KR100738399B1

KR100738399B1 - 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100738399B1
Application number: KR1020060035145A
Authority: KR
Inventors: 김선운; 김동준; 이동주
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2026-04-18

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 기판; 상기 기판 상에, n형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층이 교대로 1회 이상 반복 적층되어 형성된 n형 다층막; 상기 n형 다층막 상의 일부분에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극; 및 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 다층막 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

질화물, 발광소자, C, 도핑, 전류 확산, 동작 전압

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도 1은 종래기술에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 카본(C)이 도핑된 GaN의 페르미 레벨(fermi level)-포메이션 에너지(formation energy) 특성을 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

200: 수평형 질화물 반도체 발광소자 210: 기판

220: n형 다층막 220a: n형 질화물 반도체층

220b: C 도프트 질화물 반도체층 230: 활성층

240: p형 질화물 반도체층 250: 투명 전극

260: p형 전극 270: n형 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류 확산 효과를 향상시켜 동작 전압을 감소시키고, 정전기 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물계 반도체는 비교적 높은 에너지 밴드갭을 갖는 물질(예; GaN 반도체의 경우, 약 3.4eV)로서 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하기 위한 광소자에 적극적으로 채용되고 있다. 이러한 질화물계 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 질화물계 반도체는 비교적 큰 에너지 밴드갭을 가지므로, 전극과 오믹접촉을 형성하는데 어려움이 있다. 특히, n형 질화물 반도체층은 보다 큰 에너지 밴드갭을 가지므로, n형 전극과 접촉부위에서 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작 전압이 커져 발열량이 증가되는 문제가 있다.

이에 따라, 질화물계 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층의 높은 에너지 밴드갭으로 인해 소자의 동작 전압이 커지는 것을 방지하기 위해, 최근 다양한 연구들이 진행되고 있다.

그러면, 이하 도 1을 참조하여 종래기술에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 종래기술에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래기술에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자(100)는, 사파이어 기판(110)과, 상기 사파이어 기판(110) 상에 n형 질화물 반도체층(120a) 및 언도프트(undoped) 질화물 반도체층(120b)이 교대로 1회 이상 반복 적층되어 형성된 n형 다층막(120)과, 상기 n형 다층막(120) 상의 일부에 형성된 다중양자 우물(Multi Quantum Well) 구조인 GaN/InGaN 활성층(130), 및 상기 활성층(130) 상에 형성된 p형 질화물 반도체층(140)을 포함한다.

상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 ITO 등으로 이루어진 투명 전극(150)과, Au/Cr로 이루어진 p형 전극(160)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 활성층(130)이 형성되지 않은 상기 n형 다층막(120) 상에는 Au/Cr로 이루어진 n형 전극(170)이 형성되어 있다.

이와 같이, 종래기술에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는, 상기 n형 질화물 반도체층(120a)의 성장시, 고의적으로 도핑을 하지 않은 언도프트 질화물 반도체층(120b)을 형성하여, 전기 전도도가 서로 다른 층이 존재하는 n형 다층막(120)을 형성함으로써, 상기 n형 다층막(120)의 전류 확산 효과를 향상시켜 소자의 동작 전압을 감소시켰다.

한편, 상기한 바와 같이, 전기 전도도가 서로 다른 다층막을 성장시킴에 있어서, 각 다층막의 두께 및 다층막 간의 전기 전도도 차이가 전류 확산 효과의 정도에 큰 영향을 주게 된다. 전기 전도도 차이의 경우, 그 차이가 클수록 얇은 다층막 두께에서도 전류 확산 효과가 커진다.

그런데, 일반적인 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)법으로 성장되는 질화물 반도체의 경우, 고의로 n형 불순물을 도핑하지 않더라도, 자연적으로 n형 질화물 반도체의 특성을 나타내며, 이 때 n형 이동자의 농도는 적어도 1×10E16 이상으로 측정되고 있다. 또한, 일반적인 질화물 반도체 발광소자(100)를 구성하는 n형 질화물 반도체층(120a)의 n형 이동자 농도가 약 3×10E18인 점을 감안하면, 상기 다층막 간의 전기 전도도 차이는 300배 이상 형성되기 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 발광소자의 전류 확산 효과를 보다 향상시킬 수 있는 발광소자 관련 기술의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 전류 확산 효과를 향상시켜 동작 전압을 감소시키고, 정전기 특성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에, n형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층이 교대로 1회 이상 반복 적층되어 형성된 n형 다층막; 상기 n형 다층막 상의 일부분에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극; 및 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 다층막 상에 형성된 n형 전극을 포함한다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자는, n형 전극; 상기 n형 전극 하면에, n형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층이 교대로 1회 이상 반복 적층되어 형성된 n형 다층막; 상기 n형 다층막 하면에 형성된 활성층; 상기 활성층 하면에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 하면에 형성된 p형 전극; 및 상기 p형 전극 하면에 형성된 구조지지층을 포함한다.

