KR100649496B1

KR100649496B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법

Info

Publication number: KR100649496B1
Application number: KR1020040073558A
Authority: KR
Inventors: 이재훈; 오정탁; 박진섭
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2006-11-24
Also published as: US7331566B2; US20080131988A1; US20060054917A1; US7807521B2; KR20060024724A

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자와 그 제조방법에 관한 것으로서, 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 형성된 언도프된 GaN층과, 상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스층을 제공하는 AlGaN층과, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 AlGaN층 상에 각각 접속되도록 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

질화물 반도체(nitride semiconductor) 발광소자(light emitting diode; LED), 2차원 전자가스(2DEG)층.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 제조방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

도1은 종래의 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2a는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2b는 도2a에 도시된 질화물 반도체 발광소자에 채용된 이종접합밴드구조를 나타낸다.

도3a 내지 도3d는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

21: 사파이어 기판 22: n형 GaN 질화물 반도체층

23: 활성층 24: p형 GaN 질화물 반도체층

25: GaN층 26: AlGaN층

28: ITO전극 29a, 29b: n측 및 p측 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동작전압을 낮추고 전류분산효과를 향상시킬 수 있는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자 및 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체는 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 물질(예; GaN 반도체의 경우, 약 3.4eV)로서 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하기 위한 광소자에 적극적으로 채용되고 있다. 이러한 질화물 반도체로는 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질이 널리 사용되고 있다.

하지만, 상기 질화물 반도체는 비교적 큰 에너지밴드갭을 가지므로, 전극과 오믹접촉을 형성하는데 어려움이 있다. 특히, p형 질화물 반도체층은 보다 큰 에너지밴드갭을 가지므로, p측 전극과 접촉부위에서 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작전압이 커져 발열량이 증가되는 문제가 있다.

따라서, 질화물 반도체 발광소자는 p측 전극형성시에 오믹접촉을 개선하는 방안이 요구된다. 또한, 플립칩구조가 아닌 통상의 구조에서는 p측 전극형성부분이 주된 광방출면이 되므로, 상기 오믹접촉개선방안은 광이 투과되는 것을 보장해야 하는 기술적 제약사항이 수반된다.

이러한 종래의 오믹접촉기술로는, 미국등록특허 제5,563,422호(양수인: 니치아 케미컬 인더스트리 리미트, 발명명칭: 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅳ족 화합물 반도체 장치 및 제조방법)에서 제안된 Ni/Au의 이중층을 이용한 투명전극층이 있다. 도1은 상기 문헌에 따른 발광소자 구조의 일형태를 도시한다.

도1에 도시된 바와 같이, 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 GaN 질화물층(12), 다중우물구조인 GaN/InGaN 활성층(13) 및 p형 GaN 질화물층(14)을 포함하며, 상기 p형 GaN 질화물층(14)과 GaN/InGaN 활성층(13)은 그 일부영역이 제거되어 n형 GaN 질화물층(12)의 일부상면을 노출된 구조를 갖는다.

상기 n형 GaN 질화물층(12) 상에는 n측 전극(19a)이 형성되고, 상기 p형 GaN 질화물층(14) 상에는 오믹접촉을 형성하기 위해 Ni/Au로 이루어진 투명전극(18)이 형성된 후에 p측 본딩전극(19b)이 형성된다. 상기 투명전극(18)은 투광성을 가지면서 접촉저항을 개선하기 위한 층으로서 Ni/Au의 이중층의 증착공정과 후속되는 열처리공정을 통해서 형성될 수 있다.

이러한 상기 투명전극층(18)은 종래의 ITO전극에 비해 오믹접촉형성 및 전류주입효율향상측면에서 바람직하지만, 비록 열처리과정을 통해 비교적 투광성이 높은 NiO층이 형성되더라도 그 투과율은 60%에 불과하므로, ITO전극에 비해 발광효율을 저하될 수 있다.

따라서, 높은 투과율을 보장하기 위해서, Ni/Au 투명전극의 두께(100㎛이하)는 제한되어야 하지만, 이로 인해 전류주입효율을 충분히 향상시키는데 한계가 있으며, 또한, 오믹접촉을 추가적으로 향상시키기 위해서 p형 GaN 질화물층의 상면은 Zn, Be, Mg 및 Cd와 같은 고농도의 p형 불순물 도핑이 요구되는 경우가 있다. 하지만, 이러한 p형 불순물의 과사용은 오히려 결정성 저하를 초래한다는 문제가 있다.

