KR101881064B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 피트가 형성된 상면을 갖는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상면에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 제2 도전형 불순물로 도핑된 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 중간층은 상부로 갈수록 불순물의 농도가 증가하는 제1 중간층 및 상기 제1 중간층 상에 형성되며 전체 영역에서 불순물의 농도가 상기 제1 중간층보다 균일한 제2 중간층을 포함하여, 정전기 내압과 같은 전기적 특성이 개선되어, 발광소자의 신뢰성이 확보된다

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 {Nitride Semiconductor light emitting device and manufacturing method of the same}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드는 전기에너지를 이용하여 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 접합된 반도체의 전자와 정공이 재결합하며 발생하는 에너지를 광으로 변환하여 방출한다. 이러한 발광 다이오드는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.

특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 발광 다이오드(예, 질화 갈륨계 반도체)를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광 다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품과 같이, 발광 다이오드의 용도가 점차 대형화, 고출력화, 고효율화된 제품으로 진행하고 있으므로 이와 같은 용도에 사용되는 발광 다이오드의 특성도 이를 충족하는 높은 수준이 요청되고 있다.

종래의 발광 다이오드는 정전기에 의한 파손이 빈번하게 발생하여 제품의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있으며, 당 기술 분야에서는 정전기 내압과 같은 전기적 특성을 개선한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법이 요구되고 있다.

본 발명의 일측면은 피트가 형성된 상면을 갖는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상면에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 제2 도전형 불순물로 도핑된 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 중간층은 상부로 갈수록 불순물의 농도가 증가하는 제1 중간층 및 상기 제1 중간층 상에 형성되며 전체 영역에서 불순물의 농도가 상기 제1 중간층보다 균일한 제2 중간층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 상기 활성층 및 제1 중간층은 각각 상기 피트에 대응하는 영역에서 상기 피트가 매립되지 않도록 만곡된 구조를 갖을 수 있으며, 상기 제2 중간층은 평탄한 상면을 갖을 수 있다.

이때, 상기 제1 중간층의 불순물 농도는 3×10¹⁹/㎤ ~ 2×10²⁰/㎤의 범위 내에서 점차 증가할 수 있으며, 상기 제2 중간층의 불순물 농도는 5.5×10¹⁹/㎤ ~ 8.8×10¹⁹/㎤의 범위 내에서 균일할 수 있다.

상기 피트는 역피라미드 형상을 갖을 수 있으며, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층은 GaN으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 상면에 피트를 갖는 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 상부로 갈수록 불순물의 농도가 증가하는 제1 중간층을 형성하는 단계; 상기 제1 중간층 상에 불순물의 농도가 전체 영역에서 상기 제1 중간층보다 균일한 제2 중간층을 형성하는 단계; 상기 제2 중간층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 제1 중간층은 850℃~1000℃의 온도범위에서 형성될 수 있으며, 상기 제2 중간층은 950℃~1150℃의 온도범위에서 형성될 수 있다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

상술된 질화물 반도체 발광소자는 정전기 내압과 같은 전기적 특성이 개선되어, 발광소자의 신뢰성이 확보된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 피트 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 피트 구조가 전위 주변에서 형성된 것을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1의 A부분을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 비교예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예와 비교예의 정전기 내압특성을 비교한 도표이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 개략적으로 나태낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.

이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 그러므로 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 특허청구범위가 제시하는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.

먼저, 본 발명의 일실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시 형태에 의한 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 1의 A부분을 확대한 도면이다.

도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(101) 및 제2 도전형 반도체층(105) 및 이들 사이에 형성된 활성층(102)을 포함하는 구조이다. 또한, 상기 활성층(102)과 제2 도전형 반도체층(105) 사이에는 제1 및 제2 중간층(103, 104)이 형성된다.

상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(101, 105)은 질화물 반도체, 즉, Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑 된 반도체 물질로 각각 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있으며, 본 발명의 일실시 형태에서는 Mg이 사용될 수 있다. 상기 n형 및 제2 도전형 반도체층(101, 105)의 경우, 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 공정 등으로 성장될 수 있다.

