도펀트를 포함하지 않는 언도프 GaN층(13)이 성장되고, 이후 고온에서 실리콘으로 도핑된 n형 GaN층(14)이 형성된다.

상기 n형 GaN층(14) 위로 활성층(15)이 형성되는데, 활성층(15)은 발광층으로서 내부에 양자점(quantum dot)이 형성된 다중 양자웰(well)구조를 가진다.

상기 양자점은 운반자(전자 및 정공)들을 강하게 국소화(lateral confinement, localization)시켜서 전위나 전자기장의 영향을 감소시키며, 전도대의 전자와 가전자대의 정공이 양자점에 갇히게 되어 상태 밀도(density of states)가 높아지므로 발광 재결합 효율이 증가된다.

상기 활성층(15) 위로는 마그네슘이 도핑된 p형 GaN층(16)이 성장되어 반도체 발광소자가 완성된다.

이와 같은 질화물 반도체 재료가 고출력 광소자로서 크게 부각되고 있는 요인 중 하나는, 활성층으로 사용되고 있는 InGaN층과 GaN 에피층에 양자점을 형성함 으로써 광효율을 향상시킬 수 있는 점, 또한 활성층의 구조를 개선함으로써 광효율을 극대화시킬 수 있는 점 등이다.

예를 들어, n형 GaN층을 성장시킨 후 마스크 패터닝 공정을 통하여 요철을 형성하고, 요철 구조에 따라 활성층을 성장시킴으로써 발광 면적을 넓히는 기술 등이 있는데, 이러한 기술들은 공정이 복잡하고, 필요에 따라 요철의 크기, 형태 등을 제어하기가 어려운 문제점이 있다.

또한, 종래 활성층의 구조와 관련된 기술에 의하면, 기판과 GaN층의 격자 부정합에 의한 결함이 활성층 및 p형 GaN층으로 전달되는 현상을 방지할 수 없으며, 이렇게 층간 결함이 발생되면 발광 효율이 현저히 낮아지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 활성층의 발광 면적을 최대화함으로써 발광효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명은 종래 기술보다 쉬운 공정 절차 및 조건을 통하여 활성층의 구조적 개선을 구현할 수 있고, 필요에 따라 활성층의 구조적 제어가 용이한 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 반도체 발광소자의 제조 방법은 기판 위에 n형 반도체층이 형성되는 단계; 상기 n형 반도체층 위에 도핑층이 형성되는 단계; 상기 도핑층 위에 미세요철층이 형성되는 단계; 상기 미세요철층 위에 활성층이 형성되는 단계; 및 상기 활성층 위에 p형 반도체층이 형성되는 단계를 포함한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하는데, 이해의 편의를 위하여 반도체 발광소자의 구성 및 그 제조 방법을 함께 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 적층 구조를 도시한 측단면도이다.

도 2에 의하면, 본 발명의 실시에에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 언도프 반도체층(130), n형 반도체층(140), 도핑층(150), 미세요철층(160), 초격자층(170), 활성층(180), p형 AlGaN층(190), p형 반도체층(195)을 포함하여 이루어진다.

상기 기판(110)은 사파이어, 실리콘(Si) 등의 재질로 이루어지며, 그 위로 버퍼층(120)이 형성되는데, 버퍼층(120)은 기판(110)과 반도체층의 격자상수 차이에 따른 스트레스를 완화시키고, 반도체층이 용이하게 성장될 수 있도록 하며, 내부 양자 효율을 좋게 한다.

상기 버퍼층(120)은 멀티버퍼층으로 형성될 수 있으며, AlInN/GaN, InxGa1-xN/GaN, AlxInyGa1-x-yN/InxGa1-xN/GaN 등의 적층 구조로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층(120)이 형성되면, 그 위로 언도프 반도체층(130)이 형성된다.

상기 언도프 반도체층(130)은, 예를 들어 약 1000℃ 내외의 성장온도에서 NH₃(가령, 4.0×10^-2 몰/분)와 갈륨(Ga)(가령, 1.0×10^-4 몰/분)을 공급하여 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.

이어서, 상기 언도프 반도체층(130) 위로 n형 반도체층(140)이 형성된다.

상기 n형 반도체층(140)은, 가령 NH₃(가령, 3.7×10^-2 몰/분), TMGa(가령, 1.2×10^-4 몰/분) 및 Si와 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스(6.3×10^-9 몰/분)를 공급하여 성장될 수 있다.

이와 같이 하여 n형 반도체층(140)이 성장되면, 요철구조를 가지는 활성층(180)을 형성하기 위하여, 일종의 그레인(Grain)층으로 기능되는 도핑층(150)이 형성된다.

