KR20220019008A - 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
발광 소자가 개시된다. 발광 소자는, n형 반도체층; p형 반도체층; 및 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하고, 활성층은 밴드갭이 서로 다른 복수의 층이 교대로 적층되며, p형 반도체층은 p형 접합층 및 정공 이송층을 포함하고, 정공 이송층은 복수의 층 및 복수의 층 사이에 배치되는 적어도 하나의 중간도핑층을 포함하고, 복수의 층은 p형 접합층에서 멀어질수록 홀의 농도가 감소하는 영역을 포함하고, 정공 이송층은 p형 접합층 보다 두껍게 형성되며, 중간 도핑층은 홀의 농도가 p형 접합층의 홀의 농도의 62 내지 87% 되는 지점과 적어도 부분적으로 중첩되어 위치한다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 본 발명은 p형 반도체층을 갖는 질화물 반도체 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체를 이용하는 발광 소자는 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함한다. 상기 활성층에서 전자와 홀이 결합하여 광을 방출한다. 활성층 내에서의 전자와 홀의 재결합율은 발광 소자의 발광 효율에 직접적인 영향을 미친다. 활성층 내 전자와 홀의 재결합율을 향상시키기 위해 전자의 오버 플로우를 방지할 필요가 있으며, 이를 위해 p형 AlGaN층의 전자 블록층이 채택되고 있다.
한편, p형 반도체층으로부터 활성층으로 주입되는 홀의 주입 효율을 높이기 위하여 p형 반도체층 내의 도핑 프로파일을 제어하는 방법이 개시된 바 있다. 예를 들어, 특허문헌(특허등록번호 10-0838196)은 정공 주입층과 p형 콘택층을 구분하고 정공 주입층의 불순물 도핑 농도를 p형 콘택층보다 낮게 함으로써 홀 주입 효율을 증가시킨 것을 개시하고 있다. 아울러, 클래드층과 정공 주입층 사이에 언도프트층을 배치하거나 정공 주입층과 p형 콘택층 사이에 언도프트층을 배치하는 내용을 기재하고 있다.
상기 특허문헌에 따르면, 정공 주입층 내의 홀의 이동도를 증가시켜 활성층 내에 주입되는 홀의 이동을 촉진할 수 있다. 그러나, 상기 특허문헌에 따르더라도, 상기 정공 주입층이 상대적으로 저농도의 도핑 농도를 갖도록 도핑되기 때문에, 홀의 이동도를 증가시키는데 한계가 있다. 따라서, 홀의 이동도를 향상시킬 수 있는 p형 반도체층의 구조의 개발이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 활성층 내로의 홀 주입 효율을 개선하여, 내부양자효율이 향상된 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 홀 이동도가 향상될 수 있는 구조를 가지는 p형 반도체층을 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광 소자는, n형 반도체층; p형 반도체층; 상기 n형 반도체층과 상기 p형 반도체층 사이에 위치하는 활성층; 및 상기 p형 반도체층과 상기 활성층 사이에 위치하는 전자 블록층을 포함하고, 상기 p형 반도체층은 정공 주입층, p형 접합층 및 상기 정공 주입층과 상기 p형 접합층 사이에 위치하는 정공 이송층을 포함하되, 상기 정공 이송층은 복수개의 언도프트층 및 상기 언도프트층 사이에 배치되는 적어도 하나의 중간 도핑층을 포함하되, 상기 언도프트층은 상기 정공 주입층 또는 p형 접합층에서 멀어질수록 홀의 농도가 감소하는 영역을 포함하되, 상기 중간 도핑층은 홀의 농도가 상기 p형 접합층의 홀의 농도의 62 내지 87% 되는 지점과 적어도 부분적으로 중첩되어 위치한다.
상기 정공 주입층 내의 불순물의 농도는 1E20/㎤ 내지 5E20/㎤일 수 있고, 상기 p형 접합층 내의 불순물의 농도는 4E20/㎤ 이상일 수 있으며, 상기 중간 도핑층 내의 불순물의 농도는 1E18/㎤ 내지 1E20/㎤일 수 있다.