따라서, 당 기술분야에서는 기존의 ITO전극 등을 사용하더라도, 오믹저항을 충분히 개선하고 전류분산효과를 향상시킬 수 있는 새로운 발광다이오드와 그 제조방법이 요구되어 왔다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 p측 전극이 형성된 p형 클래드층의 상부에 2차원 전자가스층(2DEG)을 형성함으로써 접촉저항을 개선하고 전류주입효율을 향상시킬 수 있는 고휘도 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 고휘도 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은

기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 형성된 언도프된 GaN층과, 상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스(2DEG)층을 제공하는 AlGaN층과, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 AlGaN층 상에 각각 접속되도록 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자을 제공한다.

바람직하게, 상기 언도프된 GaN층은 10∼100Å 두께를 가지며, 상기 AlGaN층은 결정성측면을 고려하여 Al함량의 함량이 10∼50% 범위가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 AlGaN층은 2차원 전자가스층의 형성을 위해서, 50∼250Å의 두께를 갖도록 형성한다.

본 발명에서 2차원 전자가스층 형성을 위해 제공되는 AlGaN층은 언도프된 AlGaN층 또는 Si와 같은 n형 불순물로 도핑된 n형 AlGaN층일 수 있다.

또한, 상기 AlGaN층은 불순물로서 산소를 포함한다. 상기 산소는 Si와 같은 도너로서 작용할 수 있으며, 이러한 산소는 자연산화에 의해 함유될 수 있으나, 고의적으로 AlGaN층을 산소분위기에서 어닐링함으로써 충분한 산소함량을 보장할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 p측 전극과 상기 AlGaN층 사이에 ITO전극을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 새로운 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다. 상기 방법은, 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 언도프된 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스(2DEG)층이 제공되도록 상기 언도프된 GaN층 상에 AlGaN층을 형성하는 단계와, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 AlGaN층 상에 각각 접속된 n측 전극 및 p측 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 본 발명은 p측 전극 형성 전에 상가 AlGaN층 상에 ITO전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 접촉저항을 낮추기 위해서 p측 전극의 형성부위에 2차원 전자가스(DEG)구조를 채용한다. 특히, 2DEG구조의 전자이동도는 매우 높으므로, 전류분산효과를 크게 개선시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도2a는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측 단면도이며, 도2b는 도2a에서 채용된 AlGaN/GaN층의 에너지밴드다이어그램이다.

우선, 도2a를 참조하면, 본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(20)는 도1에 도시된 발광소자(10)와 유사하게, 사파이어기판(21) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(22), 활성층(23) 및 p형 질화물 반도체층(24)을 포함한다. 상기 p형 또는 상기 n형 질화물 반도체층(22,24)은 각 도전형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층일 수 있으며, 상기 활성층(23)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중우물구조(Multi-Quantum Well)일 수 있다.

본 실시형태에서는, 상기 p형 질화물 반도체층(24) 상에 접촉저항을 낮추고 전류분산효과를 향상시키기 위해 접촉저항을 개선하기 위한 2차원 전자가스(2DEG)층구조가 제공된다. 상기 2DEG구조는 도2a에 도시된 바와 같이 p형 질화물 반도체층(24) 상에 이종물질인 언도프된 GaN층(25)과 AlGaN층(26)을 순차적으로 형성함으로써 얻어질 수 있다. 상기 AlGaN층(26)에는 추가적으로 ITO전극(28)이 제공될 수 있으며, 상기 p측 전극(29b)은 ITO전극(28)상에 형성된다.

상기 p형 질화물 반도체층(24) 및 2DEG구조(25,26)와 활성층(23)은 그 일부영역이 제거되어 n형 질화물 반도체층(22)의 일부상면을 노출되며, 상기 n형 질화물 반도체층(22)의 노출영역 상에는 n측 전극(29a)이 마련된다.

도2b와 같이, 상기 언도프된 GaN층(25)은 AlGaN층(26)과의 에너지밴드 불연속성에 의해 그 계면에 2차원 전자가스층(27)을 갖게 된다. 따라서, 전압인가시에 상기 2차원 전자가스층(27)을 통해 n⁺-p⁺접합으로 터널링현상이 발생되어 접촉저항을 저감시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서 채용되는 2차원 전자가스층(27)에서는 높은 캐리어이동도(약 1500㎠/Vs)가 보장되므로, 전류분산효과를 보다 크게 개선시킬 수 있다.