상기 도핑층(150)을 형성하기 위하여, 저농도의 인듐 함량을 갖는 로우 몰(Low-mole) InGaN층이 성장되는데, 이때 인듐의 함량은 0％ 내지 10％ 범위를 갖는다.

이후, 상기 로우 몰 InGaN층 상에 Si₂H₆가스 및 암모니아 가스가 주입되어 도핑층(150)이 형성되는데, 도핑층(150)은 SiN_x층 또는 실리콘 델타도핑층으로 형성될 수 있다.

상기 Si₂H₆가스 및 암모니아 가스는 750℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 약 5초 내지 30초 동안 주입되는 것이 좋다.

이어서, 도핑층(150) 위로 로우 몰 InGaN층 또는 GaN층을 성장하여 미세요철층(160)을 형성하는데, 미세요철층(160)은 도핑층(150)을 그레인층으로 하여 표면에 완만한 경사를 갖는 요철 구조(가령, 미세요철층(160)은 "Spiral Growth Mode" 방식으로 성장될 수 있음)를 갖게 된다.

상기 미세요철층(160)은 도핑층(150)의 미세한 그레인을 기준으로 융합함에 따라 미세요철구조를 형성하는데, 즉, 그레인 주위 영역에 융합된 반도체 물질(InGaN 또는 GaN)은 미세요철층(160)의 볼록부(요부)를 이루고, 융합이 이루어지지 않은 영역은 오목부(철부)를 이루게 된다.

상기 미세요철층(160)이 형성되면, 그 위로 InGaN층과 GaN층이 초격자 구조로 교대 적층되어 초격자층(170)이 형성되는데, 초격자층(170)은 일종의 보호막으로서 미세요철층(160)의 요철 구조(경사면)를 유지시키며, 동시에 실리콘 델타도핑에 의한 도핑층(150)의 표면 결함을 막아주는 역할도 수행한다.

상기 초격자층(170)은 단결정 구조와는 달리, 성분 원자(또는 분자)의 공간적 배열이 조성비에 따라 규칙적이지 않은 무정형질(비정질)의 형태, 즉 아몰포스(Amorphous) 형태를 이룬다.

상기 초격자 구조란 조성과 특성이 다른 물질(InGaN층과 GaN층)이 극히 얇은 두께를 이루어 교대로 적층된 구조를 지칭하는데, 초격자의 주기가 물질 고유의 전자파장 이하로 되면 양자 사이즈 효과(Quan tum Size Effect)에 의하여, 혼성결정 반도체(결정구조의 구성 물질이 혼합되어 이루어진 반도체)와는 다른 전기적/광학적 특성을 나타낸다.

일반적으로, 기판 또는 반도체층 사이의 격자 불정합(High lattice mismatch), 고온 환경에서 저하되는 열적 내구성(확산성이 증가됨), 반도체층 사이의 상이한 결정 구조(hexagonal/cubic) 등으로 인하여 구조적 결함이 발생될 수 있으며, 이렇게 발생된 구조적 결함은 상층으로 전이되어 발광효율을 저하시키는 요인으로 작용되는데, 상기 초격자층(170)은 결함이 활성층(180) 및 p형 반도체층(195)으로 전이되는 현상을 차단하는 기능도 수행한다.

또한, 상기 초격자 구조 사이에 계면 보호막(surface recovery; dislocation, pinhole, thermal pit 감소 효과)이 자연스럽게 형성되므로 고품질의 박막을 형성할 수 있는 효과가 있다.

상기 초격자층(170)은 활성층(180)의 약 절반 두께로 형성되는 것이 좋다.

상기 미세요철층(160)이 형성되면 미세요철 구조를 따라 활성층(180)이 성장되며, 따라서 활성층(180) 역시 미세요철층(160)의 경사각이 반영된 요철 구조를 형성하게 된다.

상기 활성층(180)은, 가령 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공법을 이용하여 InGaN/GaN으로 구성된 다중양자우물(Multi-Quantum Well : MQW) 구조로 형성된다.

상기 활성층(180)의 요철 구조는 미세요철층(160)에 기반하며, 미세요철층(160)의 요철 구조는 도피층(150)에 기반하므로, 도핑층(150)을 형성하는 과정에서의 조건, 가령, 성장온도 및 주입 가스의 유량을 조절하여 요철구조의 경사각을 제어할 수 있다.

이렇게 경사각을 제어함으로써 상기 활성층(180)의 발광 면적 역시 조절가능하게 된다.

또한, 활성층(180)의 요철 구조에 의하면, 성장 과정에서 양자점의 밀도와 양자 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

이어서, 상기 활성층(180) 위로 p형 AlGaN층(190)이 형성된다.

상기 p형 AlGaN층(190)은 활성층(180)과 p형 반도체층(195) 사이의 성장모드를 변화시켜 층간 부정합을 완충시키는 역할을 한다.

