KR20170090013A - 반도체 발광소자 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층 상에, 제1 온도에서 성장하는 복수의 양자우물층과 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 성장하는 복수의 양자장벽층을 교대로 형성함으로써 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층은 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 상승하는 온도상승구간에서 성장된 부분을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층은 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서 성장하되, 상기 수소가스의 분압 조건은 상기 온도상승구간에서 일정한 제1 분압으로, 상기 제2 온도에서 일정하며 상기 제1 분압 보다 낮은 제2 분압으로 조절되는 반도체 발광소자 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

반도체 발광소자 제조방법{METHOD OF FABRICATING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광소자 제조방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합에 기하여 특장 파장대역의 광을 생성하는 반도체 소자이다. 이러한 반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 광원에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 3족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
반도체 발광소자 제조 시에, 활성층 내의 양자장벽층은 결정성을 고려하여 고온에서 성장시킬 수 있다. 반면에 양자우물층은 대체로 저온 성장이 요구된다, 따라서 양자장벽층 보다 앞서 성장된 양자우물층은, 고온의 양자장벽층 성장시에 열적 손상을 받을 수 있다. 특히, 양자우물층이 인듐과 같은 휘발성 강한 원소를 함유한 경우에 양자장벽층의 고온성장과정에서 인듐의 휘발로 양자우물층의 계면에 인듐이 응집하여 결함으로 작용할 수 있다. 따라서, 그 위에 양자장벽층을 형성하면 반도체 발광소자의 발광효율이 크게 저하될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 양자장벽층의 결정성이 향상되어 반도체 발광소자의 광추출 효율이 향상된 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층 상에, 제1 온도에서 성장하는 복수의 양자우물층과 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 성장하는 복수의 양자장벽층을 교대로 형성함으로써 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층은 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 상승하는 온도상승구간에서 성장된 부분을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층은 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서 성장하되, 상기 수소가스의 분압 조건은 상기 온도상승구간에서 일정한 제1 분압으로, 상기 제2 온도에서 일정하며 상기 제1 분압 보다 낮은 제2 분압으로 조절되는 반도체 발광소자 제조방법을 제공할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 분압은 상기 혼합가스의 분압의 2.5 ~ 20.0 vol%일 수 있다.
일 예로, 상기 제2 분압은 상기 혼합가스의 분압의 1.4 ~ 20.0 vol%일 수 있다.
일 예로, 상기 제2 분압은 상기 제1 분압 보다 1.1 ~ 18.6 vol% 낮을 수 있다.
일 예로, 상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 차이는 50 ~ 300℃인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
일 예로, 상기 온도상승구간은 10 ~ 600초 동안 유지될 수 있다.
일 예로, 상기 복수의 양자우물층은 상기 제1 온도에서 인듐 소스가스를 일정한 분압으로 공급하여 형성될 수 있다.
일 예로, 상기 인듐 소스가스는 TMIn일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 활성층은 복수의 양자장벽층과 인듐을 함유한 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 구조를 가지며, 상기 복수의 양자장벽층은 성장온도가 상승하는 온도상승구간을 포함하는 적어도 하나의 양자장벽층을 포함하며, 상기 복수의 양자장벽층이 성장되는 시간동안 과량의 수소가스가 공급되되, 상기 수소가스는 상기 온도상승구간에서의 제1 분압이 그 이외의 구간에서의 제2 분압보다 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공할 수 있다.
일 예로, 상기 복수의 양자우물층은 상기 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서 성장하되, 상기 복수의 양자우물층이 성장하는 상기 수소가스의 분압은 상기 제2 분압보다 낮으며 일정한 제3 분압인 것을 포함할 수 있다.
양자장벽층의 성장 시에, 성장 온도에 따라 공급되는 수소가스의 유량을 조절함으로써, 양자장벽층의 결정성이 향상되어 반도체 발광소자의 광추출 효율이 향상된 반도체 발광소자의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광소자를 나타내는 개략적인 측단면도이다.
도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 채용가능한 성장공정을 설명하기 위한 성장온도의 타임차트이다.
도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 채용가능한 성장공정을 설명하기 위한 주요 소스가스의 타임차트이다.
도 2(c)는 본 발명의 일 실시예에 채용가능한 성장공정을 설명하기 위한 수소가스의 타임차트이다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광소자와 비교예의 정격전압 증감율을 비교하기 위한 그래프이다.
