KR20120117892A - 질소 화합물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
AlGaN으로 이루어지는 n형층, AlGaInN으로 이루어지는 활성층, 및 p형층을 가지며, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는, 발광 강도가 큰 질소 화합물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, n형층, 활성층, 및 p형층을 가지는 질소 화합물 반도체 발광 소자에 있어서, 활성층이, AlGaInN으로 이루어지는, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 질소 화합물 반도체층으로 이루어지며, n형층은, AlGaN으로 이루어지는 n형 AlGaN층과, Al을 포함하지 않는 5nm 이상의 GaN 보호층을 가지고 이루어지며, 보호층 상에 활성층이 형성되어 있다. 제조 방법은, 기판 온도가 1000℃ 이상인 고온에서 n형 AlGaN층을 성장시키고, 그 위에 Al을 포함하지 않는 5nm 이상의 GaN 보호층을 성장시키고, 성장 공정을 중단하고 기판 온도를 저하시켜, 기판 온도가 1000℃ 미만인 저온에서, 보호층 상에 활성층을 형성하는 공정을 가진다.
본 발명은, n형층, 활성층, 및 p형층을 가지는 질소 화합물 반도체 발광 소자에 있어서, 활성층이, AlGaInN으로 이루어지는, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 질소 화합물 반도체층으로 이루어지며, n형층은, AlGaN으로 이루어지는 n형 AlGaN층과, Al을 포함하지 않는 5nm 이상의 GaN 보호층을 가지고 이루어지며, 보호층 상에 활성층이 형성되어 있다. 제조 방법은, 기판 온도가 1000℃ 이상인 고온에서 n형 AlGaN층을 성장시키고, 그 위에 Al을 포함하지 않는 5nm 이상의 GaN 보호층을 성장시키고, 성장 공정을 중단하고 기판 온도를 저하시켜, 기판 온도가 1000℃ 미만인 저온에서, 보호층 상에 활성층을 형성하는 공정을 가진다.
Description
본 발명은, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는 질소 화합물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는 질소 화합물 반도체로 이루어지는 발광 소자(LED)로서는, 예를 들면, 도 6에 나타낸 구성을 가지는 것이 알려져 있다(특허 문헌 1).
이 발광 소자는, 기판(80) 상에 GaN으로 이루어지는 버퍼층(82)이 형성되고, 이 버퍼층(82) 상에 층두께가 큰 n형 컨택트층(84)이 형성되며, 이 n형 컨택트층(84) 상에 n형 클래드층(86)이 형성되고, 이 n형 클래드층(86) 상에, AlGaInN으로 이루어지는 활성층(88)이 형성되며, 이 활성층(88) 상에, p형 클래드층(90)을 통하여, 층두께가 큰 p형 컨택트층(92a) 및 층두께가 작은 p형 컨택트층(92b)이 형성되어 있으며, 또한, n형 컨택트층(84)의 일부의 표면이 노출되어 n전극(94)이 설치됨과 함께, p형 컨택트층(92b)의 표면에 p전극(96)이 설치되어 구성되어 있다. 98은 패드 전극이다.
일반적으로, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는 질소 화합물 반도체 발광 소자에 있어서는, 활성층을 구성하는 층으로서、 AlGaInN에 있어서의 In의 조성 비율을 저하시킨 층을 형성하는 것이 필요하지만, 이러한 조성 변조가 행해진 결과, 얻어지는 발광 소자는, 발광 효율이 저하된 것이 되었음이 널리 알려져 있다. 이것은, In의 조성 비율이 감소함으로써, In의 조성 비율이 많을 때에는 발생하는 In의 조성 변조 효과가 약해지기 때문에 전자, 정공의 가둠이 약해져, 전자, 정공이 전위에 트랩되기 쉬워지기 때문에, 비발광 재결합의 확률이 상승하기 때문이다.
한편, 파장 400nm 이하인 자외광을 방사하는 발광 소자에 있어서는, GaN으로 이루어지는 구성층이 형성되어 있으면, GaN에 의한 광흡수나, 전자 및 정공의 리크(전자나 정공이, 발광층을 넘어 n형층 및 p형층으로 빠져 버리는 현상)가 발생하기 때문에, 구성층의 결정 구조를 Al을 포함하는 AlGaN으로 하는 것이 유리하다는 것이 알려져 있다. 이러한 이유로부터, 도 6의 발광 소자에 있어서는, 자기 흡수를 저감하기 위해서, 버퍼층(82) 및 발광층인 활성층(88) 이외의 구성층, 즉 n형 컨택트층(84), n형 클래드층(86), p형 클래드층(90) 및 p형 컨택트층(92a, 92b)이, 모두 AlGaN계 재질에 의해 형성되어 있다.
