KR20120138049A - 발광 효율 및 전기적 특성이 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

발광 효율 및 전기적 특성이 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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(주)세미머티리얼즈
박건
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Abstract

p-타입 질화물층의 불순물 도핑 농도 구배를 이용하여, 전기적 특성 및 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 기판 상에 형성되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되는 n-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층에 접촉하는 n-전극; 및 상기 p-타입 질화물층에 접촉하는 p-전극;을 포함하고, 상기 p-타입 질화물층은 하나의 층으로 형성되되, 상기 p-타입 질화물층의 최하부로부터 최상부까지 불순물의 도핑 농도가 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 효율 및 전기적 특성이 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 {NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE WITH EXCELLENT LIGHT EMITTING EFFICIENCY AND ELECTRICAL PROPERTIES AND METHOD OF MANUFACTURING THE NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 질화물계 발광소자 제조 기술에 관한 것이다.
발광소자는 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합 시에 발생하는 발광 현상을 응용한 소자이다.
대표적인 발광소자로서, GaN으로 대표되는 질화물계 발광소자가 있다. 질화물계 발광소자는 밴드 갭 에너지가 커서 다양한 색광을 구현할 수 있다. 또한, 질화물계 발광소자는 열적 안성성이 우수하다.
질화물계 발광소자는 n-전극 및 p-전극의 배치 형태에 따라서 수평형(lateral type) 발광소자와 수직형(Vertical type) 발광소자로 구분된다. 수평형 구조는 n-전극 및 p-전극이 주로 top-top 형태로 배치되고, 수직형 구조는 n-전극 및 p-전극이 주로 top-bottom 형태로 배치된다.
도 1은 종래의 수평형 구조의 질화물계 발광소자의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 수평형 질화물계 발광소자는 기판(101)을 기준으로, 버퍼층(110), n타입-질화물층(120), 발광 활성층(130), p타입 질화물층(140)을 포함한다. 그리고, 발광소자의 구동을 위하여, n-전극(150)이 n-타입 질화물층(120)에 접촉하도록 형성되며, p-전극(160)이 p타입 질화물층(140)에 접촉하도록 형성된다.
통상, n타입 질화물층(120) 및 p타입 질화물층(140)에서 도핑되어 있는 불순물의 도핑 농도는 각각 1 x 1018 /cm3 ~ 5 x 1019 /cm3 정도이다.
이때, p타입 질화물층(140)의 경우, n타입 질화물층(120)에 비하여 저항이 높아 p-전극(160)과의 오믹 컨택성이 낮다.
이와 같이, p타입 질화물층(140)과 p-전극(160)의 낮은 오믹 컨택성은 질화물계 발광소자의 전기적 특성 저하와 함께 발광 효율을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
도 2는 종래의 수평형 구조의 질화물계 발광소자의 다른 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, p-타입 질화물층은 2개의 층(140a, 140b)으로 분할되어 형성된다. 즉, 활성층(130)에 인접한 층에는 불순물의 도핑 농도가 1 x 1018 /cm3 ~ 5 x 1019 /cm3 정도인 하부 p-타입 질화물층(140a)가 형성된다. 그리고, p-전극(160)에 접촉하는 층에는 불순물의 도핑 농도가 1 x 1019 /cm3 ~ 5 x 1020 /cm3 정도인 고농도 p-타입 질화물로 형성되는 p-전극 컨택층(140b)이 형성된다.
이러한 p-전극 컨택층(140b)의 형성으로 인하여, p-전극(160)과의 컨택성이 향상될 수 있다.
그러나, 종래의 경우, 이러한 p-타입 질화물층을 여러 층으로 분할하여 형성함으로써 p-타입 질화물층의 형성 공정이 연속적으로 이루어지기 어렵다.
본 발명의 목적은 고농도 불순물이 도핑되어 형성되는 별도의 p-전극 컨택층을 형성하지 않으면서도 p+-GaN층(140)과 p-전극(160)의 오믹 컨택성을 향상시킴으로써, 전기적 특성 및 발광 효율이 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 기판 상에 형성되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되는 n-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 상기 n-타입 질화물층에 접촉하는 n-전극; 및 상기 p-타입 질화물층에 접촉하는 p-전극;을 포함하고, 상기 p-타입 질화물층은 하나의 층으로 형성되되, 상기 p-타입 질화물층의 최하부로부터 최상부까지 불순물의 도핑 농도가 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 n-타입 질화물층을 형성하는 단계; 상기 n-타입 질화물층 상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 p-타입 질화물층을 형성하는 단계; 상기 n-타입 질화물층에 접촉하도록 n-전극을 형성하는 단계; 및 상기 p-타입 질화물층에 접촉하도록 p-전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 p-타입 질화물층 형성시, 질화물 소스와 함께 주입되는 불순물 소스의 유량을 조절하여, 상기 p-타입 질화물층의 최하부로부터 최상부까지 불순물의 도핑 농도가 점진적으로 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 p-타입 질화물층 형성시 두께 방향으로 불순물 도핑 농도가 점진적으로 증가하도록, 불순물 소스의 공급 유량을 점진적으로 증가시킨다.
