KR20090104453A - Nitride Semiconductor Light Emitting Device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 투광성을 가지면서도 전기적 특성이 우수한 n형 전극을 구비하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly, to a nitride semiconductor light emitting device having an n-type electrode having high light transmittance and excellent electrical characteristics.
반도체 발광소자의 하나인 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p,n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다. A light emitting diode (LED), which is one of semiconductor light emitting devices, is a semiconductor device capable of generating light of various colors based on recombination of electrons and holes at a junction portion of a p and n type semiconductor when current is applied thereto. These LEDs have a number of advantages over filament based light emitting devices, such as long life, low power, excellent initial driving characteristics, high vibration resistance, and high tolerance for repetitive power interruptions. In recent years, group III nitride semiconductors capable of emitting light in a blue short wavelength region have been in the spotlight.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device according to the prior art.
상기 반도체 발광소자(10)는 도전성 기판(14) 상에 순차적으로 형성된 p형 반도체층(13), 활성층(12), n형 반도체층(11) 및 오믹컨택층(15)을 갖추어 구성되 며, 상기 오믹컨택층(15)의 상면과 상기 도전성 기판(14) 하면에는 각각 n형 및 p형 전극(16a, 16b)이 형성된다.The semiconductor
도 1에 도시된 반도체 발광소자(10)는 n형 및 p형 전극(16a, 16b)의 사이에 발광구조물이 형성된 구조, 즉, 수직구조를 갖는 발광소자로서 빛은 주요하게 상기 오믹컨택층(15)을 통하여 외부로 방출된다.The semiconductor
이 경우, 상기 오믹컨택층(15)은 n형 반도체층(11)과의 오믹컨택을 형성하기 위해 일 함수가 상대적으로 낮은 Ti, Al 등을 사용하며, 이들의 적층 구조도 일반적으로 사용될 수 있다.In this case, the
그러나, Ti, Al 등은 빛의 투과율이 낮은 금속들로서 활성층(12)에서 방출된 빛의 상당 부분은 오믹컨택층(15)에 의해 흡수되며, 이는 발광 효율 저하로 이어진다.However, Ti, Al, and the like are metals having low light transmittance, and a substantial portion of the light emitted from the
따라서, 당 기술 분야에서는 광학적 특성이 우수하면서도 n형 반도체층과 오믹컨택을 유지할 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.Therefore, there is a need in the art for a method for maintaining an n-type semiconductor layer and ohmic contact while having excellent optical characteristics.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 높은 투광성을 가지면서도 전기적 특성이 우수한 n형 전극을 구비하는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device having an n-type electrode having high light transmittance and excellent electrical characteristics.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention,
n형 및 p형 질화물 반도체층과 이들 사이에 형성된 활성층을 구비하는 발광구조물과, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 n형 및 p형 전극 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 n형 전극 사이에 형성되며, Ru 또는 Ir을 포함하는 물질로 이루어진 제1층 및 상기 제1층 상에 형성되며 투명전도성 산화물로 이루어진 제2층을 구비하는 n형 오믹컨택층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.a light emitting structure having an n-type and p-type nitride semiconductor layer and an active layer formed therebetween, n-type and p-type electrodes electrically connected to the n-type and p-type nitride semiconductor layers, and the n-type nitride semiconductor layer and the A nitride semiconductor comprising an n-type ohmic contact layer formed between an n-type electrode and having a first layer made of a material containing Ru or Ir and a second layer formed on the first layer and made of a transparent conductive oxide. Provided is a light emitting device.
바람직하게는, 상기 제1층은 Ru 또는 Ir 합금으로 이루어진 것일 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 Ru 또는 Ir 합금에 포함되는 원소는 Ti, Al, Cr, Ni, Pd, Pt, Mo, Co 및 Mg로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소인 것일 수 있다.Preferably, the first layer may be made of Ru or Ir alloy, more specifically, the elements included in the Ru or Ir alloy are Ti, Al, Cr, Ni, Pd, Pt, Mo, Co and Mg It may be at least one element selected from the group consisting of.
또한, 상기 제2층은 In, Sn, Al, Zn 및 Ga으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로, 상기 제2층은 ITO, CIO, AZO(Al-doped ZnO), ZnO, NiO 및 In2O3로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것일 수 있다.In addition, the second layer may include at least one material selected from the group consisting of In, Sn, Al, Zn, and Ga. Specifically, the second layer may include ITO, CIO, and AZO (Al-doped ZnO). ), ZnO, NiO and In 2 O 3 It may be made of a material selected from the group consisting of.
