KR20090094059A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 발광소자에 전류 퍼짐층을 제공하여 발광 효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 제 1 n-GaN층; 상기 제 1 n-GaN층 상에 형성된 전류 퍼짐층; 상기 전류 퍼짐층 상에 형성된 제 2 n-GaN층; 상기 제 2 n-GaN층상에 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p-GaN층을 포함한다.

또한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 상에 제 1 n-GaN층을 형성하는 단계; 상기 제 1 n-GaN층 상에 전류 퍼짐층을 형성하는 단계; 상기 전류 퍼짐층 상에 제 2 n-GaN층을 형성하는 단계; 상기 제 2 n-GaN층상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p-GaN층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

질화물 반도체 발광소자{Nitride semiconductor LED}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 발광소자에 전류 퍼짐층을 제공하여 발광 효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 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, 고출력 소자인 전자소자에 응용되고 있다.

도 1에서 도시된 것과 같이, 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자(10)는 주로 사파이어 기판(12) 또는 SiC 기판 위에서 고온에서 상기 버퍼층(14)을 형성하고 그 상부에 n-GaN 층(16), 다중양자우물구조로 형성되어 광을 방출하는 활성층(18) 및 p-GaN층(20)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 n-GaN 층(16)과 상기 p-GaN층(20) 상에는 각각 전극층(미도시)을 형성하여 외부로부터 전류가 인가될 수 있도록 한다.

그러나 질화물 반도체 발광소자(10)에 있어서, 사파이어 기판과 질화갈륨(GaN)은 서로 다른 격자상수 및 결정 격자를 갖기 때문에, 상기 사파이어 기판과 질화갈륨(GaN)의 경계면에서 전위가 일어난다.

이를 감소시키기 위하여 사파이어 기판과 GaN층 사이의 격자 상수의 차이를 줄일 수 있도록 사파이어 기판상에 GaN 버퍼층을 형성하였으나 이도 많은 양의 결정성 결함이 있기 때문에 저온 성장시킨 GaN 버퍼층 위에 GaN층을 바로 고온 성장시키게 되면 많은 양의 결정성 결함이 고온 성장 GaN 층으로 전파되어 전위(dislocation)라고 하는 결함이 발생한다.

따라서, 당 기술분야에서는 사파이어 기판과 GaN 등의 질화물 반도체 물질 간의 격자 부정합에 의해 발생하는 전위와 같은 결함을 방지하고 전기적 신뢰성 및 특성이 좋은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 우수한 광 출력 및 신뢰성을 갖는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는,

제 1 n-GaN층; 상기 제 1 n-GaN층 상에 형성된 전류 퍼짐층; 상기 전류 퍼짐층 상에 형성된 제 2 n-GaN층; 상기 제 2 n-GaN층상에 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p-GaN층을 포함한다.

또한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은,

기판 상에 제 1 n-GaN층을 형성하는 단계; 상기 제 1 n-GaN층 상에 전류 퍼짐층을 형성하는 단계; 상기 전류 퍼짐층 상에 제 2 n-GaN층을 형성하는 단계; 상기 제 2 n-GaN층상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p-GaN층을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, n-GaN층 사이에 전류 퍼짐층을 형성함으로써 전류의 흐름이 좋아지므로 반도체 소자의 전기적, 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 N-GaN 층의 도핑을 다단계로 함으로써, n-GaN층에 결정 부정합에 따른 국소적 전위 발생이 방지되어 전류-전압 특성에서 전자 확산의 동적 저항이 감소되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 적층 구조를 도시한 종단면도.

도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 적층 구조를 도시한 종단면도.

도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 적층 구조를 도시한 종단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10, 100: 질화물 반도체 발광소자 12, 102 : 기판

14, 104 : 버퍼층 106 : 언도프드 GaN층

108 : 제 1 n-GaN층 110a, 110b: 전류 퍼짐층

112 : 제 2 n-GaN층 124 : p-GaN층

18, 120 :활성층

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예의 적층 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 기판(102) 상에 버퍼층(104)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 버퍼층(104)은 기판과 GaN층의 격자상수 차이를 줄여주기 위한 것으로서, AlInN 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, In_xGa_{1 - x}N/GaN 적층구조, Al_xIn_yGa_{1 -x, y}N/In_xGa_{1 - x}N/GaN의 적층구조 중에서 선택되어 형성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 버퍼층(104) 상에 언도프드(Undoped) GaN층(106)을 성장시킨 후, 언도프드 GaN층(106)상에 제 1 n-GaN층(108)이 형성된다. 상기 제 1 n-GaN층(108)은 구동전압을 낮추기 위하여 실리콘(Si)이 도핑 된다.