상기 정공 이송층의 두께는 상기 정공 주입층과 p형 접합층의 두께의 합보다 클 수 있다.
상기 중간 도핑층의 두께는 10 내지 20nm 이고, 상기 언도프트층의 두께는 15 내지 30nm 일 수 있다.
상기 정공 주입층이 상기 전자 블록층에 접할 수 있다.
상기 정공 주입층 또는 p형 접합층에서 멀어질수록 홀의 농도가 감소하는 영역은 홀의 농도가 선형적으로 감소하는 영역을 포함할 수 있다.
상기 언도프트층은 상기 중간 도핑층에 가까워질수록 홀의 농도가 증가하는 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 중간 도핑층에 가까워질수록 홀의 농도가 증가하는 영역은 홀의 농도가 선형적으로 증가하는 영역을 포함할 수 있다.
상기 중간 도핑층의 전기적 저항은 상기 언도프트층의 전기적 저항보다 높을 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 발광 소자 제조 방법은, 금속 유기화학 기상 성장법을 이용하여 챔버 내의 기판 상에 n형 반도체층, 활성층, 전자 블록층 및 p형 반도체층을 성장시키는 것을 포함하되, 상기 p형 반도체층을 성장시키는 것은, 챔버 내로 질소 소스 가스, 갈륨 소스 가스, Mg 소스 가스, N2 가스 및 H2 가스를 공급하여 상기 챔버 내의 기판 상에 정공 주입층을 성장하고, 상기 챔버 내로 질소 소스 가스, 갈륨 소스 가스 및 N2 가스 가스를 공급하되, Mg 소스 가스 및 H2 가스의 공급을 차단하여 상기 정공 주입층 상에 언도프트층을 성장하고, 상기 챔버 내로 질소 소스 가스, 갈륨 소스 가스 및 N2 가스 가스 및 Mg 소스 가스를 공급하여 상기 언도프트층 상에 중간 도핑층을 성장하고, 상기 챔버 내로 질소 소스 가스, 갈륨 소스 가스 및 N2 가스 가스를 공급하되, Mg 소스 가스의 공급을 차단하여 상기 중간 도핑층 상에 언도프트층을 다시 성장하고, 상기 챔버 내로 질소 소스 가스, 갈륨 소스 가스, Mg 소스 가스, N2 가스 및 H2 가스를 공급하여 상기 언도프트층 상에 p 형 접합층을 성장하는 것을 포함한다.
상기 발광 소자 제조 방법은, 상기 정공 주입층을 성장하기 전에 상기 챔버 내로 질소 소스 가스 및 N2 가스를 공급하되, 갈륨 소스 가스, Mg 소스 가스 및 H2 가스의 공급을 차단하여, 챔버 내의 분위기를 질소와 NH3 분위기로 변경하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 챔버 내의 분위기를 질소와 NH3 분위기로 변경하는 시간은 3 내지 10분일 수 있다.
상기 정공 주입층 및 상기 p형 접합층을 성장시키는 동안 H2 가스의 유량은 N2 가스의 유량보다 더 많을 수 있다.
상기 정공 주입층 및 상기 p형 접합층을 성장시키는 동안 H2 가스의 유량은 N2 가스의 유량의 3배 내지 5배일 수 있다.
상기 정공 주입층 및 p형 접합층을 성장시키는 동안 NH3 가스의 유량은 H2 가스의 유량보다 적고, 상기 정공 이송층을 성장시키는 동안 N2 가스의 유량은 상기 NH3 가스의 유량보다 많을 수 있다.
상기 정공 주입층 및 p형 접합층을 성장시키는 동안 N2, H2 및 NH3의 유량비는 1:3:1이고, 상기 정공 이송층을 성장시키는 동안 N2, H2 및 NH3의 유량비는 3:0:1일 수 있다.
상기 발광 소자 제조 방법은, 상기 p형 접합층을 성장시킨 후, 챔버 내에서 상기 p형 반도체층을 열처리하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 정공 주입층 내의 불순물의 농도는 1E20/㎤ 내지 5E20/㎤일 수 있고, 상기 p형 접합층 내의 불순물의 농도는 4E20/㎤ 이상일 수 있으며, 상기 중간 도핑층 내의 불순물의 농도는 1E18/㎤ 내지 1E20/㎤일 수 있다.