도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광소자와 비교예의 광출력을 비교하기 위한 그래프이다.
도 4 내지 도 8은 도 1의 반도체 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 주요 단계의 개략적인 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시예가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 지적하는 것이 아니라면, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함하다", "구비하다", 또는 "가지다" 등과 같은 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 특정하려는 것이며, 하나 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다.　이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.　따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 설명에서, 결정학적(crystallographic) 면 또는 방향을 기술하는 표시법(notation)으로 세 개의 정수 세트로 표시되는 밀러 지수(Miller index)를 사용한다. 결정축에 대한 상대적인 대칭성이 동일한 복수의 면들 및 방향들을 결정학적인 관점에서 등가(equivalent)이며, 주어진 밀러 지수를 갖는 어떤 면 및 방향은 단지 단위 셀(unit cell)의 위치 및 기원(orientation)을 선택하는 방식에 의해서 격자 내에서 이동될 수 있다. 이러한 등가의 면들 및 방향들은 하나의 패밀리로 표시될 수 있으며, 하나의 패밀리, 예를 들어, 결정면{100}에 속하는 어느 한 면에 대한 설명은, 다른 기재가 없는 한, 세 개의 등가 면 (100), (010), (001)에 대하여 동일하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 반도체 발광소자(10)는 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층(14), 활성층(15) 및 제2 도전형 반도체층(16)을 포함할 수 있다.
상기 기판(11)은 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 물질로 이루어진 반도체 성장용 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a축 방향의 격자상수가 각각 13.00A과 4.758 A이며, C(0001)면, A(11-20)면, R(1-102)면 등을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용될 수 있다.
상기 기판(11)은 서로 대향하는 면을 가질 수 있으며, 대향하는 면 중 적어도 하나에는 요철구조가 형성될 수 있다. 상기 요철구조는 상기 기판(11)의 일부를 식각함으로써 제공될 수 있으며, 이와 달리 상기 기판(11)과 다른 이종 물질층을 형성함으로써 제공될 수도 있다.
상기 기판(11)과 상기 제1 도전형 반도체층(14) 사이에 버퍼층(12)을 배치시킬 수 있다. 상기 버퍼층(12)은 InxAlyGa1 -x- yN (0=x=1, 0=y=1)일수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(12)은 AlN, AlGaN, InGaN일 수 있다. 필요에 따라, 복수의 층을 조합하거나, 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(14)은 n형 InxAlyGa1 -x- yN (0=x<1, 0=y<1, 0=x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(14)은 n형 GaN을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(16)은 p형 InxAlyGa1 -x-yN (0=x<1, 0=y<1, 0=x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체층일 수 있으며, p형 불순물은 Mg일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(16)은 단층 구조로 구현될 수도 있으나, 필요에 따라 서로 다른 조성을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제2 도전형 반도체층(16)은 전자차단층(EBL)으로 제공되는 p형 AlGaN층(16a), 저농도 p형 GaN층(16b)과 고농도 p형 GaN층(16c)을 포함할 수 있다.
상기 활성층(15)은 양자우물층(15a)과 양자장벽층(15b1,15b2)이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자우물층(15a)과 양자장벽층(15b1,15b2)은 서로 다른 조성을 갖는 InxAlyGa1 -x- yN (0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)일 수 있다. 상기 양자우물층(15a)은 인듐(In)과 같이 휘발성이 강한 원소를 함유할 수 있다. 특정 예에서, 상기 양자우물층(15a)은 InxGa1 - xN (0<x=1)이며, 상기 양자장벽층(15b1,15b2)은 GaN 또는 AlGaN일 수 있다.
본 실시예에 채용된 양자장벽층(15b1,15b2)은 배치된 위치에 따라, 제1 양자장벽층(15b1)과 제2 양자장벽층(15b2)으로 구분될 수 있다. 상기 제1 양자장벽층(15b1)은 제1 도전형 반도체층(14)과 접하도록 배치된 양자장벽층을 의미하며, 상기 제2 양자장벽층(15b2)은 상기 제1 양자장벽층(15b1) 이외의 양자장벽층을 의미한다. 상기 제2 양자장벽층(15b2)은 복수개로 도시되어 있으나, 개수에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제2 양자장벽층(15b2)은 1개로 구성될 수 있다.