제 1n-GaN층(108)이 형성된 후, 제 1 n-GaN층(108) 상에 전류 퍼짐층(110a)이 형성되고, 상기 전류 퍼짐층(110a)이 형성된 후 제 2 n-GaN층(112)이 형성된다. 상기 전류 퍼짐층(110a)은 제 1 n-GaN층(108) 또는 제 2n-GaN층(112) 사이에 위치되어 전류의 흐름을 향상시키기 위한 것으로서, ITO(Indium Tin Oxide) 물질을 포함한다.

전류 퍼짐층(110a)은 저항이 n-GaN층(108, 112)보다 적으므로, 전류가 매우 잘 흐르는 특성이 있으며, n-GaN층(108, 112)의 저항을 10% 정도 낮춰준다.

이에 따라, n-GaN층(108, 112)으로 순방향으로 전압이 인가될 때, n-GaN층(108, 112)의 전자의 양이 증가할 수 있다.

상기 전류 퍼짐층(110a) 상에 제 2 n-GaN층(112)을 성장시킨 후, 그 상부에 활성층(120)을 성장시킨다.

여기서, 활성층(120)의 성장을 위해서, 예를 들어 780℃의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH₃, TMGa, 및 트리메틸인듐(TMIn)을 공급하여, InGaN로 이루어진 활성층(120)을 120Å 내지 1200Å의 두께로 성장시킨다. 이때, 활성층(120)의 조성은 InGaN의 각 원소성분의 몰 비율에 차이를 두고 성장시킨 적층 구성일 수 있다.

상기 활성층(120)이 형성된 후, 활성층(120) 상에 p형 도펀트를 함유한 p-GaN층(124)을 수백에서 수천 Å의 두께로 성장시켜 p-GaN층(124)이 형성된다.

상기 p-GaN층(124)이 형성된 후, 500 ~ 900℃의 온도에서 열처리를 하여 p-GaN층(124)의 정공 농도가 최대가 되도록 조정하며, 상기 활성층(120)의 마지막 층에는 장벽층(도시되지 않음)이 형성될 수 있고, 상기 활성층(120) 및 상기 p-GaN층(124) 사이에 성장되어 캐리어 억제(carrier confinement)를 증가시키는 p형 클래딩층(도시되지 않음)이 형성될 수도 있다.

한편, 상기 제 1 n-GaN층(108) 또는 제 2 n-GaN층(112) 상부에는 n형 전극(미도시)이 형성될 수 있으며, 이를 통하여 외부로부터 전류가 주입된다. 또는 전류 퍼짐층(110a) 상에 n형 전극이 형성될 수도 있다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)의 제조방법 및 구동 과정을 첨부 도면을 참조하여 하기에서 상세히 설명한다.

사파이어 기판(102)상에 버퍼층(104)이 형성된다. 상기 버퍼층(104)은 다수 층으로 이루어져 있으며, 예를 들어, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 챔버(도시하지 않음) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 챔버(도시하지 않음)에 사파이어 기판(30)을 장착하고, 500~600℃의 분위기 온도에서 실란 가스(SiH₄)를 이용하여 사파이어 기판(102) 상에 실리콘을 약 10Å으로 성장시켜 실리콘층을 형성한 후, 그 상부에 InN층을 형성한다.

그리고 상기 InN층상에 예를 들어 약 1000℃의 분위기 온도에서 TMAl(trimethyl aluminium)과 암모니아(NH₃)를 이용하여 소정 비율로 Al과 N를 함유하여 AlN층을 성장시킨다.

따라서, 실리콘층, InN층 및 AlN층을 포함하는 버퍼층(104)이 형성되고, 예를 들어 1500℃의 성장온도에서 상기 버퍼층(104) 상에 NH₃와 트리메탈 갈륨(TMGa)을 공급하여, 소정 두께로 도펀트를 포함하지 않은 언도프드 GaN층(106)을 형성한다.

그리고 언도프드 GaN층(106)상에 제1n-GaN층(108)이 형성된다. 상기 제1 n-GaN층(108)은 예를 들어, NH₃, 트리메탈 갈륨(TMGa) 및 Si 과 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 소정 두께로 성장된다.