본 발명에 따른 발광 소자가 포함하는 p형 반도체층은 언도프트층 사이에 중간 도핑층이 배치된 정공 이송층을 포함하므로, 홀의 이동도를 향상시킬 수 있고, 이에 따라 발광 소자의 홀 주입 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 정공 이송층을 성장시키는 동안 H2 가스의 공급을 차단함으로써, 언도프트층 내의 불순물의 농도를 더욱 낮출 수 있어, 정공 이송층 내의 홀의 이동도를 더욱 증가시킬 수 있다. 또한, 정공 이송층의 중간 도핑층에 의한 저항 증가로, 정전기 방전으로부터 발생된 전류가 상기 중간 도핑층에 의해 차단될 수 있어, 발광 소자의 정전기 방전 내압 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 홀 농도 및 Mg 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 성장방법을 설명하기 위한 가스 및 온도 프로파일들을 나타내는 개략도이다.
도 4 및 도 5는 실험예에 따른 실시예와 비교예의 파워, 순방향 전압 및 정전기 방전 내압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 홀 농도 및 Mg 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 성장방법을 설명하기 위한 가스 및 온도 프로파일들을 나타내는 개략도이다.
도 4 및 도 5는 실험예에 따른 실시예와 비교예의 파워, 순방향 전압 및 정전기 방전 내압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 홀 농도 및 Mg 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 소자는, 기판(21), 버퍼층(23), n형 반도체층(25), 초격자층(27), 활성층(29), 전자 블록층(31) 및 p형 반도체층(40)을 포함할 수 있다.
기판(21)은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 패터닝된 사파이어 기판, 스피넬 기판, 탄화실리콘 기판 또는 질화갈륨 기판 등일 수 있다.
버퍼층(23)은 저온 버퍼층 및 고온 버퍼층을 포함할 수 있다. 다만, 상기 기판(21)이 질화갈륨 기판인 경우, 버퍼층(23)은 생략될 수도 있다.
n형 반도체층(25)은 n형 콘택층을 포함한다. n형 반도체층(25)은 (Al, Ga, In)N 계열의 III족 질화물 반도체층으로 형성되며, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 될 수 있다. 예컨대, 상기 n형 반도체층(25)은 GaN층을 포함하며, n형 불순물 예컨대 Si이 도핑되어 형성될 수 있다.
초격자층(27)은 전류 분산을 향상시키고 활성층의 결정 품질을 개선하기 위해 채택될 수 있다. 초격자층(27)은 예를 들어 GaN/InGaN 또는 InGaN/InGaN을 반복하여 적층함으로써 형성될 수 있다.
활성층(29)은 n형 반도체층(25)과 p형 반도체층(40) 사이에 위치하며, 단일의 웰층을 갖는 단일 양자우물 구조 또는 웰층과 장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 웰층은 예컨대 InGaN으로 형성되며, 장벽층은 웰층에 비해 넓은 밴드갭을 갖는 질화갈륨계 반도체층, 예컨대 GaN으로 형성될 수 있다.
전자 블록층(31)은 활성층(29)과 p형 반도체층(40) 사이에 위치하며, 활성층(29)으로부터 전자가 p형 반도체층(40)으로 오버 플로우되는 것을 방지한다. 전자 블록층(31)은 통상 p형 반도체층(40)보다 넓은 밴드갭을 갖는 질화갈륨계 반도체층, 예컨대 AlGaN으로 형성될 수 있다.
p형 반도체층(40)은 정공 주입층(33), 정공 이송층(35) 및 p형 접합층(37)을 포함한다. 또한, 정공 이송층(35)은 언도프트층(35a) 및 중간 도핑층(35b)을 포함할 수 있다.
정공 주입층(33), 정공 이송층(35) 및 p형 접합층(37)은 불순물 농도를 제외하고는 동일한 조성의 질화갈륨계 반도체층, 예컨대 GaN으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 전극(도시하지 않음)에서 유입된 홀이 에너지 장벽 없이 p형 반도체층(40)을 통과할 수 있다. 정공 주입층(33)은 전자 블록층(31)에 접하여 위치할 수 있다. 또한, p형 접합층(37)은 전극(도시하지 않음)과 컨택될 수 있다.
