KR100486614B1 - 낮은 접촉저항을 가지는 ⅲ-질화물반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 Ⅲ-질화물반도체 발광소자는, n형 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 하부접촉층(12)과 p형 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 상부접촉층(14) 사이에 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 활성층(13)이 개재되고, 상부접촉층(14) 상에 상부접촉층(14)과 접하는 전극층(15)을 포함하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자로서, 상부접촉층(14)과 전극층(15) 사이에 n형 또는 p형 탄소함유화합물층이 개재되는 것을 특징으로 한다. 일반적으로, Ⅲ-질화물반도체 발광소자에 있어서 p형 질화물반도체의 큰 에너지 밴드갭과 낮은 도핑효율(<5x1017원자수/cm3)로 인하여 p형 질화물반도체 상에 바로 투명전극층을 형성할 경우에 이들 사이에 큰 접촉저항이 생기게 되는데, 이로 인해 소자의 효율성이 떨어지게 된다. 그러나, 본 발명과 같이 p형 질화물반도체와 투명전극층 사이에 고농도 도핑이 가능한 탄소함유화합물층을 개재함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 Ⅲ-질화물반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 p형 질화물반도체로 이루어지는 상부접촉층과 이와 접하는 전극층 사이의 접촉저항을 낮게 하여 활성층에 정공을 효과적으로 공급할 수 있도록 한 Ⅲ-질화물반도체 발광소자에 관한 것이다.
도 1은 종래의 Ⅲ-질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1을 참고하면, 종래의 Ⅲ-질화물반도체 발광소자는, 사파이어 기판(10) 상에, 도펀트가 도핑되지 않은 GaN으로 이루어진 버퍼층(11), n-GaN으로 이루어진 하부접촉층(12), InGaN/GaN의 다중양자우물구조를 가지는 활성층(13), 및 p-GaN으로 이루어진 상부접촉층(14)을 순차적으로 적층한 후에, 하부접촉층(12)이 노출되도록 메사식각하고 상부접촉층(14) 상에 투명전극층(15)을 형성한 다음에, n형 전극(16)과 p형 전극(17)을 형성함으로써 이루어진다.
Ⅲ-질화물반도체 발광소자에 있어서 소자의 효율은 외부인가전력 대비 발생되는 빛의 세기로 정의할 수 있다. 그런데, 상부접촉층(14)을 이루는 p-GaN이 큰 에너지 밴드갭을 가지며(~ 3.3eV) 도핑효율이 5x1017원자수/cm3보다 작아서 좋지 못하기 때문에 이와 접하는 투명전극층(15)과의 사이에 접촉저항이 매우 커서 소자의 효율성이 좋지 않을 뿐만 아니라 같은 빛의 세기를 생성시키기 위해서 더 높은 전압이 필요하게 된다.
상부접촉층(14)과 투명전극층(15) 사이의 접촉저항을 줄이기 위해서는 고농도로 도핑된 p-GaN을 형성해야 하나, p-GaN의 큰 밴드갭과 낮은 도핑효율(< 5x1017원자수/cm3)로 인하여 고농도 도핑된 p-GaN을 형성하는 것은 매우 어렵다.
상부접촉층(14)으로 사용되는 p-GaN과 투명전극층(15) 사이의 접촉저항을 줄이기 위해서 여러가지 방법들이 소개된 바 있다. 그 중 하나의 예로서, 상부접촉층(14)을 p-GaN 단일층으로 만드는 것이 아니라 p-GaN/p-InGaN 혹은 p-GaN/p-AlGaN 등의 초격자 구조로 만들어서 초격자구조 안에 압전전계(piezoelectric field)에 의해서 단일 p-GaN층에서 얻을 수 있는 농도보다 훨씬 더 높은 정공농도를 확보하는 방법을 들 수 있다. 그러나, 이러한 구성에서는 정공이 활성층으로 주입되기 전에 초격자 구조내의 수직방향으로 전위장벽을 느끼게 되어 바람직하지 않게 된다.
다른 하나의 예를 더 소개하면, 상부접촉층(14)과 투명전극층(15) 사이에 고농도 도핑(＞1020 원자/cm3)이 가능한 GaAs층이나 AlGaAs층을 성장시키는 방법이 있다(미국특허 제6,410,944호). 그러나, 이 경우는 GaAs층이나 AlGaAs층의 밴드갭이 가시광선 영역보다 작기 때문에 활성층(13)에서 발생하는 빛이 GaAs층이나 AlGaAs층에서 대부분 흡수되어 응용분야가 한정되게 된다.
