KR20120100369A - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

3족 질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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KR20120100369A
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노민수
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주식회사 에피밸리
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Abstract

본 개시는, 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 기판; 기판 위에 구비되며, 제1 전도성을 가지는 제1 3족 질화물 반도체층; 제1 3족 질화물 반도체층 위에 구비되며, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 3족 질화물 반도체층; 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층; 및 기판과 활성층 사이에 개재되는 결함 완화층;으로서, SiN를 포함하며 결함 완화층 아래에 형성된 결함의 적어도 일부가 결함 완화층 위로 전파되는 것을 차단하는 결함 완화층;을 포함함으로써, 3족 질화물 반도체 발광소자의 구동전압(Vf) 및 광 출력(Pout)을 향상시키는 이점을 가지게 된다.

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시는, 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 3족 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 3족 질화물 반도체층의 적층 구조에 관한 것이다.
본 개시는, 유무기 나노발광 소재를 이용한 백색광용 고효율 에너지 절약 소재 개발 과제(주관기관: 교육과학기술부 이산화탄소 사업단 / 수행기관: 고려대학교 산학협력단 / 수행기간: 2008.04.01~2012.03.31)의 지원으로 개발된 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
일반적으로, 3-5족 화합물 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 소자를 의미하며, Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어지는 3족 질화물 반도체 발광소자, 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자, 녹색 발광에 사용되는 GaP계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자(10)는 기판(11), 기판(11) 위에 성장되는 버퍼층(12), 버퍼층(12) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(13), n형 3족 질화물 반도체층(13) 위에 성장되는 활성층(14), 활성층(14) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(15), p형 3족 질화물 반도체층(15) 위에 형성되는 p측 전극(16), p측 전극(16) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(17), p형 3족 질화물 반도체층(15)과 활성층(14)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(13) 위에 형성되는 n측 전극(18), 그리고 보호막(19)을 포함한다.
기판(11)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(18)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(11) 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(12)은 이종기판(11)과 3족 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/154454호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 기재되어 있다.
한편, n형 3족 질화물 반도체층(13)의 성장에 앞서 도핑되지 않는 GaN층이 성장되는데, 이를 버퍼층(12)의 일부로 보아도 좋고, n형 3족 질화물 반도체층(13)의 일부로 보아도 좋다.
n형 3족 질화물 반도체층(13)은 적어도 n측 전극(18)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다.
미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 기재되어 있다.
활성층(14)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 3족 질화물 반도체층(15)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다.
미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 3족 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정 없이 p형 3족 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(16)은 p형 3족 질화물 반도체층(15) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 3족 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 3족 질화물 반도체층(15)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 3족 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(16)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 기재되어 있다.
p측 본딩 패드(17)와 n측 전극(18)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 기재되어 있다.
보호막(19)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
한편, 3족 질화물 반도체 발광소자의 광 효율 및 전기적 특성을 향상시키기 위해 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(11)을 3족 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 기술이 소개된 바 있다.
또한, 대면적 3족 질화물 반도체 발광소자의 수요가 증가함에 따라 전류의 확산을 위해 p측 본딩 패드(17) 또는 n측 전극(18)으로부터 연장되어 형성되는 가지전극을 구비하는 기술이 소개된 바 있다.
본 개시는, 기판과 3족 질화물 반도체층 사이의 격자 부정합으로 인해, 기판 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층에 발생되는 결정 결함이 3족 질화물 반도체층의 성장 방향으로 전파되는 것이 완화된 3족 질화물 반도체 발광소자의 제공을 일 목적으로 한다.
상기한 과제의 해결을 위해, 본 개시의 일 태양에 따르면, 기판; 기판 위에 구비되며, 제1 전도성을 가지는 제1 3족 질화물 반도체층; 제1 3족 질화물 반도체층 위에 구비되며, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 3족 질화물 반도체층; 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층; 및 기판과 활성층 사이에 개재되는 결함 완화층;으로서, SiN를 포함하며 결함 완화층 아래에 형성된 결함의 적어도 일부가 결함 완화층 위로 전파되는 것을 차단하는 결함 완화층;을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자가 제공된다.
여기서, 결함 완화층은, 활성층과 제1 3족 질화물 반도체층 사이에 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 기판과 제1 3족 질화물 반도체층 사이에 둘 사이의 격자 부정합을 완화시키는 버퍼층;과, 버퍼층과 제1 3족 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 도핑되지 않은(un-doped) 제3 3족 질화물 반도체층;을 더 포함하며, 결함 완화층은, 제3 3족 질화물 반도체층과 제1 3족 질화물 반도체층 사이에 개재되는 것을 특징으로 한다.