본 발명에서 채용되는 2차원 전자가스층(27)의 바람직한 형성조건은 상기 언도프된 GaN층(25)과 AlGaN층(26)의 각 두께(t1,t2)와, 상기 AlGaN층(26)의 Al함량으로서 설명될 수 있다.

보다 상세하게, 상기 언도프된 GaN층(25)의 두께(t1)는 상기 2DEG층(27)의 g형성과 터널링현상을 고려하여 약 10∼100Å범위인 것이 바람직하다. 또한, 상기 AlGaN층(26)의 두께(t2)는 Al의 함량에 따라 변경될 수 있으나, Al함량이 많은 경우에는 결정성이 저하될 우려가 있으므로, 상기 AlGaN층(26)의 Al함량은 10∼50%로 한정하는 것이 바람직하며, 이러한 Al함량 조건에서, 상기 AlGaN층(26)의 두께는 약 50 ∼250Å범위인 것이 바람직하다.

본 발명에서 2차원 전자가스층(27)의 형성을 위한 AlGaN층(26)으로는 n형 AlGaN층뿐만 아니라, 언도프된 AlGaN층도 채용될 수 있다. n형 AlGaN층을 형성하는 경우에는, n형 불순물로서 Si를 사용할 수 있다.

또한, AlGaN/GaN층 구조에 의한 2DEG층(27)은 비교적 높은 시트캐리어농도(약 10¹³/㎠)가 보장되지만, 보다 높은 캐리어농도를 위해서 추가적으로 산소를 불순물로 채용될 수 있다. 상기 AlGaN층(26)에 도입된 산소는 Si와 같은 도너로 작용하므로, 도핑농도를 증가시키고 페르미준위를 고정시키게 되어 터널링현상을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 2DEG층(27)으로 공급되는 캐리어를 증가시켜 캐리어농도를 보다 높힐 수 있으므로, 접촉저항을 한층 더 개선시킬 수 있다.

상기 AlGaN층(26)에 도너로서 작용할 산소를 도입하는 방법은 AlGaN물질이 산소와 반응성이 크므로, 별도의 추가적인 공정 없이 전극형성공정 등에서 자연산화에 의해 실현될 수 있다. 하지만, 충분한 산소의 도입이 필요한 경우, 예를 들어 언도프된 AlGaN층(26)을 형성하는 경우에는, 고의적으로 별도의 산소도입공정을 실행하는 것이 바람직하다.

이러한 공정은, AlGaN층(26) 형성단계 후에 어닐링공정을 산소분위기에서 실시함으로써 행해질 수 있다. 특히, 특정 응용예에서는, 어닐링공정은 AlGaN층(26)의 형성 후에 결정성 향상을 위해 채용될 수 있므로, 이 경우에는 그 분위기조건을 산소로 설정하는 것만으로 간소하게 본 발명의 산소도입공정을 대체할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 p형 질화물 반도체층 상부에 GaN/AlGaN 이종접합구조를 채용함으로써 2DEG층(27)을 이용한 터널링효과를 통해 접촉저항문제를 크게 개선할 수 있다. 이러한 방안은 종래와 같이 투과율이 낮은 Ni/Au과 같은 투명전극 을 형성하거나 p형 질화물 반도체층의 불순물농도를 과도하게 높히지 않으면서, 접촉저항과 전류주입효율을 개선시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 채용되는 2DEG를 위한 이종접합구조는 투과율이 낮은 투명전극구조를 사용하지 않고, 질화물층만을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 본 실시형태와 같이, 상대적으로 높은 투과율이 갖는 ITO전극을 채용하여, 외부방출효율을 보장하는 동시에 접촉저항을 크게 개선시킬 수 있다.

도3a 내지 도3d는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

우선, 도3a와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은 기판(31) 상에 n형 질화물 반도체층(32), 활성층(33) 및 p형 질화물 반도체층(34)을 형성하는 단계으로 시작된다. 상기 p형 및 n형 질화물반도체층(32,34) 및 활성층(33)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체물질일 수 있으며, MOCVD 및 MBE공정과 같은 공지의 질화물 증착공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 기판(31)은 질화물반도체단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 사파이어 기판 및 실리콘카바네이트(SiC)기판과 같은 이종기판 또는 질화물기판과 같은 동종기판일 수 있다.

