WO2022215876A1 - 자외선 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

자외선 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an ultraviolet semiconductor light emitting device. More particularly, the present invention relates to an ultraviolet semiconductor light emitting device having excellent ohmic contact characteristics and ultraviolet light emission efficiency between a p-type semiconductor layer and an electrode.
  • the present invention relates to a method for manufacturing an ultraviolet semiconductor light emitting device.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device emits ultraviolet light with a wavelength of about 220-320 nm by recombination of electrons provided from the n-type semiconductor layer and holes provided from the p-type semiconductor layer in the active layer. It is a semiconductor light emitting device.
  • Ultraviolet rays emitted from the ultraviolet semiconductor light emitting device have high energy, and thus may provide a sterilization effect. Accordingly, ultraviolet semiconductor light emitting devices are being applied in various fields requiring sterilization.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a conventional ultraviolet semiconductor light emitting device.
  • a conventional ultraviolet semiconductor light emitting device has a structure including a substrate 101, a buffer layer 105, an n-type semiconductor layer 110, an active layer 120, and a p-type semiconductor layer 130 from the bottom.
  • the buffer layer 105 is generally formed of AlN
  • the n-type semiconductor layer 110 and the p-type semiconductor layer 130 are generally formed of AlGaN.
  • the n-type semiconductor layer 110 is doped with Si as an n-type impurity
  • the p-type semiconductor layer 130 is doped with Mg as a p-type impurity.
  • the p-side electrode 140 is formed on the p-type semiconductor layer 130
  • the n-side electrode 150 is formed on the n-type semiconductor layer 110 .
  • the contact between the p-type semiconductor layer 130 and the p-side electrode 140 is difficult to form an ohmic contact. This is due to the fact that p-AlGaN used as a p-type semiconductor layer has a high bandgap energy.
  • the absence of an ohmic contact between the p-type semiconductor layer 130 and the p-side electrode 140 results in an increase in driving voltage, so an ohmic contact is formed between the p-type semiconductor layer 130 and the p-side electrode 140 . Needs to be.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view schematically illustrating another example of a conventional ultraviolet semiconductor light emitting device.
  • the UV light emitting device shown in FIG. 1B has a substrate 101, a buffer layer 105, an n-type semiconductor layer 110, an active layer 120, and a p-type semiconductor layer 130, similarly to the UV light emitting device shown in FIG. 1A. has a structure comprising
  • the buffer layer 105 is generally formed of AlN
  • the n-type semiconductor layer 110 and the p-type semiconductor layer 130 are generally formed of AlGaN.
  • the n-type semiconductor layer 110 is doped with Si as an n-type impurity
  • the p-type semiconductor layer 130 is doped with Mg as a p-type impurity.
  • an n-side electrode 150 is formed on the n-type semiconductor layer 110 .
  • the contact layer 160 is additionally formed on the p-type semiconductor layer 130 , and the p-side electrode 140 is formed on the contact layer 160 .
  • the contact layer 160 is a semiconductor layer having a smaller bandgap energy than p-AlGaN, and is generally formed of p-GaN.
  • the thickness of the p-GaN-based contact layer 160 is about 5-300 nm.
  • an ultraviolet light emitting device to which a p-GaN-based contact layer is applied can exhibit a low driving voltage, but has a disadvantage in that the ultraviolet light emitting efficiency is low due to a high absorption rate for ultraviolet rays.
  • An object of the present invention is to provide an ultraviolet semiconductor light emitting device capable of forming an ohmic contact between a p-type AlGaN layer and a p-side electrode and at the same time preventing deterioration of ultraviolet light emission characteristics.
  • Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an ultraviolet semiconductor light emitting device capable of forming an ohmic contact between a p-type AlGaN layer and a p-side electrode.
  • An ultraviolet semiconductor light emitting device for solving the above problems includes a substrate, an AlN layer formed on the substrate, an n-type AlGaN layer formed on the AlN layer, an active layer formed on the n-type AlGaN layer, and the and a p-type AlGaN layer formed on the active layer, a p-side electrode formed on the p-type AlGaN layer, and an n-side electrode electrically connected to the n-type AlGaN layer.
  • an AlGaN contact layer including an n-type impurity is formed between the p-type AlGaN layer and the p-side electrode.
  • the AlGaN contact layer is preferably formed to have a thickness of 1.5 nm to 4 nm.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device may exhibit a forward voltage of 6.5-6.7V under a forward current of 60mA.
  • the doping concentration of the n-type impurity may be 1 ⁇ 10 19 pieces/cm 3 or more, preferably 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 pieces/cm 3 .
  • the concentration of the n-type impurity may be higher than the concentration of the p-type impurity.
  • At least a portion of the AlGaN contact layer may include only n-type impurities.
  • the Al molar ratio, [Al]/([Al]+[Ga]) may be 0.1-0.55 (here, [Al] and [Ga] are mol% of Al and Ga).
  • At least one layer of a current spreading layer formed between the AlGaN contact layer and the p-side electrode and an electron blocking layer formed between the active layer and the p-type AlGaN layer may be further included.
  • An ultraviolet semiconductor light emitting device for solving the above problems is a p-type AlGaN layer, a p-side electrode formed under the p-type AlGaN layer, an active layer formed on the p-type AlGaN layer, and on the active layer
  • An n-type AlGaN layer is formed, and an n-side electrode is formed on the n-type AlGaN layer, and an AlGaN contact layer including an n-type impurity is formed between the p-type electrode and the p-type AlGaN layer.
  • the AlGaN contact layer is preferably formed to have a thickness of 1.5 nm to 4 nm.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device may exhibit a forward voltage of 6.5-6.7V under a forward current of 60mA.
  • the doping concentration of the n-type impurity may be 1 ⁇ 10 19 pieces/cm 3 or more, preferably 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 pieces/cm 3 .
  • the concentration of the n-type impurity may be higher than the concentration of the p-type impurity.
  • At least a portion of the AlGaN contact layer may include only n-type impurities.
  • [Al]/([Al]+[Ga]) may be 0.1-0.55 (here, [Al] and [Ga] are mol% of Al and Ga).
  • At least one layer of a current spreading layer formed between the AlGaN contact layer and the p-side electrode and an electron blocking layer formed between the active layer and the p-type AlGaN layer may be further included.
  • the AlGaN contact layer may be formed to a thickness of 1.5 nm to 4 nm.
  • the doping concentration of the n-type impurity is adjusted to 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 pieces/cm 3 , and [Al]/([Al]+[Ga]) is 0.1-0.55. (Here, [Al] and [Ga] can be adjusted by mol% of Al and Ga).
  • p-type impurities When forming the AlGaN contact layer, p-type impurities may be doped together with n-type impurities.
  • the p-type electrode is formed on the electron blocking layer
  • An AlGaN layer can be formed.
  • the method for manufacturing an ultraviolet semiconductor light emitting device for solving the above problems includes sequentially forming an AlN layer, an n-type AlGaN layer, an active layer, and a p-type AlGaN layer on a substrate, the p-type AlGaN layer forming an AlGaN contact layer doped with an n-type impurity thereon, forming a p-side electrode on the AlGaN contact layer doped with an n-type impurity, the substrate using a laser lift-off process or a wet etching process; and exposing the n-type AlGaN layer by removing the AlN layer, and forming an n-side electrode on the n-type AlGaN layer.
  • the AlGaN contact layer may be formed to a thickness of 1.5 nm to 4 nm.
  • the doping concentration of the n-type impurity is adjusted to 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 pieces/cm 3 , and [Al]/([Al]+[Ga]) is 0.1-0.55. (Here, [Al] and [Ga] can be adjusted by mol% of Al and Ga).
  • p-type impurities When forming the AlGaN contact layer, p-type impurities may be doped together with n-type impurities.
  • the p-type electrode is formed on the electron blocking layer
  • An AlGaN layer can be formed.
  • an AlGaN contact layer including an n-type impurity is formed on the p-type AlGaN layer, and then a p-side electrode is formed.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device according to the present invention can form a good ohmic contact between the AlGaN contact layer and the p-side electrode, and as a result, a low forward driving voltage can be exhibited.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device can exhibit a low forward driving voltage, and can exhibit relatively high luminous efficiency compared to the case where a conventional p-GaN contact layer is applied.