제 1 n-GaN층(108)이 형성된 후, 인듐, 틴(Ti)의 산화물 또는 Co, W, Fe 등의 전도성이 높은 물질을 이용하여 제 1 n-GaN층(108)상에 약 1~100000Å의 두께로 전류 퍼짐층(110)을 성장시킨다. 상기 전류 퍼짐층(110)은 유기금속화학증착(MOCVD), MBE(Molecular Beam Epitaxy), 스퍼터(sputter), 전자빔(E-beam) 장비 등을 이용하여 성장시킬 수 있다. 이는 유기금속화학증착 장비로 제 1n-GaN층을 형성하면서 MBE나 스퍼터, 전자빔으로 전류 퍼짐층을 형성할 수도 있다.

여기서, 상기 전류 퍼짐층(110)은 ITO나 Co, W, Fe 등과 같은 금속으로 형성할 수도 있다.

상기 전류 퍼짐층(110)은 도 2에서 도시된 것과 같이, 제 1 n-GaN층(108) 상에 평탄하게 성장시킬 수도 있고, 도 3에서 도시된 것과 같이, 제 1 n-GaN층(108) 상에 소정 형상의 패턴을 갖도록 성장시킬 수도 있다. 즉, 상기 제 1 n-GaN층(108) 상에 약 4000Å의 두께로 전류 퍼짐층(110)이 형성된 후, 식각 장비를 이용하여 일정한 패턴으로 형성시킬 수 있다.

또한 상기 전류 퍼짐층(110)은 그 표면 형상이 일정한 배열이 없는 평탄면으로도 형성될 수 있지만, 요철 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들어 요철 모양은 사각형 모양의 배열을 갖거나, 삼각형 배열, 나선형 형상(spiral mode), 렌즈 모양으로 성장될 수 있다.

이와 같이 형성된 상기 전류 퍼짐층(110)은 약 1000℃ 이상의 고온에서 형성되기 때문에, ITO층(인듐틴옥사이드층)의 결합이 깨져, 표면에 위치된 인듐, 틴(Ti)이 제 2 n-GaN층(112)상에 불순물로 포함된다. 상기 제 2n-GaN층(112)에 포함된 인듐, 틴(Ti)은 결점 위치(defect site)에 위치하여 제 2n-GaN층(112)의 전위(dislocation)의 전파를 막으며 캐리어 콘센트레이션(carrier concentration)을 증가시켜 동작전압을 낮추어 주게 된다.

즉, 상기 전류 퍼짐층(110)은 n-GaN층에 의한 전류의 퍼짐을 효과적으로 하여 균일한 동작전압과 그에 따른 발광소자의 수명을 효과적으로 증대시켜 신뢰성을 개선할 수 있다.

이어서, 상기 전류 퍼짐층(110) 상에 제 2 n-GaN층(112)을 성장시키며, 상기 제 2 n-GaN층(112)은 제 1 n-GaN층(108)과 같이, 트리메탈 갈륨(TMGa) 및 Si 과 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 소정 두께로 성장시킨다.

그러나 상기 제 2 n-GaN층(112)은 제 1 n-GaN층(108)과 달리 저항, 캐리어 운동성( carrier mobility), 캐리어 콘센트레이션(carrier concentration)이 다르도록 이를 성장시킬 수도 있다.

예를 들어, 제 2 n-GaN층(112)에 Si를 도핑 할 때, 상기 GaN층 내부에서 층을 이루어 전자 확산로를 형성하도록 도핑 농도를 단계적으로 상이하게 조정할 수 있다. 즉, Si 도핑을 3단계로 실행할 경우, 1단계에서는 상기 Si를 고농도로 1×10¹⁹이상의 캐리어 콘센트레이션을 갖도록 도핑하고, 2단계에서는 도핑 농도를 선형적으로 감소시키다가, 3단계에서는 3×10¹⁸이상의 캐리어 콘센트레이션을 갖도록 도핑 한다.

상기와 같이 다단계로 도핑 함에 따라 n-GaN 층에 결정부정합에 따른 국소적 전위 발생이 방지되어 전류-전압 특성에서 전자확산의 동적 저항을 감소시키게 된다. 반도체 접촉 표면의 전자 흐름에 대한 문턱 에너지가 감소하여 전력효과가 향상되는 결과를 가져온다. 그리고 상기 제 2 n-GaN층(112)의 두께는 1~10000Å이며, 그 성장 속도를 다단계로 제어하여 이를 성장시킬 수 있다.

즉, 상기 제 2 n-GaN층(112)은 처음에는 0.001~1㎛/hour의 성장속도로 100~800℃ 범위의 성장온도에서 성장시킨 후, 1~3㎛/hour의 성장속도로 800~1100℃ 범위의 성장온도에서 성장시켜 요구되는 두께로 형성시킨다.