그리하여, 이런 종류의 질소 화합물 반도체 발광 소자는, 활성층 및 다른 질소 화합물 반도체층을 유기 금속 기상 성장법에 의해 성장시킴으로써 제조된다. 그리고, 도 6의 발광 소자의 제조에 있어서는, n형 클래드층(86)을 구성하는 n형의 AlGaN층을 성장시키고 그 위에 직접, 활성층(88)의 양자 우물 구조를 구성하는 AlGaInN층을 성장시키게 되지만, 당해 n형의 AlGaN층의 성장은, 기판 온도가 예를 들면 1100~1200℃와 같은 1000℃ 이상이 되는 고온 조건에서 행해지는 것이 필요하며, 또한, 활성층을 구성하는 AlGaInN층의 성장은, 기판 온도가 예를 들면 750~900℃와 같은 1000℃ 미만의 저온 조건에서 행해지는 것이 필요하다.
발광 피크 파장이 400nm를 초과하는 광을 방사하는 발광 소자의 제조에 있어서는, 활성층이 접하는 하층의 n형층의 최상 표면층이 AlGaN층인 경우여도, 당해 n형층의 최상 표면층이 GaN층인 경우와 동등한 발광 강도 특성을 가지는 발광 소자를 얻을 수 있다. 그러나, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는 발광 소자의 제조에 있어서는, 활성층이 접하는 하층의 n형층의 최상 표면층이 AlGaN층인 경우에는, 결정 품질이 동등해도, 현저하게 발광 강도가 낮은 것이 됨이 판명되었다.
즉, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는 질소 화합물 반도체 발광 소자를 제조하는 경우에는, 활성층 이외의 구성층의 재질로서, 활성층으로부터 방사되는 광의 흡수가 없는 점에서 AlGaN을 이용하는 것이 유리하겠지만, 실제로는, 활성층이 접하는 하층의 n형층의 최상 표면층이 AlGaN층인 경우에는, 얻어지는 발광 소자는, 발광 강도가 오히려 작은 것이 된다.
이러한 현상이 발생하는 원인은, n형층의 성장은 고온 조건에서 행해지는 것이 필요한 한편, 활성층의 성장은 저온 조건에서 행해지는 것이 필요하여, 양 성장 공정을 연속하여 행할 수 없기 때문이다. 즉, 실제로는, 고온 조건에서의 n형층의 성장 공정의 종료 후에 저온 조건에서의 활성층의 성장 공정을 개시하는 동안에, 성장 공정을 일시 중단하고 기판 온도를 저하시키는 성장 공정 중단 시간을 설치하는 것이 실제상 불가피하다. 그러나, 이 성장 공정 중단 시간 동안에, n형층의 최상 표면을 형성하는 AlGaN층 중의 Ga가 증발 비산하여 결정 격자 부정합에 의한 결정 결함이 발생하고, 그 결정 결함이 그 위에 성장 형성되는 활성층의 AlGaInN의 결정에 인계되는 결과, 형성되는 활성층에 불가피적으로 결정 결함이 발생해 버리는 것이 원인이라고 생각되고 있다(비특허 문헌 1 참조).
제54회 응용 물리학 관계 연합 강연회 강연 예고집 No.129p-ZN-4 「AlGaN계 헤테로 계면 형성 시에 있어서의 성장 중단의 영향」
본 발명은, 이상과 같은 사정에 기초하여 이루어진 것이며, AlGaN으로 이루어지는 n형층, AlGaInN으로 이루어지는 활성층, 및 p형층을 가지고 이루어지며, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는, 발광 강도가 큰 질소 화합물 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, AlGaN으로 이루어지는 n형층, AlGaInN으로 이루어지는 활성층 및 p형층을 가지고 이루어지며, 발광 강도가 큰 질소 화합물 반도체 발광 소자를 제조할 수 있는 질소 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자는, n형층, 활성층 및 p형층을 가지는 질소 화합물 반도체 발광 소자에 있어서,
상기 활성층이, AlxGayIn1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x＋y≤1)으로 이루어지는 장벽층과, AlxGayIn1 -x-yN(0≤x＜1, 0≤y＜1, x＋y＜1)으로 이루어지는 우물층을 구비한, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 질소 화합물 반도체층으로 이루어지며,
상기 n형층은, n-AlxGa1 -xN(0＜x≤1)으로 이루어지는 n형 AlGaN층과, 이 n형 AlGaN층 상에 형성된, Al을 포함하지 않는 두께 5nm 이상의 GaN으로 이루어지는 보호층을 가지고 이루어지며,
상기 n형층의 보호층 상에 상기 활성층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 기판 상에, 각각 유기 금속 기상 성장법에 의해 형성된 n형층, 활성층 및 p형층을 가지는 질소 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
기판 온도가 1000℃ 이상이 되는 고온 조건에서, n-AlxGa1 -xN(0＜x≤1)으로 이루어지는 n형 AlGaN층을 성장 형성함과 함께 당해 n형 AlGaN층 상에 Al을 포함하지 않는 두께 5nm 이상의 GaN으로 이루어지는 보호층을 성장 형성함으로써 n형층을 형성하는 n형층 형성 공정과,
