KR20130128931A - Ｎ형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막 및 자외선 발광소자 - Google Patents
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Abstract
n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막 및 자외선 발광소자가 개시된다. 개시된 자외선 발광소자는 기판 상의 AlN 버퍼층과 상기 버퍼층 상에 순차적으로 적층된 n형 AlGaN층, 활성층, p형 AlGaN층을 포함한다.
상기 n-AlGaN층은 상기 AlN 버퍼층으로부터 이격될수록 실리콘 도핑농도가 증가한다.
상기 n-AlGaN층은 상기 AlN 버퍼층으로부터 이격될수록 실리콘 도핑농도가 증가한다.
Description
본 발명의 실시예는 알루미늄 갈륨 나이트라이드에 순차적으로 n형 불순물의 농도가 변하는 박막 및 이를 포함하는 자외선 발광소자에 관한 것이다.
발광소자는 전류를 빛으로 변환시키는 소자로서, 방출되는 빛의 파장은 발광소자를 구성하는 반도체 재료에 따라 달라진다. 이는 방출된 빛의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.
자외선 발광소자는 자외선 영역의 빛을 방출하는 발광소자이다. 자외선 영역의 빛을 방출하기 위하여, 발광소자를 구성하는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층의 재료로서 각각 n-AlGaN, AlGaN, p-AlGaN이 사용될 수 있다.
n-AlGaN층을 형성하기 위해서 기판 상에 AlN 버퍼층을 사용한다. 그러나, AlGaN층과 AlN 버퍼층 사이의 격자상수 차이로 인해서 AlGaN층에 신장 스트레스(tensile stress)로 인해 크랙이 발생될 수 있다. 이러한 크랙 발생은 n형불순물인 실리콘을 AlGaN층에 도핑시 도핑 농도가 증가되면 더 심하게 발생될 수 있다.
본 발명의 실시예는 n형 AlGaN 층에 크랙의 발생을 억제하는 방법으로 실리콘의 도핑농도를 순차적으로 증가시킨 자외선 발광소자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막은:
AlN 버퍼층 상의 n-AlGaN층을 포함하며,
상기 n-AlGaN층은 상기 AlN 버퍼층으로부터 이격될수록 실리콘 도핑농도가 증가한다.
상기 n-AlGaN층은 2~4㎛ 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 n-AlGaN층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도로부터 상대적으로 높은 제2농도로 점진적으로 증가한다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 n-AlGaN층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도인 상기 AlN층 바로 위의 제1층과, 상기 제1층 상에서 실리콘 도핑농도가 상기 제1농도로부터 점진적으로 상대적으로 높은 제2농도로 증가하는 제2층과, 제2층 상에서 실리콘 도핑농도가 상기 제2농도인 제3층을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 다르면, 상기 n-AlGaN층은 적어도 4층으로 적층되며, 상기 AlN층 바로 위의 최하층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도이며, 최상층은 실리콘 도핑농도가 상대적으로 높은 제2농도이며, 그 사이의 층은 최하층으로부터 최상층으로 갈수록 실리콘 도핑농도가 상기 제1농도로부터 상기 제2농도로로 증가한다.
상기 제1농도는 실질적으로 5 x 1018 /cm3 이며, 상기 제2농도는 실질적으로 5 x 1019 /cm3 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 발광소자는:
기판 상의 AlN 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 순차적으로 적층된 n형 AlGaN층, 활성층, p형 AlGaN층을 포함하며,
상기 n-AlGaN층은 상기 AlN 버퍼층으로부터 이격될 수록 실리콘 도핑농도가 증가한다.
본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광소자의 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막은, 버퍼층으로부터 순차적으로 불순물 농도가 증가하므로, 고농도 불순물로 인한 크랙 발생이 억제된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 n-AlGaN층의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 n-AlGaN층의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막을 구비한 자외선 발광소자 에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위하여 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 "상" 또는 "위" 라는 용어는 어떤 층 위에 직접 접촉되어 배치된 경우뿐만 아니라 접촉되지 않고 떨어져 위에 배치되는 경우, 다른 층을 사이에 두고 위에 배치되는 경우 등을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막을 포함하는 자외선 발광소자(100)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(110) 상에 버퍼층(120), n형 반도체층(130), 활성층(140), p형 반도체층(150)이 순차적으로 적층된다. 자외선 발광소자(100)에 순방향의 전압을 인가하면, n형 반도체층(130), p형 반도체층(150)에 있는 전자와 정공이 재결합을 위하여 천이되면서 그 에너지만큼 활성층(140)에서 빛을 발산한다.
발광소자는 발광소자를 구성하는 각 층의 종류와 구성물질에 따라 각기 다른 파장의 빛을 발생시킬 수 있다. 활성층(140)에서 파장이 100nm ~ 350nm, 특히 100-290nm 의 파장의 디프 자외선광(deep ultraviolet: DUV)을 을 발생시키기 위하여, n형 반도체층(130), p형 반도체층(150) 및 활성층(140)은 AlGaN 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 즉, n형 반도체층(130)은 n형 AlGaN층 포함하며, p형 반도체층(150)은 p형 AlGaN을 포함하며, 활성층(140)은 도핑되지 않은 AlGaN층을 포함할 수 있다.