정공 이송층(35)의 두께는 정공 주입층(33)과 p형 접합층(37)의 두께의 합보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 정공 주입층(33)은 5 내지 20nm의 두께를 가질 수 있으며, 정공 이송층(35)은 50 내지 100nm의 두께를 가질 수 있고, p형 접합층(37)은 10 내지 30nm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 정공 이송층(35)이 포함하는 언도프트층(35a)은 15 내지 30nm의 두께를, 중간 도핑층(35b)은 10 내지 20nm의 두께를 가질 수 있다. 본 실시예에 있어서, 언도프트층(35a)는 대략 22nm, 중간 도핑층(35b)는 대략 15nm 이고, 이에 따라 이들을 포함하는 정공 이송층(35)은 대략 60nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 정공 주입층(33)내의 불순물의 농도는 1E20/㎤ 내지 5E20/㎤, p형 접합층(37) 내의 불순물의 농도는 4E20/㎤ 이상의 범위를 가질 수 있다. 또한, 정공 이송층(35)이 포함하는 중간 도핑층(35b) 내의 불순물의 농도는 1E18/㎤ 내지 1E20/㎤ 일 수 있다. 본 실시예에 있어서, 중간 도핑층(35b) 내의 불순물의 농도는 1E19/㎤일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 정공 이송층(35)을 상대적으로 두껍게 형성하고, 정공 이송층(35)이 내부에 중간 도핑층(35b)를 포함함으로써, 홀의 이동도를 크게 증가시킬 수 있으며, 이에 따라, 활성층(29) 내로의 홀 주입율을 향상시킬 수 있다. 이와 관련하여 후술하여 상세히 설명한다.
상술한 p형 접합층(37)에 주입되는 홀은 홀 확산 거리에 따라 정공 이송층(35)으로 확산될 수 있다. 홀 확산 거리는 하기의 수학식 1로 표현될 수 있다
여기서, Lp는 홀 확산 거리를, u는 홀의 모빌리티(mobility)를 t는 홀의 라이프 타임(life time)을 나타낸다.
상기의 수학식 1에 따라 p형 접합층(37)의 홀은 정공 이송층(35) 내로 확산 될 수 있으며, p형 접합층(37)에서 시작하여 확산되는 홀의 농도가 0인 지점까지의 거리가 홀 확산 거리이다. 또한, 홀의 농도가 전자의 농도보다 충분히 높은 경우에, 정공 이송층(35) 내에서 확산되는 홀의 농도는 p형 접합층(37) 또는 정공 주입층(33)에서 멀어질수록 감소될 수 있다. 본 발명에 있어서, 정공 이송층(35)은 언도프트층(35a)을 포함하고, 언도프트층(35a)은 p형 접합층(37) 또는 정공 주입층(33)에서 멀어지는 거리에 비례하여 홀의 농도가 감소하는 영역을 포함할 수 있다. 이때, 상기 홀의 농도가 감소하는 영역은 p형 접합층(37)에서 멀어질수록 홀의 농도가 선형적으로 감소하는 영역을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 홀의 농도 감소형태는 비선형적일 수도 있으며, 정공 이송층(35) 내에서 p형 접합층(37) 또는 정공 주입층(33)에서 멀어지는 방향에 따라 홀의 농도 감소 기울기가 변화할 수도 있다. 나아가, 언도프트층(35a)은 중간 도핑층(35b)에 가까워질수록 홀의 농도가 증가하는 영역을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 홀의 농도가 증가하는 영역은 중간 도핑층(35b)에 가까워질수록 홀의 농도가 선형적으로 증가하는 영역을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 홀 농도 및 Mg 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 2 하단의 그래프는 활성층으로부터 멀어지는 방향에 따른 p형 불순물, 즉 Mg의 농도를 나타내고, 도 2 상단의 그래프는 활성층으로부터 멀어지는 방향에 따른 홀 농도 그래프를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 정공 주입층(33), p형 접합층(37) 및 중간 도핑층(35b)은 각각 소정 농도의 p형 불순물(Mg)을 포함한다. 