여기서, 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소는, C인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 C의 도핑 농도는, 1×10¹⁶ 내지 1×10¹⁹인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소의 도핑 농도는, 상기 n형 다층막을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다르게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층은, 상기 n형 다층막을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다른 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층은, 0.5 ㎚ 내지 500 ㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n형 질화물 반도체층에는, Si, Ge 및 Sn으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 n형 불순물이 도핑되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n형 불순물의 도핑 농도는, 상기 n형 다층막을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다르게 형성된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

실시예 1

도 2를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도로서, 수평형 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(200)의 기판(210) 상에는, n형 질화물 반도체층(220a) 및 상기 n형 질화물 반도체층(220a)에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층(220b)이 교대로 1회 이상 반복 적층된 n형 다층막(220)이 형성되어 있다. 상기 n형 다층막(220)은 통상적인 MOCVD법으로 형성될 수 있다.

상기 기판(210)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 사파이어, ZnO, GaN, SiC 및 AlN 등으로 이루어질 수 있다.

상기 기판(210)과 상기 n형 다층막(220)의 최하층에 형성된 n형 질화물 반도체층(220a)의 사이에는, 이들 간의 격자정합을 향상시키기 위한 버퍼층(도시안함)이 형성되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 버퍼층은 GaN 또는 AlN/GaN 등으로 형성될 수 있다.

상기 n형 다층막(220) 상의 일부에는 활성층(230) 및 p형 질화물 반도체층(240)이 차례로 형성되어 있다.

상기 n형 질화물 반도체층(220a)과 p형 질화물 반도체층(240) 및 활성 층(230)은, In_XAl_YGa_1-X-YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(220a)은 n형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다. 여기서, 상기 n형 불순물의 도핑 농도는, 상기 n형 다층막(220)을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다르게 형성될 수 있다.

또한, 상기 p형 질화물 반도체층(240)은 p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다. 그리고, 상기 활성층(230)은 다중양자 우물 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(240) 상에는 ITO 등으로 이루어진 투명 전극(250)이 형성되어 있고, 상기 투명 전극(250) 상에는 Au/Cr로 이루어진 p형 전극(260)이 형성되어 있다. 또한, 상기 활성층(230)이 형성되지 않은 상기 n형 다층막(220) 상에는 Au/Cr로 이루어진 n형 전극(270)이 형성되어 있다.

이러한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자(200)에서, 상기 n형 질화물 반도체층(220a)에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소로서 카본(C)을 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자(200)의 n형 다층막(220)은, n형 질화물 반도체층(220a) 및 C 도프트(doped) 질화물 반도체층(220b)이 교대 로 1회 이상 반복 적층되어 형성된 것이 바람직하다.

여기서, 도 3은 카본(C)이 도핑된 GaN의 페르미 레벨(fermi level)-포메이션 에너지(formation energy) 특성을 나타낸 그래프이다.

도 3을 참조하면, 통상적인 MOCVD법으로 성장되는 GaN에 C가 고의적으로 도핑될 경우, 상기 GaN의 N 사이트(site)에 C가 치환([C_N])되어 셸로우 억셉터(shallow acceptor)로 작용한다. 즉, 상기 C는 GaN 내로 유입되어 p형 불순물로 작용함으로써, 상기 GaN의 n형 질화물 반도체 특성을 감소시키는 보상 효과(compensation effect)를 일으킨다. 이 때, 상기 C의 도핑 농도를 증가시킴에 따라, n형 이동자의 농도는 1×10E16 보다 낮아지게 되어, 반절연층(semi insulating layer)까지 형성이 가능하다.

따라서, 본 실시예에서와 같이, n형 질화물 반도체층(220a) 내에 C 도프트 질화물 반도체층(220b)을 성장시켜 다층막을 형성할 경우, 종래기술에서와 같이 n형 질화물 반도체층(120a) 내에 언도프트 질화물 반도체층(120b)을 성장시켜 다층막을 형성하는 경우에 비해, 다층막 내에서 인접한 층간의 n형 이동자의 농도 차이를 훨씬 더 증가시킬 수 있는 바, 전기 전도도 차이를 300배 이상 증가시킨 다층막의 형성이 가능해진다.

이 때, 상기 C 도프트 질화물 반도체층(220b)에서, 상기 C의 도핑 농도는, 약 1×10¹⁶ 이하일 경우에는 전류 확산 효과를 충분히 얻기 어렵고, 약 1×10¹⁹이상일 경우에는 막질이 크게 저하됨으로써 오히려 전기 전도도가 낮아질 수 있기 때문 에, 1×10¹⁶ 내지 1×10¹⁹의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 C의 도핑 농도는, 상기 n형 다층막(220)을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다르게 형성될 수 있다.

