KR20150078642A - 전위 차단막을 이용한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

전위 차단막을 이용한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전위 차단막을 이용한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조 방법은 (a) 제1도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; (b) 상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 복수의 전위 차단막을 형성하는 단계; (c) 상기 복수의 전위 차단막 상에, v-피트를 구비하는 질화물 반도체층을 형성하는 단계; (d) v-피트를 구비하는 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 활성층 상에 제2도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 (c) 단계는 상기 복수의 전위 차단막 사이에 노출된 제1도전형 질화물 반도체층 상에 질화물 반도체층을 선택적으로 형성하여, 상기 복수의 전위 차단막 상에 v-피트가 형성되도록 하는 것을 특징으로 특징으로 한다.

Description

전위 차단막을 이용한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 {NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE USING DISLOCATION BLOCKING LAYER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전위 차단막을 이용한 v-피트를 구비하는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광소자는 실리콘과 같은 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층과 마그네슘과 같은 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층 사이에 활성층이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 질화물 반도체 발광소자의 경우, n형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 전자와 p형 질화물 반도체층으로부터 공급되는 정공이 활성층에서 재결합하면서 광을 발생시킨다.
한편, 이러한 질화물 반도체 발광소자가 v-피트(v-pit) 구조로 형성되어 있을 경우, 광 추출 효율이 향상될 수 있다고 알려져 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0093872호에는 v-피트를 구비하는 질화물 반도체 발광소자 제조 방법이 개시되어 있다. 상기 문헌에 의하면, v-피트는 n 형 질화물 반도체층 상면에 형성되는데, 그 방법으로 n 형 질화물 반도체층의 성장 온도를 700~1000℃로 낮추거나, 1000℃ 이상의 온도로 n 형 질화물 반도체층을 형성한 후 화학적 에칭을 수행하는 것을 제시하고 있다.
그러나, n형 질화물 반도체층의 성장온도가 1000℃ 이하로 낮아질 경우, 도핑 불충분, 결정 품질 저하 등의 문제가 발생할 수 있고, 화학적 에칭을 수행하는 경우 MOCVD 공정 중단을 수반하므로 생산성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 전위차단막, 보다 구체적으로는 SiN 입자를 포함하는 전위 차단막을 이용하여, v-피트를 구비하는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조 방법은 (a) 제1도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; (b) 상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 복수의 전위 차단막을 형성하는 단계; (c) 상기 복수의 전위 차단막 상에, v-피트를 구비하는 질화물 반도체층을 형성하는 단계; (d) v-피트를 구비하는 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 활성층 상에 제2도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 (c) 단계는 상기 복수의 전위 차단막 사이에 노출된 제1도전형 질화물 반도체층 상에 질화물 반도체층을 선택적으로 형성하여, 상기 복수의 전위 차단막 상에 v-피트가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층은 제1도전형 불순물이 도핑되어 있되, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층보다 도핑농도가 낮은 것이 바람직하다.
또한, 상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층은 0.01~2㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전위 차단막은 SiN 입자를 포함할 수 있다.
이때, 상기 (b) 단계에서, 상기 SiN 입자는 상기 제1도전형 질화물 반도체층을 관통하는 관통전위 상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, SiN 분말을 코팅하는 방식으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 (b) 단계는, SiN을 증착하는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 제1도전형 질화물 반도체층; 상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 복수의 전위 차단막; 상기 복수의 전위 차단막 사이에 노출된 제1도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 복수의 전위 차단막 상에 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층; 상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성되는 제2도전형 질화물 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 활성층은 제2 v-피트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층은 제1도전형 불순물이 도핑되어 있되, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층보다 도핑농도가 낮은 것이 바람직하다.
또한, 상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층은 0.01~2㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전위 차단막은 SiN 입자를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 SiN 입자는 상기 제1도전형 질화물 반도체층을 관통하는 관통전위 상에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조 방법에 의하면, SiN을 이용하여 v-피트를 형성한다. 그 결과, v-피트를 구비하는 구조를 유지하면서도 v-피트 상에 관통전위가 성장하는 것을 억제함으로써 누설전류 차단 효과를 향상시킬 수 있다.