  • FIG. 1A schematically shows an example of a conventional ultraviolet semiconductor light emitting device.
  • FIG. 1B schematically shows another example of a conventional ultraviolet semiconductor light emitting device.
  • FIG. 2A schematically shows an ultraviolet semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B schematically shows an ultraviolet semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A schematically shows an ultraviolet semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
  • 3B schematically shows an ultraviolet semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • references to an element or layer as being “on” or “on” another element or layer include not only directly on the other element or layer, but also intervening other layers or other elements. On the other hand, reference to an element “directly on” or “directly on” indicates that there are no intervening elements or layers intervening.
  • a component when it is described that a component is “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components are “connected” between each component. It should be understood that each component may be “interposed” or “connected”, “coupled” or “connected” through another component.
  • FIG. 2A schematically shows an ultraviolet semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device includes a substrate 201 , an AlN layer 205 , an n-type AlGaN layer 210 , an active layer 220 , a p-type AlGaN layer 230 , and p It includes a side electrode 250 and an n-side electrode 260 .
  • An AlGaN contact layer 240 is formed between the p-type AlGaN layer and the p-side electrode.
  • the substrate 201 may be, for example, a growth substrate such as a sapphire substrate.
  • the substrate 201 may be a silicon substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, or the like.
  • the substrate 201 may use a patterned substrate such as PSS (Patterned Sapphire Substrate).
  • An AlN layer 205 is formed on the substrate 201 .
  • the AlN layer 205 serves as a base layer for forming AlGaN semiconductor layers.
  • the AlN layer 205 may be formed of a single crystal or a polycrystal.
  • the thickness of the AlN layer 205 may be about 1-3 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • the AlN layer 205 may be formed of a single crystal in order to improve the crystal quality of the semiconductor layers thereon.
  • an un-doped AlGaN layer (not shown) may be further formed.
  • n-type AlGaN layer 210 is formed on the AlN layer 205 .
  • the n-type AlGaN layer 210 is formed as a single layer or multiple layers of AlGaN, and is doped with an n-type impurity such as Si or Ge.
  • the active layer 220 is formed on the n-type AlGaN layer 210 .
  • the active layer 220 may be formed in a multi-quantum wells (MQWs) structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked.
  • MQWs multi-quantum wells
  • the active layer 220 has, for example, an Al molar ratio ([Al]/([Al]+[Ga]), where [Al], [Ga] is the mol% of Al, Ga), such as 0.35-0.45.
  • the low AlGaN well layer and the AlGaN barrier layer having a relatively high Al content compared to the well layer, such as 0.55-0.65 Al molar ratio, may be alternately stacked, but the present invention is not limited thereto, and the n-type AlGaN layer is not limited thereto. As long as it can emit ultraviolet light through recombination of electrons provided in 210 and holes provided in the p-type AlGaN layer 230 , it may be applied without limitation.
  • the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer on the upper and lower portions of the active layer 220 are also formed of an AlGaN layer in terms of lowering light absorption.
  • the active layer is formed on the basis of the AlGaN layer
  • the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer are formed of n-type GaN and p-type GaN
  • a large amount of ultraviolet rays formed in the active layer and the n-type semiconductor layer By absorption in the p-type semiconductor layer, the luminous efficiency may be reduced.
  • the n-type semiconductor layer is formed of n-type AlGaN and the p-type semiconductor layer is formed of p-type AlGaN.
  • the p-type AlGaN layer 230 is formed on the active layer 220 .
  • the p-type AlGaN layer 230 is formed of AlGaN in a single layer or in multiple layers.
  • the p-type AlGaN layer 230 is doped with a p-type impurity such as Mg.
  • an electron blocking layer is disposed between the active layer 220 and the p-type AlGaN layer 230 .
  • An Electron Blocking Layer (EBL) 225 may be additionally formed.
  • the electron blocking layer 225 may be formed to have a higher bandgap energy than the barrier layer of the active layer.
  • the electron blocking layer 225 may be formed of AlGaN having a higher Al content than the barrier layer of the active layer.
  • a p-side electrode 250 is formed on the p-type AlGaN layer 230 .
  • an n-side electrode 260 is formed on the n-type AlGaN layer 210 .
  • FIG. 2A shows an example in which a portion of the n-type AlGaN layer 210 is exposed and an n-side electrode 260 is formed on the exposed n-type AlGaN layer 210 .
  • the present invention is not limited thereto, and for example, the n-side electrode may be formed on the same plane as the p-side electrode through a via hole.
  • Each of the p-side electrode 250 and the n-side electrode 260 may be formed of a metal having excellent electrical conductivity, such as Cr, Mo, Cu, Al, or graphene.
  • an AlGaN contact layer 240 is formed between the p-type AlGaN layer 230 and the p-side electrode 250 .
  • an n-type impurity is included in the AlGaN contact layer 240 .
  • the AlGaN contact layer 240 may be formed of an n-type AlGaN layer 240 .
  • the p-GaN bandgap energy is lower than that of p-AlGaN, so that the p-side electrode and the ohmic contact are well formed. Therefore, it can represent a low forward voltage.
  • the UV semiconductor light emitting device to which the p-GaN contact layer is applied has a disadvantage in that the UV light emission efficiency is low.
  • an AlGaN contact layer 240 containing n-type impurities is formed between the p-type AlGaN layer 230 and the p-side electrode 250 .
  • the AlGaN contact layer 240 including the n-type impurity may have a smaller work function than the undoped AlGaN layer or the p-type AlGaN layer due to doping of the n-type impurity, and thus the AlGaN contact layer ( A good ohmic contact may be formed between the 240 ) and the p-side electrode 250 to indicate a low forward voltage.
  • the ultraviolet absorption rate is lower than that of the GaN semiconductor, the deterioration of the ultraviolet light emitting efficiency can be reduced or prevented.
  • an n-type GaN contact layer may be considered between the p-type AlGaN layer 230 and the p-side electrode 250 .
  • the forward voltage characteristic can be improved, but it is difficult to achieve high UV light emission efficiency due to the high UV absorption rate of GaN itself. Therefore, considering both the forward voltage characteristic and the ultraviolet light emission efficiency, it can be considered that the AlGaN contact layer 240 including the n-type impurity is preferably disposed between the p-type AlGaN layer 230 and the p-side electrode 250 . have.
  • the AlGaN contact layer 240 may be formed of, for example, an AlGaN layer doped with only n-type impurities.
  • the AlGaN contact layer 240 may be formed of an AlGaN layer doped with both n-type impurities and p-type impurities.
  • the p-type impurity may be intentionally included in the AlGaN contact layer 240 or may be included unintentionally due to a so-called memory effect.
  • the concentration of the n-type impurity may be higher than the concentration of the p-type impurity.
  • the concentration of the n-type impurity is lower than that of the p-type impurity in the portion adjacent to the p-type AlGaN layer 230 (for example, the lower half in the thickness direction), and the p-type electrode ( 250), the concentration of the n-type impurity may be higher than the concentration of the p-type impurity in the portion (eg, the upper half in the thickness direction).
  • the AlGaN contact layer 240 may include only n-type impurities.
  • the AlGaN contact layer 240 includes both n-type impurities and p-type impurities in the portion adjacent to the p-type AlGaN layer 230 (eg, the lower half in the thickness direction), and is formed on the p-side electrode 250 .
  • the adjacent portion eg, the upper half in the thickness direction
  • the concentration of the n-type impurity in the AlGaN contact layer 240 may be substantially constant in the thickness direction. In some other examples, the concentration of the n-type impurity in the AlGaN contact layer 240 may gradually increase from the bottom to the top.
  • the AlGaN contact layer 240 is preferably formed to a thickness of 1.5-4 nm, more preferably formed to a thickness of 1.5-3 nm.
  • the thickness of the AlGaN contact layer 240 exceeds 4 nm, the forward voltage characteristic may be deteriorated.
  • very high process accuracy may be required.
  • the UV semiconductor light emitting device could exhibit a forward voltage of 6.5-6.7V under a forward current of 60mA.
  • the doping concentration of the n-type impurity may be 1 ⁇ 10 19 particles/cm 3 or more, and preferably 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 particles/cm 3 .
  • the doping concentration of the n-type impurity means an average doping concentration.
