KR100384597B1

KR100384597B1 - 터널접합층의 제조방법

Info

Publication number: KR100384597B1
Application number: KR10-2000-0068925A
Authority: KR
Inventors: 양계모; 전성란
Original assignee: 주식회사 옵토웰
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2020-11-20
Also published as: KR20020039041A

Abstract

질화물반도체를 이용한 터널접합층의 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 터널접합층의 제조방법은, 5x10¹⁸∼ 1x10²¹cm^-3의 농도로 p형 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체 박막을 형성하는 단계와, p형 질화물반도체 박막 상부에 5x10¹⁸∼ 1x10²¹cm^-3의 농도로 n형 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체 박막을 형성하는 단계를 포함하며; p형 질화물반도체 박막과 n형 질화물반도체 박막 사이에 게재되도록 델타도핑층을 형성하는 단계를 더 포함하거나, 또는 p형 질화물반도체 박막을 형성한 다음에 n형 질화물반도체 박막을 형성하는 단계 전 또는 델타도핑층을 형성하는 단계 전에 성장멈춤 공정이 더 포함되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 접합에서의 공핍층의 폭을 최대로 작게 하여 인가한 전류에 대하여 대부분의 자유캐리어들이 접합을 통하여 흡수가 일어나지 않고 터널링에 기여하게 되고, 터널접합층을 질화물반도체 레이저다이오드 및 발광다이오드에 적용하면 금속전극과의 오믹접촉 특성이 향상되고 소자의 발광효율이 증대될 뿐 만 아니라, 낮은 구동전압을 얻게 될 뿐 만 아니라, 임계전류를 낮출 수 있다.

Description

터널접합층의 제조방법{Method of fabricating Tunnel junction layer}

본 발명은 터널접합층의 제조방법에 관한 것으로, 특히 질화물반도체를 이용한 터널접합층의 제조방법에 관한 것이다.

GaN에 기초한 질화물반도체는 1.9eV 에서 6.2eV 사이의 에너지 밴드갭을 가지고 있음으로 광소자 및 전기소자의 이용에 매우 매력적인 물질임에도 불구하고 박막 자체의 높은 저항으로 인하여 소자 응용에 제한을 받고 있다. GaN 박막의 경우 n형 도판트로서 Si이 주로 사용되며, Si을 이용한 박막의 전자도핑농도는 10¹⁷∼10¹⁹cm^-3범위이다. 이 때, Si과 같은 도판트의 활성화에너지는 약 27meV 정도이므로 Si의 주개준위는 얕은 준위를 이루게 되어 GaN 박막에 도핑된 Si 도판트는 거의 모두가 활성화된다. 그리고 비록 10¹⁹cm^-3이상의 전자농도를 얻을 수 있을지라도 이러한 도핑 농도에서는 기판 위에 형성된 GaN 박막에서 깨짐이나 표면 거칠어짐이 발생한다. 따라서 전자농도가 크면서 양질인 두꺼운 GaN 박막을 얻는 데는 한계가 있다.

또한 GaN는 Zn, Cd, Mg 또는 Be 등과 같은 도판트를 사용하여 p형 GaN 박막을 얻을 수 있으나 이러한 도판트들은 깊은 준위를 형성하고 있으며 이중에서 가장 얕은 준위를 형성하는 Mg은 약 0.16eV로 가전자밴드 위로 매우 깊게 위치하게 된다. 또한 유기금속화학기상증착(Metalorganic Chemical Vapor Deposition ; MOCVD) 방법을 이용하여 p형 GaN 박막을 형성시켰을 때, p형 GaN 박막은 열처리나 낮은 에너지전자빔(LEEBI)과 같은 처리를 실시함으로써 형성하는 동안 형성된 Mg-H 복합체를 분리시키고 H 원자를 이동시킴으로써 Mg을 활성화시키게 된다. 이렇게 활성화된 Mg 농도는 보통 1×10¹⁹cm^-3이상이 되지만 Mg 원자는 상온에서 약 1∼5% 정도만이 이온화됨으로써 1×10¹⁸cm^-3이상의 정공농도를 얻기가 어렵다. 최근까지 보고된 결과에 의하면 가장 높은 정공농도는 나까무라에 의해 얻어진 3×10¹⁸cm^-3이다. 그리고일반적으로 얻어지는 p형 GaN 박막의 정공농도는 10¹⁷cm^-3이하이다.

