KR101459751B1

KR101459751B1 - Semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: KR101459751B1
Application number: KR1020070060935A
Authority: KR
Inventors: 김경준
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: KR20090002196A

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 n형 접촉층; 상기 n형 접촉층 위에 형성된 클래드층; 상기 클래드층 위에 형성된 InGaN 양자점층; 상기 InGaN 양자점층 위에 형성된 GaN 캡층; 상기 GaN 캡층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p형 접촉층을 포함한다.A nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes: a substrate; An n-type contact layer formed on the substrate; A clad layer formed on the n-type contact layer; An InGaN quantum dot layer formed on the clad layer; A GaN cap layer formed on the InGaN quantum dot layer; An active layer formed on the GaN cap layer; And a p-type contact layer formed on the active layer.

질화물 반도체 발광소자, 양자점, 캡층 A nitride semiconductor light emitting device, a quantum dot,

Description

TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device,

도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.1 is a sectional view of a conventional nitride semiconductor light emitting device.

도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉Description of the Related Art

100 : 질화물 반도체 발광소자 111 : 기판100: nitride semiconductor light emitting device 111: substrate

113 : 버퍼층 115 : undoped-GaN층113: buffer layer 115: undoped-GaN layer

117 : n형 접촉층 119 : 하부 클래드층117: n-type contact layer 119: lower clad layer

121 : InGaN 양자점층 123 : GaN 캡층121: InGaN quantum dot layer 123: GaN cap layer

125 : 활성층 127 : p형 클래드층125: active layer 127: p-type cladding layer

129 : p형 접촉층129: p-type contact layer

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof.

일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중 GaN, Aln, InN는 0.7 ~ 6.2eV에 이르 는 매우 넓은 영역의 밴드 갭을 갖기 때문에, 다양한 색을 반도체를 통해 얻을 수 있다는 측면에서 주목받고 있다. In general, GaN, Aln, and InN among Group III-V compound semiconductors have a wide bandgap ranging from 0.7 to 6.2 eV, and thus are attracting attention in that various colors can be obtained through semiconductors.

도 1은 종래 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor light emitting device.

도 1에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11) 상에 버퍼층(13)을 형성하고 그 상부에 언도프된(undoped) GaN층(15) 및 n-GaN 층(17)이 차례대로 형성된다. 그리고, 상기 n-GaN층 위에 단일 또는 다중 양자우물구조로 형성되어 광을 방출하는 활성층(19), 상기 활성층(19) 위에 p-GaN층(21)이 차례대로 적층된다. 상기 n-GaN층(17)에는 주로 Si가 도핑되고, p-GaN층(21)에는 주로 Mg가 도핑된다. 1, the nitride semiconductor light emitting device 10 includes a buffer layer 13 formed on a sapphire substrate 11, an undoped GaN layer 15 and an n-GaN layer (not shown) 17 are formed in this order. An active layer 19 formed of a single or multiple quantum well structure on the n-GaN layer and emitting light, and a p-GaN layer 21 are sequentially stacked on the active layer 19. The n-GaN layer 17 is mainly doped with Si and the p-GaN layer 21 is mainly doped with Mg.

그리고, 상기 p-GaN층(21)의 일부분을 n-GaN 층(17)의 일부분까지 식각하여 n-GaN층(17)을 외부로 노출시키고 n-GaN층(17)에 n형 전극을 형성시키고, 상기 p-GaN층(21) 상에는 p형 전극을 형성시켜 준다. A part of the p-GaN layer 21 is etched to a portion of the n-GaN layer 17 to expose the n-GaN layer 17 to the outside and form an n-type electrode in the n-GaN layer 17 And a p-type electrode is formed on the p-GaN layer 21.

각 층의 형성방법은 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등에 의해 형성하면 된다.Each layer may be formed by various methods such as electron beam evaporation, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), plasma laser deposition (PLD), dual-type thermal evaporator sputtering, MOCVD chemical vapor deposition) or the like.

이러한 질화물 반도체 발광소자는 P/N 접합 사이의 활성층(19)에서의 전자와 정공의 재 결합에 의해 광자(Photon)가 발생되는 원리를 가지고 있다. This nitride semiconductor light emitting device has a principle that photons are generated by recombination of electrons and holes in the active layer 19 between P / N junctions.

상기 활성층(19)에서 생성되는 광은 모든 방향으로 방출되는데, 광을 방출될 때의 각 질화물층 표면의 접촉 저항으로 인해 발생되는 전기적 특성과 외부 양자 효율을 개선시키기 위한 연구가 진행되고 있다.Light generated in the active layer 19 is emitted in all directions. Research is underway to improve electrical characteristics and external quantum efficiency caused by contact resistance on the surface of each nitride layer when light is emitted.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same.