  • the doping concentration of 1 ⁇ 10 19 pieces/cm 3 or more of the n-type impurity goes beyond the unavoidable doping of the n-type impurity due to contamination and the like, and can be viewed as a result of intentionally adding the n-type impurity.
  • the doping concentration of the n-type impurity is less than 1 ⁇ 10 19 pieces/cm 3 , a sufficient ohmic contact with the p-side electrode 250 may not be formed, so that forward voltage characteristics may be deteriorated.
  • the doping concentration of the n-type impurity exceeds 4 ⁇ 10 20 pieces/cm 3 , an n-type AlGaN layer having an excessively high doping concentration of the n-type impurity is formed on the p-type AlGaN layer 230 , so that the ultraviolet light emitting device may not work properly.
  • the Al molar ratio, [Al]/([Al]+[Ga]) may be 0.1-0.55 (here, [Al] and [Ga] are mol% of Al and Ga). have.
  • [Al]/([Al]+[Ga]) is less than 0.1, the composition of the AlGaN contact layer becomes similar to that of GaN due to insufficient Al content, and the UV absorption rate may be increased.
  • [Al]/([Al]+[Ga]) exceeds 0.55, the resistance and bandgap energy may become excessively high and the forward voltage characteristic may be deteriorated.
  • the n-type AlGaN layer 210 , the active layer 220 , the p-type AlGaN layer 230 , and the AlGaN contact layer 240 constituting the ultraviolet semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention are MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor). Deposition) may be formed at a deposition temperature of about 900-1200 °C by a known method.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention may be manufactured by the following process.
  • an AlN layer 205 , an n-type AlGaN layer 210 , an active layer 220 , and a p-type AlGaN layer 230 are sequentially formed on a substrate 201 by a method such as MOCVD.
  • an AlGaN contact layer 240 doped with an n-type impurity such as Si is formed on the p-type AlGaN layer 230 .
  • the AlGaN contact layer 240 is preferably formed to a thickness of 1.5 nm to 4 nm, and more preferably formed to a thickness of 1.5 nm to 3 nm.
  • the doping concentration of the n-type impurity is adjusted to 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 pieces/cm 3 , and [Al]/([Al]+[Ga]) can be adjusted to 0.1-0.55 (here, [Al] and [Ga] are mol% of Al and Ga).
  • p-type impurities may be intentionally or unintentionally doped together with n-type impurities.
  • n-type AlGaN layer 210 is exposed in the form shown in FIG. 2A through, for example, mesa etching.
  • the p-side electrode 250 is formed on the AlGaN contact layer 240
  • the n-side electrode 260 is formed to be electrically connected to the exposed n-type AlGaN layer 210 .
  • the n-side electrode 260 may be formed on the exposed n-type AlGaN layer 210 as shown in FIG. 2A .
  • a via hole is formed so that the n-type AlGaN layer is exposed from the p-type AlGaN layer, an insulator is formed on the wall surface of the via hole and a part of the p-type AlGaN layer to prevent short circuit, and then an insulating layer inside the via hole and on the p-type AlGaN layer.
  • An n-side electrode may be formed by forming a metal layer thereon.
  • FIG. 2B schematically shows an ultraviolet semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention.
  • the UV semiconductor light emitting device has a substrate 201 , an AlN layer 205 , an n-type AlGaN layer 210 , and an active layer, like the UV semiconductor light emitting device according to the first embodiment. 220 , a p-type AlGaN layer 230 , a p-side electrode 250 , and an n-side electrode 260 .
  • an AlGaN contact layer 240 including n-type impurities is formed between the p-type AlGaN layer 230 and the p-side electrode 250 .
  • the AlGaN contact layer 240 may be formed of an n-type AlGaN layer 240 .
  • the AlGaN contact layer 240 may be formed of an AlGaN layer doped with only n-type impurities or an AlGaN layer doped with both n-type impurities and p-type impurities.
  • the concentration of the n-type impurity may be higher than the concentration of the p-type impurity.
  • at least a portion of the AlGaN contact layer 240 may include only n-type impurities.
  • the concentration of the n-type impurity in the AlGaN contact layer 240 may be substantially constant in the thickness direction. Alternatively, the concentration of the n-type impurity in the AlGaN contact layer 240 may gradually increase from the bottom to the top.
  • the AlGaN contact layer 240 is preferably formed to a thickness of 1.5-4 nm, and more preferably formed to a thickness of 1.5-3 nm.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device may exhibit a forward voltage of 6.5-6.7V under a forward current of 60mA.
  • the doping concentration of the n-type impurity may be 1 ⁇ 10 19 particles/cm 3 or more, and preferably, 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 particles/cm 3 .
  • [Al]/([Al]+[Ga]) may be 0.1-0.55 (here, [Al] and [Ga] are mol% of Al and Ga).
  • a current spreading layer 270 is additionally formed between the AlGaN contact layer 240 and the p-side electrode 250 .
  • the current spreading layer 270 may improve the current dispersion characteristics of the p-type AlGaN layer 230 and the AlGaN contact layer 240 to contribute to uniform light emission throughout the active layer.
  • the current spreading layer 270 may be formed of a transparent conductive oxide (TCO), such as indium tin oxide (ITO) or fluorine-doped tin oxide (FTO).
  • TCO transparent conductive oxide
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine-doped tin oxide
  • the current dispersing layer 270 is not necessarily formed of a transparent conductive oxide, and the current dispersing layer 270 may be formed of graphene, and PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) It may be formed of a conductive polymer such as
  • FIG. 3A schematically shows an ultraviolet semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device includes an n-type AlGaN layer 310 , an active layer 320 , and a p-type AlGaN layer 330 , and a p-type AlGaN layer 330 from below.
  • an active layer 320 and an n-type AlGaN layer 310 are formed.
  • a p-side electrode 350 is formed below the p-type AlGaN layer 330
  • an n-side electrode 360 is formed above the n-type AlGaN layer 310 .
  • an electron blocking layer 325 may be additionally formed between the active layer 320 and the p-type AlGaN layer 330 .
  • the AlGaN contact layer 340 including the n-type impurity is formed between the p-side electrode 350 and the p-type AlGaN layer 330 .
  • the AlGaN contact layer 340 may be formed of an n-type AlGaN layer 340 .
  • the AlGaN contact layer 340 may be formed of an AlGaN layer doped with only n-type impurities or an AlGaN layer doped with both n-type impurities and p-type impurities.
  • the concentration of the n-type impurity may be higher than the concentration of the p-type impurity.
  • at least a portion of the AlGaN contact layer 340 may include only n-type impurities.
  • the concentration of the n-type impurity in the AlGaN contact layer 340 may be substantially constant in the thickness direction. Alternatively, the concentration of the n-type impurity in the AlGaN contact layer 340 may gradually increase from the bottom to the top.
  • the AlGaN contact layer 340 is preferably formed to a thickness of 1.5-4 nm, and more preferably formed to a thickness of 1.5-3 nm.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device may exhibit a forward voltage of 6.5-6.7V under a forward current of 60mA.
  • the doping concentration of the n-type impurity may be 1 ⁇ 10 19 particles/cm 3 or more, and preferably, 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 particles/cm 3 .
  • [Al]/([Al]+[Ga]) may be 0.1-0.55 (here, [Al] and [Ga] are mol% of Al and Ga).
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device shown in FIG. 3A has a so-called vertical structure.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device shown in FIG. 3A may be manufactured, for example, by the following method.
  • an AlN layer, an n-type AlGaN layer 310, an active layer 320, a p-type AlGaN layer 330, and an AlGaN contact layer 340 doped with n-type impurities are formed on a growth substrate such as a sapphire substrate by MOCVD. After sequentially forming, the p-side electrode 350 is formed.
  • the growth substrate and the AlN layer are removed using a laser lift off (LLO) process, a wet etching process, etc. to form the n-side electrode 360 .
  • LLO laser lift off
  • 3B schematically shows an example of an ultraviolet semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device includes an n-type AlGaN layer 310 , an active layer 320 , and a p-type AlGaN layer 330 , and a p-type AlGaN layer 330 from below.
  • an active layer 320 and an n-type AlGaN layer 310 are formed.
  • a p-side electrode 350 is formed below the p-type AlGaN layer 330
  • an n-side electrode 360 is formed above the n-type AlGaN layer 310 .