한편, 상기 제1층의 두께는 10 ~ 300Å인 것이 바람직하며, 상기 제2층의 두께는 100 ~ 1000Å인 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the thickness of a said 1st layer is 10-300 GPa, and it is preferable that the thickness of a said 2nd layer is 100-1000 GPa.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 제1층 중 적어도 일부는 산화물로 이루어진 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, at least some of the first layer may be made of an oxide.
본 발명에 따르면, 높은 투광성을 가지면서도 전기적 특성이 우수한 n형 전극을 구비하는 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor light emitting device having an n-type electrode having high light transmittance and excellent electrical characteristics.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.
다만, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(20)는 도전성 기판(24)과 상기 도전성 기판(24) 상에 순차적으로 형성된 p형 질화물 반도체층(23), 활성층(22), n형 질화물 반도체층(21) 및 n형 오믹컨택층(25)을 구비하여 구성된다. 이에 더하여 상기 n형 오믹컨택층(25)의 상면에는 n형 전극(26a)이, 상기 도전성 기판(26b)의 하면에는 p형 전극(26b)이 형성된다.Referring to FIG. 2, the semiconductor
본 실시 형태의 경우, 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 해당하며, 그 제조 방법으로는 공지된 공정으로서, 사파이어 등의 질화물 단결정 성장용 기판 상에 n형 질화물 반도체층(21), 활성층(22) 및 p형 질화물 반도체층(23)을 순차적으로 성장시킨 후 지지 기판에 해당하는 도전성 기판(24)을 도금이나 본딩 공정에 의해 형성하고, 사파이어 기판을 제거하는 공정에 의해 형성될 수 있다.In the case of this embodiment, it corresponds to a vertical structure nitride semiconductor light emitting device, and the manufacturing method thereof is a well-known process, and includes an n-type
이하, 상기 반도체 발광소자(20)를 구성하는 구성 요소들을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the components constituting the semiconductor
발광구조물을 이루는 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)과 활성층(23)에 대하여 설명하면, 우선 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)은 질화물 반도체로 이루어 지는 것이 바람직하다. 본 명세서에서, '질화물 반도체'란, AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다. 즉, 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다. The n-type and p-
상기 활성층(23)은 단일 또는 다중 양자 웰 구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다. 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24), 활성층(23)은 반도체 단결정의 성장 공정, 특히, 질화물 단결정 성장 공정으로서 공지된 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE) 등의 방법으로 성장시킬 수 있다.The
상기 도전성 기판(24)은 수직구조 발광소자의 최종 구성 요소에 포함되며, 단결정 성장용 기판의 제거 등을 공정을 수행함에 있어서 상대적으로 두께가 얇은 발광구조물을 지지하는데 사용된다. 상기 도전성 기판(24)은 도금이나 웨이퍼 본딩 방식으로 상기 발광구조물과 결합하여 형성될 수 있으며, Si, Cu, Ni, Au, W, Ti 등으로 이루어진 물질로 이루어진다.The
상기 n형 및 p형 전극(26a, 26b)은 소자의 전기적 연결을 위한 전극으로 기능 한다. 이 경우, 상기 n형 전극 및 p형 전극(26a, 26b)은 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금으로 이루어진다. 이러한 n형 전극 및 p형 전극(26a, 26b)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.The n-type and p-
상기 n형 오믹컨택층(25)은 상기 n형 질화물 반도체층(21)과 n형 전극(26a) 사이에서 오믹컨택을 형성함과 동시에 높은 광 투과율을 가짐으로써 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.The n-type
이를 위하여, 상기 n형 오믹컨택층(25)은 2개의 층을 포함하도록 구성되며, 구체적으로, 제1층(25a)은 Ru 또는 Ir을 포함하는 물질로 이루어지고, 그 위에 형성되는 제2층(25a)은 투명전도성 산화물로 이루어진다.To this end, the n-type
상기 제1층(25a)의 경우, Ru 또는 Ir를 포함하는 물질이면 족하며, 특히, Ru 또는 Ir 만으로 이루어지거나 합금 형태로도 채용될 수 있다.In the case of the
Ru와 Ir은 일 함수가 상대적으로 큰 금속으로 n형 오믹컨택용 금속으로 적합하지 않을 수 있으나, 본 발명자는 특히, Ru와 Ir가 산화물로 존재할 경우 투명전극으로 사용하기에 적당한 저항과 높은 열적 안정성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.Ru and Ir are metals with a relatively large work function, and may not be suitable as metals for n-type ohmic contacts. However, the inventors of the present invention find that Ru and Ir are oxides. I could see that.