정공 주입층(33)의 Mg 농도는 중간 도핑층(35b)의 Mg 농도보다 높을 수 있고, p형 접합층(37)의 Mg 농도는 정공 주입층(33)의 Mg 농도보다 높을 수 있다. 반면, 언도프트층(35a)은 정공 주입층(33), p형 접합층(37) 및 중간 도핑층(35b)에 비해 상대적으로 매우 낮은 농도의 Mg을 포함하거나 Mg을 거의 포함하지 않는다. 언도프트층(35a)은 거의 0의 Mg 농도를 갖도록, 성장 중에 Mg 소스의 주입이 중단된 상태로 성장될 수 있다. 즉, 언도프트층(35a)은 p형 불순물을 포함하지 않도록 의도된다. 다만, 성장 챔버 내에 잔류하는 Mg 소스에 의해 언도프트층(35a)은 미소의 Mg을 포함할 수도 있고, 성장 후, Mg의 확산에 의해 정공 주입층(33), p형 접합층(37) 및 중간 도핑층(35b) 중 적어도 하나의 층으로부터 확산된 Mg을 포함할 수도 있다. 따라서, 언도프트층(35a)이 비의도적인 Mg을 포함하는 경우 역시 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 정공 주입층(33)은 소정의 홀 농도를 갖고, 정공 주입층(33)에 인접하는 언도프트층(35a)에서의 홀 농도는 활성층으로부터 멀어지는 방향에 따라 감소한다. 이때, 홀 농도는 적어도 일부 구간에서 선형적으로 감소할 수 있다. 언도프트층(35a)에서의 홀 농도는 정공 주입층(33)에서 멀어질수록 감소하다가, 중간 도핑층(35b)에 가까워지면서 다시 증가한다. 이와 유사하게, p형 접합층(37)에 인접하는 언도프트층(35a)에 있어서의 홀 농도는, 중간 도핑층(35b)에서 멀어질수록 감소하다가 p형 접합층(37)에 가까워질수록 다시 증가할 수 있다. 홀의 농도가 감소하는 형태는, 적어도 일부 구간에서 선형적일 수 있다.
본 발명에 있어서, 정공 이송층(35) 내에서, 선형적으로 감소되는 홀의 농도가 p형 접합층(37)의 홀의 농도의 62 내지 87% 되는 지점과 중간 도핑층(35b)이 만날 수 있다. 즉, 중간 도핑층(35b)은 홀의 농도가 상기 p형 접합층(37)의 홀의 농도의 62 내지 87% 되는 지점과 적어도 부분적으로 중첩되어 위치할 수 있다. 이와 같이, 언도프트층(35a)을 포함하는 정공 이송층(35) 내에 일정농도의 불순물로 도핑된 중간 도핑층(35b)를 배치함에 따라, 홀의 이동도를 향상시킬 수 있다. 즉, 중간 도핑층(35b)는 p형 접합층(37)에서 넘어오는 홀의 농도가 일정농도로 감소된 이후에 배치되어, 홀의 징검다리 역할을 하므로, 정공 이송층(35) 내의 홀의 이동도를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 활성층(29) 내로의 홀 주입률을 향상시킬 수 있어 내부양자효율을 향상시킬 수 있다. 본 실시예에 있어서, 중간 도핑층(35b)는 p형 접합층(37)보다 정공 주입층(33)에 가깝게 배치될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상술한 실시예들의 발광 소자에 있어서, 중간 도핑층(35b)은 상대적으로 저항이 높을 수 있다. 이에 따라, 상기 발광 소자에 정전기가 도통되는 경우, 상대적으로 높은 저항을 갖는 중간 도핑층(35b)에 의해 정전기에 의한 전류가 차단될 수 있어, 발광 소자의 정전기 방전 내성이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법, 특히 p형 반도체층(40) 성장 방법을 설명하기 위한 가스 및 온도 프로파일들이다. 여기서, p형 반도체층(40)은 금속유기화학 기상 성장법을 이용하여 성장되며, 나아가, 버퍼층(23), n형 반도체층(25), 초격자층(27), 활성층(29) 및 전자 블록층(31) 또한 금속유기화학 기상 성장법을 이용하여 동일챔버에서 인시츄로 성장될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 우선 챔버 내에 기판(21)이 로딩되고, 금속 소스 가스, 질소 소스 가스 및 캐리어 가스 또는 분위기 가스가 챔버 내로 공급되어 버퍼층(23), n형 반도체층(25), 초격자층(27), 활성층(29), 전자 블록층(31) 등의 반도체층들이 성장된다. 필요에 따라 n형 불순물의 소스 가스가 챔버 내로 공급될 수 있다.