  • an electron blocking layer 325 may be additionally formed between the active layer 320 and the p-type AlGaN layer 330 .
  • An AlGaN contact layer 340 including n-type impurities is formed between the p-side electrode 350 and the p-type AlGaN layer 330 .
  • the AlGaN contact layer 340 may be formed of an n-type AlGaN layer 340 .
  • the AlGaN contact layer 340 may be formed of an AlGaN layer doped with only n-type impurities or an AlGaN layer doped with both n-type impurities and p-type impurities.
  • the concentration of the n-type impurity may be higher than the concentration of the p-type impurity.
  • at least a portion of the AlGaN contact layer 340 may include only n-type impurities.
  • the concentration of the n-type impurity in the AlGaN contact layer 340 may be substantially constant in the thickness direction. Alternatively, the concentration of the n-type impurity in the AlGaN contact layer 340 may gradually increase from the bottom to the top.
  • the AlGaN contact layer 340 is preferably formed to a thickness of 1.5-4 nm, and more preferably formed to a thickness of 1.5-3 nm.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device may exhibit a forward voltage of 6.5-6.7V under a forward current of 60mA.
  • the doping concentration of the n-type impurity may be 1 ⁇ 10 19 particles/cm 3 or more, and preferably, 1 ⁇ 10 19 -4 ⁇ 10 20 particles/cm 3 .
  • [Al]/([Al]+[Ga]) may be 0.1-0.55 (here, [Al] and [Ga] are mol% of Al and Ga).
  • the AlGaN contact layer 340 and A current spreading layer 370 is additionally formed between the p-side electrodes 350 .
  • the current spreading layer 370 may be formed of a transparent conductive oxide, graphene, a conductive polymer, or the like.
  • An ultraviolet semiconductor light emitting device specimen according to Comparative Example 1 and a UV semiconductor light emitting device specimen according to Example 1 were prepared.
  • the UV semiconductor light emitting device specimen according to Comparative Example 1 and the UV semiconductor specimen according to Example 1 were prepared in the same manner except that the chip size and the composition of the contact layer were different.
  • the contact layer between the p-type AlGaN layer and the p-side electrode was formed of p-type GaN having an average Mg doping concentration of 1x10 20 pieces/cm 3
  • the ultraviolet light according to Example 1 In the case of the semiconductor light emitting device, the contact layer between the p-type AlGaN layer and the p-side electrode was formed of n-type AlGaN (Al molar ratio: 0.4) having an average Si doping concentration of 1 ⁇ 10 20 pieces/cm 3 at 950°C.
  • the UV luminous efficiency was evaluated by Wall Plug Efficiency (WPE), which means the ratio of the input power of the electric energy applied to the light emitting device to the output power of the emitted UV light.
  • WPE Wall Plug Efficiency
  • the UV semiconductor light emitting device specimen according to Comparative Example 1 showed a relatively low forward voltage, but the WPE luminous efficiency was only about 2.3%.
  • the forward voltage was slightly higher than that of Comparative Example 1, but the WPE luminous efficiency was about 5%, which was about twice higher than that of Comparative Example 1.
  • An ultraviolet semiconductor light emitting device was manufactured under the same conditions as in Example 1 except for the thickness of the AlGaN contact layer between the p-type AlGaN layer and the p-side electrode, and the forward voltage was measured, as shown in Table 2.
  • the AlGaN contact layer had an average Si doping concentration of 1 ⁇ 10 20 pieces/cm 3 n-type AlGaN ( Al molar ratio: 0.4).
  • the forward voltage (Vf) decreases as the thickness of the AlGaN contact layer including the n-type impurity increases from 1.5 nm to 3 nm.
  • the forward voltage Vf rather increases as the thickness of the AlGaN contact layer including the n-type impurity increases from 3 nm to 4.5 nm.
  • the thickness of the AlGaN contact layer including the n-type impurity is preferably less than 4.5 nm, more preferably 1.5-4 nm, and most preferably 1.5-3 nm.
  • the ultraviolet semiconductor light emitting device includes an AlGaN contact layer containing n-type impurities between the p-type AlGaN layer and the p-side electrode, it can exhibit a low forward driving voltage and high luminous efficiency.

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Abstract

p형 AlGaN층과 p측 전극 간의 오믹 컨택을 형성할 수 있으면서 동시에 발광 특성 저하를 방지할 수 있는 자외선 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 자외선 반도체 발광소자는 p형 AlGaN층과 p측 전극 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

자외선 반도체 발광소자 및 그 제조 방법
본 발명은 자외선 반도체 발광소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 p형 반도체층과 전극 간의 오믹 컨택 특성 및 자외선 발광 효율이 우수한 자외선 반도체 발광소자에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 자외선 반도체 발광소자 제조 방법에 관한 것이다.
자외선 반도체 발광소자는 n형 반도체층에서 제공되는 전자(electron)와 p형 반도체층에서 제공되는 정공(hole)이 활성층에서 재결합(re-combination)함으로써 약 220-320nm 정도의 파장의 자외선을 방출하는 반도체 발광소자이다.
자외선 반도체 발광소자에서 방출되는 자외선은 높은 에너지를 가지고 있어, 살균 효과를 제공할 수 있다. 이에 따라 살균이 요구되는 다양한 분야에서 자외선 반도체 발광소자가 적용되고 있다.
도 1a는 종래의 자외선 반도체 발광소자의 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 종래의 자외선 반도체 발광소자는 하부로부터 기판(101), 버퍼층(105), n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)을 포함하는 구조를 갖는다. 자외선 반도체 발광소자에 있어서, 버퍼층(105)은 일반적으로 AlN으로 형성되고, n형 반도체층(110) 및 p형 반도체층(130)은 일반적으로 AlGaN으로 형성된다. 일반적으로 n형 반도체층(110)에는 n형 불순물인 Si가 도핑되어 있고, p형 반도체층(130)은 p형 불순물인 Mg가 도핑되어 있다. 또한, p형 반도체층(130) 상에는 p측 전극(140)이 형성되고, n형 반도체층(110) 상에는 n측 전극(150)이 형성된다.
통상 p형 반도체층(130)과 p측 전극(140) 간의 컨택은 오믹 컨택을 이루기 어렵다. 이는 p형 반도체층으로 사용되는 p-AlGaN이 높은 밴드갭 에너지를 가지고 있는 것에 기인한다. p형 반도체층(130)과 p측 전극(140) 간에 오믹 컨택이 이루어지지 않는 것은 구동 전압의 증가를 가져오므로, p형 반도체층(130)과 p측 전극(140) 간에 오믹 컨택을 형성할 필요가 있다.
도 1b는 종래의 자외선 반도체 발광소자의 다른 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1b에 도시된 자외선 발광소자는 도 1a에 도시된 자외선 발광소자와 마찬가지로, 기판(101), 버퍼층(105), n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)을 포함하는 구조를 갖는다. 자외선 반도체 발광소자에 있어서, 버퍼층(105)은 일반적으로 AlN으로 형성되고, n형 반도체층(110) 및 p형 반도체층(130)은 일반적으로 AlGaN으로 형성된다. 일반적으로 n형 반도체층(110)에는 n형 불순물인 Si가 도핑되어 있고, p형 반도체층(130)은 p형 불순물인 Mg가 도핑되어 있다. 또한, n형 반도체층(110) 상에는 n측 전극(150)이 형성된다.
다만, 도 1b에 도시된 반도체 발광소자는 p형 반도체층(130) 상에 컨택층(160)이 추가로 형성되어 있고, 컨택층(160) 상에 p측 전극(140)이 형성되어 있다. 컨택층(160)은 p-AlGaN보다 밴드갭 에너지가 작은 반도체층이며, 일반적으로 p-GaN으로 형성된다. p-GaN 기반의 컨택층(160)의 두께는 5-300nm 정도이다.