따라서, p-타입 질화물층의 최상부 쪽의 농도를 고농도로 할 수 있어 별도의 p-전극 컨택층을 형성하지 않더라도 p-전극과의 오믹 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 전기적 특성 및 발광 효과가 우수한 질화물계 발광소자를 제조할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 수평형 구조의 질화물계 발광소자의 예들을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 효율 및 전기적 특성이 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 나타낸 것으로, 보다 구체적으로는 수평형 구조를 갖는 GaN계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자는 버퍼층(310), n-타입 질화물층(320), 활성층(330), p-타입 질화물층(340), n-전극(350) 및 p-전극(360)을 포함한다. 도 3에서는 각각의 질화물이 GaN으로 형성되는 예를 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
버퍼층(310)은 기판(301) 상에 이종의 물질인 질화물 성장시 발생하는 응력(stress)을 완화시키고, 질화물의 결정 품질을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 버퍼층(310)은 AlN, ZrN, GaN 등의 질화물로 형성될 수 있다.
n-타입 질화물층(320)은 버퍼층(310) 상에 형성된다.
상기 n-타입 질화물층(320)은 질화물에 Si 등과 같은 불순물이 도핑되어 형성된다. n-타입 질화물층(320)에서 불순물의 도핑 농도는 1 x 1018 /cm3 ~ 5 x 1019 /cm3 인 것이 바람직하다.
n-타입 질화물층(320)에서 불순물의 도핑 농도가 1 x 1018 /cm3 인 경우 활성층(330)에서 재결합하는 전자의 수가 부족하여 발광 효율이 충분치 못하다. 또한, n-타입 질화물층(320)에서 불순물의 도핑 농도가 5 x 1019 /cm3 를 초과하는 경우, 과다한 전자로 인하여, 전압 인가시 일부의 전자가 활성층을 통과하여 p-타입 질화물층(340)에서 재결합함으로써 캐리어의 수를 감소시킴으로써 발광 효율을 저하시킬 수 있다.
활성층(330)은 n-타입 질화물층 상에 형성된다. 활성층(330)은 MQW(Multiple Quantum Well) 구조를 가질 수 있다. 그 예로 InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)과 GaN이 교대로 적층되어 있는 구조를 제시할 수 있다.
활성층(330)에서는, 도 3에 도시된 예를 들면, n-타입 질화물층(320)을 통하여 이동하는 전자와 p-타입 질화물층(340)을 통하여 이동하는 정공이 재결합하면서 광을 발생시킨다.
p-타입 질화물층(340)은 활성층(330) 상에 형성된다. 상기 p-타입 질화물층(340)은 질화물에 Mg 등과 같은 불순물이 도핑되어 형성된다.
본 발명에서 p-타입 질화물층(340)은 도 2에 도시된 발광소자와는 달리, 하나의 층으로 형성된다. 이때, p-타입 질화물층(340)은 최하부로부터 최상부까지 불순물의 도핑 농도가 점진적으로 증가하는 불순물 도핑 농도 구배를 갖는다.
p-타입 질화물층(340)에서 최하부의 불순물 도핑 농도가 가장 낮은 이유는, p-타입 질화물층(340)의 최하부와 접촉하는 활성층(330)에 홀이 과다하게 공급되지 않도록 하기 위함이다. 홀이 과다하게 공급될 경우, 일부의 홀은 활성층에서 결함으로 작용할 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, p-타입 질화물층(340)의 최하부의 불순물의 도핑 농도는 5 x 1018 /cm3 이하인 것이 바람직하며, 대략 1 x 1016 /cm3 ~ 5 x 1018 /cm3 를 제시할 수 있다.