본 발명은 활성층의 하부에 인듐을 이용한 양자점층 및 이를 보호하는 캡층을 형성함으로써, 활성층으로 캐리어의 공급을 증가시켜 주어 발광 효율을 개선하고자 한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, wherein a quantum dot layer using indium and a cap layer for protecting the quantum dot layer are formed at the bottom of the active layer.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 n형 접촉층; 상기 n형 접촉층 위에 형성된 클래드층; 상기 클래드층 위에 형성된 InGaN 양자점층; 상기 InGaN 양자점층 위에 형성된 GaN 캡층; 상기 GaN 캡층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 p형 접촉층을 포함한다. A nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes: a substrate; An n-type contact layer formed on the substrate; A clad layer formed on the n-type contact layer; An InGaN quantum dot layer formed on the clad layer; A GaN cap layer formed on the InGaN quantum dot layer; An active layer formed on the GaN cap layer; And a p-type contact layer formed on the active layer.

본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 n형 접촉층을 형성하는 단계; 상기 n형 접촉층 위에 클래드층을 형성하는 단계; 상기 클래드층 위에 InGaN 양자점층을 형성하는 단계; 상기 InGaN 양자점층 위에 GaN 캡층을 형성하는 단계; 상기 GaN 캡층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p형 접촉층을 형성하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention includes: forming an n-type contact layer on a substrate; Forming a clad layer on the n-type contact layer; Forming an InGaN quantum dot layer on the clad layer; Forming a GaN cap layer on the InGaN quantum dot layer; Forming an active layer on the GaN cap layer; And forming a p-type contact layer on the active layer.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(111), 버퍼층(113), 언도프 GaN층(115), n형 접촉층(117), 하부 클래드층(119), InGaN 양자점층(121), GaN 캡층(123), 활성층(125), p형 클래드층(127), p형 접촉층(129)을 포함한다.2, the nitride semiconductor light emitting device 100 includes a substrate 111, a buffer layer 113, an undoped GaN layer 115, an n-type contact layer 117, a lower clad layer 119, an InGaN quantum dot layer A GaN cap layer 123, an active layer 125, a p-type cladding layer 127, and a p-

상기 기판(111)은 사파이어, GaN, SiC, ZnC, GaAs 또는 Si으로 형성하며, 상기 기판 위에 버퍼층(113)이 형성된다. 상기 버퍼층(113)은 기판(111)과 GaN층(117)의 격자상수 차이를 줄여주기 위한 것으로서, GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 Al_XGa_YIn_1-X-YN(0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 등이 이용될 수 있다. 이러한 버퍼층 위에 도펀트가 도핑되지 않는 언도프(undoped) GaN층(115)을 성장시켜 준다. The substrate 111 is formed of sapphire, GaN, SiC, ZnC, GaAs, or Si, and a buffer layer 113 is formed on the substrate. The buffer layer 113 serves to reduce the lattice constant difference between the substrate 111 and the GaN layer 117. GaN, AlN, AlGaN, InGaN and Al _x Ga _y In _1-XY N (0? X, 0? Y, X + Y &le; 1) or the like may be used. An undoped GaN layer 115 is grown on the buffer layer without dopant doping.

상기 언도프 GaN층(115) 위에는 n형 접촉층(117)이 형성되는데, 상기 n형 접촉층(117)은 n-GaN층으로서, 구동 전압을 낮추기 위해 해당 도펀트 예컨대, 실리콘(Si)이 도핑된다. 여기서 n형 도펀트로는 Si, Ge, Se, Te 등이 첨가될 수도 있다.An n-type contact layer 117 is formed on the undoped GaN layer 115. The n-type contact layer 117 is an n-GaN layer and is doped with a dopant such as silicon (Si) do. As the n-type dopant, Si, Ge, Se, Te, or the like may be added.

상기 n형 접촉층(117) 상에는 하부 클래드층(119)이 형성되는 데, 상기 하부 클래드층(119)은 언도프 또는 n형 도핑된 AlGaN층으로 성장되거나, Al_XGa_YIn₁ _-X-YN/Al_XGa_YIn_1-X-YN(0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)의 페어(Pair)로 한 페어 이상 성장될 수 있다.A lower cladding layer 119 is formed on the n-type contact layer 117. The lower cladding layer 119 may be grown as an undoped or n-type doped AlGaN layer, or may be formed of Al _x Ga _y In ₁ _-XY N / Al _X Ga _Y In _1-XY N (0? X, 0? Y, X + _Y? ₁ ) pairs.