금속 소스 가스는 Ga 소스 가스, Al 소스 가스 및/또는 In 소스 가스를 포함하며, 성장되는 질화갈륨계 반도체층의 금속 성분에 따라 적합한 소스 가스가 공급된다. 예를 들어, Ga 소스 가스로는 TMGa 또는 TEGa를 사용할 수 있으며, Al 소스 가스로는 TMAl 또는 TEAl을 사용할 수 있고, In 소스 가스로는 TMIn 또는 TEIn을 일반적으로 사용할 수 있다.
한편, 질소(N) 소스 가스로는 NH3가 일반적으로 사용될 수 있으며, n형 불순물의 소스 가스로는 SiH4이 사용될 수 있다. 또한, 캐리어 가스 또는 분위기 가스로는 일반적으로 N2 및/또는 H2가 사용될 수 있다.
상기 전자 블록층(31) 성장이 완료된 후, 상기 챔버 내에서 금속 유기화학 기상 성장법을 이용하여 p형 반도체층(40)이 성장된다. p형 반도체층(40)은 대체로 100~300Torr의 압력에서 성장될 수 있다.
우선, 전자 블록층(31) 상에 정공 주입층(33)이 예를 들어 970~990℃의 범위에서 성장된다. 정공 주입층(33)은 챔버 내로 질소 소스 가스(예컨대, NH3) 및 갈륨 소스 가스(예컨대, TMGa 또는 TEGa)와 함께, Mg 소스 가스(예컨대 Cp2Mg), N2 가스 및 H2 가스를 공급하여 성장될 수 있다. 이때, N2 가스의 유량은 약 30~50L/min일 수 있으며, H2 가스의 유량은 140~160L/min일 수 있고, NH3 가스의 유량은 30~50L/min일 수 있다. 예컨대, N2:H2:NH3 유량비는 1:3:1일수 있다. 한편, Mg 소스 가스의 유량은 적합한 도핑 농도를 달성하도록 선택되며, 정공 주입층(33)내의 Mg 도핑 농도는 대략 1E20/㎤ 내지 5E20/㎤일 수 있다.
정공 주입층(33)이 성장된 후, 정공 이송층(35)이 포함하는 언도프트층(35a)이 예를 들어 940~970℃의 범위에서 성장된다. 언도프트층(35a)은 챔버 내로 질소 소스 가스(예컨대, NH3), 갈륨 소스 가스(예컨대, TMGa 또는 TEGa) 및 N2 가스를 공급하되, Mg 소스 가스 및 H2 가스의 공급을 차단하여 성장된다. 예를 들어, N2 소스 가스는 140~160L/min, H2 소스 가스는 0L/min, NH3 가스는 30~50L/min일 수 있다. 특히, N2:H2:NH3의 유량비는 3:0:1일 수 있다.
일반적으로, Mg 소스 가스를 공급하지 않더라도 언도프트층(35a)을 성장하는 동안 정공 주입층(33)으로부터 Mg이 언도프트층(35a)으로 유입된다. 언도프트층(35a) 성장 동안에 H2 가스를 공급할 경우, Mg의 유입이 더욱 가속될 수 있다. 따라서, 언도프트층(35a)을 성장하는 동안, H2의 공급을 차단함으로써 언도프트층(35a) 내의 불순물의 농도를 감소시킬 수 있다. 한편, 언도프트층(35a)을 성장시키는 도중에, Mg 소스 가스를 공급하여 중간 도핑층(35b)을 성장시킨다. 이어서, Mg 소스 가스의 공급을 차단하여, 중간 도핑층(35b)의 성장을 중지시킨 후, 언도프트층(35a)을 성장시킴으로써, 본 발명에 따른 정공 이송층(35)이 형성될 수 있다.