특히 레이저다이오드 구조에서 클래드층으로 사용되는 AlGaN 층에 Mg을 도핑하는 경우에는 p형 GaN층의 경우보다 높은 정공농도를 얻기가 훨씬 어려워서 10¹⁷cm^-3이상의 정공농도를 얻는 것은 매우 어려울 뿐 만 아니라, 캐리어 가둠 효과를 증가하기 위해서는 AlGaN 박막의 두께가 두꺼워야 한다. 그러나 AlN과 GaN 박막의 격자상수 차이가 3.5% 정도로 클 뿐 아니라 열팽창계수의 차이가 크므로 박막의 두께가 커질수록 깨짐이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Al의 조성비를 크게 함으로써 박막의 두께를 작게 하는 경우에는 Mg의 도핑이 더욱 어려워지므로 고 정공농도 및 고품질의 p형 AlGaN 박막을 얻는 데는 한계가 있다. 이러한 특성들은 질화물반도체를 이용한 발광소자의 구동전압 및 임계전류를 커지게 하는 근본적인 문제가 있다.한편, 터널접합은 통상 1x1019 cm-3 이상의 고농도로 도핑된 p형 반도체 박막과 n형 반도체 박막이 접합된 구조이다. GaAs계 및 InP계 화합물반도체를 이용한 터널접합 및 그 응용에 대한 보고들은 있으나, 현재까지 질화물반도체를 이용한 터널접합 제조에 대한 발명이 소개된 적은 없었다. 이러한 터널접합구조에서 터널링이 잘 일어나게 하기 위해서는 p형 반도체 박막을 증착하는 단계와 n형 반도체 박막을 증착하는 단계 사이에서 도핑프로파일이 급준하게 바뀌어야 하고, 이를 위해서는 p형 반도체 박막과 n형 반도체 박막을 성장시키는 동안 n형 및 p형 도펀트로 사용하는 소스의 제어가 최적화되야 한다. 그런데, 질화물반도체에서 일반적으로 p형 도펀트로 사용되는 Mg의 경우는 반응관 내에서 기억효과(memory effect)가 커서 급준한 도핑프로파일을 얻기 어렵다. 따라서 질화물반도체를 이용한 터널접합 구조를 제조하기 위해서는 고농도로 도핑하는 것 뿐만 아니라 급준한 도핑변화 제조기술이 필요하게 된다.

따라서, 본 발명은 질화물반도체를 이용한 발광소자의 구동전압 및 임계전류를 줄일 수 있는 터널접합층의 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 질화물반도체를 이용한 터널접합층을 설명하기 위한 단면도;

도 2는 터널접합층이 있는 질화물반도체를 이용한 발광소자를 설명하기 위한 단면도; 및

도 3은 도 2의 구조로 제작된 청색 발광소자와 종래의 발광소자의 전류-광출력 특성곡선을 비교한 그래프이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 터널접합층의 제조방법은, 800∼1200℃의 온도 범위에서 유기금속화학기상증착법을 이용하여, 5x10¹⁸∼ 1x10²¹cm^-3의 농도로 p형 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체 박막을 10∼500Å의 두께로 형성하는 단계와; 암모니아기체와 이송기체가 혼합된 혼합 기체 분위기에서 1∼1000초 동안의 성장멈춤 시간을 유지하는 단계와; 상기 p형 질화물반도체 박막 상부에, 800∼1200℃의 온도 범위에서 유기금속화학기상증착법을 이용하여, 5x10¹⁸∼ 1x10²¹cm^-3의 농도로 n형 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체 박막을 10∼500Å의 두께로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 성장멈춤 시간을 유지하는 단계와 상기 n형 질화물반도체 박막을 형성하는 단계 사이에 상기 p형 질화물반도체 박막과 상기 n형 질화물반도체 박막 사이에 게재되도록 델타도핑층을 형성하는 단계를 더 포함하여도 좋다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 질화물반도체를 이용한 터널접합층을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 기판(10) 상에 GaN으로 이루어진 버퍼층(20)을 형성한다. 기판(10)으로는 (0001)c면을 자신의 표면으로 가지는 사파이어(Al₂O₃) 기판이 사용될 수 있으며, 이 것 외에 SiC, GaN, GaAs, ZnO 또는 MgO로 만들어진 기판이 사용될 수 있다. 버퍼층(20)은 560℃의 온도와 300torr의 압력에서 250∼300Å의두께로 형성하며, 이 때 사용되는 TMGa, 수소 및 암모니아의 공급유량은 각각 70μmol/min, 5ℓ/min 및 4ℓ/min 이다. 수소는 운반기체로써 사용한 것이며, 이하에서는 그 사용의 예를 생략하여 설명한다. 그리고, 본 실시예에서는 버퍼층(20)이 GaN로 형성되었지만 AlN, AlGaN 또는 InGaN를 버퍼층(20)으로 사용하여도 좋다.

