KR101678524B1

KR101678524B1 - 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101678524B1
Application number: KR1020150061242A
Authority: KR
Inventors: 이승재; 최성철; 백종협; 전성란; 김상묵
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-11-22
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: KR20160129315A

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자의 정전기(Electrostatic Discharge: ESD) 내압특성을 개선할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 발광소자는, 기판(110); 상기 기판(110) 상부에 형성된 제1도전성 반도체층(120); 상기 제1도전성 반도체층(120) 상부에 형성되는 고저항 반도체층(130); 상기 고저항 반도체층(130) 상부에 형성된 활성층(150); 및, 상기 활성층(150) 상부에 형성되는 제2도전성 반도체층(160);을 포함하며, 상기 고저항 반도체층(130) 및 상기 제1도전성 반도체층(120)의 인접 면과, 상기 활성층(150) 및 상기 제2도전성 반도체층(160)의 인접 면에는 각각 V피트(v-pit)(v1)(v2) 구조를 가지며, 상기 고저항 반도체층(130)과 상기 활성층(150)의 인접 면은 V피트 구조를 포함하지 않고 평탄한 것을 특징으로 한다.

Description

질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride semiconductor light emitting device, and fabrication method of the same}

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 질화물계 반도체 발광소자의 정전기(Electrostatic Discharge: ESD) 내압특성을 개선할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Ⅲ족 질화물 기반 발광다이오드에서 누설전류는 소자의 신뢰성, 수명, 고전력 작동에서의 특성 저하와 관련이 있어 신뢰도가 요구되는 소자를 제작하는데 있어서 매우 중요하다.

Ⅲ족 질화물계 발광소자는 일반적으로 다른 화합물 발광소자에 비해서 정전기 특성이 나쁜 것으로 알려져 있다. 이는 기판과 Ⅲ족 질화물 반도체층 사이의 격자 부정합으로 인하여 기판 위에 성장되는 Ⅲ족 질화물 반도체층에 발생되는 결정 결함이 Ⅲ족 질화물 반도체층의 성장 방향으로 전파되어 관통 전위를 형성하게 된다.

이런 결정결함은 소자의 누설전류를 증가시키고 외부 정전기가 들어왔을 경우 많은 결정결함을 가지고 있는 발광소자의 활성층이 강한 필드에 의해서 파괴된다. 일반적으로 GaN박막에는 10⁹ ~ 10¹¹/㎠정도의 결정결함(관통전위)이 존재하는 것으로 알려져 있다.

발광소자의 정전기 파괴 특성은 GaN계 발광소자의 응용 범위와 관련하여 매우 중요한 사안이다. 특히 발광소자의 패키지 장비 및 작업자로부터 발생되는 정전기를 견디게 소자를 설계하는 것은 최종적인 소자의 수율을 개선하기 위해서 매우 중요한 변수이다.

특히 최근 들어 GaN계 발광소자가 옥외 간판 및 자동차 조명등 환경이 열악한 조건에 응용되어 사용되고 있는 추세이므로 정전기 특성이 더욱 중요하게 여겨지고 있다.

일반적으로 기존의 GaN 발광소자의 ESD는 Human Body Mode(HBM) 조건에서 순방향으로는 수천 볼트까지 견디나 역방향으로는 수백 볼트를 견디기가 힘들다. 그 이유는 앞에서 언급했듯이 소자의 결정 결함이 주요 이유이며, 또한 소자의 전극 설계도 매우 중요하다. 특히 GaN 발광소자는 부도체인 사파이어 기판을 보편적으로 채택하고 있으므로 소자의 구조상 n-전극과 p-전극이 동일면에 형성되면서 실제 소자 동작시 n-전극 주변으로 전류의 모임 현상이 심해져서 ESD 특성을 더욱 나쁘게 한다.

이와 같이 관통전위 결함밀도를 여러 가지 방법을 도입하여 줄임으로서 발광소자 및 기타 전자소자의 특성을 향상시키기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있다.