한편, 결함 완화층은, 실리콘(Si)로 도핑된 3족 질화물 반도체와, SiN가 적층된 단위층이 20~30회 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 실리콘(Si)로 도핑된 3족 질화물 반도체는, 실리콘(Si)로 도핑된 GaN으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 결함 완화층은, 제1 3족 질화물 반도체층 내부에 개재되어 구비되며, 실리콘(Si)로 도핑된 GaN과 SiN가 적층된 단위층이 20~30회 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 기판은 사파이어 기판으로 구비되며, 버퍼층은, SiC로 형성되는 시드층(Seed layer)과, InGaN으로 형성되는 완충층을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예에 의하면, 결함 완화층에 의해 기판과 3족 질화물 반도체층 사이의 격자 부정합에 의해 발생되는 결정 결함의 전파가 완화되는 이점을 가진다.
따라서, 활성층의 결정 결함이 완화되므로, 3족 질화물 반도체 발광소자의 내부 양자 효율이 향상되는 이점을 가진다.
또한, 3족 질화물 반도체층의 결정 결함이 완화되므로, 3족 질화물 반도체 발광소자의 전기적 특성이 향상되는 이점을 가진다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 보인 도면,
도 3은 도 2의 A를 확대하여 보인 도면,
도 4는 도 2의 3족 질화물 반도체 발광소자의 광 특성을 보인 도면,
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 보인 도면,
도 6은 도 5의 3족 질화물 반도체 발광소자의 광 특성을 보인 도면,
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 보인 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다양한 실시예에 대해 자세히 설명한다.
도 2는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 보인 도면, 도 3은 도 2의 A를 확대하여 보인 도면, 도 4는 도 2의 3족 질화물 반도체 발광소자의 광 특성을 보인 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(100)는 도 1에 도시된 3족 질화물 반도체 발광소자(10)와 같이, 기판(111), 기판(111) 위에 성장되는 버퍼층(112), 버퍼층(112) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(113), n형 3족 질화물 반도체층(113) 위에 성장되는 활성층(114), 활성층(114) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(115), p형 3족 질화물 반도체층(115) 위에 형성되는 p측 전극(116), p측 전극(116) 위(또는 p형 3족 질화물 반도체층(115)에 접하도록)에 형성되는 p측 본딩 패드(117), p형 3족 질화물 반도체층(115)과 활성층(114)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(113) 위에 형성되는 n측 전극(118), 그리고 보호막(119)을 포함한다.
본 예에서 기판(111)은 사파이어(Al2O3)로 구비되며, 버퍼층(112)은, SiC로 형성되는 시드층(Seed layer)과, InGaN으로 구비되는 완충층을 포함하도록 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 보호막(119)은 생략될 수 있다.
이 외에, 기판(111), 버퍼층(112), n형 3족 질화물 반도체층(113), 활성층(114), p형 3족 질화물 반도체층(115), p측 전극(116), p측 본딩 패드(117) 및 n측 전극(118), 보호막(119)에 대한 구체적인 설명은 앞선 설명으로 갈음한다.
한편, 본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(100)는, 활성층(114)과 n형 3족 질화물 반도체층(113) 사이에 결함 완화층(130)이 구비된다.
일반적으로, 기판(111)은 3족 질화물 반도체와 다른 이종 기판이 사용되는데, 이 경우 기판(111)과 3족 질화물 반도체와의 격자 부정합으로 인해 n형 3족 질화물 반도체층(113)에 결정 결함(예, V-defect, threading dislocatio)이 발생되며, 그 결정 결함은 그 위에 성장되는 활성층(114) 및 p형 3족 질화물 반도체층(115)으로 전파된다.
이러한 결정 결함에 의해, 3족 질화물 반도체 발광소자(100)의 광 특성 및 전기적 특성이 저하되는 문제가 발생된다.
이를 해결하기 위해, 버퍼층(112)이 개재되었으나, 버퍼층(112)에 의해 격자 부정합 완화 효과는 한계를 가지게 된다.
본 예는 이를 보완하기 위해, 결함 완화층(130)을 부가한 것이다.
본 예에 있어서, 결함 완화층(130)은 실리콘(Si)으로 도핑된 3족 질화물 반도체층(131)과 SiNx층(133)으로 구성된 단위층이 20~30회 적층되어 형성된다.
여기서, 실리콘(Si)으로 도핑된 3족 질화물 반도체층(131)과 SiNx층(133)은 초격자구조로 구비되는 것이 바람직하다.
바람직하게, 실리콘(Si)으로 도핑된 3족 질화물 반도체층(131)은 100~120A의 두께를 가지며, SiNx층(133)은 10~50A의 두께를 가지도록 구비된다.
이에 의해, 결함 완화층(130)은 n형 3족 질화물 반도체층(113)으로부터 활성층(114)으로 결정 결함이 전파되는 것을 방지하게 된다.
구체적으로, 본 예에서, SiNx층(133)은 Dot 형태로 3차원 성장을 하게 되며, 실리콘(Si)으로 도핑된 3족 질화물 반도체층(131)은 Dot 형태로 성장된 SiNx층(133)의 상면을 평탄하게 만들고, 그 위에 Dot 형태의 SiNx층(133)이 반복 성장하게 된다.