상기 p형 AlGaN층(190)이 형성되면, 수소를 캐리어 가스로 하여 약 1000℃의 온도에서 TMGa(약 7×10^-6 몰/분), 트리메틸알루미늄(TMAl)(약 2.6×10^-5 몰/분), 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C₂H₅C₅H₄)₂}(약 5.2×10^-7 몰/분), 및 NH₃(약 2.2×10^-1 몰/분)을 공급하여 p형 반도체층(195)을 형성한다.

이와 같이 기판(110)부터 p형 반도체층(195) 까지의 기본 적층 구조가 구현되면, 표면으로부터 에칭, 예를 들어 건식 에칭을 실행하여, n형 반도체층(140)의 일부를 노출시킨다.

에칭 공정이 진행된 후, n형 반도체층(140) 위로 티탄(Ti) 등으로 이루어진 n형 전극이 증착되고, p형 반도체층(195) 위로 p형 전극(전극은 도시되지 않음)이 증착되는데, p형 전극은 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 하나로 이루어진 투명 전극으로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, pn 구조의 반도체 발광소자를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명에 의한 활성층 구조는 p형 반도체층 상부에 n형 반도체층이 형성되는 npn 구조의 반도체 발광소자에도 적용 가능함은 물론이다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 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 실시예에 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 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 활성층의 발광 면적이 넓어짐에 따라 발광효율을 극대화시킬 수 있다.

둘째, 종래 기술에 비하여 보다 쉬운 공정 절차 및 조건을 통하여 활성층의 구조적 개선을 구현할 수 있으므로 생산 비용 및 시간이 적게 소요되며, 불량률을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

셋째, 델타 도핑, 초격자 기술 등을 통하여 요철 구조를 형성할 수 있으므로 요철 구조의 밀도, 크기 등을 용이하게 제어할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims

n형 반도체층;

상기 n형 반도체층 위에 형성된 도핑층;

상기 도핑층 위에 형성된 미세요철층;

상기 미세요철층 위에 형성된 활성층; 및

상기 활성층 위에 형성되는 p형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

기판; 및

상기 기판과 상기 n형 반도체층 사이에 형성되는 버퍼층을 포함하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 미세요철층은

로우 몰(low mole) InGaN층, 언도프 GaN층 중 하나 이상의 층을 포함하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 도핑층은

실리콘이 델타도핑된 로우 몰 InGaN층을 포함하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 도핑층은

Si₂H₆가스 및 암모니아 가스가 주입되어 SiN_x층이 형성된 로우 몰 InGaN층을 포함하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 미세요철층 위에 형성되는 초격자층을 포함하는 반도체 발광소자.
제6항에 있어서, 상기 초격자층은

InGaN/GaN 초격자층인 반도체 발광소자.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 로우 몰 InGaN층은

인듐의 함량이 0％ 내지 10％ 범위인 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 버퍼층 및 상기 n형 반도체층 사이에 언도프 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 활성층은

요철 구조를 가지는 반도체 발광소자.
기판 위에 n형 반도체층이 형성되는 단계;

상기 n형 반도체층 위에 도핑층이 형성되는 단계;

상기 도핑층 위에 미세요철층이 형성되는 단계;

상기 미세요철층 위에 활성층이 형성되는 단계; 및

상기 활성층 위에 p형 반도체층이 형성되는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 n형 반도체층이 형성되는 단계는

상기 기판 위에 버퍼층이 형성되는 단계; 및

상기 버퍼층 위에 상기 n형 반도체층이 형성되는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 도핑층이 형성되는 단계는

상기 n형 반도체층 위에 로우 몰 InGaN층이 형성되는 단계; 및

상기 로우 몰 InGaN층 상에 Si₂H₆가스 및 암모니아 가스가 주입되어 SiN_x층 또는 실리콘 델타도핑층 형성되는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 활성층이 형성되는 단계는

상기 미세요철층 위에 초격자층이 형성되는 단계; 및

상기 초격자층 위에 상기 활성층이 형성되는 단계를 포함하는 반도체 발광소 자의 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 초격자층이 형성되는 단계는

InGaN층과 GaN층이 초격자 구조로 교대 적층되어 상기 초격자층이 형성되는 단계인 반도체 발광소자의 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 로우 몰 InGaN층이 형성되는 단계는

상기 로우 몰 InGaN층이 0％ 내지 10％의 인듐 함량으로 도핑되어 형성되는 단계인 반도체 발광소자의 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 SiN_x층 또는 실리콘 델타도핑층 형성되는 단계는

상기 Si₂H₆가스 및 암모니아 가스가 750℃ 내지 900℃의 온도 범위, 5초 내지 30초의 주입 시간 중 하나 이상의 조건을 충족하여 주입되는 반도체 발광소자의 제조 방법.