예를 들어, 등록특허공보 제10-1164026호(공고일자: 2012.07.18), 공개특허공보 제10-2013-0061981호(공개일자: 2013.06.12), 및 공개특허공보 제10-2014-0145368호(공개일자: 2014.12.23)에서는 성장 기법을 도입하여 관통전위(Threading dislocation)마다 Hexagonal v-피트(V-shaped pit)들을 형성하고 활성층에서도 v-피트들을 형성하면 측벽(sidewall)에 형성되는 활성층은 얇은 두께로 형성되고 높은 밴드갭을 갖게 되어 barrier height를 증가시켜 비발광 재결합(non-radiative recombination)을 최소화시켜 내부양자 효율을 증가시키게 된다. 그러나, 이러한 구조에서는 활성층에서의 v-피트 영역이 발광 영역에서 제외되므로 전체적인 발광면적이 줄어들어서 광출력의 감소를 가져오는 문제점이 있다.

등록특허공보 제10-1164026호(공고일자: 2012.07.18) 공개특허공보 제10-2013-0061981호(공개일자: 2013.06.12) 공개특허공보 제10-2014-0145368호(공개일자: 2014.12.23)

"Suppression of Nonradiative Recombination by V-Shaped Pits in GaInN/GaN Quantum Wells Produces a Large Increase in the Light Emission Efficiency"; A. Hangleiter, F. Hitzel, C. Netzel, D. Fuhrmann, U. Rossow, G. Ade, and P. Hinze; PRL 95, 127402 (2005). "Origin of forward leakage current in GaN-based light-emitting devices"; S. W. Lee, D. C. Oh, H. Goto, H. J. Lee, T. Hanada, M. W. Cho, and T. Yao; APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 132117 (2006). "Improvement of Light Extraction Efficiency and Reduction of Leakage Current in GaN-Based LED via V-Pit Formation"; Kayo Koike, Seogwoo Lee, Sung Ryong Cho, Jinsub Park, Hyojong Lee, Jun-Seok Ha, Soon-Ku Hong, Hyun-Yong Lee, Meoung-Whan Cho, and Takafumi Yao; IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 24, NO. 6, MARCH 15, (2012).

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하여 역전압 특성을 개선하기 위하여 v-피트 구조를 적용함에 있어서 전체적으로 균일한 발광특성의 저하를 최소화할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발광소자는, 기판; 상기 기판 상부에 형성된 제1도전성 반도체층; 상기 제1도전성 반도체층 상부에 형성되는 고저항 반도체층; 상기 고저항 반도체층 상부에 형성된 활성층; 및, 상기 활성층 상부에 형성되는 제2도전성 반도체층;을 포함하며, 상기 고저항 반도체층 및 상기 제1도전성 반도체층의 인접 면과, 상기 활성층 및 상기 제2도전성 반도체층의 인접 면에는 각각 V피트(v-pit) 구조를 가지며, 상기 고저항 반도체층과 상기 활성층의 인접 면은 V피트 구조를 포함하지 않고 평탄한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 고저항 반도체층과 상기 활성층의 인접 면은 평면 또는 완만한 곡면 구조인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제2도전성 반도체층은 V피트 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 고저항 반도체층의 실리콘 불순물 농도는 10¹⁸/㎤ 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 고저항 반도체층의 마그네슘 불순물 농도는 10¹⁶/㎤ 이상인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 고저항 반도체층의 두께는 10㎚ ~ 1000㎚ 인 것을 특징으로 한다.

다음으로 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법은, 기판 상부에 제1도전성 반도체층을 성장시키되, 상부 표면에 V피트 구조를 형성하는 제1단계; 상기 제1도전성 반도체층 상부에 전도성이 낮은 물질로 V피트 구조가 평탄화되도록 고저항 반도체층을 형성하는 제2단계; 평탄화된 고저항 반도체층 상부에 활성층을 형성하되, 상부 표면에 V피트 구조를 형성하는 제3단계; 및, 상기 활성층 상부의 V피트 구조가 평탄화되도록 제2도전성 반도체층을 형성하는 제4단계;를 포함한다.