도 2(a) 내지 도 2(c)를 참조하여, 본 실시예에 채용된 활성층(15)의 성장공정을 설명한다. 도 2(a), 도 2(b) 및 도 2(c)는 각각 본 발명의 일 실시예에 채용가능한 활성층(15)의 성장공정을 설명하기 위한 성장온도, 주요 소스가스 및 수소가스의 타임차트이다.
도 2(a)를 참조하면, 상기 활성층(15)의 성장공정은 양자장벽층(15b1, 15b2)이 성장되는 구간(QB1, QB2, QB3)과 양자우물층(15a1)이 성장되는 구간(QW1, QW2)이 교차하여 진행될 수 있다. 여기서, 양자장벽층(15b1, 15b2)이 성장되는 구간(QB1, QB2, QB3) 중 QB1는 제1 도전형 반도체층과 접하여 형성되는 제1 양자장벽층(15b1)이 성장되는 구간일 수 있으며, 다른 구간(QB2, QB3)은 제2 양자장벽층(15b2)이 성장되는 구간일 수 있다.
상기 양자장벽층(15b1, 15b2)은 제2 온도(T2)를 포함하는 고온구간에서 성장될 수 있으며, 상기 양자우물층(15a)은 제2 온도(T2)보다 낮은 제1 온도(T1)에서 성장될 수 있다. 이때, 상기 제1 온도(T1)와 상기 제2 온도(2)의 차이는 50 ~ 300℃일 수 있다.
상기 양자우물층(15a1)이 형성된 이후에 형성된 제2 양자장벽층(15b2)이 성장되는 구간(QB2, QB3)에는, 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 온도가 상승하는 온도상승구간(Ta)을 포함할 수 있으며, 제2 온도(T2)에서 제1 온도(T1)으로 온도가 하강하는 구간을 포함할 수 있다. 따라서, 온도상승구간(Ta)은 제2 양자장벽층(15b2)이 성장되는 구간(QB2, QB3)에만 나타날 수 있다.
한편, 도 2(b)를 참조하면, 양자장벽층(15b1, 15b2)이 성장되는 구간(QB1, QB2, QB3)에는 인듐(In) 소스가스인 TMIn이 공급되지 않고, 양자우물층이 성장되는 구간(QW1, QW2)에만 소정의 유량(a)으로 공급될 수 있다.
상기 제1 및 제2 양자장벽층(15b1,15b2)의 성장과정에서는, NH3와 같은 질소 소스가스와 갈륨 소스가스인 TMGa을 일정량으로 공급하여 GaN 박막을 형성하고, 상기 양자우물층(15a)의 성장과정에서는, 상기 제1 및 제2 양자장벽층(15b1,15b2)과 비교하여, 갈륨 소스인 TMGa의 공급량을 감소시키고, 인듐 소스인 TMIn을 추가로 일정량으로 공급하여 원하는 InGaN 박막을 형성할 수 있다.
한편, 도 2(c)를 참조하면, 상기 양자장벽층(15b1, 15b2)이 성장되는 구간(QB1, QB2, QB3) 중 제2 양자장벽층(15b2)이 성장되는 구간(QB2, QB3)에만 제1 분압(b3)의 수소 가스를 포함하는 혼합가스가 공급될 수 있다. 제1 분압(b3)은 일정하게 소정의 분압으로 유지될 수 있으나, 이는 수소 가스를 공급하는 제어기기에서 입력되는 값을 말하며, 실제 반응 중에 측정되는 분압값은 일부 구간(예, 개시구간 또는 종료구간)에서 의도하지 않은 작은 변동이 포함될 수 있다.