Dot 구조의 SiNx층(133)은, 하부에서 전파되어 온 결정 결함의 진행을 차단하거나, 결정 결함의 전파 방향을 바꾸어 3족 질화물 반도체 발광소자(100)의 둘레 측으로 향하도록 하여 결함 완화층(130)의 상부에 위치되는 활성층(114)의 결정 결함을 완화시키는 것으로 판단된다.
따라서, 실리콘(Si)으로 도핑된 3족 질화물 반도체층(131)과 SiNx층(133)의 반복적인 적층구조를 요하며, 20~30회의 반복 적층의 경우 결함 완화 효과가 최적화되게 된다.
본 예에서, 실리콘(Si)으로 도핑된 3족 질화물 반도체층(131)은 n형 3족 질화물 반도체층(113)의 Si 도핑농도보다 작은 Si 도핑농도를 갖도록 구비되었으며, 실리콘(Si)으로 도핑된 3족 질화물 반도체층(131)은 GaN을 사용하였다.
도 4는 본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(100)의 광 특성을 도 1에 도시된 3족 질화물 반도체 발광소자(10)의 광 특성과 비교하여 표시한 것으로, 본 예에 의하면, 구동전압(Vf)이 저하되고, 광 출력(Pout)이 향상되는 것을 볼 수 있다.
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 보인 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(100)는, 버퍼층(112)과 n형 3족 질화물 반도체층(113b) 사이에 도핑되지 않은 3족 질화물 반도체층(113a)이 개재되며, 결함 완화층(130)은 n형 3족 질화물 반도체층(113)과 도핑되지 않은 3족 질화물 반도체층(113a) 사이에 개재된다.
여기서, 결함 완화층(130)은 도 3의 예와 같은 구조로 구비된다.
도 6은 도 5의 3족 질화물 반도체 발광소자의 광 특성을 보인 도면으로서, 도 6을 참조하면, 도 4와 달리 구동전압(Vf)은 유의미한 변화가 관찰되지 않으나, 광 출력(Pout)이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 보인 도면으로서, 본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(100)는, 도 5와 같이 버퍼층(112)과 n형 3족 질화물 반도체층(113b) 사이에 도핑되지 않은 3족 질화물 반도체층(113a)이 개재된다.
다만, 결함 완화층(130)은 n형 3족 질화물 반도체층(113)의 내부에 개재된다.
여기서, 결함 완화층(130)은 도 3의 예와 같은 구조로 구비되며, 앞서 보인 광 특성 결과를 참조할 때, 광 출력의 향상을 기대할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 특정한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었다. 그러나, 본 발명은, 그 사상 또는 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 형태로 실시될 수 있으므로, 위에서 설명된 실시예는 그 상세한 설명의 내용에 의해 제한되지 않아야 하며, 또한, 앞서 기술한 상세한 설명에서 일일이 나열되지 않은 실시예라 하더라도 첨부된 특허청구범위에서 정의된 그 사상과 범위 내에서 넓게 해석되어야 할 것이다. 그리고, 상기 특허청구범위의 기술적 범위와 그 균등범위 내에 포함되는 모든 변경 및 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 포섭되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 기판;
    기판 위에 구비되며, 제1 전도성을 가지는 제1 3족 질화물 반도체층;
    제1 3족 질화물 반도체층 위에 구비되며, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 3족 질화물 반도체층;
    제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층; 및
    기판과 활성층 사이에 개재되는 결함 완화층;으로서, SiN를 포함하며 결함 완화층 아래에 형성된 결함의 적어도 일부가 결함 완화층 위로 전파되는 것을 차단하는 결함 완화층;을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    결함 완화층은, 활성층과 제1 3족 질화물 반도체층 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    기판과 제1 3족 질화물 반도체층 사이에 둘 사이의 격자 부정합을 완화시키는 버퍼층;과, 버퍼층과 제1 3족 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 도핑되지 않은(un-doped) 제3 3족 질화물 반도체층;을 더 포함하며,
    결함 완화층은, 제3 3족 질화물 반도체층과 제1 3족 질화물 반도체층 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    결함 완화층은, 실리콘(Si)으로 도핑된 3족 질화물 반도체와, SiNx가 적층된 단위층이 20~30회 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    실리콘(Si)로 도핑된 3족 질화물 반도체는, 실리콘(Si)으로 도핑된 GaN으로 구비되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    결함 완화층은, 제1 3족 질화물 반도체층 내부에 개재되어 구비되며, 실리콘(Si)으로 도핑된 GaN과 SiNx가 적층된 단위층이 20~30회 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  7. 청구항 3에 있어서,
    기판은 사파이어 기판으로 구비되며,
    버퍼층은, SiC로 형성되는 시드층(Seed layer)과, InGaN으로 형성되는 완충층을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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