도 1은 성장온도 조절을 통하여 v-피트를 구비하는 질화물 반도체 발광소자의 활성층 하부 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 SiN을 이용하여 v-피트를 구비하는 질화물 반도체 발광소자의 활성층 하부 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2의 활성층 하부 구조가 적용된 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전위 차단막 전위 차단막을 이용한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 성장온도 조절을 통하여 v-피트를 구비하는 질화물 반도체 발광소자의 활성층 하부 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 SiN을 이용하여 v-피트를 구비하는 질화물 반도체 발광소자의 활성층 하부 구조를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 3은 도 2의 활성층 하부 구조가 적용된 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1과 도 2의 경우, 공히 v-피트를 구비한다. 그러나, 도 1에 도시된 질화물 반도체층의 경우, v-피트를 형성하는 원리로 성장 온도를 낮추는 방법을 이용하나, 도 2에 도시된 질화물 반도체층의 경우, 전위 차단막 상에 질화물 반도체가 성장되지 않는 선택적 질화물 성장법을 이용하는 점에서 차이가 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 통상의 질화물 반도체 발광소자와 마찬가지로 제1도전형 질화물 반도체층(110)과 제2도전형 질화물 반도체층(150) 사이에 활성층(140)이 개재된 구조를 갖는다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 제1도전형 질화물 반도체층(110), SiN 입자(210)들을 포함하는 전위 차단막, v-피트를 구비하는 질화물 반도체층(130), 활성층(140) 및 제2도전형 질화물 반도체층(150)을 포함한다.
상기 질화물 반도체층들은 기판(101) 상에 형성될 수 있다. 기판(101)은 사파이어 기판, SiC 기판 등 공지된 다양한 기판을 이용할 수 있고, 보다 바람직하게는 PSS(Patterned Sapphire Substrate)를 이용하는 것이다.
또한, 제1도전형 질화물 반도체층(110) 형성 이전에 비도핑 질화물 반도체층(102)이나 기타 전류 차단층, AlN 버퍼층 등이 더 형성되어 있을 수 있다.
제1도전형 질화물 반도체층(110)은 Si 등의 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층 또는 Mg 등의 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층일 수 있다. 제2도전형 질화물 반도체층(150)은 제1도전형 질화물 반도체층(110)과 반대되는 전기적 특성을 발휘할 수 있는 불순물이 도핑된다.
바람직하게는 제1도전형 질화물 반도체층(110)은 n형 질화물 반도체층이고, 제2도전형 질화물 반도체층(150)은 p형 질화물 반도체층이다.
전위 차단막은 제1도전형 질화물 반도체층(110) 상에 형성된다. 전위 차단막은 SiN 입자(210)를 포함할 수 있다. SiN 입자를 포함하는 전위 차단막이 형성되어 있을 경우, SiN 입자(210) 사이에 노출된 제1도전형 질화물 반도체층(110) 상에는 질화물 반도체가 성장하는 반면, SiN 입자 상에는 질화물 반도체가 성장하지 않는다. 이를 통하여 SiN 입자 상에 v-피트(135)를 구비하는 질화물 반도체층(130)이 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 전위 차단막의 SiN 입자는 도 2에 도시된 예와 같이, 제1도전형 질화물 반도체층(110)을 관통하는 관통전위(threading dislocation)(105) 상에 형성된다.
관통전위(105) 상에 SiN 입자를 성장시키기 위한 방법으로, SiN 분말을 코팅하는 방법이 제시될 수 있다. 관통전위는 인접 부분보다 결합에너지가 낮은 부분으로 쉽게 SiN 분말이 위치할 수 있다.
관통전위(105) 상에 SiN 입자(210)를 성장시키기 위한 다른 방법으로, SiN을 증착하되, 막으로 형성되기 전까지의 증착 시간을 제어하는 것이다. SiN 입자를 증착하면, 결합에너지가 낮은 관통전위 상에 먼저 입자가 형성되고, 시간이 경과할수록 점차 수평 및 수직으로 성장이 진행되는데, 증착 시간을 짧게 하면 막을 형성하기 전에 입자 상태로 증착이 종료되므로 관통전위 상에 SiN 입자를 형성할 수 있다.
이와 같이, 관통전위(105) 상에 SiN 입자(210)가 형성되어 있을 경우, 관통전위(105)는 더 이상 성장하지 않아, 활성층(140)이나 제2도전형 질화물 반도체층(150)에는 전위밀도가 현저히 감소하게 된다.
관통전위는 누설전류 경로가 되어 전기적 특성을 저하시키는 요인이다. 따라서, 관통전위 밀도를 감소시킬 경우, 그만큼 누설전류 차단 효과를 향상시킬 수 있다.
이에 반하여, 도 1에 도시된 예와 같이, 성장 온도 조절을 통하여 v-피트가 형성된 경우, v-피트 부분에서도 관통전위(105)가 계속 성장하여 전위 감소 효과가 불충분하다.
v-피트를 구비하는 질화물 반도체층(130)은, 예를 들어 InGaN, 초격자구조(super lattice), GaN으로 형성될 수 있다. 이때, v-피트를 구비하는 질화물 반도체층(130)은 제1도전형 불순물, 바람직하게는 n형 불순물이 도핑되어 있되, 제1 도전형 질화물 반도체층(110)보다 도핑농도가 낮은 것이 바람직하다. 발광소자에서 전자는 정공보다 이동 속도가 빠르다. 활성층에서 전자-정공의 재결합율을 높이기 위해서는 전자와 정공의 이동속도가 유사한 것이 바람직하다. 따라서, v-피트를 구비하는 질화물 반도체층에서 불순물 도핑 농도를 낮게 하여, v-피트를 구비하는 질화물 반도체층에서 전자의 이동 속도를 늦추도록 하는 것이 바람직하다.
또한, v-피트를 구비하는 질화물 반도체층(130)의 두께는 0.01~2㎛인 것이 바람직하다. v-피트를 구비하는 질화물 반도체층(130)의 두께가 0.01㎛ 미만일 경우에는 v-피트 형성이 거의 불가능하며, 2㎛ 이상일 경우에는 v-피트의 과도한 성장으로 상부층을 형성할 수 있는 성장면이 지나치게 줄어 들어 발광 효율이 감소될 수 있다. 또한 SiN 입자가 수nm~수십nm로 형성되므로, SiN 입자보다는 두꺼워야 v-pit 형성이 가능하다.
활성층(140)은 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층 상에 형성된다. 활성층(140)은 GaN 양자장벽층과 InGaN 양자우물층이 교대 적층되는 구조와 같은 MQW 구조로 형성될 수 있다.
특히, 활성층(140)은 기 형성된 v-피트에 대응하여 도 3에 도시된 예와 같이 제2 v-피트를 구비하는 구조로 형성될 수 있다. 이 경우, 활성층(140)에 형성된 제2 v-피트는 초기 v-피트에 비하여 사이즈가 동일할 수도 있고, 사이즈가 감소한 형태가 될 수 있다.
상기 활성층(140) 상에는 제2도전형 질화물 반도체층(150)이 형성된다. 제2도전형 질화물 반도체층(150) 성장 과정에서 1000℃ 이상의 고온이 적용되어 v-피트가 평탄화될 수 있으나, 900℃ 정도의 저온이 적용되어 v-피트 형상이 남아 있을 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조 방법에 의하면, 전위 차단막, 보다 구체적으로 SiN 입자를 포함하는 전위 차단막을 이용하여 관통전위가 성장하지 않는 형태의 v-피트를 형성함으로써 누설전류 차단 효과를 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
101 : 기판
102 : 비도핑 질화물 반도체층
105 : 관통전위
110 : 제1도전형 질화물 반도체층
130 : v-피트 구비 질화물 반도체층
135 : v-피트
140 : 활성층
150 : 제2도전형 질화물 반도체층
210 : SiN 입자