이러한 수소가스는 제2 양자장벽층(15b2)의 결정성을 향상시켜 반도체 발광소자의 정격특성 및 광출력을 향상시킬 수 있다. 그러나, 양자장벽층(15b2)은 높은 성장온도에서 성장되므로, 휘발성이 강한 인듐을 함유한 양자우물층(15a)에 열적 손상을 줄 수 있다. 예를 들어, 높은 성장온도에서 양자장벽층을 형성하는 경우에, 미리 형성된 양자우물층에 인입(incorporated)되었던 인듐이 응집(agglomeration)되어 양자우물층의 점결함으로 작용할 수 있다. 따라서, 양자우물층 상에 형성되는 양자장벽층의 결정성이 저하될 수 있다. 이러한 점결함은 활성층 내에 누설전류(leakage currnet)를 발생시켜, 반도체 발광소자의 정격특성 및 광출력을 저하시키는 문제점을 발생시킬 수 있다. 이와 같이, 양자우물층 표면의 점결함에 의해 양자장벽층의 결정성이 저하는 것을 방지하기 위해, 양자우물층을 형성한 이후에 양자장벽층을 형성하는 경우, 즉 제2 양자장벽층을 형성하는 경우에 수소가스를 과량으로 공급하여 양자우물층에서 기화되어 응집된 인듐을 제거할 수 있다. 다만, 이렇게 공급된 수소가스는 양자우물층에서 휘발된 인듐이 응집하는 것을 제거하는 효과와 더불어, 성장하는 양자장벽층을 손상시킬 수 있으므로, 단순히 수소가스를 공급하는 것만으로는 양자장벽층의 결정성이 향상되는 효과가 발생하지 않을 수 있다.
이러한 문제점을 고려하여, 양자우물층(15a) 형성한 후에 형성하는 제2 양자장벽층(15b2)을 성장시키는 구간(QB2, QB3)의 온도상승구간(Ta)에서는 수소가스를 과량인 제1 분압(b3)으로 공급하고, 그 외의 구간에서는 공급양을 제2 분압(b2)으로 감소시키면, 응집된 인듐을 제거하면서도, 수소가스에 의해 양자장벽층이 손상되는 것이 방지될 수 있다. 상기 제1 분압(b3)의 수소가스는, 챔버에 공급되는 분위기 가스 중 2.5 ~ 20.0 vol%의 부피를 갖도록 공급될 수 있으며, 상기 제2 분압(b2)의 수소가스는 분위기 가스 중 1.4 ~ 20.0 vol%의 부피를 가지도록 공급될 수 있다. 이때, 상기 제2 분압(b2)은 제2 분압(b3) 보다 1.1 ~ 18.6 vol% 낮을 수 있다.
과량인 제1 분압(b3)의 수소가스가 계속 공급될 경우에는, 양자장벽층을 손상시켜 오히려 양자장벽층에서 결함이 발생되거나 동작전압이 증가되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명자는 양자우물층(15a)이 제3 분압(b1)의 수소가스에서 성장된 후에 성장되는 제2 양자장벽층(15b2)이 성장하는 구간 중 온도상승구간(Ta)에는 수소가스를 공급량을 제1 분압(b3)으로 증가시켜 양자우물층(15a)에서 기화되어 응집된 인듐을 효과적으로 제거하였다 또한, 제2 양자장벽층(15b2)의 성장온도가 유지되거나 감소하는 구간에서는 수소가스의 공급량을 제2 분압(b2)으로 감소시켜 제2 양자장벽층(15b2)이 손상되는 것을 방지하였다. 따라서, 양자장벽층에 결함이 발생하거나, 손상되는 것을 최소화하여 광효율을 개선할 수 있다.
상기 양자우물층(15a)이 성장되는 제1 온도(T1)는 원하는 인듐 조성비에 따라 상이할 수 있다. 즉, 인듐 조성비가 높을수록 상대적으로 낮은 온도에서 성장될 수 있다. 예를 들어, 제1 온도(T1)는 900℃이하, 나아가 850℃ 이하일 수 있다. 제1 및 제2 양자장벽층(15b1,15b2)의 성장온도는 양자우물층(15a)보다 높은 성장온도를 가지며, 양자우물층(15a)에 열적 손상을 최소화될 수 있는 조건으로 채택될 수 있다.
이에 반하여, 상기 제2 온도(T2)는 제2 양자장벽층(15b2)의 우수한 결정성을 확보하는 조건으로 채택될 수 있다. 이에 한정되지는 않으나, 상기 제1 온도(T1)와 상기 제2 온도(T2)는 적어도 50 ~ 300℃의 차이를 가질 수 있다. 300℃이상 온도 차이가 발생하면, 웨이퍼의 휨이 커지며, 50℃미만이면 성장온도 조절효과를 기대하기 어려울 수 있다. 이러한 온도상승구간(Ta)의 온도는 일정한 비율로 상승할 수 있으며, 10 ~ 600초 동안 유지될 수 있다.