다음에, 버퍼층(20) 상에 도핑되지 않은 고저항의 GaN층(30)을 형성한다. 고저항 GaN층(30)은 그 위에 형성되는 층의 결정성을 좋게 하고, 후술되는 터널접합층의 특성을 확인하기 위하여 형성한 것이다. 고저항 GaN층(30)은 버퍼층(20)을 형성한 후에 기판(10)의 온도를 1130℃로 상승시켜 5000Å의 두께로 형성하며, 이 때 사용되는 TMGa 및 암모니아의 유량은 각각 150μmol/min 및 4ℓ/min 이다.

그 다음에, 고저항 GaN층(30) 상에 Mg이 도핑된 GaN로 이루어진 p형 오믹접촉층(40)을 형성한다. p형 오믹접촉층(40)은 약 1130℃의 온도에서 형성하며, 이 때 사용되는 TMGa, 암모니아 및 시크로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg)의 공급유량은 각각 112μmol/min, 3ℓ/min 및 1.07μmol/mim 이다. 이 때, p형 오믹접촉층(40)은 0.1∼3㎛ 의 두께를 갖는다. p형 오믹접촉층(40)은 GaN 외에 Al_xGa_1-xN으로 형성하여도 좋다. 단, 여기서 x는 0 ≤x ≤0.5 이다.

이어서, p형 오믹접촉층(40) 상에 터널접합층(65)을 형성한다. 터널접합층(65)은 p형 GaN 박막(50) 및 n형 GaN 박막(60)이 순차적으로 형성되고 그 사이에 델타도핑층(55)이 게재된 구조를 갖는다. p형 GaN 박막(50)은 p형 오믹접촉층(40)을 형성시킨 후 약 20초 동안의 성장멈춤 시간을 가진 다음에 Mg의 도핑농도가 5×10¹⁸∼1×10²¹cm^-3가 되도록 800∼1200℃의 온도 범위에서 유기금속화학기상증착법을 이용하여 형성한다. 본 실시예에서 p형 GaN 박막(50)은 약 1130℃의 온도에서 TMGa, 암모니아 및 Cp₂Mg를 각각 112μmol/min, 3ℓ/min 및 4.28μmol/mim의 유량으로 공급하여 형성하였다. 이 때의 p형 GaN 박막(50)은 10∼500Å의 두께를 갖으며, 본 실시예에서는 약 150Å 두께의 p형 GaN 박막을 형성하였다.

이 때 성장멈춤을 실시하는 것은, p형 오믹접촉층(40)에서 사용하는 Cp₂Mg의 유량과 p형 GaN 박막(50)에서 사용되는 Cp₂Mg의 유량이 서로 다르기 때문에 정확한 도핑농도의 제어를 위하여 적은 양이 도핑되는 p형 오믹접촉층(40)을 형성한 후 많은 유량을 사용하는 p형 GaN 박막(50)에서 정확한 유량의 Cp₂Mg가 흘러 들어가도록 하기 위해서 이다.

한편, p형 GaN 박막(50)은 In_xAl_yGa_1-x-yN(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 그리고 x+y≤1)으로 형성하여도 좋다. 또한 Mg 도판트로 사용되는 소스는 비스-사이크로펜타다이에닐마그네슘(BCp₂Mg)을 사용하여도 좋다. 본 발명에서 사용된 Cp₂Mg 외에 다른 소스를 사용하는 경우 5×10¹⁸∼1×10²¹cm^-3의 도핑농도를 얻기 위해서는 Mg 소스의 유량이 달라 질 수 있다.