그 후, 성장 공정을 중단하고 기판 온도를 저하시켜, 기판 온도가 1000℃ 미만이 되는 저온 조건에서, 상기 n형층의 보호층 상에, AlxGayIn1 -x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x＋y≤1)으로 이루어지는 장벽층과, AlxGayIn1 -x-yN(0≤x＜1, 0≤y＜1, x＋y＜1)으로 이루어지는 우물층을 성장 형성함으로써, 활성층을 형성하는 활성층 형성 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 고온 조건에서 n형 AlGaN으로 이루어지는 n형 AlGaN층을 포함하는 n형층의 성장 공정을 행하고, 그 종료 후에, 성장 공정을 일시 중단하고 기판 온도를 저하시키고, 그 후에 저온 조건에서 활성층의 성장 공정이 개시되는데, AlGaN으로 이루어지는 n형 AlGaN층 상에, Al을 포함하지 않는 두께 5nm 이상의 GaN으로 이루어지는 보호층이 형성되어 있기 때문에, 당해 보호층에 의해, 성장 공정 중단 시간 동안에, 하층인 n형 AlGaN층에 있어서의 Ga의 증발 비산이 유효하게 방지되어 당해 n형 AlGaN층이 Ga의 증발 비산에 의한 결정 결함이 없는 것이 되고, 그 결과, AlGaInN의 성장에 의해, 결정 결함이 없는 양호한 활성층을 형성할 수 있으므로, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는, 발광 강도가 큰 질소 화합물 반도체 발광 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 일 실시예에 있어서의 기판과 반도체층의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2는 도 1의 질소 화합물 반도체 발광 소자와 비교되어야 할 발광 소자(비교예 1)의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3은 도 1의 질소 화합물 반도체 발광 소자와 대조되어야 할 발광 소자(대조예 1)의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 4는 본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 다른 실시예에 있어서의 기판과 반도체층의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 5는 도 4의 질소 화합물 반도체 발광 소자와 비교되어야 할 발광 소자(비교예 2)의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 6은 종래의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 일례에 있어서의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2는 도 1의 질소 화합물 반도체 발광 소자와 비교되어야 할 발광 소자(비교예 1)의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3은 도 1의 질소 화합물 반도체 발광 소자와 대조되어야 할 발광 소자(대조예 1)의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 4는 본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 다른 실시예에 있어서의 기판과 반도체층의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 5는 도 4의 질소 화합물 반도체 발광 소자와 비교되어야 할 발광 소자(비교예 2)의 층 구성을 나타낸 설명도이다.
도 6은 종래의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 일례에 있어서의 구성을 나타낸 설명도이다.
이하, 본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법의 실시의 형태에 대해서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 일 실시예에 있어서의 기판과 반도체층의 층 구성을 모식적으로 나타낸 설명도이다.
이 발광 소자는, 사파이어 기판(10)의 c면 상에, 저온 조건에서 성장시킨 층두께가 예를 들면 20nm인 GaN층으로 이루어지는 제1 버퍼층(12)(LT-GaN)과, 이 제1 버퍼층(12) 상에, 고온 조건에서 성장시킨 층두께가 예를 들면 1μm인 언도프 GaN층으로 이루어지는 제2 버퍼층(14)(u-GaN)을 가진다. 이 제2 버퍼층(14) 상에, 발광 소자의 기능 영역이 형성되어 있다.
이 제2 버퍼층(14) 상의 기능 영역에 있어서는, 고온 조건에서 성장시킨 층두께가 예를 들면 2.3μm인 n형 AlGaN층으로 이루어지는 n형 AlGaN층(16)(n-AlGaN)이 형성되고, 이 n형 AlGaN층(16) 상에, 고온 조건에서 성장시킨 층두께가 예를 들면 50nm인 n형 GaN층으로 이루어지는 보호층(18)(n-GaN)이 형성되며, 이것에 의해 n형층이 구성되어 있다.
이 n형 GaN층으로 이루어지는 보호층(18) 상에, 활성층(20)이 성장 형성되어 있다. 도시한 예의 활성층(20)은, 각각 저온 조건에서 성장된, 층두께가 예를 들면 2.5nm인 GaInN으로 이루어지는 우물층과 층두께가 예를 들면 10nm인 AlGaN으로 이루어지는 장벽층이 교호로 4주기 적층되어 이루어지는 양자 우물 구조를 가진다.
활성층(20) 상에는, 층두께가 예를 들면 20nm인 p형 블록층(22)이 형성되어 있으며, 이 p형 블록층(22) 상에, 층두께가 예를 들면 100nm인 p형 컨택트층(24) 및 층두께가 예를 들면 20μm인 p+형 컨택트층(26)이 형성되어 있다.
그리고, 예를 들면, n형 AlGaN층(16)의 일부를 에칭하여 노출시킨 표면 부분에 n전극이 형성됨과 함께, p+형 컨택트층(26)의 표면에 p전극이 형성되어 발광 소자가 구성된다.
본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 각 질소 화합물 반도체의 층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD)에 의해 성장 형성된다.
또, 각 반도체층의 성장 공정에 있어서는, 목적으로 하는 조성에 따른 기판 온도 및 노내 압력이 되는 조건 하에서 기상 성장이 행해진다.