이어, 도3b와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(34) 상에 언도프된 GaN층(35)과 AlGaN층(36)으로 구성된 이종접합구조를 형성한다. 상기 언도프된 GaN층(35)과 AlGaN층(36)은 앞서 설명한 질화물층의 증착공정이 실시되는 챔버내에서 연속적으로 실시될 수 있다. 또한, 2DEG에 의한 터널링현상을 보장하기 위해서 언도프된 GaN층(35)의 두께(t1)는 10∼100Å범위로 하며, 상기 AlGaN층(36)은 바람직한 Al함량을 고려하여 50∼250Å범위로 하는 것이 바람직하다. 상기 AlGaN층(36)의 바람직한 Al함량은 과도한 Al함량에 의한 결정성 저하를 방지하고자 10∼50%범위로 한정하는 것이 바람직하다. 추가적으로, 상기 AlGaN층(36)은 n형 불순물인 Si가 도프된 n형 AlGaN물질일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 언도프된 AlGaN층을 사용할 수도 있다.

다음으로, 도3c와 같이, 성장된 AlGaN층(36)에 대한 어닐링공정을 산소(O₂)분위기에서 실시할 수 있다. 본 공정은 필요에 따라 선택적으로 실행될 수 있는 공정으로서, 도너로 작용하는 산소의 양은 고의적으로 증가시키는 방안으로 사용된다. 앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 결정성 향상을 위해 어닐링공정이 채용되므로, 본 발명에 따른 어닐링공정은 분위기가스를 산소로 설정함으로써 용이하게 실현될 수 있다.

최종적으로, 도3d와 같이, 상기 n형 질화물 반도체층(32)의 일영역을 노출되 도록 상기 p형 질화물 반도체층(34) 및 2DEG구성층(35,36)과 상기 활성층(33)의 일부영역을 제거하는 메사에칭(mesa etching)공정을 실시하고, 상기 n형 질화물 반도체층(32)의 노출된 상면과 상기 AlGaN층(36) 상에 각각 n측 전극(39a) 및 p측 전극(39b)을 형성한다. 본 실시형태와 같이, 적절한 오믹접촉을 형성하기 위해서는 상기 p측 전극(39b)과 AlGaN층(36) 사이에는 상대적으로 투과율이 높은 ITO전극(38)을 채용할 수 있다. 상기 ITO전극(38)을 채용하더라도, 2DEG에 의해 접촉저항이 개선될 뿐만 아니라 전류분산효과도 향상되므로, 종래의 Au/Ni보다 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, p형 질화물 반도체층 상부에 GaN/AlGaN의 이종접합구조를 채용하여 2DEG층에 의한 터닐링현상을 통해 p형 질화물 반도체층과 p측 전극 사이에 접촉저항을 개선시킬 수 있다. 본 발명에서 사용되는 2DEG층은 높은 캐리어이동도와 캐리어농도가 보장되므로, 전류주입효율측면에서 탁월한 향상효과가 기대된다.

Claims

기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상부에 형성된 언도프된 GaN층;

상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스층을 제공하는 AlGaN층; 및

상기 n형 질화물 반도체층과 상기 AlGaN층 상에 각각 접속되도록 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 언도프된 GaN층은 10∼100Å의 두께를 가짐을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 AlGaN층의 Al함량은 10∼50%임을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 AlGaN층은 50∼250Å의 두께를 가짐을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 AlGaN층은 언도프된 AlGaN층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,

상기 AlGaN층은 n형 불순물이 도핑된 AlGaN층임을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 AlGaN층은 불순물로서 산소를 포함함을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 p측 전극과 상기 AlGaN층 사이에 ITO전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계;

상기 활성층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 언도프된 GaN층을 형성하는 단계;

상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 2차원 전자가스층이 제공되도록 상기 언도프된 GaN층 상에 AlGaN층을 형성하는 단계; 및

상기 n형 질화물 반도체층과 상기 AlGaN층 상에 각각 접속된 n측 전극 및 p측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 언도프된 GaN층은 10∼100Å의 두께를 가짐을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 AlGaN층의 Al함량은 10∼50%임을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제11항에 있어서,

상기 AlGaN층은 50∼250Å의 두께를 가짐을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 AlGaN층에 도핑되는 언도프된 AlGaN층임을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 AlGaN층은 n형 AlGaN층임을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 AlGaN층은 불순물로서 산소를 포함함을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제15항에 있어서,

상기 AlGaN층을 형성하는 단계 후에, 산소분위기에서 상기 AlGaN층을 어닐링하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 질화물 반도체 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 p측 전극 형성 전에, 상기 AlGaN층 상에 ITO전극을 형성하는 단계를 더 포함하며,

상기 p측 전극은 상기 ITO전극 상에 형성됨을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.