또한, p-타입 질화물층(340)에서 최상부의 불순물 도핑 농도가 가장 높은 이유는, 고농도의 불순물을 통하여 p-타입 질화물층(340)의 최상부와 접촉하는 p-전극(360)과의 오믹 컨택성을 향상시키기 위함이다. 이러한 점을 고려할 때, p-타입 질화물(340)의 최상부의 불순물의 도핑 농도는 1 x 1019 /cm3인 것이 바람직하며, 대략, 1 x 1019 /cm3 ~ 1 x 1022 /cm3 를 제시할 수 있다.
한편, p-타입 질화물층(340)에서 최상부와 최하부 사이에 위치하는 중앙부의 불순물의 도핑 농도는 n-타입 질화물층(320)의 불순물 도핑 농도와 밸런스를 유지하기 위하여, 1 x 1018 /cm3 ~ 5 x 1019 /cm3 인 것이 바람직하다.
또한, p-타입 질화물층은 결정성 및 광투과 측면을 고려할 때, 500 ~ 1500 Å의 두께로 형성될 수 있다. 이때, p-타입 질화물층의 최상부의 두께가 p-타입 질화물층(340) 전체 두께의 5 ~ 20%인 것이 바람직하다. 불순물 도핑 농도가 1 x 1019 /cm3인 최상부의 두께가 p-타입 질화물층(340) 전체 두께의 5% 미만일 경우, p-타입 질화물층의 전기적 특성이 저하될 수 있으며, 반대로, 최상부의 두께가 p-타입 질화물층(340) 전체 두께의 20%를 초과하는 경우, 정공의 이동도 저하로 인하여 발광 효율이 저하될 수 있다.
상기와 같은 p-타입 질화물층(340)에서 두께 방향으로의 불순물 도핑 농도 구배는 p-타입 질화물층(340) 형성시에 질화물 소스와 함께 공급되는 불순물 소스의 공급 유량을 점진적으로 증가시키는 형태로 조절함으로써 구현될 수 있다. 이때, 질화물 소스는 TMGa((Trimethyl Gallium), NH3 등이 될 수 있다. 그리고, 불순물 소스는 Cp2Mg(bis(cyclopentadienyl) Magnesium) 등이 될 수 있다.
n-전극(350)은 n-타입 질화물층(320)에 접촉하도록 형성된다. 이를 위하여, p-타입 질화물층(340), 활성층(330) 및 n-타입 질화물층(320)의 일부가 식각될 수 있다.
그리고, p-전극(360)은 p-타입 질화물층(320)에 접촉하도록 형성된다.
도 3에서는 수평형 구조를 갖는 질화물 발광소자를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 수직형 구조를 갖는 질화물 발광소자에도 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 발광소자의 경우, 도 2에 도시된 발광소자와 기본적인 구조는 동일하다. 다만, 도 4에 도시된 발광소자의 경우 기판(301) 상부에 격자 완충층(410)이 형성되어 있다.
질화물계 발광소자를 제조하기 위한 기판으로는 사파이어 기판, 실리콘 기판 등이 이용된다. 이러한 기판, 특히 실리콘 기판의 경우, 기판과 질화물의 격자 상수 차이로 인하여, 성장하는 질화물에 높은 밀도의 선결함(dislocation)이 발생한다. 이러한 선결함은 질화물계 발광소자의 광 효율을 저하 요인이 된다.
이에, 도 4에 도시된 실시예에서는 이러한 기판과 질화물의 격자 미스매칭을 감소시키기 위하여 기판(301) 상에 격자 완충층(410)을 먼저 형성한 후에 질화물을 성장시킨다. 격자완충층(410)은 성장 대상이 되는 질화물과 격자 미스매칭을 완화하여 질화물 성장시 발생하는 선결함을 감소시킨다. 그 결과, 성장하는 질화물의 결정성을 향상시킬 수 있다.
이러한 격자완충층(410)은 증착막의 형태로 형성할 경우, 기판과의 격자 미스매칭에 의하여 선결함 문제 해결이 어려우므로, 파우더 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 파우더는 발광소자를 구성하는 질화물과 동일한 격자 구조를 갖는 GaN 파우더가 가장 바람직하다. 또한, 파우더로는 GaN과 격자 구조가 유사한 ZnO 파우더가 될 수 있다.
또한, 격자완충층(410)을 구성하는 GaN 파우더 등은 질화물 성장의 시드로 작용할 수 있다. GaN 파우더 등이 시드로 작용할 경우, 성장되는 질화물은 초기에는 수직방향으로 성장하고, 이후에는 수평방향으로 성장할 수 있다. 따라서, 평탄한 질화물의 성장이 가능하다.