기판(110)은 반도체 단결정 성장용 기판(110)일 수 있으며, 예를 들어, 사파이어로 형성될 수 있다.
버퍼층(120)은 기판(110), 예컨대 사파이어 기판과 그 위에 성장할 n-AlGaN층(130)의 격자 차이를 최소화하기 위한 층으로 AlN 을 사용할 수 있다.
n형 반도체층(130)은 활성층(140)에서 자외선이 발생되도록 하기 위하여, AlGaN을 갖는 반도체 재료에 n형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. n형 불순물은 IV족 원소, 예를 들어, Si일 수 있다. 한편, n형 반도체층(130)은 유기 금속 화학 증착법(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소 기상 증착법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), 분자빔에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE) 등으로 성장될 수 있다. N형 반도체층(130)은 2㎛~4㎛ 두께로 형성될 수 있다.
n형 반도체층(30) 상에는 외부로부터 전원을 공급하기 위하여 n형 전극(172)이 형성된다.
p형 반도체층(150)은 활성층(140)에서 자외선이 발생되도록 하기 위하여, AlGaN을 갖는 반도체 재료에 p형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. p형 불순물은 II족 원소, 예를 들어 Mg, Zn, Be 등이 될 수 있다. 한편, p형 반도체층(150)은 유기 금속 화학 증착법(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소 기상 증착법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), 분자빔에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE) 등으로 성장될 수 있다.
p형 반도체층(150) 상에는 p 콘택층(160)이 더 형성될 수 있다. P-콘택층(160)은 p-GaN으로 이루어질 수 있다. P-AlGaN층(150)은 Al이 포함되지 않은 GaN에 비하여 활성화 에너지가 크다. 그로 인해, AlGaN에 p형 불순물을 주입해도 도핑 농도가 GaN에 비해 낮다. 이는, Al 함량이 증가할수록 도핑농도는 더욱 낮아진다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 p형 반도체층(150)과 p형 전극(171) 사이에 p형 콘택층(160)이 배치될 수 있다.
P형 콘택층(160) 상에는 p형 전극(171)이 형성되어서 외부 전원을 공급한다.
활성층(140)은 n형 전극(172) 및 p형 전극(171)으로부터 각각 주입된 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층(140)은 양자우물층(quantum well)과 양자장벽층(quantum barrier)이 적어도 1회 이상 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 양자우물층은 단일 양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중 양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다.
n-AlGaN층(130)은 Si이 도핑된 층일 수 있다. AlN 버퍼층(120) 상에 단순히 n-AlGaN층(130)을 성장시키는 경우, AlN 버퍼층(120)과 n-AlGaN층(130) 사이의 격자상수 차이로 인해 n-AlGaN층(130)에 크랙이 발생될 수 있다. 특히, Si의 도핑농도가 증가하면, 이러한 크랙 발생이 심해질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 n-AlGaN층(130)은 Si 도핑 농도가 일정하지 않고 일정한 비율로 변할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 n-AlGaN층(130)의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, n-AlGaN층(130)에서 실리콘 도핑농도는 제1농도인 5 x 1018 /cm3 에서 제2농도인 5 x 1019 /cm3 농도로 순차적으로 증가한다. 이렇게 순차적으로 도핑농도를 증가시키면, 고농도의 실리콘 도핑에 의한 영향이 감소하며, 따라서 n-AlGaN층(130)에서의 크랙발생이 억제된다. 이러한 도핑농도의 변경은 챔버 내에 Si 소스, 예컨대 실란 개스의 양을 순차적으로 증가시켜서 이룰 수 있다.
제1농도는 반드시 5 x 1018 /cm3만을 한정하는 것은 아니며, 1018 /cm3오더일 수도 있다. 제2농도는 반드시 5 x 1019 /cm3만을 한정하는 것은 아니며, 1019 /cm3오더일 수도 있다.
한편, n형 전극(172)으로부터 n-AlGaN층(130)으로의 전자 주입은 도 1의 화살표 A로 표시된 전자 주입경로에서 보듯이 n-AlGaN층(130)의 도핑농도가 높은 영역인 n-AlGaN층(130) 상부에서 주로 일어나므로, 전자 주입도 용이해질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층(130)을 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층(130)의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, n-AlGaN층(130)은 AlN 버퍼층(120) 바로 위의 제1층(131)과 제1층(131) 상에 순차적으로 적층된 제2층(132) 및 제3층(133)을 포함할 수 있다. 제1층(131)은 실리콘 도핑농도가 5 x 1018 /cm3 로 일정한 n-AlGaN층이다. 도 4에서 보면, 제1시간(T1) 동안 실리콘 소스 공급을 일정하게 한다.
제2층(132)은 제1층(131)으로부터 실리콘 도핑농도가 5 x 1018 /cm3 에서 5 x 1019 /cm3 농도로 순차적으로 증가한다. 도 4에서 보면, 제2시간(T1) 동안 실리콘 소스 공급을 일정한 비율로 증가시킨다.