또한, 도 3에서 도시된 바와 같이, 전류 퍼짐층(110b)의 표면 형상이 요철 모양으로 형성되는 경우에도, 제 2-GaN층(112)이 평탄면을 형성할 수 있도록 상기 제 2 n-GaN층(112)을 약 1㎛ 이상의 두께로 형성한다.

이때, 상기 전류 퍼짐층(110b) 상에 형성된 제 2 n-GaN층(112)도 제 1 n-GaN층(108)와 같이, 트리메탈 갈륨(TMGa) 및 Si 과 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 형성되나, 제 1 n-GaN층(108)과 달리 저항, 캐리어 운동성, 캐리어 콘센트레이션이 다르도록 이를 성장시킨다.

상기 제 2 n-GaN층(112)의 두께는 1~10000Å이며, 그 성장 속도를 다단계로 제어하여 이를 성장시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 n-GaN층(112)은 처음에는 0.001~1㎛/hour의 성장속도로 100~800℃ 범위의 성장온도에서 성장시킨 후, 1~3㎛/hour의 성장속도로 800~1100℃ 범위의 성장온도에서 성장시켜 요구되는 두께로 형성시킨다.

그리고 상기 제 2 n-GaN층(112)상에 활성층(120)을 성장시키되, 상기 활성층(120)의 성장을 위해서, 예를 들어 780℃의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH₃, TMGa, 및 트리메틸인듐(TMIn)을 공급하여, InGaN로 이루어진 활성층을 120Å 내지 1200Å의 두께로 형성시킨다. 이때, 활성층(120)의 조성은 InGaN의 각 원소성분의 몰 비율에 차이를 두고 성장시킨 적층 구성일 수 있다.

상기 활성층(120)을 형성시킨 후, 활성층(120) 상에 p형 도펀트를 함유한 p-GaN층(124)을 수백에서 수천 Å의 두께로 성장시킨다.

그리고 상기 활성층(120) 상에 p-GaN층(124)이 형성된 후, 예컨대 500 ~ 900℃의 온도에서 열처리를 하여 p-GaN층(124)의 정공 농도가 최대가 되도록 조정한다.

상기한 공정을 통해 형성된 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)에 여기서, 추후 공정을 통해 전극층을 각각 형성하고, 이를 통하여 전압이 인가되면, 활성층에서 전자와 정공의 재결합으로 빛이 방출된다. 즉, p-n접합에 순방향으로 전압이 인가됨에 따라, n-GaN층의 전자 및 p형 GaN층의 정공은 각각 p쪽, n쪽에 주입된다.

이때, 제 1 및 제 2 n-GaN층(108, 112) 사이에는 상기 전류 퍼짐층(110a)(110b)이 존재하므로 전류의 흐름이 더욱 좋아져서 활성층에 더 많은 캐리어를 공급하므로 발광 효율이 향상된다.

외부양자효율((External quantum efficiency)은 주입된 전하당 발광되는 photon의 수로 나타내어지므로, 제 1 및 제 2 n-GaN층(108, 112)에 의한 전류의 퍼짐을 효과적으로 하여 균일한 동작전압과 그에 따른 발광소자의 수명을 효과적으로 증대시켜 신뢰성을 개선할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 전류퍼짐층(110a)(110b) 및 제 2 n-GaN층 (112)은 제조 공정을 통하여 인듐, 틴(Ti)이 제 2 n-GaN층 표면에 함유되어 제 2 n-GaN층 하부에서 생긴 전위의 전파를 막아주기 때문에 질화물 반도체 발광소자의 전기적 특성도 향상된다.

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.

Claims (5)

1. 제1도전형 반도체층;

   상기 제1도전형 반도체층 아래에 형성된 전류 퍼짐층;

   상기 제1도전형 반도체층 위에 형성된 활성층;

   상기 활성층 위에 형성된 제2도전형 반도체층을 포함하며,

   상기 전류 퍼짐층은 ITO(인듐틴옥사이드) 및 전도성 금속 중 적어도 하나를 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1도전형 반도체층 또는 상기 제1반도체층에 전기적으로 연결된 제1전극을 포함하는 반도체 발광소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 전류 퍼짐층 아래에 제1도전형의 제1반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 전류 퍼짐층은 상기 제1도전형 반도체층 아래에 평탄면 또는 요철 형상으로 형성되는 반도체 발광소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 전도성 금속은 Co, W, Fe 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.