상술한 바와 같이 종래의 Ⅲ-질화물반도체 발광소자는 상부접촉층(14)과 투명전극층(15) 사이의 접촉저항이 커서 소자의 효율성이 좋지 못하다는 단점이 있으며, 이를 극복할 수 있는 효과적인 수단이 아직 제시되지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상부접촉층(14)과 그 위에 접하여 형성되는 전극층 사이의 접촉저항을 줄여서 좋은 효율성을 가지는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 Ⅲ-질화물반도체 발광소자는, n형 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 하부접촉층과 p형 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 상부접촉층 사이에 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 활성층이 개재되고, 상기 상부접촉층 상에 상기 상부접촉층과 접하는 전극층을 포함하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자로서, 상기 상부접촉층과 상기 전극층 사이에 n형 또는 p형 탄소함유화합물층이 개재되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소함유화합물층은 SiC, SiCN, 또는 CN을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 탄소함유화합물층의 n형 도펀트로서 Si, N, As, 또는 P가 사용될 수 있다.
상기 탄소함유화합물층의 p형 도펀트로서 B 또는 Al이 사용될 수 있다.
상기 탄소함유화합물층의 n형 또는 p형 도펀트의 도핑농도는 1×1018~ 1×1022 원자수/cm3 인 것이 바람직하다.
상기 탄소함유화합물층은 5~500Å의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
상기 탄소함유화합물층은 600~1200℃의 온도범위에서 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전극층은 니켈, 금, 은, 크롬, 티타늄, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 알루미늄, 주석, ITO, 인듐, 탄탈륨, 구리, 코발트, 철, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 하부접촉층과 오믹접촉되는 n형 전극층을 더 구비할 수 있으며, 이 때, 상기 n형 전극층은 니켈, 금, 은, 크롬, 티타늄, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 알루미늄, 주석, ITO, 인듐, 탄탈륨, 구리, 코발트, 철, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에 있어서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Ⅲ-질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은 종래기술과 달리 상부접촉층(14)과 투명전극층(15) 사이에 n형 또는 p형 탄소함유화합물층(21)이 개재되는 것을 특징으로 한다.
탄소함유화합물층(21)으로는 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘카본나이트라이드(SiCN), 또는 카본나이트라이드(CN)을 포함하는 것을 사용할 수 있으며, 위와 같은 탄소함유화합물(21)은 Si, N, As, 또는 P와 같은 n형 도펀트나 B 또는 Al과 같은 p형 도펀트를 쉽게 1×1018~ 1×1022 원자수/cm3 정도로 고농도 도핑할 수 있기 때문에 전위장벽의 두께를 작게하여 정공이 탄소함유화합물층(21)을 용이하게 터널링할 수 있도록 만들 수 있다.
실리콘 카바이드층은 실리콘과 탄소를 증착기 내에서 반응시킴으로써 얻을 수 있는데, 실리콘 원료로서는 SiH3, Si2H6, DTBSi 등을 사용할 수 있고, 탄소 원료로서는 CBr4 또는 CxHy 등을 사용할 수 있다.
일반적으로 실리콘 카바이드의 성장온도는 1300℃ 이상이지만 GaN 상에 실리콘 카바이드를 너무 높은 온도에서 성장시키면 실리콘 카바이드 성장시에 GaN을 기반으로 하는 소자가 손상을 입게 되므로 실리콘 카바이드의 성장온도는 600~1200℃인 것이 바람직하다.
그리고, 실리콘 카바이드층의 두께가 너무 두꺼워지면 터널링 장벽이 두꺼워지게 되어 바람직하지 않으므로 실리콘 카바이드층의 두께는 5~500Å 정도로 하는 것이 좋다. 이와 같은 실리콘 카바이드층의 도핑농도, 두께, 및 성장온도는 실리콘 카바이드층에 한정되는 것이 아니라 실리콘카본나이트라이드(SiCN)층 또는 카본나이트라이드(CN)층의 형성에도 마찬가지로 적용된다.
투명전극층(15) 및 n형 전극층(16)은 니켈, 금, 은, 크롬, 티타늄, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 알루미늄, 주석, ITO, 인듐, 탄탈륨, 구리, 코발트, 철, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 3은 사이이어 기판 상에 성장된 실리콘 카바이드의 XRD 분석결과이다. 이 때의 성장온도는 1000℃ 였으며, 성장속도는 2Å/sec 이었다. 그리고, 성장된 실리콘 카바이드의 두께는 XRD분석이 가능하도록 5000Å으로 하였으며, 고농도 n도핑을 위한 N 소스로는 NH3가 사용되었으며, 이 때 도핑농도는 터널링이 일어나기에 충분하도록 4.63×1019 원자수/cm3 가 되도록 하였다. 도 3을 참조하면 실리콘 카바이드가 제대로 성장되었음을 알 수 있다.
