KR20090002567A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 기판 위에 형성된 n형 접촉층; 상기 n형 접촉층 위에 형성된 InGaN 릴리프층; 상기 InGaN 릴리프층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p형 접촉층을 포함한다.
질화물, 반도체, 발광소자, 스트레인
Description
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 도면.
도 3의 (a)(b)는 본 발명에서 인듐 성분비에 따른 두 샘플의 활성층 표면을 AFM으로 측정한 사진을 비교한 도면.
도 4는 도 3의 샘플들의 파장에 따른 PL 강도를 측정한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 질화물 반도체 발광소자 201 : 기판
210 : 버퍼층 211 : 언도프드 GaN층
220 : n형 접촉층 225 : n형 전극
230 : InGaN 릴리프층 240 : 활성층
250 : p형 클래드층 260 : p형 접촉층
265 : p형 전극
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화물 반도체 발광소자는 자외선, 청색 및 녹색 영역을 포괄하는 발광 영역을 가진다. 특히, GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색/녹색 LED의 광소자 및 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HEMT (Hetero junction Field Effect Transistors) 등의 고속 스위칭 소자, 고출력 소자에 응용되고 있다.
질화물 반도체 발광소자는 InGaN로 이루어진 우물층을 구비한 단일양자우물구조(SQW:Single-Quantum-Well) 또는 다중양자우물구조(MQW:Multi-Quantum-Well)의 활성층이 n형 질화물반도체와 p형 질화물반도체의 사이에 위치하는 헤테로구조를 가지고 있다. 청색, 녹색등의 파장은 InGaN 우물층의 In의 조성비를 증감시켜 결정한다.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 주로 사파이어 기판(110) 또는 SiC 기판 위에 버퍼층(112)이 형성되고, 상기 버퍼층(112) 위에 Si 도핑된 n형 접촉층(114)이 형성된다.
상기 n형 접촉층(114) 위에는 InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하는 단일 또는 다중 양자우물 구조의 활성층(116)이 형성되며, 상기 활성층(116) 위에는 Mg 도핑된 p형 접촉층(118)이 형성된다.
그리고, p형 접촉층(118)에서 n형 접촉층(114)까지 부분 식각하여 n형 접촉 층(114)을 외부로 노출시킨 후, 상기 p형 접촉층(118) 위에 p형 전극(120)이 형성되고, 상기 n형 접촉층(114) 위에 n형 전극(122)을 형성시켜 주어, 외부로부터 전류가 인가될 수 있게 해 준다.
이러한 질화물 반도체 발광소자(100)는 n형과 p형 접촉층(114,118)에 주입된 전자와 정공을 활성층(116)에 잘 구속되어야 하는데, GaN계의 n형 접촉층 및 p형 접촉층(114,118)과 InGaN계를 이루어진 활성층(116)이 이종 접합 구조를 이루고 있어, 질화물 반도체 발광소자의 휘도를 증가시키는 데에는 한계가 있다.
또한 활성층(116)에서 InGaN와 GaN의 큰 격자상수인 열 팽창 계수 차이에 의하여 InGaN 우물층과 GaN 장벽층 간에 큰 스트레인(strain)이 형성된다. 이로 인하여 활성층에서 큰 piezoelectic field가 생성됨으로 인하여 정공과 전자 사이가 서로 멀어짐으로 인해 발광 효율이 저하된다.
또한 InGaN 우물층과 GaN 장벽층 간의 스트레인은 활성층 안에서 V-pits가 생성되는 원인이 되고, 활성층을 적층으로 쌓아갈 때 우물층과 장벽층 간의 인터페이스(interface)가 거칠어짐으로 인해 활성층의 결정질을 낮추게 되어 고 효율 LED를 제작하는 데 문제점이 있다.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 n형 반도체층과 활성층 사이에 인듐 성분이 높은 InGaN 릴리프층을 형성하여, 활성층 내에서 우물층과 장벽층 사이의 스트레인 및 V-pits 발생을 억제하고 발광 효율을 개선시켜 줄 수 있도록 한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 기판 위에 형성된 n형 접촉층; 상기 n형 접촉층 위에 형성된 InGaN 릴리프층; 상기 InGaN 릴리프층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p형 접촉층을 포함한다.