델타도핑층(55)은 p형 GaN 박막(50)을 형성한 후 약간의 성장멈춤 시간을 가진 다음에 60초 동안 암모니아를 3.0ℓ/min의 유속으로 그리고 사일렌(SiH₄)을100.44nmol/min의 유속으로 운반기체인 수소와 같이 흘려주어 유기금속화학기상증착법을 이용하여 Si이 1×10¹²∼1×10¹⁴cm^-2의 면도핑농도로 델타도핑되므로써 구현된다.

p형 GaN 박막(50)을 형성한 후 실시하는 성장멈춤 공정은 사용하는 Cp₂Mg 소스의 반응관 내의 기억효과(Memory Effect)에 의한 도핑 보상효과를 방지하기 위해서 이다. Mg의 기억효과는 다음 단계에서 형성되는 Si 델타도핑층(55)의 면농도 및 Si이 도핑된 n형 GaN 박막(60)의 도핑농도에 보상작용을 일으킴으로써, n형 단일박막에서 얻은 Si의 도핑 농도에 비하여 Mg이 도핑된 p형 GaN 박막을 형성한 다음 단일박막에서 사용한 SiH₄유량을 사용하여 n형 GaN 박막을 형성하는 경우에 낮은 Si의 도핑 농도를 얻게 된다. 이것은 Mg 소스가 반응 후에도 계속해서 반응관 내에 존재하고 다음에 형성되는 층에 도핑효과를 주기 때문이다. 따라서 Mg을 사용하여 p형 GaN 박막을 형성한 후에는 암모니아 가스와 수소가스를 이용하여 반응관 내에 잔류해 있는 Mg 소스를 충분히 밀어내 주어야 한다. 따라서 본 실시예에서는 상기 p형 GaN 박막(50)을 형성한 후 60초 정도의 성장멈춤 공정을 도입하였으며, 상기 성장멈춤 공정은 1초 이상 실시하는 것이 바람직하다. 성장멈춤 공정을 60초 동안 실시한 후 형성되는 Si 델타도핑 시간은 10∼300초 범위에서 조절이 가능하다. 본 실시예에서는 60초 동안 실시하였다.

본 실시예에서는 Si을 사용하여 델타도핑한 것만을 예로 들었지만, Si외에 O, Ge 또는 Sn 과 같은 n형 도펀트를 델타도핑 할 수도 있으며, Zn, Cd, Mg 또는Be와 같은 p형 도펀트를 델타도핑 할 수도 있다. 또한, 경우에 따라서는 상기 델타도핑층(55)은 Mg이 델타도핑되어 형성되는 Mg 델타도핑층과 Si이 델타도핑되어 형성되는 Si 델타도핑층이 순차적으로 적층된 구조를 갖을 수도 있다.

n형 GaN 박막(60)은 Si 델타도핑층(55)을 형성한 다음에, Si의 도핑농도가 5×10¹⁸∼1×10²¹cm^-3가 되도록 800∼1200℃의 온도 범위에서 유기금속화학기상증착법을 이용하여 형성한다. 이 때, TMGa, 암모니아 및 SiH₄를 112μmol/min, 4.0ℓ/min 및 50.22nmol/mim 의 유속으로 각각 공급한다. 이 때의 n형 GaN 박막(60)은 10∼500Å의 두께를 갖으며, 본 실시예에서는 약 150Å 두께의 n형 GaN 박막이 형성하였다.

한편, 본 실시예에서는 터널접합층(65)이 p형 GaN 박막(50)과 n형 GaN 박막(60)이 순차적으로 적층되고 그 사이에 n형 델타도핑층(55)이 게재된 구조를 갖는 경우만을 예로 들었지만, n형 델타도핑층(60)이 없이 p형 GaN 박막(50) 상에 n형 GaN 박막만을 형성함으로써도 구현 될 수 있다.

계속해서, 터널접합층(65) 상에 n형 전자주입층(70)을 형성한다. 여기서, n형 전자주입층(70)은 도핑농도가 5×10¹⁷∼5×10¹⁸cm^-3이 되도록 Si이 도핑된 GaN로 이루어지며, TMGa, 암모니아 및 SiH₄를 112μmol/min, 4ℓ/min, 및 1.72nmol/mim의 유속으로 각각 공급함으로써 n형 전자주입층(70)의 두께를 10∼10000Å 범위로 형성하였다.