한편, Mg 소스 가스의 유량은 적합한 도핑 농도를 달성하도록 선택되며, 정공 이송층(35)이 포함하는 중간 도핑층(35b) 내의 Mg 도핑 농도는 대략 1E18/㎤~1E20/㎤일 수 있다. 또한, 중간 도핑층(35b) 내의 Mg 도핑 농도는 언도프트층(35a) 내의 불순물의 농도보다는 높지만, 정공 주입층(33)의 Mg 도핑 농도보다는 작다.
한편, 정공 이송층(35)을 성장하기 전에, 챔버 내의 분위기를 질소 및 NH3 분위기로 변경할 수 있다. 이를 위해, 저농도 도핑층(33b)을 성장하기 전에 챔버 내로 질소 소스 가스 및 N2 가스를 공급하되, 갈륨 소스 가스, Mg 소스 가스 및 H2 가스의 공급은 차단될 수 있다. 챔버 내의 분위기를 질소 및 NH3 분위기로 변경하는 것은 약 3~10분 동안 수행될 수 있다.
정공 이송층(35)이 성장된 후 p형 접합층(37)이 예를 들어 910~940℃에서 성장된다. p형 접합층(37)은 챔버 내로 질소 소스 가스(예컨대, NH3), 갈륨 소스 가스(예컨대, TMGa 또는 TEGa), Mg 소스 가스(예컨대, Cp2Mg), N2 가스 및 H2 가스를 공급하여 정공 이송층(35) 상에 성장된다. 예를 들어, N2 가스는 30~50L/min, H2 가스는 140~160L/min, NH3 가스는 30~50L/min일 수 있다. 예컨대, N2:H2:NH3 유량비는 1:3:1일 수 있으며, Mg 소스 가스의 유량을 제외하면 정공 주입층(33)의 성장 조건과 동일할 수 있다. 한편, Mg 소스 가스의 유량은 적한한 도핑 농도를 달성하도록 선택되며, p형 접합층(37) 내의 Mg 도핑 농도는 대략 4E20/㎤이상일 수 있다.
상기 p형 접합층(37)이 성장된 후, 챔버 온도를 대략 700~800℃로 내려 N2 분위기에서 p형 반도체층(40)을 열처리할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 정공 이송층(35)을 성장하는 동안 H2 가스의 공급을 차단함으로써 정공 이송층(35)이 포함하는 언도프트층(35a) 내의 불순물의 농도를 낮출 수 있다. 또한, 정공 주입층(33) 및 p형 접합층(37)을 성장하는 동안에는 N2 가스와 H2 가스를 공급함으로써 p형 반도체층(40)의 결정 품질이 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 정공 이송층(35)이 성장 도중에, 중간 도핑층(35b)을 성장시킴으로써, p형 접합층(37)에서 정공 이송층(35)으로 확산되는 홀의 이동도를 향상시킬 수 있다.
이어서, n형 반도체층(25) 및 p형 반도체층(40)에 콘택하는 전극을 형성하고 개별 발광 다이오드 칩으로 분할함으로써 수평형 구조, 플립칩형 구조의 발광 소자가 제조될 수 있다. 나아가, p형 반도체층(40) 상부에 지지 기판(도시하지 않음)을 형성하고 기판(21)을 제거함으로써 성장 기판이 제거된 구조의 발광 소자, 예컨대 수직형 구조의 발광 다이오드 칩이 제작될 수도 있다.
도 4는 실험예에 따른 실시예와 비교예의 파워 및 순방향 전압을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 실험예에 따른 실시예와 비교예의 정전기 방전 수율을 나타내는 그래프이다.