상기 하부 클래드층(119) 위에 InGaN 양자점층(121)이 형성하며, 상기 InGaN 양자점층(121) 위에 양자점(QD: quantum dot) 보호를 위한 GaN 캡층(123)이 형성되고, 상기 GaN 캡층(123) 위에 활성층(125)이 형성된다. An InGaN quantum dot layer 121 is formed on the lower clad layer 119 and a GaN cap layer 123 for quantum dot (QD) protection is formed on the InGaN quantum dot layer 121. The GaN cap layer 123 The active layer 125 is formed.

상기 InGaN 양자점층(121)은 성장할 때 In의 양을 Ga의 양보다 10~500배 정도 더 넣어줌으로써, In-rich InGaN QD을 형성하게 된다. 이때 In의 혼입(Incorporation)이 잘 되기 위해서 InGaN 양자점층(121)의 형성 온도는 600~800℃이고 성장시간은 3~30초 정도가 된다. 여기서, 성장 시간이 증가할수록 양자점(QD)의 사이즈와 높이는 증가하게 된다. 이러한 양자점의 사이즈는 직경(Diameater)이 50~200nm이고, 높이는 1~20nm를 가진다. When the InGaN quantum dot layer 121 grows, the In-rich InGaN QD is formed by adding about 10 to about 500 times more In than the amount of Ga. At this time, the InGaN quantum dot layer 121 is formed at a temperature of 600 to 800 ° C. and a growth time of about 3 to 30 seconds in order to improve incorporation of In. Here, as the growth time increases, the size and height of the quantum dots QD increase. The size of such a quantum dot has a diameter (Diameater) of 50 to 200 nm and a height of 1 to 20 nm.

여기서, 상기 InGaN 양자점층(121)은 하부의 하부 클래드층(119)과의 격자 부정합(Large lattic mismatch)이 크기 때문에 양자점의 3차원 성장을 촉진시켜 줄 수 있다. Here, since the InGaN quantum dot layer 121 has a large lattice mismatch with the lower clad layer 119, it can promote three-dimensional growth of the quantum dot.

그리고 InGaN 양자점층(121) 형성 후 GaN 캡층(capping layer)(123)을 형성하게 되는데, 상기 GaN 캡층(123)은 양자점 형상을 그대로 유지시켜 주기 위한 층으로서, N-rich 또는 Ga-rich된 GaN 캡층으로 형성된다. 여기서, N-rich 또는 Ga-rich는 통상적으로 기존의 다른 층에서 사용하는 N 또는 Ga의 양보다 더 많은 양을 지시한다. 또한 상기 GaN 캡층(123)은 600~800℃의 성장 온도에서 3~30초 동안 성장된다.A GaN cap layer 123 is formed after the formation of the InGaN quantum dot layer 121. The GaN cap layer 123 is a layer for maintaining the quantum dot shape as it is and includes N-rich or Ga-rich GaN Cap layer. Here, N-rich or Ga-rich typically indicates an amount greater than the amount of N or Ga used in other existing layers. The GaN cap layer 123 is grown at a growth temperature of 600 to 800 ° C. for 3 to 30 seconds.

그리고 상기 InGaN 양자점층(121) 및 GaN 캡층(123)을 한 페어(Pair)로 할 때, 1~10페어로 형성할 수도 있다. 또한 상기 InGaN 양자점층(121) 및/또는 GaN 캡층(123)에 n형 도펀트를 도핑할 수도 있다. When the InGaN quantum dot layer 121 and the GaN cap layer 123 are formed as one pair, they may be formed in a pair of 1 to 10 pairs. In addition, the InGaN quantum dot layer 121 and / or the GaN cap layer 123 may be doped with an n-type dopant.

상기 GaN 캡층(123) 위에는 활성층(125)이 형성되는데, 상기 활성층(125)은 단일 양자 우물 또는 다중 양자 우물(MQW) 구조를 갖는 것으로, Al_XGa_YIn₁ _-X- _YN / Al_XGa_YIn_1-X-YN (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)로 형성될 수 있다. The GaN cap layer 123, the active layer 125 is formed above the active layer 125 is to have a single quantum well or a multiple quantum well (MQW) structure, Al _X Ga _Y In ₁ _-X- _Y N / Al _X Ga _Y In _1-XY N (0? X, 0? Y, X + _Y? ₁ ).

본 발명은 활성층(125) 하부에 작은 사이즈로 유니폼(uniform)하게 만들어지는 양자점으로 인해 캐리어 구속(carrier confinement)이 증가되어 활성층에 캐리어의 공급이 증가됨으로써, 내부 발광의 효율을 증가시켜 줄 수 있다.The present invention increases the carrier confinement due to quantum dots formed uniformly in a small size below the active layer 125 to increase the supply of carriers to the active layer and thereby increase the efficiency of internal light emission .