그리고, n형 전자주입층(70) 상에 Si이 1×10¹⁸∼1×10¹⁹농도로 도핑된 GaN로 이루어진 약 2000Å 두께의 n형 상부오믹접촉층(80)을 형성한다. 이 때, 사용되는 TMGa, 암모니아 및 SiH₄의 공급유량은 각각 112μmol/min, 4ℓ/min 및 3.74 nmol/min 이었다. n형 상부오믹접촉층(80)의 두께는 100∼5000Å 범위 내라면 조절이 가능하다. n형 상부오믹접촉층(80) 및 p형 오믹접촉층(40)에 오믹접촉 금속전극 (100a, 100b)이 각각 오믹접촉된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 터널접합층은 고농도로 도핑된 얇은 p형 질화물반도체 박막과 p형 질화물반도체 박막 위에 고농도로 도핑된 얇은 n형 질화물반도체 박막을 유기금속화학기상증착법으로 증착함으로써 제작된다.

일반적으로 도핑농도가 10¹⁸cm^-3되도록 Si이 도핑된 n형 GaN 박막의 경우 공핍층(Depletion layer)의 두께는 100Å이하이며, Mg이 도핑된 p형 GaN 박막의 경우 3×10¹⁷cm^-3의 정공농도에서 공핍층의 두께는 약 100Å 정도이다. 하지만, 본 발명에서는 Si 도판트를 이용하여 5×10¹⁸∼1×10²¹cm^-3정도의 도핑농도를 갖는 약 100Å의 두께를 가지는 매우 얇은 n형 GaN 박막을 형성함으로써 고농도를 갖는 박막에서 발생하는 깨짐을 억제하였다.

이와 같이, 공핍층 폭이 굉장히 작은 n형 GaN 박막과 Mg 도판트를 사용하여 Mg 농도가 5x10¹⁸∼10²¹cm^-3인 약 100Å 두께의 매우 얇은 p형 GaN 박막으로 이루어지는 터널접합층을 제작하였다. 이렇게 고농도로 도핑된 층들의 터널접합에서 공핍층의 폭은 전자가 터널링 할 수 있을 정도로 매우 작은 것이 특징이다. 따라서 본 발명에서는 접합에서의 공핍층 폭을 최대로 작게 할 수 있으며 인가한 전류에 대해서 대부분의 전자가 접합에서 터널링이 일어나게 된다.

또한, 본 발명에서는 도핑효율을 증가시키기 위하여 터널접합 계면에 Si 및 Mg 도판트를 이용한 델타도핑층을 삽입하여 전자의 터널링 효율을 증대시켰다. 한편, p형 도판트로 사용하는 Cp₂Mg 소스의 경우 반응관 내에서의 기억효과에 의해서 p형 GaN 박막을 제작한 후에 n형 GaN 박막을 형성하는 경우에는 n형 GaN 박막의 전자농도에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 발명에서는 이런 문제점을 해결하기 위하여 p형 질화물반도체 박막을 형성한 후 일정시간의 성장멈춤 공정단계를 거친 다음 n형 질화물반도체 박막을 제작하였다.

도 2는 터널접합층이 있는 질화물반도체를 이용한 발광소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 도 2의 구조로 제작된 청색 발광소자와 종래의 발광소자의 전류-광출력 특성곡선을 비교한 그래프이다. 도 2에서 도 1과 동일한 참조번호는 도 1과 동일한 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.

도 2를 참조하면, 터널접합층이 있는 질화물반도체를 이용한 발광소자는 기판(10) 위에 버퍼층(20), n형 하부오믹접촉층(30'), 활성층(35), p형 클래드층(45), 터널접합층(66), n형 클래드층(70'), 및 n형 상부오믹접촉층(80')이 순차적으로 적층되고, n형 상부오믹접촉층(80') 및 n형 하부오믹접촉층(30')에 n형오믹접촉 금속전극(100a, 100c)이 각각 오믹 접촉됨으로써 이루어진다.