유기 금속 기상 성장법에 있어서는, Al원자 공급원이 되는 유기 금속 화합물로서는 트리메틸알루미늄(TMA)이, Ga원자 공급원이 되는 유기 금속 화합물로서는 트리메틸갈륨(TMG)이, N원자 공급원이 되는 화합물로서는 암모니아가 이용되며, 캐리어 가스로서는, 질소 가스 및 수소 가스가 이용되지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
n형의 반도체층을 형성하기 위한 도프 원자로서는, Si 등의 IV족 원자가 이용되고, Si원자 공급원이 되는 화합물로서는 예를 들면 테트라에틸실란(TESi) 등을 이용할 수 있다. 또, 불순물이 도프되지 않는 경우의 AlxGayIn1 -x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x＋y≤1) 반도체는 언도프 상태에서도 n형을 나타낸다.
한편, p형의 반도체층을 형성하기 위한 도프 원자로서는, Mg 등의 II족 원자가 이용되고, Mg원자 공급원이 되는 화합물로서는 예를 들면 비스시클로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg) 등을 이용할 수 있다.
활성층(20)은, AlxGayIn1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x＋y≤1)으로 이루어지는 장벽층과, AlxGayIn1 -x-yN(0≤x＜1, 0≤y＜1, x＋y＜1)으로 이루어지는 우물층이 교호로 위치하는 적층체 단위를 예를 들면 2~10주기 성장 형성함으로써 구성되며, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 자외광을 방사하는 것이다. 장벽층은, 우물 내에 전자, 정공을 가두기 때문에, 우물층보다도 밴드 갭 에너지를 크게 하도록 조성을 조정할 필요가 있다. 우물층에 대해서 바람직한 조성은, x의 값이 0~0.99, y의 값이 0~0.99이다. 이 활성층(20)의 성장 공정에서는, 기판 온도가 1000℃ 미만이 되는 저온 조건이 되는 것이 필요하다.
n형층을 구성하는 n형 AlGaN층(16)은, n-AlxGa1 -xN(0＜x≤1)로 표시되는 조성을 가지는 층으로서 버퍼층 상에 성장 형성된다. 이 n형 AlGaN층(16)은, 발광 파장의 흡수를 억제하기 위해 발광 파장보다도 큰 밴드 갭 에너지가 되는 조성으로 제작되는 것이 바람직하다. 이 n형 AlGaN층(16) 상에, Al을 포함하지 않는 n형 GaN층으로 이루어지는 보호층(18)이 성장 형성되고, n형 AlGaN층(16)과 보호층(18)에 의해, 최상 표면층이 보호층(18)인 n형층이 형성되며, 그 위에 활성층(20)이 성장 형성된다.
본 발명에 있어서, 보호층(18)은, 층두께가 5nm~100nm인 것이 된다. 바람직한 보호층(18)의 두께는 10~80nm이며, 특히 바람직하게는 30~60nm이다. 보호층(18)의 층두께가 과소한 경우에는, n형 AlGaN층(16)의 표면 전체면을 충분히 피복하지 못하여 그 일부가 노출되는 결과, 당해 n형 AlGaN층(16)의 n형 AlGaN에 의한 최상 표면층의 조성을 유효하게 보호할 수 없을 우려가 있다. 한편, 보호층(18)의 층두께가 과대하면, 당해 보호층(18)에 의한 방사광의 흡수가 커지기 때문에, 높은 발광 강도를 가지는 발광 소자를 얻는 것이 곤란해진다.
반도체로 이루어지는 구성층의 성장 공정에 있어서의 기판 온도는, 형성되는 반도체층의 조성에 따라 상이하며, AlGaInN으로 이루어지는 활성층(20)의 성장 공정에서는, 이미 서술한 바와 같이 기판 온도가 1000℃ 미만, 구체적으로는 예를 들면 750~900℃와 같은 저온 조건이 되지만, AlGaN으로 이루어지는 n형층(구체적으로는, n형 AlGaN층(16) 및 보호층(18)) 및 p형층(구체적으로는, p형 블록층(22), p형 컨택트층(24) 및 p+형 컨택트층(26))은, 모두, 기판 온도가 1000℃ 이상, 구체적으로는 예를 들면 1100~1200℃와 같은 고온 조건이 되는 것이 필요하다.
또한, p형층의 성장에 대해서는, 활성층(발광층)에 In이 포함되기 때문에, 고온 하에서 장시간의 성장을 행한 경우에 활성층 내의 In이 확산되어 활성층의 특성을 저하시키는 경우가 있어, 그러한 In의 확산을 억제하기 위해서 1000℃ 이하의 온도에서 성장을 행하는 것도 가능하다.
본 발명의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서는, 기판(10) 상에 제1 버퍼층(12) 및 제2 버퍼층(14)을 통하여, n형 AlGaN층(16) 및 보호층(18)이 성장되어 n형층이 형성되며, 이 n형층 상에 활성층(20)이 성장되고, 이 활성층(20) 상에, p형 블록층(22), p형 컨택트층(24) 및 p+형 컨택트층(26)이 성장되어 p형층이 형성된다.