도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하여, 일 실시예에 의한 반도체 발광소자의 효과를 설명한다. 도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광소자와 비교예의 정격전압 증감율을 비교하기 위한 그래프이고, 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광소자와 비교예의 광출력을 비교하기 위한 그래프이다.
도 3(a) 및 도 3(b)의 도면부호 ref1은 제2 양자장벽층이 성장하는 구간에서 수소가스를 주입하지 않은 경우를 나타내는 비교예이고, 도면부호 ref2는 제2 양자장벽층이 성장하는 구간에서 일정한 과량의 수소가스를 계속 주입한 경우를 나타낸다. 또한, 도면부호 G는 본 실시예를 나타낸다. 도 3(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 경우에 반도체 발광소자에 1㎂의 전류를 인가하였을 때의 Vf를 측정하였다. ref2는 ref1의 100.2%이고, 본 실시예(G)는 ref1의 100.7%인 것으로 측정되어, 각각 Vf값이 향상된 것을 알 수 있다. 그러나, ref2의 광출력은 ref1의 광출력의 99%가 되어, 광출력이 오히려 ref1에 비해 감소한 것을 알 수 있다. 반면에, 본 실시예(G)의 광출력은 ref1의 100.6%가 됨을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예는 ref1 및 ref2에 비해 Vf 및 광출력이 모두 향상된 것을 알 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 발광소자(10)는, 상기 제1 도전형 반도체층(14)에 배치된 제1 전극(19a)과, 상기 제2 도전형 반도체층(16) 상에 순차적으로 배치된 오믹콘택층(18)과 제2 전극(19b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(19a)과 오믹콘택층(18)은 이에 한정되지 않지만, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 2층 이상의 구조로 채용될 수 있다. 상기 제1 전극(19a)은 콘택 전극층으로서 Cr/Au을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(19a)은 콘택 전극층 상에 패드 전극층을 더 포함할 수 있다. 상기 패드 전극층은 Au, Sn 또는 Au/Sn층일 수 있다.
상기 오믹콘택층(18)은 칩 구조에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어 플립칩 구조인 경우에, 상기 오믹콘택층(18)은 Ag을 포함할 수 있다. 이와 반대로 배치되는 구조인 경우에, 상기 오믹콘택층(18)은 투광성 전극으로 이루어질 수 있다. 상기 투광성 전극은 투명 전도성 산화물층 또는 질화물층 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 및 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0=x=1)로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 필요에 따라, 상기 오믹콘택층(18)은 그래핀(graphene)을 포함할 수도 있다. 상기 제2 전극(19b)은 Au, Sn 또는 Au/Sn을 포함할 수 있다.
다음으로, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 일 실시예에 의한 반도체 발광소자의 제조공정을 설명한다. 도 4 내지 도 8은 도 1의 반도체 발광소자(10)의 제조공정을 설명하기 위한 주요 단계의 개략적인 측단면도이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 기판(11) 상에 버퍼층(12) 및 제1 도전형 반도체층(14)을 형성할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 기판(11)은 사파이어와 같은 절연성 기판일 수 있으며, 절연성, 도전성 또는 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(11)은 사파이어 외에도 SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN일 수 있다.
상기 버퍼층(12)은 상기 기판(11)과 상기 제1 도전형 반도체층(14)간의 격자 부정합을 완화시키는 층으로서, 본 실시예에서는 AlN이 사용될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(14)은 n형 InxAlyGa1 -x- yN (0=x<1, 0=y<1, 0=x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(14)은 n형 GaN을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 도전형 반도체층(14) 상에 복수의 양자장벽층과 복수의 양자우물층을 포함하는 활성층을 형성할 수 있다. 활성층을 형성하는 단계는 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(14) 상에 제1 양자장벽층(15b1)을 형성할 수 있다. 상기 제1 양자장벽층(15b1)은 700 ~ 1300℃ 온도 범위에서 챔버 내에 소스가스 및 분위기 가스를 공급하여 성장시킬 수 있다.
앞서 설명한 도 2를 참조하면, 상기 분위기 가스에는 과량인 제1 분압(b3)의 수소가스가 포함될 수 있다. 상기 제1 분압(b3)의 수소가스는, 챔버에 공급되는 분위기 가스 중 2.5 ~ 20.0 vol%의 부피를 갖도록 공급될 수 있다.