본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 n형 접촉층을 형성하는 단계; 상기 n형 접촉층 위에 인듐을 포함된 InGaN 릴리프층을 형성하는 단계; 상기 InGaN 릴리프층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p형 접촉층을 형성하는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(200)는 기판(201), 버퍼층(210), 언도프드 GaN층(211), n형 접촉층(220), InGaN 릴리프층(230), 활성층(240), p형 클래드층(250), p형 접촉층(260), p형 및 n형 전극(265,225)을 포함한다.
상기 기판(201)은 사파이어 기판, GaN, SiC, ZnC, 그리고 GaAs 또는 Si 등으로 이루어진 기판 중에서 선택되어질 수 있다. 상기 기판(201) 위에는 버퍼층(210)이 형성될 수도 있는 데, 상기 버퍼층(210)은 기판과의 격자 정합을 향상시켜 주기 위한 것으로, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGalnN 등을 선택적으로 이용하여, 한 층 이상을 형성할 수 있다.
상기 버퍼층(210) 위에는 언도프드(undoped) GaN층(211)이 형성된다. 상기 언도프드 GaN층(211) 위에는 n형 접촉층(220)이 형성된다.
상기 n형 접촉층(220)은 GaN 또는 인듐을 포함하는 AlGaInN계로 형성될 수 있으며, 도펀트로서 실리콘(Si)이 도핑된다. 여기서, 상기 n형 GaN층에는 Se, Ge, Te 등을 도펀트로서 도핑할 수도 있다.
상기 n형 접촉층(220) 위에는 InGaN 릴리프층(230)이 형성된다. 상기 InGaN 릴리프층(230)은 n형 접촉층(220)과 활성층(240) 사이에 형성되는 것으로서, 활성층 성장 전에 700~800℃에서 In의 조성비를 10~30%로 하여 N2 분위기에서 성장시켜 준다. 이때 InGaN 릴리프층(230)의 성장 두께는 30~100nm 두께로 형성된다. 또한 InGaN 릴리프층(230)에는 Si, Mg가 선택적으로 도핑될 수도 있다.
상기 InGaN 릴리프층(230) 위에는 활성층(240)이 형성된다. 상기 활성층(240)은 발광시키는 빛의 파장에 따른 밴드 캡 에너지를 갖는 재료가 선택되며, 예를 들면, 파장이 460~470nm의 청색 발광의 경우, InGaN 우물층/GaN 장벽층(241a,242a)을 한 주기로 하여, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 우물층 InxGa1-xN은 0≤x≤1로 조절할 수 있다.
상기 활성층(240) 위에는 AlGaN계로 이루어진 p형 클래드층(250)이 형성될 수도 있다. 상기 p형 클래드층(250) 위에는 p형 접촉층(260)이 형성된다. 이러한 p형 영역에는 p형 도펀트가 도핑된 p형 InAlGaN로 이루어져 있다. p형 도펀트로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용할 수 있다. 상기 p형 접촉층(260) 위에는 투명 전극이 형성될 수도 있다.
상기 p형 접촉층(260)의 일부분을 n형 접촉층(220)의 일부분까지 부분 식각한 후, n형 접촉층(220) 위에는 n형 전극(225)을 형성하고, p형 접촉층(260) 위에는 p형 전극(265)을 형성하게 된다.