구체적으로는, 기판 온도가 1000℃ 이상이 되는 고온 조건에서 AlGaN으로 이루어지는 n형 AlGaN층(16)이 성장 형성된 후에, 마찬가지로 고온 조건에서, Al을 포함하지 않는 GaN으로 이루어지는 보호층(18)이 5~100nm과 같은 특정의 층두께로 성장 형성된다. 그리고, 보호층(18)의 성장 형성이 종료된 후, 성장 공정을 일시 중단하고 기판 온도를 저하시켜, 기판 온도가 1000℃ 미만인 저온 조건에서, 상기 보호층(18)에 의해 최상 표면층이 형성되어 있는 n형층에 대해, 활성층(20)의 성장 형성이 행해진다.
고온 조건에서의 성장 공정으로부터 저온 조건에서의 성장 공정으로 이행할 때에는, 기판의 온도를 저하시키기 위해서, 방열 시간이라고도 할 수 있는 성장 공정 중단 시간을 설치하는 것이 불가피하며, 이 성장 공정 중단 시간의 길이는, 고온 조건 하에서의 기판의 온도 및 저온 조건 하에서의 기판의 온도에 따라서도 상이하지만, 통상, 5~10분간이다.
이상과 같이, 실제의 질소 화합물 반도체 발광 소자의 제조에 있어서, 고온 조건에서의 n형층의 성장 형성 후에, 성장 공정 중단 시간에 있어서 기판 온도를 저하시켜, 저온 조건에서 활성층(20)의 성장 형성이 행해지지만, 본 발명에 의하면, n형층을 구성하는 AlGaN으로 이루어지는 n형 AlGaN층(16) 상에, Al을 포함하지 않는 GaN으로 이루어지는 보호층(18)이 형성되어 있으며, 이 보호층(18)은, 성장 공정 중단 시간에 있어서도 그 조성이 변화하지 않기 때문에 결정 결함이 발생하지 않으며, 그 때문에, 당해 보호층(18) 상에 성장 형성되는 활성층(20)에 있어서, 하층의 결정 결함에 기인하는 결정 결함이 발생하는 것이 억제되어, 그 결과, 높은 발광 강도를 가지는 질소 화합물 반도체 발광 소자를 얻을 수 있다.
<실시예>
실시예 1
이 실시예에서는, 도 1의 층 구성에 따라, 하기와 같이 유기 금속 기상 성장법에 의해 각 반도체층을 성장 형성하여, 본 발명의 발광 소자를 제조했다.
(1) 기판 클리닝 공정
먼저, CVD 장치의 처리로 내에 c면 사파이어 기판(10)을 배치하고, 처리로 내에 수소 가스를 유량 10slm로 공급하면서, 기판 온도를 1150℃로 승온함으로써 기판(10)의 클리닝을 행했다.
(2) 제1 버퍼층 형성 공정
그 다음에, 노내 압력 100kPa, 기판 온도 500℃ 상태에서, 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 5slm 및 수소 가스를 유량 5slm로 공급하면서, 암모니아를 유량 250000μmol/min 및 트리메틸갈륨(TMG)을 유량 50μmol/min로 70초간 공급함으로써, 기판(10)의 표면에 층두께 20nm의 GaN층을 성장시켜 제1 버퍼층(LT-GaN)(12)을 형성했다.
(3) 제2 버퍼층 형성 공정
기판 온도 1125℃ 상태에서, 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 20slm 및 수소 가스를 유량 15slm로 공급하면서, 암모니아를 유량 250000μmol/min 및 TMG를 유량 100μmol/min로 30분간 공급함으로써, 제1 버퍼층(12) 상에 층두께 1.5μm의 언도프의 GaN층을 성장시켜 제2 버퍼층(u-GaN)(14)을 형성했다.
(4) n형층 형성 공정
(4-1) n형 AlGaN층 형성 공정
상기 (3) 제2 버퍼층 형성 공정과 마찬가지로, 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 20slm 및 수소 가스를 유량 15slm로 공급하면서, 기판 온도 1150℃, 노내 압력 30kPa 상태에서, 트리메틸알루미늄(TMA)을 유량 5.2μmol/min, TESi를 유량 0.013μmol/min로 공급함으로써, 제2 버퍼층(14) 상에 층두께 2.3μm의 n형 Al0 .05Ga0 .95N층으로 이루어지는 n형 AlGaN층(16)을 형성했다.
(4-2) 보호층 형성 공정
그리고, TMA의 공급을 정지한 것 이외에는 그대로의 조건에서 성장 공정을 55초간 계속함으로써, n형 AlGaN층(16) 상에 층두께 50nm의 Al을 포함하지 않는 n형 GaN층을 성장시켜 보호층(n-GaN)(18)을 형성함으로써 n형층을 형성했다.
(5) 활성층 형성 공정
상기 (4-2) 보호층 형성 공정 후, 성장 공정을 중단하고, 그 후, 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 15slm 및 수소 가스를 유량 1slm로 공급하면서, 노내 압력 100kPa, 기판 온도 820℃ 상태에서, TMG를 유량 10μmol/min, 트리메틸인듐(TMI)을 유량 12μmol/min로 60초간 공급함으로써, 층두께 2.5nm의 Ga0.95In0.05N의 조성을 가지는 우물층을 형성하는 공정과, TMG를 유량 10μmol/min, TMA를 유량 0.9μmol/min로 300초간 공급함으로써, 층두께 10nm의 Al0 .08Ga0 .92N의 조성을 가지는 장벽층을 형성하는 공정을 반복함으로써, 우물층과 장벽층의 단위가 4주기 적층되어 이루어지는 활성층(20)을 형성했다.