바람직하게는, 제3단계에서 평탄화된 고저항 반도체층 상부에 제1도전성 반도체층을 형성한 후에 상기 활성층과 상기 제2도전성 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 상부면에 v-피트 구조를 갖는 제1전도성 반도체층에 전도성이 낮은 물질을 이용하여 평탄화하고 활성층과 제2전도성 반도체층의 인접면에 v피트 구조를 가짐으로써, V피트 영역은 임계두께 이상이 되어 전도성이 매우 낮아서 전류의 이동이 차단되는 반면에, 그 이외 영역은 임계두께 이하를 가져 상부로 전류의 이동이 가능하여 누설전류 및 기타 소자의 내구성을 강화시키면서도 관통전위에 의해 발생되는 비발광 재결합을 줄여 광도 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 단면 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법을 간략히 보여주는 흐름도,
도 3의 (a)(b)는 각각 성장조건의 조절을 통해 얻은 n형 GaN 층 상의 V피트 구조를 보여주는 SEM 이미지(평면도)(사시도),
도 4는 활성층에 형성된 V피트 구조를 보여주는 TEM 단면 이미지,
도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명에 따른 발광소자와 종래기술의 파장별 발광 특성을 비교하여 보여주는 그래프.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 구성요소의 '상(위) 또는 하(아래)'에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성요소가 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소가 위 두 구성요소 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.

또한 '상(위) 또는 하(아래)'로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 발광소자의 단면 구성을 보여주는 도면으로, 기판(110); 기판(110) 상부에 형성된 제1도전성 반도체층(120)(140); 제1도전성 반도체층(120)(140) 상부에 형성되는 고저항 반도체층(130); 상기 고저항 반도체층(130) 상부에 형성된 활성층(150); 및, 상기 활성층(150) 상부에 형성되는 제2도전성 반도체층(160);을 포함하며, 특히 고저항 반도체층(130) 및 제1도전성 반도체층(120)의 인접 면과, 활성층(150) 및 제2도전성 반도체층(160)의 인접 면에는 각각 V피트(v-pit) 구조(v1)(v2)를 가지며, 고저항 반도체층(130)과 활성층(150)의 인접 면은 V피트 구조를 포함하지 않고 평탄한 것을 특징으로 한다.

기판(110)은 발광소자가 마련되는 기저층으로 제공되며, 사파이어 기판을 포함하는 투명한 재료가 사용될 수 있으며, 사파이어 이외에 GaN계 기판, SiC 또는 Si, ZnO 등이 이용될 수가 있다.

제1도전성 반도체층(120)은 기판(110) 상부에 형성되어 활성층(150)에 전자를 제공하게 되는 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등과 같은 n형 불순물이 도핑된 n형 반도체층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등이 사용될 수 있다.

기판(110)과 제1도전성 반도체층(120) 사이에는 기판의 종류 및 성장공정에 따라서 격자정합을 향상시키기 위한 버퍼층(미도시) 등이 추가될 수 있다.

제1도전성 반도체층(120)의 일부 상면은 노출되어 그 상면에 전극(121)이 형성된다.

한편 제2도전성 반도체층(160) 상부에는 ITO 등으로 이루어진 투명전극(170)이 형성되며, 투명전극(170) 상부에는 본딩전극(171)이 형성된다.

제2도전성 반도체층(160)은 활성층(150) 상부에 형성되어 활성층(150)에 정공을 주입하게 되는 p형 반도체층으로 구현될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 불순물이 도핑된 p형 반도체층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등이 사용될 수 있다.

활성층(150)은 제1도전성 반도체층(120)과 제2도전성 반도체층(160) 사이에 적층되어 전자와 정공의 재결합이 이루어져 낮은 에너지 준위로 천이하여 그에 상응하는 파장을 갖는 빛을 생성한다.