상기의 GaN 파우더, ZnO 파우더는 스핀 코팅 방식 등에 의하여 기판(301) 상에 부착 혹은 고정될 수 있다.
상기의 파우더를 기판(301) 상에 용이하게 부착 혹은 고정하기 위하여, 기판(301)의 표면에는 요철이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 다음과 같은 과정으로 제조될 수 있다.
우선, 기판 상에 AlN, GaN 등의 재질로 버퍼층을 형성한다.
이때, GaN 파우더 등으로 격자완충층을 미리 형성한 후, 버퍼층을 형성할 경우, 발광소자를 구성하는 질화물의 선결함 밀도를 크게 줄일 수 있어, 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 버퍼층 상에 n-타입 질화물층, 활성층, p-타입 질화물층을 순차적으로 형성한다. 이때, 본 발명에서는 p-타입 질화물층 형성시, 최하부로부터 최상부까지 불순물의 도핑 농도가 점진적으로 증가하도록, 불순물 소스의 유량을 조절한다.
이후, n-타입 질화물층에 접촉하도록 n-전극을 형성하고, p-타입 질화물층에 접촉하도록 p-전극을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 p-타입 질화물층 형성시에 불순물 소스의 유량 조절을 통하여, p-타입 질화물층의 두께 방향으로 불순물 도핑 농도가 점진적으로 증가시킴으로써 최상부 쪽의 불순물 도핑 농도를 고농도로 할 수 있다.
따라서, 별도의 p-전극 컨택층을 형성하지 않더라도 p-전극과의 오믹 특성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 우수한 전기적 특성 및 발광 효과를 갖는 질화물계 발광소자를 제조할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
301 : 기판 310 : 버퍼층
320 : n-타입 질화물층 330 : 활성층
340 : p-타입 질화물층 350 : n-전극
360 : p-전극 410 : 격자 완충층

Claims (10)

  1. 기판 상에 형성되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성되는 n-타입 질화물층;
    상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층;
    상기 n-타입 질화물층에 접촉하는 n-전극; 및
    상기 p-타입 질화물층에 접촉하는 p-전극;을 포함하고,
    상기 p-타입 질화물층은 하나의 층으로 형성되되, 상기 p-타입 질화물층의 최하부로부터 최상부까지 불순물의 도핑 농도가 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p-타입 질화물층은
    최하부의 불순물의 도핑 농도가 5 x 1018 /cm3 이하이고,
    중앙부의 불순물의 도핑 농도가 1 x 1018 /cm3 ~ 5 x 1019 /cm3 이며,
    최상부의 불순물의 도핑 농도가 1 x 1019 /cm3 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 p-타입 질화물층의 두께는 500 ~ 1500 Å이고,
    상기 p-타입 질화물층의 최상부의 두께가 상기 p-타입 질화물층 전체 두께의 5 ~ 20%인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 버퍼층 사이에,
    GaN 파우더로 형성되는 격자 완충층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 버퍼층 사이에,
    ZnO 파우더로 형성되는 격자 완충층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  6. 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 n-타입 질화물층을 형성하는 단계;
    상기 n-타입 질화물층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에 p-타입 질화물층을 형성하는 단계;
    상기 n-타입 질화물층에 접촉하도록 n-전극을 형성하는 단계; 및
    상기 p-타입 질화물층에 접촉하도록 p-전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 p-타입 질화물층 형성시, 질화물 소스와 함께 주입되는 불순물 소스의 유량을 조절하여, 상기 p-타입 질화물층의 최하부로부터 최상부까지 불순물의 도핑 농도를 점진적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 p-타입 질화물층 형성시,
    최하부의 불순물의 도핑 농도가 5 x 1018 /cm3 이하이고,
    중앙부의 불순물의 도핑 농도가 1 x 1018 /cm3 ~ 5 x 1019 /cm3 이며,
    최상부의 불순물의 도핑 농도가 1 x 1019 /cm3 이상이 되도록 상기 불순물 소스의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 p-타입 질화물층을 500 ~ 1500 Å의 두께로 형성하되,
    상기 p-타입 질화물층의 최상부의 두께가 상기 p-타입 질화물층 전체 두께의 5 ~ 20%가 되도록 상기 불순물 소스의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 버퍼층 형성 전에, GaN 파우더를 이용하여 상기 기판 상에 격자 완충층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 버퍼층 형성 전에, ZnO 파우더를 이용하여 상기 기판 상에 격자 완충층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
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