상기 (4-2) 보호층 형성 공정이 종료된 시점부터, 당해 활성층의 형성 공정이 개시될 때까지의 성장 공정 중단 시간은 약 8분간이었다.
(6) p형층 형성 공정
(6-1) p형 블록층 형성 공정
노내 압력 100kPa로 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 15slm 및 수소 가스를 유량 25slm로 공급하면서, 기판 온도를 1025℃로 하고, 그 상태에서 TMG를 유량 100μmol/min, TMA를 유량 24μmol/min, 비스시클로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg)을 유량 0.1μmol/min로 20초간 공급함으로써, 활성층(20) 상에 층두께 20nm의 p형 Al0 .2Ga0 .8N층을 성장시켜 p형 블록층(22)을 형성했다.
(6-2) p형 컨택트층 형성 공정
이어서, TMA의 유량을 12μmol/min로 변경하여 성장을 100초간 계속함으로써, p형 블록층(22) 상에 층두께 100nm의 p형 Al0 .10Ga0 .90N으로 이루어지는 p형 컨택트층(24)을 형성했다.
(6-3) p+형 컨택트층 형성 공정
또한, Cp2Mg의 유량을 0.2μmol/min로 변경하여 성장을 20초간 계속함으로써, p형 컨택트층(24) 상에 층두께 20nm의 p+형 Al0 .1Ga0 .9N으로 이루어지는 p+형 컨택트층(26)을 형성했다.
(7) 후처리 공정
(7-1) 활성화 어닐 공정
상기 (6)의 공정이 종료된 후, 대기 중, 온도 700℃로 15분간 활성화 어닐을 행했다.
(7-2) 전극 형성 공정
활성화 어닐 처리된 발광 소자 재료에 대해, 포토리소그래피와 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(ICP)에 의해, n형층의 n형 AlGaN층(16)의 일부를 에칭하여 노출시킴으로써 n패드부를 형성하고, 당해 n패드부 및 p+형 컨택트층(26)의 표면에 설정된 p패드부의 각각에, 니켈 5nm 및 금 5nm를 적층한 후, 대기 중에 있어서 온도 500℃로 5분간 어닐을 행하고, n패드부 및 p패드부의 각각에 Al을 증착하여 n전극 및 p전극을 형성함으로써, 발광 피크 파장이 370nm대에 있는 발광 소자를 제조했다. 이것을 「발광 소자 1」이라고 한다.
비교예 1
상기의 실시예 1에 있어서, (4-1) n형 AlGaN층 형성 공정의 종료 후, (4-2) 보호층 형성 공정을 행하지 않고, 약 8분간의 성장 공정 중단 시간 후에 (5) 활성층 형성 공정을 실행한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 각 반도체층을 성장 형성함으로써, 도 2에 나타낸 층 구성을 가지고, 발광 피크 파장이 370nm대에 있는 비교용의 발광 소자를 제조했다. 이것을 「발광 소자 1a」라고 한다.
대조예 1
상기의 실시예 1에 있어서, (3) 제2 버퍼층 형성 공정에 이어서, (4-1) n형 AlGaN층 형성 공정 및 (4-2) 보호층 형성 공정을 행하지 않고, (3) 제2 버퍼층 형성 공정과 마찬가지로 기판 온도 1125℃ 상태에서 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 20slm 및 수소 가스를 유량 15slm로 공급하면서, 암모니아를 유량 250000μmol/min, TMG를 유량 100μmol/min 및 테트라에틸실란(TESi)을 유량 0.013μmol/min로 40분간 공급함으로써, 제2 버퍼층(14) 상에 층두께 2.3μm의 n형 GaN을 성장시켜 n형 GaN층(28)을 형성하고, 약 8분간의 성장 공정 중단 시간 후에, 실시예 1과 동일한 (5) 활성층 형성 공정을 실행한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 각 반도체층을 성장 형성함으로써, 도 3에 나타낸 층 구성을 가지고, 발광 피크 파장이 370nm대에 있는 비교용의 발광 소자를 제조했다. 이것을 「발광 소자 1b」라고 한다.
평가 실험(1)
상기 실시예 1에 관련된 발광 소자(1), 비교예 1에 관련된 발광 소자(1a) 및 대조예 1에 관련된 발광 소자(1b)의 각각에 대해서, 출력 평가를 행했다. 즉, 각 발광 소자를 TO-18 스템 패키지에 실장하고, 이것에 대향하여 이격 거리 5mm의 위치에, 360~370nm대에 감도를 가지고, 감도 보정을 행한 포토 다이오드를 배치하여 수광 소자로 하고, 각 발광 소자에 20mA의 전류를 공급했을 때의 수광 소자의 출력치를 측정한 바, 결과는 표 1에 나타낸 대로였다.
표 1의 결과로부터, 실시예 1에 관련된 발광 소자(1)에 의하면, 비교예 1에 관련된 발광 소자(1a)에 비해, 보호층이 형성됨으로써, 매우 큰 발광 강도가 얻어지는 것이 이해된다.