다만, p-GaN은 자외선에 대한 높은 흡수율을 갖는다. 따라서, p-GaN 기반의 컨택층을 적용한 자외선 발광소자는 낮은 구동전압을 나타낼 수 있으나, 자외선에 대한 높은 흡수율로 인해 자외선 발광 효율이 낮은 단점을 갖는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 p형 AlGaN층과 p측 전극 간의 오믹 컨택을 형성할 수 있으면서 동시에 자외선 발광 특성 저하를 방지할 수 있는 자외선 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 p형 AlGaN층과 p측 전극 간의 오믹 컨택을 형성할 수 있는 자외선 반도체 발광소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 기판, 상기 기판 상에 형성된 AlN층, 상기 AlN층 상에 형성된 n형 AlGaN층, 상기 n형 AlGaN층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 p형 AlGaN층, 상기 p형 AlGaN층 상에 형성된 p측 전극 및 상기 n형 AlGaN층에 전기적으로 연결된 n측 전극을 포함한다. 특징적으로, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 상기 p형 AlGaN층과 p측 전극 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층이 형성되어 있다.
p형 AlGaN층과 p측 전극 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층이 형성된 결과, 낮은 순방향 구동전압을 나타낼 수 있으면서도, 높은 발광 효율을 나타낼 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층은 1.5nm 내지 4nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 자외선 반도체 발광소자는 순방향 전류 60mA 조건에서 6.5-6.7V의 순방향 전압을 나타낼 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층에서, n형 불순물의 도핑 농도가 1×1019 개/cm3 이상일 수 있고, 바람직하게는 1×1019-4×1020개/cm3이다.
상기 AlGaN 컨택층은 적어도 일부에서 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 높을 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층은 적어도 일부에서 n형 불순물만 포함할 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층에서, Al 몰비, [Al]/([Al]+[Ga])가 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)일 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층과 p측 전극 사이에 형성된 전류 분산층 및 상기 활성층과 상기 p형 AlGaN층 사이에 형성된 전자차단층 중 적어도 하나의 층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 p형 AlGaN층, 상기 p형 AlGaN층 하부에 형성된 p측 전극, 상기 p형 AlGaN층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 n형 AlGaN층, 상기 n형 AlGaN층 상에 형성된 n측 전극을 포함하고, p측 전극과 상기 p형 AlGaN층 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 AlGaN 컨택층은 1.5nm 내지 4nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 자외선 반도체 발광소자는 순방향 전류 60mA 조건에서 6.5-6.7V의 순방향 전압을 나타낼 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층에서, n형 불순물의 도핑 농도가 1×1019 개/cm3 이상일 수 있고, 바람직하게는 1×1019-4×1020개/cm3이다.
상기 AlGaN 컨택층은 적어도 일부에서 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 높을 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층은 적어도 일부에서 n형 불순물만 포함할 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층에서, [Al]/([Al]+[Ga])가 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)일 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층과 p측 전극 사이에 형성된 전류 분산층 및 상기 활성층과 상기 p형 AlGaN층 사이에 형성된 전자차단층 중 적어도 하나의 층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자 제조 방법은 기판 상에 AlN층, n형 AlGaN층, 활성층 및 p형 AlGaN층을 순차적으로 형성하는 단계, 상기 p형 AlGaN층 상에, n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층을 형성하는 단계, 식각을 통해 상기 n형 AlGaN층의 일부분을 노출시키는 단계 및 상기 n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층 상에 p측 전극을 형성하고, 상기 n형 AlGaN층과 전기적으로 연결되도록 n측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 AlGaN 컨택층을 1.5nm 내지 4nm 두께로 형성할 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층을 형성할 때, n형 불순물의 도핑 농도를 1×1019-4×1020개/cm3로 조절하고, [Al]/([Al]+[Ga])를 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)로 조절할 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층을 형성할 때, p형 불순물이 n형 불순물과 함께 도핑될 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층 상에 전류 분산층을 추가로 형성하여, 상기 전류 분산층 상에 p측 전극을 형성하거나, 상기 활성층 상에 전자 차단층을 추가로 형성하여, 상기 전자차단층 상에 상기 p형 AlGaN층을 형성할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자 제조 방법은 기판 상에 AlN층, n형 AlGaN층, 활성층 및 p형 AlGaN층을 순차적으로 형성하는 단계, 상기 p형 AlGaN층 상에, n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층을 형성하는 단계, 상기 n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층 상에 p측 전극을 형성하는 단계, 레이저 리프트 오프 공정 또는 습식 식각 공정을 이용한 상기 기판 및 AlN층을 제거하여 상기 n형 AlGaN층을 노출시키는 단계 및 상기 n형 AlGaN층 상에 n측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 AlGaN 컨택층을 1.5nm 내지 4nm 두께로 형성할 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층을 형성할 때, n형 불순물의 도핑 농도를 1×1019-4×1020개/cm3로 조절하고, [Al]/([Al]+[Ga])를 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)로 조절할 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층을 형성할 때, p형 불순물이 n형 불순물과 함께 도핑될 수 있다.
상기 AlGaN 컨택층 상에 전류 분산층을 추가로 형성하여, 상기 전류 분산층 상에 p측 전극을 형성하거나, 상기 활성층 상에 전자 차단층을 추가로 형성하여, 상기 전자차단층 상에 상기 p형 AlGaN층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 자외선 반도체 발광소자 제조 방법에 의하면, p형 AlGaN층 상에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층을 형성한 후, p측 전극을 형성한다. 이를 통해, 본 발명에 따른 자외선 반도체 발광소자는 AlGaN 컨택층과 p측 전극 간의 양호한 오믹 컨택을 형성할 수 있으며, 그 결과 낮은 순방향 구동전압을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자외선 반도체 발광소자는 낮은 순방향 구동전압을 나타낼 수 있으면서도, 종래 p-GaN 컨택층을 적용한 경우에 비하여 상대적으로 높은 발광 효율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 종래의 자외선 반도체 발광소자의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1b는 종래의 자외선 반도체 발광소자의 다른 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 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. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 "위" 또는 "상"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않는 것을 나타낸다. 또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래", "하부", "위", "상부" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용 시, 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a를 참조하면, 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 기판(201), AlN층(205), n형 AlGaN층(210), 활성층(220), p형 AlGaN층(230), p측 전극(250) 및 n측 전극(260)을 포함한다. p형 AlGaN층과 p측 전극 사이에는 AlGaN 컨택층(240)이 형성되어 있다.
기판(201)은 예를 들어 사파이어 기판과 같은 성장 기판이 될 수 있다. 이외에도 기판(201)은 실리콘 기판, GaN 기판, AlN 기판 등이 될 수 있다. 또한 기판(201)은 PSS(Patterned Sapphire Substrate)와 같이 패턴이 형성된 것을 이용할 수 있다.
AlN층(205)은 기판(201) 상에 형성된다. AlN층(205)은 AlGaN 반도체층들을 형성하기 위한 베이스층의 역할을 한다. AlN층(205)은 단결정 또는 다결정으로 형성될 수 있다. AlN층(205)의 두께는 약 1-3㎛가 될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 AlN층(205)은 상부의 반도체층들의 결정 품질 향상을 위해 단결정으로 형성될 수 있다.
또한, AlN층(205) 상에는, 보다 구체적으로 AlN층(205)와 n형 AlGaN층(210) 사이에는 발광소자의 결정품질 향상 등을 목적으로, 비도핑(un-doped) AlGaN층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다.
n형 AlGaN층(210)은 AlN층(205) 상에 형성된다. n형 AlGaN층(210)은 AlGaN으로 단층 또는 다층으로 형성되며, Si, Ge 등과 같은 n형 불순물이 도핑되어 있다.
활성층(220)은 n형 AlGaN층(210) 상에 형성된다. 활성층(220)은 우물층과 장벽층이 교대로 적층된 다양자 우물(Multi Quantum Wells; MQWs) 구조로 형성될 수 있다. n형 AlGaN층(210)에서 제공되는 전자와 p형 AlGaN층(230)에서 제공되는 정공이 활성층(220)의 우물들층에서 재결합하면서 자외선이 방출될 수 있다. 활성층(220)은 예를 들어, Al 몰비([Al]/([Al]+[Ga]), 여기서 [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)가 0.35-0.45와 같이 Al 함량이 낮은 AlGaN 우물층과, Al 몰비가 0.55-0.65와 같이 우물층에 비해 Al 함량이 상대적으로 높은 AlGaN 장벽층이 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, n형 AlGaN층(210)에서 제공되는 전자와 p형 AlGaN층(230)에서 제공되는 정공의 재결합을 통해 자외선을 방출할 수 있는 것이라면 제한없이 적용될 수 있다.