활성층(150)은 예를 들어, 인듐 및 갈륨을 함유하는 질화물 반도체로 형성된 단층 또는 다층의 양자우물구조(quantum well structure)에 의해 제공될 수 있다.

본 실시예에서 제1도전성 반도체층(120)(140)은 다층 구조로 형성되어 하부 제1도전성 반도체층(120)과 상부 제1도전성 반도체층(140) 사이에 고저항 반도체층(130)이 마련된다.

특히, 본 발명에서 하부 제1도전성 반도체층(120) 및 고저항 반도체층(130)과, 활성층(150) 및 제2도전성 반도체층(160)의 각 인접 면에는 V피트(v-pit) 구조(v1)(v2)를 갖는다.

바람직하게는, 고저항 반도체층(130)과 상부 제1도전성 반도체층(140)의 인접 면은 평면 또는 완만한 곡면 구조인 것을 특징으로 한다.

구체적으로, V피트 구조(v1)(v2)는 발광소자를 관통하는 관통전위(101)의 주위에 형성되어 관통전위(101)로 전류가 집중되는 것을 방지한다.

본 실시예에서 제1의 V피트 구조(v1)는 하부 제1도전성 반도체층(120)의 성장온도, 성장속도 및 분위기 가스 등의 성장조건을 조절하여 형성될 수 있으며, 하부 제1도전성 반도체층(120) 상부에 V피트 구조(v1)가 형성된 후에는 비교적 전도성이 낮은 물질로 V피트 구조(v1)를 평탄화하여 고저항 반도체층(130)을 형성한다. 동일한 공정에 의해 활성층(150)에도 제2의 V피트 구조(v2)가 형성될 수 있다.

바람직하게는, 제2의 V피트 구조(V2)의 깊이는 100Å ~ 1㎛ 범위 내에서 결정될 수 있다.

한편, 본 발명에서 고저항 반도체층(130)과 상부 제1도전성 반도체층(140)의 인접 면은 평면 구조이며, 이때, 본 발명에서 사용되는'평면'구조는 엄밀하게 수학적으로 인지되는 평면(plane)을 한정하는 것은 아니며, V피트(v-pit) 구조를 갖는 않는 범위 내에서 완만한 곡면 구조를 포함하는 것으로 이해하여야 할 것이다.

고저항 반도체층(130)은 n형 화합물 반도체층 또는 임의 도핑을 하지 않은 언인텐셔널리 도프트(unintentionally doped) 반도체층에 의해 제공될 수 있으며, 바람직하게는, 고저항 반도체층(130)의 두께는 10㎚ ~ 1000㎚ 인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 실시예에서 고저항 반도체층(130) 상에는 상부 제1도전성 반도체층(140)이 얇게 형성된 후에 활성층(150)과 제2도전성 반도체층(160)이 형성된다.

이와 같이 V피트 구조가 형성된 영역을 제외한 나머지 영역은 임계두께 이하를 가져 제2도전성 반도체층(160)으로 전류의 이동이 가능하게 되며, V피트 구조가 형성된 영역은 임계두께 이상이 되어 전도성이 매우 낮아 전류의 이동이 차단된다. 즉 일반적으로 관통전위를 통해 집중되는 전류를 전도도가 낮은 물질로 감싸서 차단시킴으로써 누설전류 및 기타 소자의 내구성을 강화시키게 되며, 관통전위에 의해 발생되는 비발광 재결합(non-radiative recombination)을 줄여 광도 저하를 최소화할 수 있다.

특히, 활성층(150)에 형성된 v피트(v2) 구조에 의한 경사면이 존재하는 상태에서 형성된 제2도전성 반도체층(160)은 V 형상의 왜곡구조가 있는 부위에 전도성이 낮은 반부도체 특성의 박막이 형성되어 전류가 차단되는 효과를 가지며, 또한 활성층(150) 상부의 제2도전성 반도체층(160)으로부터 v 형상의 경사면으로 캐리어가 쉽게 주입되어 활성층(150) 하부까지 캐리어의 주입을 용이하게 하여 유효발광층을 증가시키고 전체적인 소자의 효율을 증가시킬 수 있다.