실시예 2
이 실시예에서는, 도 4의 층 구성에 따라, 하기와 같이 유기 금속 기상 성장법에 의해 각 반도체층을 성장 형성하여, 본 발명의 발광 소자를 제조했다.
(1) 기판 클리닝 공정
먼저, CVD 장치의 처리로 내에 c면 사파이어 기판(10)을 배치하고, 처리로 내에 수소 가스를 유량 10slm로 공급하면서, 기판 온도를 1150℃로 승온함으로써 기판(10)의 클리닝을 행했다.
(2) 제1 버퍼층 형성 공정
그 다음에, 노내 압력 10kPa, 기판 온도 950℃ 상태에서, 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 8slm 및 수소 가스를 유량 8slm로 공급하면서, 암모니아를 유량 13920μmol/min 및 TMA를 유량 8.7μmol/min로 700초간 공급함으로써, 기판(10)의 표면에 층두께 50nm의 AlN층을 성장시켜 제1 버퍼층(AlN-1)(32)을 형성했다.
(3) 제2 버퍼층 형성 공정
상기 (2) 제1 버퍼층 형성 공정의 종료 후, TMA의 공급을 정지하고, 또한 기판 온도를 1300℃로 승온한 상태에서, 처리로 내에 암모니아를 유량 22000μmol/min 및 TMA를 유량 50μmol/min로 80분간 공급함으로써, 제1 버퍼층(32) 상에 층두께 1μm의 AlN층을 성장시켜 제2 버퍼층(AlN-2)(34)을 형성했다.
(4) n형층 형성 공정
(4-1) n형 AlGaN층 형성 공정
상기 (3) 제2 버퍼층 형성 공정의 종료 후, 노내 압력을 30kPa로 하고, 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 15slm 및 수소 가스를 유량 12slm로 공급하면서, 기판 온도 1165℃ 상태에서, TMG를 유량 100μmol/min, TMA를 유량 18μmol/min, 암모니아를 유량 250000μmol/min, TESi를 유량 0.013μmol/min로 50분간 공급함으로써, 제2 버퍼층(34) 상에 층두께 3μm의 n형 Al0 .15Ga0 .85N층으로 이루어지는 n형 AlGaN층(16)을 형성했다.
(4-2) 보호층 형성 공정
그리고, TMA의 공급을 정지한 것 이외에는 그대로의 조건에서 성장 공정을 55초간 계속함으로써, n형 AlGaN층(16) 상에 층두께 50nm의 Al을 포함하지 않는 n형 GaN층을 성장시켜 보호층(n-GaN)(18)을 형성함으로써 n형층을 형성했다.
(5) 활성층 형성 공정
처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 16slm로 공급하면서, 노내 압력 100kPa, 기판 온도 840℃ 상태에서, TMG를 유량 10μmol/min, TMA를 유량 0.02μmol/min, TMI를 유량 35μmol/min로 50초간 공급함으로써, 층두께 2nm의 Al0.02Ga0.95In0.03N의 조성을 가지는 우물층을 형성하는 공정과, TMG를 유량 10μmol/min, TMA를 유량 1.5μmol/min로 300초간 공급함으로써, 층두께 10nm의 Al0.14Ga0.86N의 조성을 가지는 장벽층을 형성하는 공정을 반복함으로써, 우물층과 장벽층의 단위가 4주기 적층되어 이루어지는 활성층(20)을 형성했다.
상기 (4)의 n형층의 형성 공정이 종료된 시점부터, 당해 활성층의 형성 공정이 개시될 때까지의 성장 공정 중단 시간은 약 7분간이었다.
(6) p형층 형성 공정
(6-1) p형 블록층 형성 공정
노내 압력 60kPa로 처리로 내에 캐리어 가스로서 질소 가스를 유량 15slm 및 수소 가스를 유량 25slm로 공급하면서, 기판 온도를 1050℃로 하고, 그 상태에서 TMG를 유량 100μmol/min, TMA를 유량 36μmol/min, Cp2Mg를 유량 0.26μmol/min로 20초간 공급함으로써, 활성층(20) 상에 층두께 20nm의 p형 Al0 .3Ga0 .7N층을 성장시켜 p형 블록층(22)을 형성했다.
(6-2) p형 컨택트층 형성 공정
이어서, TMA의 유량을 18μmol/min로 변경하여 성장을 100초간 계속함으로써, p형 블록층(22) 상에 층두께 100nm의 p형 Al0 .15Ga0 .85N으로 이루어지는 p형 컨택트층(24)을 형성했다.
(6-3) p+형 컨택트층 형성 공정
또한, Cp2Mg의 유량을 0.2μmol/min로 변경하여 성장을 20초간 계속함으로써, p형 컨택트층(24) 상에 층두께 20nm의 p+형 Al0 .15Ga0 .85N으로 이루어지는 p+형 컨택트층(26)을 형성했다.
(7) 후처리 공정
(7-1) 활성화 어닐 공정
상기 (6)의 공정이 종료된 후, 대기 중, 온도 700℃로 15분간 활성화 어닐을 행했다.