또한, 상기 C 도프트 질화물 반도체층(220b)은, 상기 n형 다층막(220)을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다른 두께를 가질 수 있다. 특히, 각각의 C 도프트 질화물 반도체층(220b)의 두께는, 약 0.5 ㎚ 이하의 두께를 가질 경우에는 전류 확산 효과를 충분히 얻기 어렵고, 약 500 ㎚ 이상의 두께를 가질 경우에는 저항이 너무 커질 수 있기 때문에, 0.5 ㎚ 내지 500 ㎚의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, n형 질화물 반도체층(220a) 및 C 도프트 질화물 반도체층(220b)이 교대로 1회 이상 반복 적층된 n형 다층막(220)을 형성함으로써, 상기 층들(220a, 220b)간의 전기 전도도 차이를 300배 이상 증가시켜, 전류 확산 효과를 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 전류 확산 효과의 향상으로 인하여 낮은 동작 전압 및 우수한 정전기 특성을 갖는 질화물 반도체 소자를 구현할 수 있다.

실시예 2

도 4를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도로서, 수직형 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(300)의 최상부에는 Cr/Au 등으로 이루어진 n형 전극(360)이 형성되어 있다.

상기 n형 전극(360)의 하면에는 n형 다층막(350)이 형성되어 있다.

본 실시예에 따른 상기 n형 다층막(350)은, 전류 확산 효과의 향상을 위해, n형 질화물 반도체층(350a) 및 상기 n형 질화물 반도체층(350a)에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층, 예컨대 C 도프트 질화물 반도체층(350b)을 교대로 1회 이상 반복 적층시켜 형성된 것이다.

즉, 상기 n형 질화물 반도체층(350a)에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소는, C인 것이 바람직하며, 상기 C의 도핑 농도는 1×10¹⁶ 내지 1×10¹⁹인 것이 바람직하다. 이 때에, 상기 C의 도핑 농도는, 상기 n형 다층막(350)을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다르게 형성할 수 있다.

그리고, 상기 C 도프트 질화물 반도체층(350b)은, 상기 n형 다층막(350)을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다른 두께로 형성될 수 있으며, 각각의 C 도프트 질화물 반도체층(350b)은, 0.5 ㎚ 내지 500 ㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

상기 n형 질화물 반도체층(350a)은 Si, Ge 및 Sn 등과 같은 n형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, 여기서 상기 n형 불순물의 도핑 농도는, 상기 n형 다층막(350)을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다르게 형성될 수 있다.

상기 n형 다층막(350)의 하면에는 활성층(340) 및 p형 질화물 반도체층(330)이 아래로 순차 적층되어 있다. 상기 활성층(340)은 다중양자 우물 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(330)은 p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(330)의 하면에는 p형 전극(320)이 형성되어 있다. 상기 p형 전극(320)은, 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하도록 반사율이 높은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 p형 전극(320)의 하면에는 도전성 접합층(미도시) 등에 의해 구조지지층(310)이 접합되어 있다. 상기 구조지지층(310)은 최종적인 LED 소자의 지지층 및 전극으로서의 역할을 수행하는 것으로서, 실리콘(Si) 기판, GaAs 기판, Ge 기판 또는 금속층 등으로 이루어진다.

이러한 본 발명의 제2실시예 또한 제1실시예와 마찬가지로, n형 질화물 반도체층(350a) 및 C 도프트 질화물 반도체층(350b)이 교대로 1회 이상 반복 적층된 n형 다층막(350)을 포함하고 있기 때문에, 제1실시예와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실 시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 의하면, n형 질화물 반도체층 및 C 도프트 질화물 반도체층이 교대로 1회 이상 반복 적층된 n형 다층막을 형성함으로써, 다층막간의 전기 전도도 차이를 극대화시켜 소자의 전류 확산 효과를 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 전류 확산 효과의 향상으로 인하여 낮은 동작 전압 및 우수한 정전기 특성을 갖는 질화물 반도체 소자를 구현할 수 있다.

Claims

기판;

상기 기판 상에, n형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층이 교대로 1회 이상 반복 적층되어 형성된 n형 다층막;

상기 n형 다층막 상의 일부분에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극; 및

상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 다층막 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
n형 전극;

상기 n형 전극 하면에, n형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층이 교대로 1회 이상 반복 적층되어 형성된 n형 다층막;

상기 n형 다층막 하면에 형성된 활성층;

상기 활성층 하면에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 하면에 형성된 p형 전극; 및

상기 p형 전극 하면에 형성된 구조지지층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소는, C인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 C의 도핑 농도는, 1×10¹⁶ 내지 1×10¹⁹인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소의 도핑 농도는, 상기 n형 다층막을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층은, 상기 n형 다층막을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다른 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층에 대해 p형 불순물로 작용하는 원소가 도핑된 질화물 반도체층은, 0.5 ㎚ 내지 500 ㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층에는, Si, Ge 및 Sn으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 n형 불순물이 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 n형 불순물의 도핑 농도는, 상기 n형 다층막을 이루는 질화물 반도체층의 위치마다 같거나 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.