활성층(220)이 자외선을 방출시키기 위해 AlGaN층을 기반으로 하여 형성될 때, 활성층(220)의 상부 및 하부에 있는 n형 반도체층과 p형 반도체층 역시 AlGaN층으로 형성되는 것이 광 흡수 저하 측면에서 바람직하다. 예를 들어, 활성층이 AlGaN층을 기반으로 하여 형성될 때, n형 반도체층과 p형 반도체층이 n형 GaN 및 p형 GaN으로 형성된다면, 활성층에서 형성된 자외선의 많은 양이 n형 반도체층과 p형 반도체층에서 흡수됨으로써 발광효율이 저하될 수 있다. 이러한 이유에서 본 발명에서는 n형 반도체층이 n형 AlGaN으로 형성되고 p형 반도체층이 p형 AlGaN으로 형성된다.
p형 AlGaN층(230)은 활성층(220) 상에 형성된다. p형 AlGaN층(230)은 AlGaN으로 단층 또는 다층으로 형성된다. P형 AlGaN층(230)에는 Mg과 같은 p형 불순물이 도핑되어 있다.
n형 AlGaN층(210)에서 제공되는 전자가 활성층(220)을 넘어 p형 AlGaN층(230)으로 오버플로우되는 것을 방지하기 위해, 활성층(220)과 p형 AlGaN층(230) 사이에는 전자차단층(Electron Blocking Layer; EBL)(225)이 추가로 형성될 수 있다. 전자차단층(225)은 활성층의 장벽층보다 높은 밴드갭 에너지를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 전자차단층(225)은 활성층의 장벽층보다 Al 함량이 더 높은 AlGaN으로 형성될 수 있다.
p형 AlGaN층(230) 상에는 p측 전극(250)이 형성된다. 그리고, n형 AlGaN층(210)에는 n측 전극(260)이 형성된다. 도 2a에는 n형 AlGaN층(210)의 일부분이 노출되고, 노출된 n형 AlGaN층(210) 상에 n측 전극(260)이 형성된 예를 나타낸다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 n측 전극은 비아홀을 통해 p측 전극과 동일 평면 상에 형성될 수도 있다. p측 전극(250) 및 n측 전극(260)은 각각 Cr, Mo, Cu, Al 등 전기전도성이 우수한 금속이나 그래핀 등으로 형성될 수 있다.
한편 도 2a를 참조하면, 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 p형 AlGaN층(230)과 p측 전극(250) 사이에 AlGaN 컨택층(240)이 형성되어 있다. 본 발명에서는 AlGaN 컨택층(240)에 n형 불순물이 포함되어 있다. 바람직하게는 AlGaN 컨택층(240)은 n형 AlGaN층(240)으로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 p-GaN 컨택층을 적용한 자외선 반도체 발광소자의 경우, p-GaN의 밴드갭 에너지가 p-AlGaN보다 낮은 것에 기인하여 p측 전극과 오믹 컨택을 양호하게 형성하고, 그에 따라 낮은 순방향 전압을 나타낼 수 있다. 그러나, p-GaN 고유의 자외선 흡수 특성으로 인해 p-GaN 컨택층을 적용한 자외선 반도체 발광소자는 자외선 발광 효율이 낮은 단점이 있다.
이에 비해 본 발명에 따른 자외선 반도체 발광소자는 p형 AlGaN층(230)과 p측 전극(250) 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층(240)이 형성되어 있다. n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층(240)은, n형 불순물의 도핑에 기인하여 비도핑 AlGaN층이나 p형 AlGaN층보다 작은 일함수(Work function)를 가질 수 있으며, 그에 따라 AlGaN 컨택층(240)과 p측 전극(250) 간에 양호한 오믹 컨택을 형성하여 낮은 순방향 전압을 나타낼 수 있다.
나아가, 자외선 반도체 발광소자의 기반이 되는 AlGaN 반도체의 경우, GaN 반도체에 비해 자외선 흡수율이 낮으므로, 자외선 발광 효율의 저하도 저감 내지는 방지할 수 있다.
한편, p형 AlGaN층(230)과 p측 전극(250) 사이에 n형 GaN 컨택층이 고려될 수 있다. 그러나, n형 GaN 컨택층의 경우, 순방향 전압 특성을 향상시킬 수 있으나, GaN 자체의 높은 자외선 흡수율로 인해 높은 자외선 발광 효율을 달성하기 어렵다. 따라서, 순방향 전압 특성 및 자외선 발광 효율을 모두 고려하면, p형 AlGaN층(230)과 p측 전극(250) 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층(240)이 배치되는 것이 바람직하다고 볼 수 있다.
AlGaN 컨택층(240)은 예를 들어, n형 불순물만 도핑된 AlGaN층으로 형성될 수 있다. 다른 예로, AlGaN 컨택층(240)은 n형 불순물과 p형 불순물이 모두 도핑된 AlGaN층으로 형성될 수 있다. AlGaN 컨택층(240)에서 p형 불순물은 의도적으로 포함될 수도 있고, 이른바 메모리 효과에 의해 비의도적으로 포함될 수 있다.
또 다른 예로, AlGaN 컨택층(240)은 적어도 일부에서 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 높을 수 있다. 예를 들어, AlGaN 컨택층(240)은 p형 AlGaN층(230)에 인접한 부분(예를 들어 두께 방향으로 하반부)에서는 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 낮고, p측 전극(250)에 인접한 부분(예를 들어 두께 방향으로 상반부)에서는 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 높을 수 있다.
또 다른 예로, AlGaN 컨택층(240)은 적어도 일부에서 n형 불순물만 포함할 수 있다. 예를 들어, AlGaN 컨택층(240)은 p형 AlGaN층(230)에 인접한 부분(예를 들어 두께 방향으로 하반부)에서는 n형 불순물 및 p형 불순물을 모두 포함하고, p측 전극(250)에 인접한 부분(예를 들어 두께 방향으로 상반부)에서는 n형 불순물만 포함할 수 있다.
일부 예에서, AlGaN 컨택층(240)에서 n형 불순물의 농도는 두께 방향으로 실질적으로 일정할 수 있다. 다른 일부 예에서, AlGaN 컨택층(240)에서 n형 불순물의 농도는 하부에서 상부를 향할수록 점진적으로 증가할 수 있다.
한편, AlGaN 컨택층(240)은 1.5-4nm 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 1.5-3nm 두께로 형성되는 것이 보다 바람직하다. AlGaN 컨택층(240)의 두께가 4nm를 초과하는 경우, 순방향 전압 특성이 저하될 수 있다. 반대로, AlGaN 컨택층(240)의 두께를 1.5nm로 하기 위해서는 매우 높은 공정 정확도를 필요로 할 수 있다.
실험 결과, AlGaN 컨택층(240)의 두께가 1.5-4nm, 보다 바람직하게는 1.5-3nm인 경우, 자외선 반도체 발광소자는 순방향 전류 60mA 조건에서 6.5-6.7V의 순방향 전압을 나타낼 수 있었다.
또한, AlGaN 컨택층(240)에서, n형 불순물의 도핑 농도가 1×1019 개/cm3 이상일 수 있고, 바람직하게는 1×1019-4×1020개/cm3이다. n형 불순물의 도핑 농도는 평균 도핑 농도를 의미한다. 이와 같은 1×1019 개/cm3 이상의 n형 불순물의 도핑 농도는 오염 등에 기인한 n형 불순물의 불가피한 도핑을 넘어서서 n형 불순물을 의도적으로 첨가한 결과로 볼 수 있다. n형 불순물의 도핑 농도가 1×1019 개/cm3 미만인 경우, p측 전극(250)과의 충분한 오믹 컨택을 형성하지 못해 순방향 전압 특성이 저하될 수 있다. 반대로, n형 불순물의 도핑 농도가 4×1020개/cm3를 초과하는 경우, p형 AlGaN층(230) 상에 n형 불순물의 도핑 농도가 지나치게 높은 n형 AlGaN층이 형성됨으로써 자외선 발광소자가 제대로 구동되지 않을 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(240)에서, Al 몰비, [Al]/([Al]+[Ga])가 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)일 수 있다. [Al]/([Al]+[Ga])가 0.1 미만인 경우, Al 함량 부족으로 인해 AlGaN 컨택층 조성이 GaN과 유사해지면서 자외선 흡수율이 증가될 수 있다. 반대로, [Al]/([Al]+[Ga])가 0.55를 초과하는 경우, 저항 및 밴드갭 에너지가 지나치게 높아지면서 순방향 전압 특성이 저하될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 구성하는 n형 AlGaN층(210), 활성층(220), p형 AlGaN층(230), AlGaN 컨택층(240)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)와 같은 공지된 방법으로 약 900-1200℃의 증착 온도로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 다음과 같은 과정으로 제조될 수 있다.