Claims (13)

  1. (a) 제1도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 복수의 전위 차단막을 형성하는 단계;
    (c) 상기 복수의 전위 차단막 상에, v-피트를 구비하는 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    (d) v-피트를 구비하는 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 활성층 상에 제2도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계는 상기 복수의 전위 차단막 사이에 노출된 제1도전형 질화물 반도체층 상에 질화물 반도체층을 선택적으로 형성하여, 상기 복수의 전위 차단막 상에 v-피트가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층은 제1도전형 불순물이 도핑되어 있되, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층보다 도핑농도가 낮은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층은 0.01~2㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전위 차단막은 SiN 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 SiN 입자는 상기 제1도전형 질화물 반도체층을 관통하는 관통전위 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, SiN 분말을 코팅하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, SiN을 증착하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조 방법.
  8. 제1도전형 질화물 반도체층;
    상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 복수의 전위 차단막;
    상기 복수의 전위 차단막 사이에 노출된 제1도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 복수의 전위 차단막 상에 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층;
    상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층 상에 형성되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성되는 제2도전형 질화물 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 활성층은
    제2 v-피트를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층은 제1도전형 불순물이 도핑되어 있되, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층보다 도핑농도가 낮은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 v-피트를 구비하는 질화물 반도체층은 0.01~2㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 전위 차단막은 SiN 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 SiN 입자는 상기 제1도전형 질화물 반도체층을 관통하는 관통전위 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105226149A (zh) * 2015-11-02 2016-01-06 厦门市三安光电科技有限公司 一种led外延结构及制作方法

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