제3층(133)은 실리콘 도핑농도가 5 x 1019 /cm3 인 n-AlGaN층이다. 도 4에서 보면 제3시간(T3) 동안 실리콘 소스 공급을 일정하게 유지한다. AlN 버퍼층(120)과의 고농도의 실리콘 도핑에 의한 영향이 감소하며, 따라서 n-AlGaN층(130)에서의 크랙 발생이 억제된다. 이러한 도핑농도의 순차적 조절은 챔버 내에 Si 소스, 예컨대 실란 개스의 양을 순차적으로 증가시켜서 이룰 수 있다.
한편, n형 전극(172)으로부터 n-AlGaN층(130)으로의 전자 주입은 도 1의 화살표 A로 표시된 n-AlGaN층(130)의 고농도 도핑영역인 제1층(131)에서 주로 일어나므로, 전자 주입도 용이해질 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 n-AlGaN층(130)의 수직 위치별 Si 도핑 농도를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, n-AlGaN층(130)은 복수의 층을 포함한다. 예시된 도 3에서 보면, 최하층(131)으로부터 최상층(137)까지 7층으로 이루어져 있다. 최하층(131)의 실리콘 도핑농도는 5 x 1018 /cm3 일 수 있으며, 점진적으로 상부로 갈 수록 실리콘 도핑농도가 증가하면서 최상층(137)은 실리콘 도핑농도는 5 x 1019 /cm3 일 수 있다. 이에 따라, AlN 버퍼층(120)과의 고농도의 실리콘 도핑에 의한 영향이 감소하며, 따라서 n-AlGaN층(130)에서의 크랙 발생이 억제된다.
또한, n형 전극(172)으로부터 n-AlGaN층(130)으로의 전자 주입은 n-AlGaN층(130)의 고농도 도핑영역인 n-AlGaN층(130) 상부에서 주로 일어나므로, 전자 주입도 용이해질 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100: 자외선 발광소자 110: 기판
120: AlN 버퍼층 130: n-AlGaN층
140: 활성층 150: p-AlGaN층
160: p형 콘택층 171: p형 전극
172: n형 전극
120: AlN 버퍼층 130: n-AlGaN층
140: 활성층 150: p-AlGaN층
160: p형 콘택층 171: p형 전극
172: n형 전극
Claims (14)
- AlN 버퍼층 상의 n-AlGaN층에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 상기 AlN 버퍼층으로부터 이격될수록 실리콘 도핑농도가 증가하는 N형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 2~4㎛ 두께를 가지는 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도로부터 상대적으로 높은 제2농도로 점진적으로 증가하는 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도인 상기 AlN층 바로 위의 제1층과, 상기 제1층 상에서 실리콘 도핑농도가 상기 제1농도로부터 점진적으로 상대적으로 높은 제2농도로 증가하는 제2층과, 제2층 상에서 실리콘 도핑농도가 상기 제2농도인 제3층을 포함하는 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 적어도 4층으로 적층되며, 상기 AlN층 바로 위의 최하층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도이며, 최상층은 실리콘 도핑농도가 상대적으로 높은 제2농도이며, 그 사이의 층은 최하층으로부터 최상층으로 갈수록 실리콘 도핑농도가 상기 제1농도로부터 상기 제2농도로로 증가하는 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막. - 제 3 항 내지 제 5 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 제1농도는 1018 /cm3 오더이며, 상기 제2농도는 1019 /cm3오더인 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막. - 제 6 항에 있어서,
상기 제1농도는 실질적으로 5 x 1018 /cm3 이며, 상기 제2농도는 실질적으로 5 x 1019 /cm3인 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 박막. - 기판 상의 AlN 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 순차적으로 적층된 n형 AlGaN층, 활성층, p형 AlGaN층을 포함하며,
상기 n-AlGaN층은 상기 AlN 버퍼층으로부터 이격될수록 실리콘 도핑농도가 증가하는 자외선 발광소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 2~4㎛ 두께를 가지는 자외선 발광소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도로부터 상대적으로 높은 제2농도로 점진적으로 증가하는 자외선 발광소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도인 상기 AlN층 바로 위의 제1층과, 상기 제1층 상에서 실리콘 도핑농도가 상기 제1농도로부터 점진적으로 상대적으로 높은 제2농도로 증가하는 제2층과, 제2층 상에서 실리콘 도핑농도가 상기 제2농도인 제3층을 포함하는 자외선 발광소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 n-AlGaN층은 적어도 4층으로 적층되며, 상기 AlN층 바로 위의 최하층은 실리콘 도핑농도가 비교적 낮은 제1농도이며, 최상층은 실리콘 도핑농도가 상대적으로 높은 제2농도이며, 그 사이의 층은 최하층으로부터 최상층으로 갈수록 실리콘 도핑농도가 상기 제1농도로부터 상기 제2농도로로 증가하는 자외선 발광소자. - 제 9 항 내지 제 11 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 제1농도는 1018 /cm3 오더이며, 상기 제2농도는 1019 /cm3오더인 자외선 발광소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 제1농도는 실질적으로 5 x 1018 /cm3 이며, 상기 제2농도는 실질적으로 5 x 1019 /cm3인 자외선 발광소자.
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