표1은 일반적인 GaN 기반 LED에 고농도 도핑된 실리콘 카바이드를 약 20Å 성장시켜 소자를 만들었을 때의 전기적 특성을 표로 나타낸 것이다. 이 때 사용된 전극은 ITO 전극이었으며, 실리콘 카바이드 없이 바로 p-GaN 위에 전극이 형성되었을 때에 비하여 실리콘 카바이드층이 있는 경우가 낮은 접촉 저항값을 가짐을 알 수 있다.
| 접촉층 | Vf@20mA[V] | Vf@10㎂[V] | Vr@-10㎂[V] | |
| case 1 | p-GaN | 5.25 | 2.37 | 24.1 |
| case 2 | SiC/p-GaN | 3.65 | 2.35 | 25.1 |
도 4는 n형 실리콘 카바이드층이 상부접촉층(14)과 투명전극층(15) 사이에 존재할 때의 개략적인 에너지 밴드다이어그램이다. 도 4를 참조하면, 고농도 도핑된 n형 실리콘 카바이드층이 존재함으로 인해 좀 더 효율적으로 정공이 상부접촉층(14)으로 흘러 들어갈 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 상부접촉층(14) 상에 바로 투명전극층(15)이 존재하는 경우(a)와 상부접촉층(14)과 투명전극층(15) 사이에 고농도 도핑된 p형 실리콘 카바이드층이 존재하는 경우(b)의 개략적인 에너지 밴드다이어그램이다. 도 5를 참조하면, 고농도 도핑된 p형 실리콘 카바이드층이 존재하는 경우가 좀 더 효율적으로 정공이 상부접촉층(14)으로 흘러 들어갈 수 있음을 확인할 수 있다.
일반적으로, Ⅲ-질화물반도체 발광소자에 있어서 p형 질화물반도체의 큰 에너지 밴드갭과 낮은 도핑효율로 인하여 p형 질화물반도체 상에 바로 투명전극층을 형성할 경우에 이들 사이에 큰 접촉저항이 생기게 되는데, 이로 인해 소자의 효율성이 떨어지게 된다. 그러나, 본 발명과 같이 p형 질화물반도체와 투명전극층 사이에 고농도 도핑이 가능한 탄소함유화합물층을 개재함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 Ⅲ-질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Ⅲ-질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도;
도 3은 사파이어 기판 위에 성장된 실리콘 카바이드의 XRD 분석 그래프;
도 4는 금속/n-SiC/p-GaN 구조의 에너지밴드 다이어그램;
도 5는 금속/p-SiC/p-GaN 구조의 동작원리를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10: 사파이어 기판 11: 버퍼층
12: 하부접촉층 13: 활성층
14: 상부접촉층 15: 투명전극층
16: n형 전극 17: p형 전극
21: 탄소함유화합물층
Claims (9)
- n형 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 하부접촉층과 p형 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 상부접촉층 사이에 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 활성층이 개재되고, 상기 상부접촉층 상에 상기 상부접촉층과 접하는 전극층을 포함하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자로서,상기 전극층과 상기 상부접촉층 사이에 n형 탄소함유화합물층이 개재되며,상기 n형 탄소함유화합물층은 상기 전극층으로부터 상기 상부접촉층으로 정공이 터널링되어 전달되도록 5~500Å의 두께를 가지고,상기 n형 탄소함유화합물층은 상기 상부접촉층과 동일한 증착기에서 성장되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자.
- n형 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 하부접촉층과 p형 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 상부접촉층 사이에 Ⅲ-질화물반도체로 이루어진 활성층이 개재되고, 상기 상부접촉층 상에 상기 상부접촉층과 접하는 전극층을 포함하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자로서,상기 전극층과 상기 상부접촉층 사이에 탄소함유화합물층이 개재되며,상기 탄소함유화합물층은 SiCN로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 n형 탄소함유화합물층의 n형 도펀트로서 Si, N, As, 또는 P가 사용되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 n형 탄소함유화합물층이 SiC, SiCN, 또는 CN을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 n형 탄소함유화합물층의 n형 도펀트의 도핑농도가 1×1018~ 1×1022 원자수/cm3 인 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 n형 탄소함유화합물층이 600~1200℃의 온도범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 전극층이 니켈, 금, 은, 크롬, 티타늄, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 알루미늄, 주석, ITO, 인듐, 탄탈륨, 구리, 코발트, 철, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 하부접촉층과 오믹접촉되는 n형 전극층을 더 구비하며, 상기 n형 전극층이 니켈, 금, 은, 크롬, 티타늄, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 알루미늄, 주석, ITO, 인듐, 탄탈륨, 구리, 코발트, 철, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ⅲ-질화물반도체 발광소자.
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