우선, MOCVD 등의 방법으로 기판(201) 상에 AlN층(205), n형 AlGaN층(210), 활성층(220) 및 p형 AlGaN층(230)을 순차적으로 형성한다.
이어서, p형 AlGaN층(230) 상에, Si와 같은 n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층(240)을 형성한다. 이때, 전술한 바와 같이 AlGaN 컨택층(240)은 1.5nm 내지 4nm 두께로 형성하는 것이 바람직하고, 1.5nm 내지 3nm 두께로 형성하는 것이 보다 바람직하다.
또한, AlGaN 컨택층(240)을 형성할 때, n형 불순물의 도핑 농도를 1×1019-4×1020개/cm3로 조절하고, [Al]/([Al]+[Ga])를 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)로 조절할 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(240)을 형성할 때, 의도적으로 또는 비의도적으로 p형 불순물이 n형 불순물과 함께 도핑될 수 있다.
이후, 예를 들어 메사 식각과 같은 식각을 통해, 도 2a에 도시된 형태로 n형 AlGaN층(210)의 일부분을 노출시킨다. 이후, AlGaN 컨택층(240) 상에 p측 전극(250)을 형성하고, 노출된 n형 AlGaN층(210)과 전기적으로 연결되도록 n측 전극(260)을 형성한다. 일 예로, n측 전극(260)은 도 2a에 도시된 예와 같이, 노출된 n형 AlGaN층(210) 상에 형성될 수 있다. 다른 예로, p형 AlGaN층으로부터 n형 AlGaN층이 노출되도록 비아홀을 형성하고, 쇼트 방지를 위해 비아홀 벽면과 p형 AlGaN층 상의 일부분에 절연체를 형성한 후, 비아홀 내부 및 p형 AlGaN층 상의 절연층 상에 금속층을 형성하여 n측 전극을 형성할 수 있다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2b를 참조하면, 제2 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자와 마찬가지로, 기판(201), AlN층(205), n형 AlGaN층(210), 활성층(220), p형 AlGaN층(230), p측 전극(250) 및 n측 전극(260)을 포함한다.
또한, 제2 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 p형 AlGaN층(230)과 p측 전극(250) 사이에는 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층(240)이 형성되어 있다. 바람직하게는 AlGaN 컨택층(240)은 n형 AlGaN층(240)으로 형성될 수 있다.
AlGaN 컨택층(240)은 n형 불순물만 도핑된 AlGaN층으로 형성되거나 n형 불순물과 p형 불순물이 모두 도핑된 AlGaN층으로 형성될 수 있다. 다른 예로, AlGaN 컨택층(240)은 적어도 일부에서 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 높을 수 있다. 또 다른 예로, AlGaN 컨택층(240)은 적어도 일부에서 n형 불순물만 포함할 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(240)에서 n형 불순물의 농도는 두께 방향으로 실질적으로 일정할 수 있다. 이와 달리, AlGaN 컨택층(240)에서 n형 불순물의 농도는 하부에서 상부를 향할수록 점진적으로 증가할 수 있다.
AlGaN 컨택층(240)은 1.5-4nm 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 1.5-3nm 두께로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이상의 두께 조건을 만족하는 경우, 자외선 반도체 발광소자는 순방향 전류 60mA 조건에서 6.5-6.7V의 순방향 전압을 나타낼 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(240)에서, n형 불순물의 도핑 농도가 1×1019 개/cm3 이상일 수 있고, 바람직하게는 1×1019-4×1020개/cm3일 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(240)에서, [Al]/([Al]+[Ga])가 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)일 수 있다.
한편, 도 2b를 참조하면, 제2 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자에는, AlGaN 컨택층(240)과 p측 전극(250) 사이에 전류 분산층(270)이 추가로 형성되어 있다.
전류 분산층(270)은 p형 AlGaN층(230) 및 AlGaN 컨택층(240)의 전류 분산 특성을 향상시켜 활성층 전체에 걸친 균일한 발광에 기여할 수 있다.
전류 분산층(270)은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Flourine-doped Tin Oxide) 등과 같은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)로 형성될 수 있다. 다만, 전류 분산층(270)이 반드시 투명 전도성 산화물로 형성되어야 하는 것은 아니며, 전류 분산층(270)은 그래핀으로 형성될 수 있고, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)와 같은 전도성 고분자로 형성될 수도 있다.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3a를 참조하면, 제3 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 n형 AlGaN층(310), 활성층(320) 및 p형 AlGaN층(330)을 포함하며, 아래로부터 p형 AlGaN층(330), 활성층(320) 및 n형 AlGaN층(310)이 형성되어 있다. p형 AlGaN층(330) 하부에는 p측 전극(350)이 형성되어 있고, n형 AlGaN층(310) 상부에는 n측 전극(360)이 형성되어 있다. 또한 활성층(320)과 p형 AlGaN층(330) 사이에는 전자차단층(325)이 추가로 형성될 수 있다.
한편, 제3 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자의 경우에도, p측 전극(350)과 p형 AlGaN층(330) 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층(340)이 형성되어 있다. 바람직하게는 AlGaN 컨택층(340)은 n형 AlGaN층(340)으로 형성될 수 있다.
AlGaN 컨택층(340)은 n형 불순물만 도핑된 AlGaN층으로 형성되거나 n형 불순물과 p형 불순물이 모두 도핑된 AlGaN층으로 형성될 수 있다. 다른 예로, AlGaN 컨택층(340)은 적어도 일부에서 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 높을 수 있다. 또 다른 예로, AlGaN 컨택층(340)은 적어도 일부에서 n형 불순물만 포함할 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(340)에서 n형 불순물의 농도는 두께 방향으로 실질적으로 일정할 수 있다. 이와 달리, AlGaN 컨택층(340)에서 n형 불순물의 농도는 하부에서 상부를 향할수록 점진적으로 증가할 수 있다.
AlGaN 컨택층(340)은 1.5-4nm 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 1.5-3nm 두께로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이상의 두께 조건을 만족하는 경우, 자외선 반도체 발광소자는 순방향 전류 60mA 조건에서 6.5-6.7V의 순방향 전압을 나타낼 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(340)에서, n형 불순물의 도핑 농도가 1×1019 개/cm3 이상일 수 있고, 바람직하게는 1×1019-4×1020개/cm3일 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(340)에서, [Al]/([Al]+[Ga])가 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)일 수 있다.
도 3a에 도시된 자외선 반도체 발광소자는 이른바 수직형 구조를 갖는다. 도 3a에 도시된 자외선 반도체 발광소자는 예를 들어 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
먼저 사파이어 기판과 같은 성장 기판 상에 MOCVD 공정으로, AlN층, n형 AlGaN층(310), 활성층(320), p형 AlGaN층(330) 및 n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층(340)을 순차적으로 형성한 후, p측 전극(350)을 형성한다.
이후, 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off; LLO) 공정, 습식 식각 공정 등을 이용하여 성장 기판 및 AlN층을 제거한 후, 노출된 n형 AlGaN층(310) 상에 금속 증착, 전도성 기판 부착 등과 같은 방법으로 n측 전극(360)을 형성한다.
도 3b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3b를 참조하면, 제4 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자는 n형 AlGaN층(310), 활성층(320) 및 p형 AlGaN층(330)을 포함하며, 아래로부터 p형 AlGaN층(330), 활성층(320) 및 n형 AlGaN층(310)이 형성되어 있다. p형 AlGaN층(330) 하부에는 p측 전극(350)이 형성되어 있고, n형 AlGaN층(310) 상부에는 n측 전극(360)이 형성되어 있다. 또한 활성층(320)과 p형 AlGaN층(330) 사이에는 전자차단층(325)이 추가로 형성될 수 있다.
p측 전극(350)과 p형 AlGaN층(330) 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층(340)이 형성되어 있다. 바람직하게는 AlGaN 컨택층(340)은 n형 AlGaN층(340)으로 형성될 수 있다.
