KR20090002199A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판 위에 형성된 n형 접촉층; 상기 n형 접촉층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층의 주기를 포함하는 p형 초격자층; 상기 p형 초격자층 위에 형성된 p형 접촉층을 포함한다.

질화물 반도체 발광소자, 초격자 구조, 도핑

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof}

도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명 실시 예에 따른 러프니스 밀도에 대한 휘도 특성을 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명 및 비교 발명의 초격자 구조에서 Mg 도핑 프로파일을 나타낸 도면.

도 5는 도 4의 초격자 구조의 밴드 갭을 나타낸 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 질화물 반도체 발광소자 111 : 기판

113 : 버퍼층 115 : undoped-GaN층

117 : n형 접촉층 120 : p형 초격자층

130 : p형 접촉층

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중 GaN, Aln, InN는 0.7 ~ 6.2eV에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드 갭을 갖기 때문에, 다양한 색을 반도체를 통해 얻을 수 있다는 측면에서 주목받고 있다.

도 1은 종래 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11) 상에 버퍼층(13)을 형성하고 그 상부에 언도프된(undoped) GaN층(15) 및 n-GaN 층(17)이 차례대로 형성된다. 그리고, 상기 n-GaN층 위에 단일 또는 다중 양자우물구조로 형성되어 광을 방출하는 활성층(19), 상기 활성층(19) 위에 p-GaN층(21)이 차례대로 적층된다. 상기 n-GaN층(17)에는 주로 Si가 도핑되고, p-GaN층(21)에는 주로 Mg가 도핑된다.

그리고, 상기 p-GaN층(21)의 일부분을 n-GaN 층(17)의 일부분까지 식각하여 n-GaN층(17)을 외부로 노출시키고 n-GaN층(17)에 n형 전극을 형성시키고, 상기 p-GaN층(21) 상에는 p형 전극을 형성시켜 준다.

각 층의 형성방법은 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등에 의해 형성하면 된다.

이러한 질화물 반도체 발광소자는 P/N 접합 사이의 활성층(19)에서의 전자와 정공의 재 결합에 의해 광자(Photon)가 발생되는 원리를 가지고 있다.

상기 활성층(19)에서 생성되는 광은 모든 방향으로 방출되는데, 광을 방출될 때의 각 질화물층 표면의 접촉 저항으로 인해 발생되는 전기적 특성과 외부 양자 효율을 개선시키기 위한 연구가 진행되고 있다.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 활성층과 p형 접촉층 사이에 p-GaN층/p-AlGaN층/un-GaN층의 초격자 구조를 형성함으로써, 고 품질의 LED 성장 및 표면 러프니스를 변화시켜 주어 휘도를 증가시켜 줄 수 있도록 한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판 위에 형성된 n형 접촉층; 상기 n형 접촉층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층의 주기를 포함하는 p형 초격자층; 상기 p형 초격자층 위에 형성된 p형 접촉층을 포함한다.

본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은 기판 위에 n형 접촉층을 형성하는 단계; 상기 n형 접촉층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층의 주기를 포함하는 p형 초격자층을 형성하는 단계; 상기 p형 초격자층 위에 p형 접촉층을 형성하는 단계를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이다.

도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(111), 버퍼층(113), 언도프(undoped) GaN층(115), n형 접촉층(117), 활성층(119), p형 초격자층(120), p형 접촉층(130)을 포함한다.

상기 기판(111)은 사파이어, GaN, SiC, ZnC, GaAs 또는 Si으로 형성하며, 상기 기판 위에 버퍼층(113)이 형성된다. 상기 버퍼층(113)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 AlGalnN 등이 이용될 수 있다. 이러한 버퍼층 위에 도펀트가 도핑되지 않는 언도프(undoped) GaN층(115)을 성장시켜 준다. 여기서, 상기 버퍼층 또는/및 언도프 GaN층은 형성하지 않을 수도 있다.

상기 언도프 GaN층(115) 위에는 n형 접촉층(117)이 형성되는데, 상기 n형 접촉층(117)은 n-GaN층으로 형성될 수 있으며, 구동 전압을 낮추기 위해 해당 도펀트 예컨대, 실리콘(Si)이 도핑된다. 여기서 n형 도펀트로는 Si, Ge, Se, Te 등이 첨가될 수도 있다. 상기 n형 접촉층(117) 위에 n-AlGaN층이 형성될 수도 있다.

상기 n형 접촉층(117) 상에는 단일 양자 우물 또는 다중 양자 우물(MQW) 구조의 활성층(119)이 형성된다. 상기 활성층(119)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성될 수 있다.

상기 활성층(119) 위에는 p형 초격자층(120)이 형성된다. 상기 p형 초격자층(120)은 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층을 포함하며, 상기 p-AlGaN/p-GaN/un-GaN층을 한 주기로 하는 3주기(121,122,123)의 초격자 구조(SLS : Super Lattice Structure)로 이루어 질 수 있다.

이때 상기 p형 초격자층(120)은 3주기(121,122,123)의 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층에 대해 850~900℃ 온도에서 200Å의 두께로 성장된다.

상기 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층의 한 주기를 3주기(121,122,123)로 형성할 때, 상기 un-GaN층은 p-AlGaN층의 p형 도펀트(예: Mg)를 흡수하는 버퍼 역할을 하게 됨으로써, p형 도펀트의 도핑 량을 조절할 수 있고, 과 도핑되는 p형 도펀트에 의해 초격자 구조의 층 경계가 무너지는 현상을 방지할 수 있다. 이는 un-GaN층은 p-AlGaN층에서 p형 도펀트를 더 많이 도핑할 수 있도록 해 주며, 이때 p형 도펀트를 조절하여 표면 러프니스(roughness) 제어가 가능하여, 휘도도 증가시켜 줄 수 있다. 여기서, p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가될 수 있다.