따라서, 본 실시 형태에서 다소 변형된 실시 형태의 경우에는 도 3과 같이, n형 오믹컨택층(35)이 Ru 또는 Ir을 포함하는 물질로 이루어진 제1층(35a)과 투명전도성 산화물로 이루어진 제2층(35b)을 갖되, 상기 제1층(35a) 중 적어도 일부의 영역은 산화물로 이루어진 영역(A)으로 존재할 수도 있다.Accordingly, in the embodiment slightly modified in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the n-type
한편, 상기 제1층(25a)이 Ru 또는 Ir 합금인 경우에는 이에 포함되는 원소로는 Ti, Al, Cr, Ni, Pd, Pt, Mo, Co, Mg 등을 예로 들 수 있으며, 전기 저항과 광 투과율을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.On the other hand, when the
다시, 도 2를 참조하면, 상기 제2층(25b)은 높은 광 투과도를 가지며 전극으로 사용할 수 있을 만큼의 적당한 전기적 특성을 갖는 어떠한 물질도 채용이 가능하며, 이에 가장 부합하는 물질은 투명전도성 산화물이다.Referring again to FIG. 2, the
상기 제2층(25b)을 투명전도성 산화물로 형성함으로써, 특히 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서, 높은 광 투과도를 보장할 수 있다.By forming the
이 경우, 상기 제2층(25b)을 이루는 투명전도성 산화물은 In, Sn, Al, Zn, Ga 등의 원소를 포함하는 물질이며, 예컨대, ITO, CIO, AZO, ZnO, NiO, In2O3 등에 해당한다.In this case, the transparent conductive oxide forming the
한편, 상기 n형 오믹컨택층(25)에 포함된 제1층(25a)과 제2층(25b)은 각각의 두께(t1, t2)가 전기 저항과 광 투과도의 조절 측면에서 적절히 조절될 수 있다.Meanwhile, each of the thicknesses t1 and t2 of the
이에 제한되지는 않으나, 상기 제1층(25a)의 두께(t1)는 오믹컨택을 형성하기 위해 10 ~ 300Å인 범위를 가지며, 상기 제2층(25b)의 두께(t2)는 100 ~ 1000Å인 범위를 갖는 것이 바람직하다.Although not limited thereto, the thickness t1 of the
이와 같이, 본 실시 형태의 경우에는 n형 오믹컨택층에 투명전도성 산화물을 포함하여 높은 광투과도를 보장하면서도 n형 질화물 반도체층에 인접된 층을 이루는 물질을 Ru 또는 Ir로 채용함으로써 오믹컨택이 가능하도록 하였다.As described above, in the present embodiment, the ohmic contact is possible by employing Ru or Ir as a material forming the layer adjacent to the n-type nitride semiconductor layer while ensuring a high light transmittance by including a transparent conductive oxide in the n-type ohmic contact layer. I did it.
구체적인 실험 예로서, 상기 질화물 반도체 발광소자(20)에서 n형 오믹컨택층(25)을 제1층(25a)은 1㎚ 두께의 Ru로 하며, 제2층(25b)은 200㎚ 두께의 ITO(In-doped SnO)로 한 경우, CTLM 28㎛ spacing에서 측정된 I-V 곡선을 분석한 결과 1차 함수, 즉, 리니어한 특성을 보였다.As a specific experimental example, in the nitride semiconductor
또한, 비슷한 방식으로, 상기 질화물 반도체 발광소자(20)에서 n형 오믹컨택층(25)을 제1층(25a)은 1㎚ 두께의 Ir로 하며, 제2층(25b)은 200㎚ 두께의 AZO(Al-doped ZnO)로 한 경우에도 I-V 곡선이 1차 함수를 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 본 실시 형태에서 채용된 n형 오믹컨택층은 높은 광 투과도를 가짐과 더불어 n형 질화물 반도체층과 오믹컨택을 형성할 수 있다.In a similar manner, in the nitride semiconductor
도 4는 도 2의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment modified from the embodiment of FIG. 2.