도 2의 터널접합층이 있는 질화물반도체의 발광소자는 도 1의 터널접합층(65)이 빛을 방출 할 수 있는 활성층(35) 상부에 형성된 것이다. 도 1에서는 p형 오믹접촉층(40), 터널접합층(65), n형 전자주입층(70) 및 n형 오믹접촉층(80)으로 터널접합이 구성되며, 도 2에서는 이런 구조를 갖는 터널접합층을 질화물반도체 발광소자에 이용하여 p형 클래드층(45), 터널접합층(66), 활성층(35), n형 클래드층(70') 및 n형 상부 오믹접촉층 (80')으로 이루어진 발광부를 갖는 발광소자를 제작 할 수 있다는 것이다. 도 2에서는 터널접합층(66)의 접합계면에 Si이 도핑되어 이루어지는 델타도핑층(55') 만을 나타내었다. 하지만, 터널접합층(66)의 접합계면에 p형 질화반도체 박막(50')을 형성하고 Mg과 같은 p형 도판트를 사용한 p형 델타도핑층을 형성한 후 일정시간의 성장멈춤 공정을 실시한 다음 Si 델타도핑영역(55')이 삽입되는 구조를 갖는 터널접합층을 구비 할 수도 있다.

터널접합구조의 터널링 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. n형 상부 오믹접촉 금속전극(100a)을 통하여 터널접합층(66)에 역방향 바이어스가 인가되면, 도핑농도가 5×10¹⁸∼1×10²¹cm^-3이므로 공핍층의 폭이 굉장히 작아져서 p형 질화반도체 박막(50') 의 가전자대(Valence Band)에 있던 전자가 n형 질화반도체 박막(60') 으로 터널링하게 된다. 따라서, p형 질화반도체 박막(50')에는 전자가 비어있는 정공(hole)이 생기게 되고, 이 정공은 역방향 바이어스에 의해서 p형 클래드층(45)을 거쳐 활성층(35)으로 주입되게 된다.

이와 같이 질화물반도체에 터널접합층을 도입함으로써, 종래 하부 n형 오믹금속전극과 상부 p형 오믹금속전극으로 이루어지던 것이 상부 및 하부 모두가 n형 오믹금속전극으로 이루어지며, 종래의 p형 상부 오믹접촉층이 아닌 n형 상부오믹접촉층(100a)을 사용 할 수 있게 된다. 따라서, n형 오믹접촉 금속전극(100a)과의 오믹접촉특성이 향상되며 이로 인해 소자의 구동전압이 낮아지고 전류 전도성을 증대시킬 수 있으며 소자의 제조 공정을 단순화 할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 터널접합층이 있는 질화물반도체를 이용한 발광소자(A)는 20mA 전류에서의 광출력이 약 2mW로 종래 발광소자(B)의 광출력보다 약 50% 가량 높게 나타난다. 이렇게 발광효율이 향상된 이유는 터널접합층을 가지는 발광소자는 종래의 발광소자에서 사용되는 반투명전극이 필요없으므로 반투명전극에서 흡수하는 출력만큼 더 출력되기 때문이다. 따라서, 질화물반도체 발광소자 내에 고농도로 도핑된 터널접합층이 삽입되더라도 터널접합층 내에서 전자의 터널링 효과에 의하여 더 좋은 소자 특성값을 얻을 수 있다.

본 발명의 터널접합층에 의하면, 고농도로 도핑된 n형 및 p형 질화물반도체의 박막과 그들 사이에 Si 또는 Mg 및 Si의 도판트를 이용한 델타도핑층을 도입함으로써 접합에서의 공핍층의 폭을 최대로 작게 하여 인가한 전류에 대하여 대부분의 자유캐리어들이 접합을 통하여 흡수가 일어나지 않고 터널링에 기여하게 된다.

또한, 터널접합층을 질화물반도체 레이저다이오드 및 발광다이오드에 적용하면 상부의 p형 오믹접촉층 대신에 n형 오막접촉층을 사용할 수 있으며 p형 클래드층 대신에 n형 클래드층으로 사용 할 수 있게 된다. 따라서, 금속전극과의 오믹접촉 특성이 향상되고 이에 따른 전도성 및 전류퍼짐 효과를 증가시켜 소자의 발광효율이 증대될 뿐 만 아니라, 낮은 구동전압을 얻게 된다. 그리고, 정공농도가 낮은 p형 AlGaN/GaN 클래드층 대신에 전자농도가 높고 Al 조성비가 큰 n형 AlGaN/GaN 클래드층이 사용 가능하게 됨으로써 질화물반도체 레이저다이오드에서 임계전류를 낮출 수 있게 된다.