상기 활성층(125) 위에는 상기 p형 클래드층(127)이 형성되는 데, 상기 p형 클래드층(127)은 형성하지 않을 수도 있다. 상기 p형 클래드층(127) 위에 p형 접촉층(129)가 형성된다.The p-type cladding layer 127 is formed on the active layer 125, but the p-type cladding layer 127 may not be formed. A p-type contact layer 129 is formed on the p-type cladding layer 127.

상기 p형 클래드층(127)은 p-AlGaN층으로 형성될 수 있으며, p형 접촉층(131)은 GaN에 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.The p-type cladding layer 127 may be formed of a p-AlGaN layer and the p-type contact layer 131 may be formed by adding Mg, Zn, Ca, Sr, and Ba as p-type dopants to GaN.

그리고 상기 p형 접촉층(129) 위에는 투명 전극층(미도시)을 형성될 수 있으며, 상기 투명 전극층은 ITO, ZnO, IrOx, RuOx, NiO의 물질 중에서 선택되어 형성될 수 있다. A transparent electrode layer (not shown) may be formed on the p-type contact layer 129. The transparent electrode layer may be formed of ITO, ZnO, IrOx, RuOx, or NiO.

이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be appreciated that many variations and applications not illustrated are possible.

예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 활성층 하부의 클래드층 위에 인듐을 이용한 양자점 및 이의 캡층을 형성시켜 줌으로써, 내부 발광 효율이 개선되고, 접촉 저항이 감소되어 전기적인 특성이 개선될 수 있다. According to the nitride semiconductor light emitting device and the method for fabricating the same according to the present invention, by forming quantum dots and a cap layer using indium on the clad layer below the active layer, the internal light emitting efficiency is improved, the contact resistance is reduced, .

Claims

Board;

An n-type contact layer formed on the substrate;

A clad layer formed on the n-type contact layer;

A quantum dot layer having indium (In) formed on the clad layer;

A cap layer having gallium (Ga) formed on the quantum dot layer;

An active layer formed on the cap layer; And

And a p-type contact layer formed on the active layer.

The method according to claim 1,

Wherein the clad layer is an undoped or n-type doped layer.

3. The method of claim 2,

Wherein the clad layer comprises an AlGaN layer.

4. The method according to any one of claims 1 to 3,

Wherein the quantum dot layer includes In-rich InGaN quantum dots wherein the amount of indium (In) is greater than the amount of gallium (Ga).

The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2, wherein the cladding layer comprises a plurality of Al _x Ga _y In _1- _x _Y N (0? X, 0? Y, X + _Y? ₁ ).

5. The method of claim 4,

The quantum dot of the quantum dot layer has a diameter of 50 to 200 nm and a height of 1 to 20 nm.

4. The method according to any one of claims 1 to 3,

Wherein the cap layer is formed of N-rich or Ga-rich.

4. The method according to any one of claims 1 to 3,

The quantum dot layer is an InGaN quantum dot layer,

Wherein the cap layer is a GaN cap layer,

Wherein the pair of the InGaN quantum dot layer and the GaN cap layer are formed in a pair of 1 to 10 pairs.

4. The method according to any one of claims 1 to 3,

Wherein at least one of the quantum dot layer and the cap layer is doped with an n-type dopant.

4. The method according to any one of claims 1 to 3,

A buffer layer formed on the substrate between the substrate and the n-type contact layer; And an undoped GaN layer on the buffer layer.

4. The method according to any one of claims 1 to 3,

And a p-AlGaN layer is formed between the active layer and the p-type contact layer.

Forming an n-type contact layer on the substrate;

Forming a clad layer on the n-type contact layer;

Forming an InGaN quantum dot layer on the clad layer;

Forming a GaN cap layer on the InGaN quantum dot layer;

Forming an active layer on the GaN cap layer;

And forming a p-type contact layer on the active layer.

13. The method of claim 12,

Wherein the clad layer is an undoped or doped n-type dopant.

14. The method of claim 13,

Wherein the clad layer comprises an AlGaN layer.

13. The method of claim 12,

Wherein the InGaN quantum dot layer is doped with In in an amount of 10 to 500 times the amount of Ga.

delete

13. The method of claim 12,

Wherein the GaN cap layer is formed of N-rich or Ga-rich.

13. The method of claim 12,

Wherein a pair of the InGaN quantum dot layer and the GaN cap layer is formed in a pair, and the pair of the InGaN quantum dot layer and the GaN cap layer is formed in a pair of 1 to 10 pairs.

13. The method of claim 12,

Wherein at least one of the InGaN quantum dot layer and the GaN cap layer is doped with an n-type dopant.

13. The method of claim 12,

Forming a buffer layer between the n-type contact layer and the substrate; and forming an undoped GaN layer between the buffer layer and the clad layer.

13. The method of claim 12,

And forming a p-AlGaN layer between the p-type contact layer and the active layer.