한편 고저항 반도체층(130)은 전기 전도도가 낮아 횡방향 전류확산을 향상시켜 발광면적 전체적으로 균일한 발광특성 및 역전압 특성 개선 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 실시예에서 제1도전성 반도체층(120)(140)은 다층 구조를 갖는 것으로 예시하고 있으나, 단층 구조일 수 있으며, 이때 고저항 반도체층(130) 상부에 직접 활성층(150)이 형성되고 고저항 반도체층(130)과 활성층(150)의 인접 면은 평면 구조가 된다.

다른 한편으로, 도 1에 예시된 것과 같이, 제2도전성 반도체층(160)은 평탄화된 면일 수 있으나, 상면에 v피트 구조를 가질 수 있다.

도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명에 따른 발광소자(빨간선)와 종래기술(검은선)의 파장별 발광 특성을 비교하여 보여주는 그래프로써, (a)는 PL 스펙트럼을 보여주고 있으며, (b)는 소자의 EL 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.

도 5에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 발광소자는 PL 스펙트럼과 EL 스펙트럼에서 종래기술과 비교하여 개선됨을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

101 : 관통전위 110 : 기판
120 : 하부 제1도전성 반도체층 121 : 전극
130 : 고저항 반도체층 140 : 상부 제1도전성 반도체층
150 : 활성층 160 : 제2도전성 반도체층
170 : 투명전극 171 : 본딩전극
v1, v2 : V피트 구조

Claims

기판;
상기 기판 상부에 형성된 제1도전성 반도체층;
상기 제1도전성 반도체층 상부에 형성되는 고저항 반도체층;
상기 고저항 반도체층 상부에 형성된 활성층; 및,
상기 활성층 상부에 형성되는 제2도전성 반도체층;을 포함하며,
상기 고저항 반도체층 및 상기 제1도전성 반도체층의 인접 면과, 상기 활성층 및 상기 제2도전성 반도체층의 인접 면에는 종방향으로 동일 위치 상에 각각 V피트(v-pit) 구조를 가지며, 상기 고저항 반도체층과 상기 활성층의 인접 면은 V피트 구조를 포함하지 않고 평탄한 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 고저항 반도체층과 상기 활성층의 인접 면은 평면 또는 완만한 곡면 구조인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
삭제
제1항에 있어서, 상기 고저항 반도체층의 실리콘 불순물 농도는 10¹⁸/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 고저항 반도체층의 마그네슘 불순물 농도는 10¹⁶/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 고저항 반도체층의 두께는 10㎚ ~ 1000㎚ 인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
제1항, 제2항, 제4항, 및 제5항 중 어느 한 항의 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서,
기판 상부에 제1도전성 반도체층을 성장시키되, 상부 표면에 제1의 V피트 구조를 형성하는 제1단계;
상기 제1도전성 반도체층 상부에 전도성이 낮은 물질로 상기 제1의 V피트 구조가 평탄화되도록 고저항 반도체층을 형성하는 제2단계;
평탄화된 고저항 반도체층 상부에 활성층을 형성하되, 상부 표면에 상기 제1의 V피트 구조와 종방향으로 동일 위치 상에 제2의 V피트 구조를 형성하는 제3단계; 및,
상기 활성층 상부의 상기 제2의 V피트 구조가 평탄화되도록 제2도전성 반도체층을 형성하는 제4단계;를 포함하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.
제7항에 있어서, 제3단계에서 평탄화된 고저항 반도체층 상부에 제1도전성 반도체층을 형성한 후에 상기 활성층과 상기 제2도전성 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 고저항 반도체층의 두께는 10㎚ ~ 1000㎚ 인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법.