AlGaN 컨택층(340)은 n형 불순물만 도핑된 AlGaN층으로 형성되거나 n형 불순물과 p형 불순물이 모두 도핑된 AlGaN층으로 형성될 수 있다. 다른 예로, AlGaN 컨택층(340)은 적어도 일부에서 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 높을 수 있다. 또 다른 예로, AlGaN 컨택층(340)은 적어도 일부에서 n형 불순물만 포함할 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(340)에서 n형 불순물의 농도는 두께 방향으로 실질적으로 일정할 수 있다. 이와 달리, AlGaN 컨택층(340)에서 n형 불순물의 농도는 하부에서 상부를 향할수록 점진적으로 증가할 수 있다.
AlGaN 컨택층(340)은 1.5-4nm 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 1.5-3nm 두께로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이상의 두께 조건을 만족하는 경우, 자외선 반도체 발광소자는 순방향 전류 60mA 조건에서 6.5-6.7V의 순방향 전압을 나타낼 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(340)에서, n형 불순물의 도핑 농도가 1×1019 개/cm3 이상일 수 있고, 바람직하게는 1×1019-4×1020개/cm3일 수 있다.
또한, AlGaN 컨택층(340)에서, [Al]/([Al]+[Ga])가 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)일 수 있다.
한편, 도 3b를 참조하면, 제4 실시예에 따른 자외선 반도체 발광소자에는, p형 AlGaN층(330) 및 AlGaN 컨택층(340)의 전류 분산 특성을 향상시키기 위해, AlGaN 컨택층(340)과 p측 전극(350) 사이에 전류 분산층(370)이 추가로 형성되어 있다.
전류 분산층(370)은 투명 전도성 산화물, 그래핀, 전도성 고분자 등으로 형성될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
비교예 1에 따른 자외선 반도체 발광소자 시편과 실시예 1에 따른 자외선 반도체 발광소자 시편을 마련하였다. 비교예 1에 따른 자외선 반도체 발광소자 시편과 실시예 1에 따른 자외선 반도체 시편은 칩 사이즈와 컨택층의 조성이 상이한 것을 제외하고는 다른 조건은 동일하게 제조되었다.
비교예 1에 따른 자외선 반도체 발광소자의 경우, p형 AlGaN층과 p측 전극 사이의 컨택층이 평균 Mg 도핑 농도가 1x1020개/cm3인 p형 GaN으로 형성되었고, 실시예 1에 따른 자외선 반도체 발광소자의 경우, p형 AlGaN층과 p측 전극 사이의 컨택층이 950℃에서 평균 Si 도핑 농도가 1x1020개/cm3인 n형 AlGaN(Al 몰비: 0.4)으로 형성되었다.
자외선 발광 효율은 발광소자에 가해준 전기 에너지의 입력 파워와 방출된 자외선의 출력 파워의 비를 의미하는 Wall Plug Efficiency(WPE)로 평가하였다.
[표 1]
Figure PCTKR2022003429-appb-img-000001
상기 표 1을 참조하면, 비교예 1에 따른 자외선 반도체 발광소자 시편의 경우 상대적으로 낮은 순방향 전압을 나타내었으나, WPE 발광 효율이 약 2.3%에 불과한 것을 볼 수 있다. 이에 비해 실시예 1에 따른 자외선 반도체 발광소자 시편의 경우 비교예 1보다 순방향 전압이 약간 높았으나, WPE 발광 효율이 약 5%로서 비교예 1에 비해 약 2배 정도 높은 것을 볼 수 있다.
p형 AlGaN층과 p측 전극 사이의 AlGaN 컨택층의 두께를 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 자외선 반도체 발광소자를 제조하여, 순방향 전압을 측정하였으며, 표 2에 나타내었다.
실시예 2 및 실시예 3에 따른 자외선 반도체 발광소자 시편들에 있어서도 실시예 1에 따른 자외선 반도체 발광소자 시편과 마찬가지로, AlGaN 컨택층은 평균 Si 도핑 농도가 1x1020개/cm3인 n형 AlGaN(Al 몰비: 0.4)으로 형성되었다.
[표 2]
Figure PCTKR2022003429-appb-img-000002
표 2의 실시예 1과 실시예 2를 비교하면, n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층의 두께가 1.5nm에서 3nm로 증가함에 따라 순방향 전압(Vf)이 감소하는 것을 볼 수 있다. 그러나, n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층의 두께가 3nm에서 4.5nm로 증가함에 따라 순방향 전압(Vf)이 오히려 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 표 2에 따른 결과로 볼 때 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층의 두께는 4.5nm 미만인 것이 바람직하고, 1.5-4nm인 것이 보다 바람직하고, 1.5-3nm인 것이 가장 바람직하다고 볼 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 자외선 반도체 발광소자는 p형 AlGaN층과 p측 전극 사이의 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층을 포함함에 따라, 낮은 순방향 구동전압을 나타낼 수 있으면서도 높은 발광 효율을 나타낼 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.

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 AlN층;
    상기 AlN층 상에 형성된 n형 AlGaN층;
    상기 n형 AlGaN층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 AlGaN층;
    상기 p형 AlGaN층 상에 형성된 p측 전극; 및
    상기 n형 AlGaN층에 전기적으로 연결된 n측 전극을 포함하고,
    상기 p형 AlGaN층과 p측 전극 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층이 형성된 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  2. p형 AlGaN층;
    상기 p형 AlGaN층 하부에 형성된 p측 전극;
    상기 p형 AlGaN층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 n형 AlGaN층;
    상기 n형 AlGaN층 상에 형성된 n측 전극을 포함하고,
    p측 전극과 상기 p형 AlGaN층 사이에 n형 불순물을 포함하는 AlGaN 컨택층이 형성된 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층은 1.5nm 내지 4nm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자외선 반도체 발광소자는 순방향 전류 60mA 조건에서 6.5-6.7V의 순방향 전압을 나타내는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층에서, n형 불순물의 도핑 농도가 1×1019-4×1020개/cm3인 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층은 적어도 일부에서 n형 불순물의 농도가 p형 불순물의 농도보다 더 높은 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층은 적어도 일부에서 n형 불순물만 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층에서, [Al]/([Al]+[Ga])가 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)인 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광 소자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층과 p측 전극 사이에 형성된 전류 분산층; 및
    상기 활성층과 상기 p형 AlGaN층 사이에 형성된 전자차단층;
    중 적어도 하나의 층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자.
  10. 기판 상에 AlN층, n형 AlGaN층, 활성층 및 p형 AlGaN층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 p형 AlGaN층 상에, n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층을 형성하는 단계;
    식각을 통해 상기 n형 AlGaN층의 일부분을 노출시키는 단계; 및
    상기 n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층 상에 p측 전극을 형성하고, 상기 n형 AlGaN층과 전기적으로 연결되도록 n측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자 제조 방법.
  11. 기판 상에 AlN층, n형 AlGaN층, 활성층 및 p형 AlGaN층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 p형 AlGaN층 상에, n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층을 형성하는 단계;
    상기 n형 불순물이 도핑된 AlGaN 컨택층 상에 p측 전극을 형성하는 단계;
    레이저 리프트 오프 공정 또는 습식 식각 공정을 이용하여 상기 기판 및 AlN층을 제거하여 상기 n형 AlGaN층을 노출시키는 단계; 및
    상기 n형 AlGaN층 상에 n측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층을 형성할 때, 1.5nm 내지 4nm 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자 제조 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층을 형성할 때, n형 불순물의 도핑 농도를 1×1019-4×1020개/cm3로 조절하고, [Al]/([Al]+[Ga])를 0.1-0.55 (여기서, [Al], [Ga]는 Al, Ga의 mol%)로 조절하는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자 제조 방법.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층을 형성할 때, p형 불순물이 n형 불순물과 함께 도핑되는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자 제조 방법.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 AlGaN 컨택층 상에 전류 분산층을 추가로 형성하여, 상기 전류 분산층 상에 p측 전극을 형성하거나,
    상기 활성층 상에 전자 차단층을 추가로 형성하여, 상기 전자차단층 상에 상기 p형 AlGaN층을 형성하는 것을 특징으로 하는 자외선 반도체 발광소자 제조 방법.
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