다음으로, 제1 양자장벽층(15b1) 상에 양자우물층(15a)을 성장시킬 수 있다. 상기 양자우물층(15a)은 900℃이하, 나아가 850℃이하의 온도 범위에서 챔버 내에 소스가스 및 분위기 가스를 공급하여 성장시킬 수 있다.
앞서 설명한 도 2를 참조하면, 분위기 가스에 포함되는 수소가스의 공급량은 제3 분압(b1)으로 감소시킬 수 있다. 상기 제1 온도(T1)는 본 실시예에 채용되는 양자우물층(15a)에 열적 손상을 최소화될 수 있는 조건으로 채택될 수 있다.
다음으로, 양자우물층(15a) 상에 제2 양자장벽층을 형성할 수 있다. 도 5의 도면부호 D는, 제2 양자장벽층을 시키기 위해 가열하는 온도상승구간에서, 양자우물층(15a)에서 기화된 인듐(In)이 응집된 것을 도시한 것이다.
도 6은 제2 양자장벽층의 성장시에 과량으로 공급된 수소가스에 의해, 응집한 인듐이 제거되며 제2 양자장벽층(15b2')이 성장되는 것을 도시한 것이다. 과량 공급된 수소가스는 제2 양자우물층에서 기화되어 응집된 인듐(D)을 제거하여, 제2 양자장벽층(15b2')의 결정성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 온도상승구간을 지나 제2 온도가 유지되는 과정에서 제2 양자장벽층(15b2'')이 성장되는 것을 도시한 것이다. 이 경우, 수소가스의 공급량을 과량인 제1 분압(b3)으로 유지할 경우, 제2 양자장벽층(15b2'')의 표면이 손상될 수 있다. 따라서, 수소가스의 공급량을 제2 분압(b2)로 감소시켜 양자장벽층(15b2'')을 성장시킬 수 있다. 이와 같은 과정을 반복하면, 양자장벽층과 양자우물층이 반복하여 적층된 활성층이 형성될 수 있다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(16)을 형성하고, 제1 및 제2 도전형 반도체층(14, 16)과 활성층(15)의 일부영역을 메사식각하면 도 1의 반도체 발광소자가 완성된다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 반도체 발광소자
11: 기판
12: 버퍼층
14: 제1 도전형 반도체층
15: 활성층
15a: 양자우물층
15b: 양자장벽층
16: 제2 도전형 반도체층
16a: p형 AlGaN층
16b: 저농도 p형 GaN층
16c: 고농도 p형 GaN층
18: 오믹콘택층
19a: 제1 전극
19b: 제2 전극

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에, 제1 온도에서 성장하는 복수의 양자우물층과 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 성장하는 복수의 양자장벽층을 교대로 형성함으로써 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 복수의 양자장벽층은 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 상승하는 온도상승구간에서 성장된 부분을 포함하며,
    상기 복수의 양자장벽층은 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서 성장하되, 상기 수소가스의 분압 조건은 상기 온도상승구간에서 일정한 제1 분압으로, 상기 제2 온도에서 일정하며 상기 제1 분압 보다 낮은 제2 분압으로 조절되는 반도체 발광소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분압은 상기 혼합가스의 분압의 2.5 ~ 20.0 vol%인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분압은 상기 혼합가스의 분압의 1.4 ~ 20.0 vol%인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분압은 상기 제1 분압 보다 1.1 ~ 18.6 vol% 낮은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 차이는 50 ~ 300℃인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도상승구간은 10 ~ 600초 동안 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 양자우물층은 상기 제1 온도에서 인듐 소스가스를 일정한 분압으로 공급하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인듐 소스가스는 TMIn인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 활성층은 복수의 양자장벽층과 인듐을 함유한 복수의 양자우물층이 교대로 적층된 구조를 가지며,
    상기 복수의 양자장벽층은 성장온도가 상승하는 온도상승구간을 포함하는 적어도 하나의 양자장벽층을 포함하며,
    상기 복수의 양자장벽층이 성장되는 시간동안 과량의 수소가스가 공급되되, 상기 수소가스는 상기 온도상승구간에서의 제1 분압이 그 이외의 구간에서의 제2 분압보다 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 양자우물층은 상기 수소가스를 포함하는 혼합가스 분위기에서 성장하되, 상기 복수의 양자우물층이 성장하는 상기 수소가스의 분압은 상기 제2 분압보다 낮으며 일정한 제3 분압인 것을 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
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