도 4에 따른 질화물 반도체 발광소자(40)는 도 2의 경우와 마찬가지로 도전성 기판(44)과 상기 도전성 기판(44) 상에 순차적으로 형성된 p형 질화물 반도체층(43), 활성층(42), n형 질화물 반도체층(41) 및 제1, 2층(45a, 45b)을 갖는 n형 오믹컨택층(45)을 구비하여 구성되며, 상기 n형 오믹컨택층(45)의 상면에는 n형 전극(46a)이, 상기 도전성 기판(44)의 하면에는 p형 전극(46b)이 형성된다.In the nitride semiconductor
이에 더하여, 상기 n형 질화물 반도체층(41)과 상기 n형 오믹컨택층(45)의 사이에는 GaN 기판(47)이 형성된다.In addition, a
상기 GaN 기판(47)은 질화물 단결정 성장용 기판으로 제공되며, 전기 전도성을 띄고 있으므로, 발광구조물의 성장 후에 제거될 필요 없이 최종 발광소자(40)에 남아 있을 수 있다. 다만, GaN 기판(47) 대신에 질화물 단결정 성장용 기판으로서 전기 전도성을 갖는 물질로 이루어진 다른 기판, 예컨대 SiC 기판도 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 채택할 수 있는 범위라면 채용 가능할 것이다.The
이러한 차이 외에 동일한 용어로 나타낸 다른 구성 요소에 대해서는 도 2의 경우와 동일한 것으로 이해될 수 있으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.In addition to these differences, other components represented by the same term may be understood to be the same as in the case of FIG. 2, and thus description thereof will be omitted.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
본 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(50)는 사파이어 기판(54), 상 기 사파이어 기판(54) 상에 순차적으로 성장된 n형 질화물 반도체층(51), 활성층(52), p형 질화물 반도체층, p형 오믹컨택층(58) 및 상기 n형 질화물 반도체층(51)의 에칭된 일부 영역에 형성되며 제1, 2층(55a, 55b)를 구비하는 n형 오믹컨택층(55)을 구비하며, 이에 더하여, n형 및 p형 전극(56a, 56b)을 포함한다.The nitride semiconductor
본 실시 형태는 n형 및 p형 전극(56a, 56b)의 배치가 수평구조에 해당하며, 수직 구조의 경우에 비하여 n형 오믹컨택층(55)에 의한 광 투과도 확보 기능이 다소 미미할 수 있으나, 본 발명에서 채용될 수 있는 발광소자의 전극 배치 구조는 수직구조만이 아닌 수평구조에서 확장될 수 있다.In this embodiment, the arrangement of the n-type and p-
이와 같이, 수직구조만이 아니라 수평구조에서도 n형 오믹컨택층(55)의 적용이 가능한 것은 n형 질화물 반도체층에서 n형 오믹컨택층이 형성되는 면이 N-극성면(N-polar surface) 또는 P-극성면(P-polar surface) 모두에 대하여 오믹컨택을 형성할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.As described above, the n-type
한편, 상기 p형 오믹컨택층(58)의 경우, 필수적인 구성 요소는 아니나, p형 질화물 반도체층(53)과의 오믹컨택을 위해 Ni/Au 구조 등이 일반적으로 채용될 수 있다.In the case of the p-type
이러한 차이 외에 동일한 용어로 나타낸 다른 구성 요소에 대해서는 도 2의 경우와 동일한 것으로 이해될 수 있으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.In addition to these differences, other components represented by the same term may be understood to be the same as in the case of FIG. 2, and thus description thereof will be omitted.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Accordingly, various forms of substitution, modification, and alteration may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, which are also within the scope of the present invention. something to do.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device according to the prior art.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에서 채용될 수 있는 오믹컨택층을 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating an ohmic contact layer that may be employed in the embodiment modified from the embodiment of FIG. 2.
도 4는 도 2의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment modified from the embodiment of FIG. 2.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
21: n형 질화물 반도체층 22: 활성층21: n-type nitride semiconductor layer 22: active layer
23: p형 질화물 반도체층 24: 도전성 기판23: p-type nitride semiconductor layer 24: conductive substrate
25: n형 오믹컨택층 26a, 26b: n형 및 p형 전극25: n-type
47: GaN 기판 54: 사파이어 기판47: GaN substrate 54: Sapphire substrate
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