본 실험예에서, 실시예의 발광 소자는 중간 도핑층(35b)을 포함하는 정공 이송층(35)을 포함하는 수평형 발광 다이오드이고, 비교예의 발광 소자는 정공 이송층을 포함하되, 중간 도핑층을 포함하지 않는 수평형 발광 다이오드이다. 실시예 및 비교예는 각각 별도의 웨이퍼로부터 제조된 40,000개의 발광 소자들로부터 도출된 데이터를 나타낸다. 따라서, 도 4의 파워 및 순방향 전압(Vf)은 실시예의 발광 소자들의 평균 값 및 비교예의 발광 소자들의 평균 값을 나타낸다. 또한, 도 5의 정전기 방전 수율은 정전기 방전 테스트 이후 파손되지 않고 잔류한 발광 소자들의 비율을 나타내며, 실시예에 따른 40,000개의 발광 소자들 중 불량이 발생하지 않은 비율 및 비교예에 따른 40,000개의 발광 소자들 중 불량이 발생하지 않은 비율을 나타낸다. 상기 정전기 방전 테스트는 HBM 모드에서 3kV 전압을 인가하는 방식으로 수행되었다.
도 4의 그래프에 나타난 바와 같이, 실시예의 발광 소자들은 비교예의 발광 소자들에 비해 낮은 순방향 전압을 가짐과 동시에, 더 높은 발광 파워를 나타낸다. 즉, 중간 도핑층(35b)을 포함하는 실시예의 발광 소자들이 중간 도핑층을 포함하지 않는 비교예의 발광 소자들에 비해 평균적으로 더 높은 발광 효율을 갖고 또한 전자와 정공의 재결합이 더욱 용이하게 이루어지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5의 그래프에 나타난 바와 같이, 실시예의 발광 소자들은 비교예의 발광 소자들에 비해 더 높은 정전기 방전 내압 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- n형 반도체층;
p형 반도체층; 및
상기 n형 반도체층과 상기 p형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하고,
상기 활성층은 밴드갭이 서로 다른 복수의 층이 교대로 적층되며,
상기 p형 반도체층은 p형 접합층 및 정공 이송층을 포함하되,
상기 정공 이송층은 복수의 층 및 상기 복수의 층 사이에 배치되는 적어도 하나의 중간도핑층을 포함하되,
상기 복수의 층은 상기 p형 접합층에서 멀어질수록 홀의 농도가 감소하는 영역을 포함하되,
상기 정공 이송층은 상기 p형 접합층 보다 두껍게 형성되며,
상기 중간 도핑층은 홀의 농도가 상기 p형 접합층의 홀의 농도의 62 내지 87% 되는 지점과 적어도 부분적으로 중첩되어 위치하는 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 활성층과 상기 정공 이송층 사이에 정공 주입층을 더 포함하며, 상기 정공 이송층의 두께는 상기 정공 주입층과 p형 접합층의 두께의 합보다 큰 발광 소자. - 청구항 2에 있어서,
상기 정공 주입층 내의 불순물의 농도는 1E20/㎤ 내지 5E20/㎤이고,
상기 p형 접합층 내의 불순물의 농도는 4E20/㎤ 이상이며,
상기 중간 도핑층 내의 불순물의 농도는 1E18/㎤ 내지 1E20/㎤인 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 중간 도핑층의 두께는 10 내지 20nm 이고, 상기 복수의 층의 두께는 15 내지 30nm 인 발광 소자. - 청구항 2에 있어서,
상기 정공 주입층과 상기 활성층 사이에 형성되는 전자 블록층을 더 포함하며, 상기 정공 주입층은 상기 전자 블록층에 접하는 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 p형 접합층에서 멀어질수록 홀의 농도가 감소하는 영역은 홀의 농도가 선형적으로 감소하는 영역을 포함하는 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 복수의 층은 상기 중간 도핑층에 가까워질수록 홀의 농도가 증가하는 영역을 더 포함하는 발광 소자. - 청구항 7에 있어서,
상기 중간 도핑층에 가까워질수록 홀의 농도가 증가하는 영역은 홀의 농도가 선형적으로 증가하는 영역을 포함하는 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 중간 도핑층의 전기적 저항은 상기 복수의 층의 전기적 저항보다 높은 발광 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 복수의 층은 상기 중간 도핑층보다 낮은 농도의 Mg 포함하는 발광 소자.
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