본 발명의 p형 초격자층(120)은 도 2의 ①과 같이 p형 도펀트가 활성층 안으로 확산(inter diffusion)되는 것을 막아주는 블로킹 층(blocking layer)의 기능을 수행하며, ②와 같이 막내의 스트레스를 줄이는 표면 복구층(surface recovery layer) 기능을 수행하여 고품질의 에피층(epitaxial layer)을 얻을 수 있다.

이러한 p형 초격자층(120) 위에는 p형 접촉층(130)이 형성된다. 상기 p형 접촉층(130)은 GaN에 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 Mg 도펀트의 도핑과 러프니스 밀도에 대한 휘도 특성을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, p형 초격자층의 p-AlGaN층의 Mg 도핑 양이 임계점을 벗어나 과도핑되면, 표면 러프니스의 밀도 또는 높이가 특정 최적점까지 증가되며, 이로 인해 휘도(IV Curve)도 증가하게 된다.

도 4는 본 발명과 비교 발명의 Mg 도핑 프로파일을 나타낸 도면으로서, 여기서 상기 비교 발명은 활성층, p-AlGaN층, p-AlGaN/p-GaN의 초격자층(SLS), p-GaN층으로 이루어진 구조이고, 본 발명은 활성층, p-AlGaN층, p-GaN/p-AlGaN/un-GaN의 초격자층(SLS), p-GaN층의 순서로 적층된 구조이다.

도 4를 참조하면, 비교 발명은 초격자층(SLS)의 p-AlGaN/p-GaN의 구조로서, Mg 도펀트의 버퍼 역할을 하는 층이 없기 때문에, Mg의 도핑 프로파일의 도핑 깊이가 낮게 형성된다. 이로 인해 Mg 도펀트가 과도핑(overdoping)될 경우 초격자 구조의 층 경계가 무너지게 되며, 또한 Mg 도펀트가 활성층으로 확산(back deffusion)되는 문제가 있다.

이에 반해 본 발명은 초격자층의 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층에서 un-GaN층이 삽입됨으로써, un-GaN층이 버퍼역할을 하므로, Mg의 도핑 프로파일에서 도핑 깊이를 더 깊게 형성될 수 있도록 할 수 있어, 더 많은 Mg의 도핑이 가능하게 된다. 이로 인하여 자체 생성된 러프니스(self generated roughness)가 더 많아질 수 있다.

도 5는 도 4의 초격자층(SLS)을 확대한 도면으로서, 에피층과 밴드 갭(BD)을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 비교 발명은 p-AlGaN/p-GaN/p-AlGaN... 등의 초격자 구조의 순서에 대응하여 밴드갭이 균일한 높낮이로 형성된다. 본 발명은 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN/p-GaN...등의 3주기 초격자 구조에 대응하여 밴드 갭이 형성되는 데, 이때 상기 un-GaN층이 p-AlGaN층으로 도핑되는 p형 도펀트를 흡수하게 됨으로써, p형 도펀트가 더 많이 도핑될 수 있다.

본 발명의 p형 초격자층(120)은 Mg 도펀트가 활성층(119)으로 유입되는 것을 차단하여 초격자층이 없을 때보다 활성층을 보다 안정화시켜 줄 수 있고, 활성층에 많은 홀(hole)을 제공할 수 있다.

그리고 상기 p형 접촉층(130) 위에는 투명 전극층(미도시)을 형성될 수 있으며, 상기 투명 전극층은 ITO, ZnO, IrOx, RuOx, NiO의 물질 중에서 선택되어 형성될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일뿐 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, 활성층 상부의 p형 초격자층에 언도프 GaN층을 포함시켜 줌으로써, 도핑되는 p형 도펀트를 흡수하여, 표면 러프니스의 제어를 가능하게 하고, 휘도를 증가시켜 줄 수 있다.

또한 p형 초격자층은 활성층으로 확산되는 p형 도펀트를 차단해 주어, 초격자층이 없을 때보다 활성층을 안정적으로 유지할 수 있고, 활성층에 더 많은 홀을 제공해 줄 수 있다.

Claims (11)

1. 기판 위에 형성된 n형 접촉층;

   상기 n형 접촉층 위에 형성된 활성층;

   상기 활성층 위에 형성된 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층의 주기를 포함하는 p형 초격자층;

   상기 p형 초격자층 위에 형성된 p형 접촉층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 p형 초격자층은 3주기로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 p형 초격자층은 200Å 두께로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 p형 초격자층의 un-GaN층은 p-AlGaN층에 도핑되는 Mg 도펀트를 흡수하여 버퍼 역할을 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 p형 초격자층 하부와 활성층 사이에 형성된 p-AlGaN층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 기판 위에 형성된 버퍼층 및 상기 버퍼층 위에 형성된 언도프 GaN층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 기판 위에 n형 접촉층을 형성하는 단계;

   상기 n형 접촉층 위에 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층 위에 p-GaN/p-AlGaN/un-GaN층의 주기를 포함하는 p형 초격자층을 형성하는 단계;

   상기 p형 초격자층 위에 p형 접촉층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 p형 초격자층은 850~900℃ 온도에서 200Å 두께로 형성되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 p형 초격자층의 un-GaN층은 p-AlGaN층에 의해 도핑된 Mg 도펀트를 흡수 하여 버퍼 역할을 수행하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 활성층과 p형 초격자층 사이에 p형 AlGaN층을 형성해 주는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 위에 언도프 GaN층을 형성해 주는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.

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