나아가, 터널접합층 내의 고농도 영역을 얻기 위하여 고농도로 도핑된 p형 터널접합층 및 델타도핑층을 형성한 후 일정시간 동안의 성장멈춤 공정을 삽입함으로서 p형 질화물반도체 박막의 제작에 사용되는 Cp₂Mg 소스의 기억효과를 최소화하고 다음에 이어지는 n형 질화물반도체 박막 및 델타도핑층의 전자농도에 영향을 미치지 않도록 하였다.

더 나아가, 터널접합층의 도입으로 이를 이용한 질화물반도체 발광소자 내에 활성층을 복수 개 형성시켜 서로 다른 파장의 광을 방출할 경우에는, 하나의 구동전압을 사용하여 서로 다른 파장의 광을 동시에 방출할 수 있을 뿐 만 아니라 활성층들이 모두 같은 파장의 광을 방출할 경우에는 하나의 구동전압에 의해서도 고휘도의 발광효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims

800∼1200℃의 온도 범위에서 유기금속화학기상증착법을 이용하여, 5x10¹⁸∼ 1x10²¹cm^-3의 농도로 p형 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체 박막을 10∼500Å의 두께로 형성하는 단계와;

암모니아기체와 이송기체가 혼합된 혼합 기체 분위기에서 1∼1000초 동안의 성장멈춤 시간을 유지하는 단계와;

상기 p형 질화물반도체 박막 상부에, 800∼1200℃의 온도 범위에서 유기금속화학기상증착법을 이용하여, 5x10¹⁸∼ 1x10²¹cm^-3의 농도로 n형 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체 박막을 10∼500Å의 두께로 형성하는 단계를 포함하는 터널접합층의 제조방법.
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제 1항에 있어서, 상기 질화물반도체 박막은 In_xAl_yGa_1-x-yN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터널접합층의 제조방법. 여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 그리고 x + y ≤ 1 임.
제 1항에 있어서, 성장멈춤 시간을 유지하는 단계와 상기 n형 질화물반도체 박막을 형성하는 단계 사이에 상기 p형 질화물반도체 박막과 상기 n형 질화물반도체 박막 사이에 게재되도록 델타도핑층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널접합층의 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 델타도핑층은 상기 p형 질화물반도체 박막 상에 n형 도펀트가 1x10¹²∼ 1x10¹⁴cm^-2의 면농도로 델타도핑함으로써 형성하는 n형 델타도핑층이거나, 또는 상기 p형 질화물반도체 박막 상에 p형 도펀트를 1x10¹²∼ 1x10¹⁴cm^-2의 면농도로 델타도핑하여 p형 댈타도핑층을 형성한 다음 상기 p형 델타도피층 상에 n형 도펀트를 1x10¹¹∼ 1x10¹⁴cm^-2의 면농도로 델타도핑함으로써 형성하는 n형 델타도핑층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터널접합층의 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 p형 질화물반도체 박막을 형성한 다음 또는 p형 델타도핑층을 형성한 다음에 암모니아기체와 이송기체가 혼합된 혼합 기체 분위기에서 1∼1000초 동안의 성장멈춤 시간을 유지한 후에 상기 n형 델타도핑층을 형성하는 것을 특징으로 하는 터널접합층의 제조방법.
제 1항 또는 제 6항에 있어서, 상기 p형 도펀트는 Mg, Zn, Cd, 및 Be로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나이고, 상기 n형 도펀트는 Si, Sn, Ge, 및 O로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 터널접합층의 제조방법.
제 6항에 있어서, 상기 n형 델타도핑층은 상기 n형 도펀트 소스와 암모니아기체 및 이송기체가 혼합된 혼합 기체 분위기에서 800∼1200℃의 온도를 유지하며 유기화학기상증착법을 이용하여 형성하며, 상기 p형 델타도핑층은 상기 p형 도펀트 소스와 암모니아기체 및 이송기체가 혼합된 혼합 기체 분위기에서 800∼1200℃의 온도를 유지하며 유기화학기상증착법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 터널접합층의 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 n형 도펀트 소스로는 Si 성분을 가지는 사일렌, 다이사일렌이나, 또는 다이메칠사일렌로 이루어지며, 상기 p형 도펀트 소스로는 Mg 성분을 가지는 시크로펜타디에닐마그네슘이나 비스-사이크로펜타다이에닐마그네슘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터널접합층의 제조방법.