또한 도 3의 (a)(b)에 도시된 바와 같이, InGaN 릴리프층 위에 성장된 활성층의 표면에서의 피트 밀도(pit density)가 감소된다. 도 3의 (a)(b)는 본 발명에서 InGaN 릴리프층 위에 성장된 활성층 표면을 AFM(Atomic Force Microscopy)으로 측정한 사진이다. 상기 AFM은 나노 스케일의 대상을 직접 관찰할 수 있는 장비로, 마이크로 마이크로 캔틸레버 팁을 시료 표면에 접근시켜 나타나는 캔틸레버의 정적 동적 변형과 주파수 특성을 이용하여 활성층 표면 형상을 측정한 것이다.
여기서, 도 3의 (a)는 InGaN 릴리프층에서 In 성분비를 10% 미만으로 한 샘플(sample A)에 대한 것이고, 도 3의 (b)는 InGaN 릴리프층에서 In 성분비를 10% 이상 ~ 30 % 이하로 한 샘플(sample B)에 대한 것으로, 도 3의 (a)(b)에 나타난 바와 같이 활성층 표면의 피드 밀도가 In 성분비를 높일 수록 감소됨을 알 수 있다.
도 4는 도 3의 (a)(b) 샘플들에 대한 430~480nm 파장에서의 발광 강도(Photoluminescence intensity) 특성을 나타낸 도면이다. 여기서, 실선(sample A)는 도 3의 (a) 샘플에 대한 발광 특성이며, 점선은 도 3의 (b) 샘플에 대한 발광 특성을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 도 3의 (b) 샘플(sample B)에 대한 발광 강도가 높게 나타난다. 이는 InGaN 릴리프층에서 인듐 성분비에 비례하여 발광 강 도가 증가하는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기의 InGaN 릴리프층(230)이 n형 접촉층(220)과 활성층(240) 사이에 위치하며 활성층의 성장 전에 활성층 아래에 형성됨으로써, 활성층 내의 스트레인을 완화시켜 주고 결정질을 개선시켜 주어, 발광 효율을 높여 줄 수 있다. 즉, 상기의 InGaN 릴리프층(230)을 이용하여 활성층에서 우물층과 장벽층 사이의 스트레인 완화 및 V-pits 생성을 억제하여 활성층의 결정질을 높여주게 된다. 이로 인해 piezoelectric field가 감소됨으로 인하여 QCSE(quantum-confine stark effect)를 줄여 주어, 활성층 내에서의 정공과 전자의 재 결합 효율을 높여 줌으로써 활성층의 발광 효율 및 LED 특성을 향상시켜 줄 수 있다.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에서 pn 접합 구조를 대해 설명하였으나, pnp(npn)접합 구조 등에서도 적용할 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 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 활성층 성장 전에 InGaN 릴리프층을 성장해 줌으로써, 활성층 내에서의 스트레인 완화 및 결정질을 개선시켜 줄 수 있어, 발광 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
Claims (10)
- 기판;기판 위에 형성된 n형 접촉층;상기 n형 접촉층 위에 형성된 InGaN 릴리프층;상기 InGaN릴리프층 위에 형성된 활성층;상기 활성층 위에 형성된 p형 접촉층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 기판과 n형 접촉층 사이에 형성된 버퍼층 또는 버퍼층/언도프드 GaN층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 활성층과 p형 접촉층 사이에 형성된 p형 클래드층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 InGaN 릴리프층에서 In의 성분비는 10% ~ 30% 이상인 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 InGaN 릴리프층에는 Si 또는 Mg가 도핑되는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 InGaN 릴리프층은 30~100nm 두께를 형성된 질화물 반도체 발광소자.
- 기판 위에 n형 접촉층을 형성하는 단계;상기 n형 접촉층 위에 인듐을 포함된 InGaN 릴리프층을 형성하는 단계;상기 InGaN 릴리프층 위에 활성층을 형성하는 단계;상기 활성층 위에 p형 접촉층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 InGaN 릴리프층은 700~800℃에서 In의 조성비를 10% 이상으로 하여 N2 분위기에서 성장되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 8항에 있어서,상기 In의 조성비를 30% 이하로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 7항 또는 제 8항에 있어서,상기 InGaN 릴리프층은 30~100nm의 두께로 형성되는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
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