(7-2) 전극 형성 공정
활성화 어닐 처리된 발광 소자 재료에 대해, 포토리소그래피와 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(ICP)에 의해, n형층의 n형 AlGaN층(16)의 일부를 에칭하여 노출시킴으로써 n패드부를 형성하고, 당해 n패드부 및 p+형 컨택트층(26)의 표면에 설정된 p패드부의 각각에, 니켈 5nm 및 금 5nm를 적층한 후, 대기 중에 있어서 온도 500℃로 5분간 어닐을 행하고, n패드부 및 p패드부의 각각에 Al을 증착하여 n전극 및 p전극을 형성함으로써, 발광 피크 파장이 360nm대에 있는 발광 소자를 제조했다. 이것을 「발광 소자 2」라고 한다.
비교예 2
상기의 실시예 2에 있어서, (4-1) n형 AlGaN층 형성 공정의 종료 후, (4-2) 보호층 형성 공정을 행하지 않고, 약 7분간의 성장 공정 중단 시간 후에 (5) 활성층 형성 공정을 실행한 것 이외에는, 실시예 2와 동일하게 하여, 각 반도체층을 성장 형성함으로써, 도 5에 나타낸 층 구성을 가지는 비교용의 발광 소자(2a)를 제조했다.
평가 실험(2)
상기 실시예 2에 관련된 발광 소자(2) 및 비교예 2에 관련된 발광 소자(2a)의 각각에 대해서, 평가 실험(1)과 동일하게 하여 출력 평가를 행했다. 그리고, 각 발광 소자에 20mA의 전류를 공급했을 때의 파장 360nm의 광에 대해서 수광 소자의 출력치를 측정한 바, 결과는 표 2에 나타낸 대로였다.
표 2의 결과로부터, 실시예 2에 관련된 발광 소자 2에 의하면, 비교예 2에 관련된 발광 소자(2a)에 비해, 보호층이 형성됨으로써, 매우 큰 발광 강도가 얻어지는 것이 이해된다.
10 c면 사파이어 기판 12 제1 버퍼층(LT-GaN)
14 제2 버퍼층(u-GaN) 16 n형 AlGaN층
18 보호층(n-GaN) 20 활성층
22 p형 블록층 24 p형 컨택트층
26 p+형 컨택트층 28 n형 GaN층
32 제1 버퍼층(AlN-1) 34 제2 버퍼층(AlN-2)
80 기판 82 버퍼층
84 n형 컨택트층 86 n형 클래드층
88 활성층 90 p형 클래드층
92a p형 컨택트층 92b p형 컨택트층
94 n전극 96 p전극
98 패드 전극
14 제2 버퍼층(u-GaN) 16 n형 AlGaN층
18 보호층(n-GaN) 20 활성층
22 p형 블록층 24 p형 컨택트층
26 p+형 컨택트층 28 n형 GaN층
32 제1 버퍼층(AlN-1) 34 제2 버퍼층(AlN-2)
80 기판 82 버퍼층
84 n형 컨택트층 86 n형 클래드층
88 활성층 90 p형 클래드층
92a p형 컨택트층 92b p형 컨택트층
94 n전극 96 p전극
98 패드 전극
Claims (2)
- n형층, 활성층 및 p형층을 가지는 질소 화합물 반도체 발광 소자에 있어서,
상기 활성층이, AlxGayIn1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x＋y≤1)으로 이루어지는 장벽층과, AlxGayIn1 -x-yN(0≤x＜1, 0≤y＜1, x＋y＜1)으로 이루어지는 우물층을 구비한, 발광 피크 파장이 400nm 이하인 질소 화합물 반도체층으로 이루어지며,
상기 n형층은, n-AlxGa1 -xN(0＜x≤1)으로 이루어지는 n형 AlGaN층과, 이 n형 AlGaN층 상에 형성된, Al을 포함하지 않는 두께 5nm 이상의 GaN으로 이루어지는 보호층을 가지고 이루어지며,
상기 n형층의 보호층 상에 상기 활성층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질소 화합물 반도체 발광 소자. - 기판 상에, 각각 유기 금속 기상 성장법에 의해 형성된 n형층, 활성층 및 p형층을 가지는 질소 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
기판 온도가 1000℃ 이상이 되는 고온 조건에서, n-AlxGa1 -xN(0＜x≤1)으로 이루어지는 n형 AlGaN층을 성장 형성함과 함께 상기 n형 AlGaN층 상에 Al을 포함하지 않는 두께 5nm 이상의 GaN으로 이루어지는 보호층을 성장 형성함으로써 n형층을 형성하는 n형층 형성 공정과,
그 후, 성장 공정을 중단하고 기판 온도를 저하시켜, 기판 온도가 1000℃ 미만이 되는 저온 조건에서, 상기 n형층의 보호층 상에, AlxGayIn1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x＋y≤1)으로 이루어지는 장벽층과, AlxGayIn1 -x-yN(0≤x＜1, 0≤y＜1, x＋y＜1)으로 이루어지는 우물층을 성장 형성함으로써, 활성층을 형성하는 활성층 형성 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 질소 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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