본 발명의 일실시 형태에서는 상기 제1 도전형 반도체층(101) 상면에 피트(P) 구조가 형성된다. 도 2는 도 1의 피트 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 1의 피트 구조가 전위(D)주변에서 형성된 것을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 피트(P)는 제1 도전형 반도체층(101) 상면에 V 형상, 보다 구체적으로, 육각 피라미드 등의 형상으로 형성될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(101) 상면이 (0001)면일 경우, 특정 결정면, 예컨대, (1-101)면을 사면으로 가질 수 있다. 이러한 피트(P)는 제1 도전형 반도체층(101)을 성장시킨 후 상면을 에칭하는 방법으로도 형성될 수 있으나, 도 3에 도시된 것과 같이, 성장 속도, 온도 등의 조건을 적절히 조절하여, 제1 도전형 반도체층(101)의 전위(D) 주변에서 자발적으로 형성되도록 할 수 있다.

상기, 제1 도전형 반도체층(101) 상에는 활성층(102)이 형성된다. 상기 활성층(102)은 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(101, 105) 사이에 형성되며, 전자와 정공의 발광 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 인듐 함량에 따라 밴드갭 에너지가 조절되도록 In_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1) 등의 물질로 이루어질 수 있다.

상기 활성층(102)은 상기 제1 도전형 반도체층(101)의 피트에 대응하는 위치에 해당하는 영역이 피트의 형상에 대응하여 만곡되도록 형성된다. 상기 활성층(102)은 피트의 사면에 형성되는 부분의 두께가 피트를 제외한 제1 도전형 반도체층(101) 상면, 즉, 도 2를 기준으로 (0001)면에 형성되는 부분의 두께보다 얇다. 이에 따라, 피트의 사면 영역에서 활성층(102)의 밴드갭 에너지는 상대적으로 커지게 되어 캐리어가 전위(D) 등의 비발광 영역으로 이동하는 것을 차단하는 역할을 함으로써 캐리어의 재결합 효율을 향상시킬 수 있다

상기 활성층(102) 상에는 p형 불순물로 도핑된 제1 및 제2 중간층(103, 104)이 형성된다. 상기 제1 및 제2 중간층(103, 104)은 피트의 사면을 전기적인 패시베이션(passivation) 구조에 해당하는 고 저항영역이 되도록 한다. 상기 제1 및 제2 중간층(103, 104)은 p형 불순물로 도핑된 반도체층을 구비하는 구조로서, 피트의 사면에서는 p형 불순물에 의해 도핑이 잘 되지 않는 점을 이용한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 일반적으로 피트를 갖는 제1 도전형 반도체층(301) 상에 활성층(302)과 제2 도전형 반도체층(305)을 형성할 경우, 피트의 상부를 측면성장시켜 매립함으로써 고 저항영역을 형성한다. 이와 같은 고 저항영역은 전위(D) 등의 결함을 타고 흐르는 순방향 및 역방향의 누설 전류를 감소시킨다. 또한 누설 전류가 감소되면 정전기(Electrostatic Discharge ; ESD) 내압특성이 향상된다.

그러나, Mg와 같은 불순물은 도핑 초기에 도핑농도가 안정화되지 않고, 어느 정도 시간이 경과한 후에 농도가 균일해지는 도핑지연 현상이 발생하므로, 중간층(303)의 하부는 불순물의 농도가 낮은 저 저항영역이 형성되며, 상부로 갈수록 불순물 농도가 점점 상승하여 고 저항영역을 형성하게 된다. 이와 같이 중간층(303) 중 피트의 상부를 매립한 부분이 저 저항영역이 되면, 피트 상부의 저항값이 낮아지게 되어 발광소자의 정전기 내압특성이 낮아지게 된다.

본 발명의 실시형태는, 상부로 갈수록 불순물의 농도가 증가하는 제1 중간층(103) 및 상기 제1 중간층(103) 상에 형성되며 불순물의 농도가 상기 제1 중간층(103) 보다 균일한 제2 중간층(104)으로 나누어 중간층을 형성함으로써, 종래와 같이 피트의 상부영역이 저 저항영역이 되는 문제를 해결하였다.

상기 제1 중간층(103)은 상기 활성층(102)의 상부에 형성되되, 피트의 상부를 매립하지 않도록 측면성장이 억제된 성장조건에서 형성된다. 측면성장이 억제되는 조건 중의 하나로 낮은 성장온도 범위를 들 수 있다. 구체적으로 상기 제1 중간층(103)은 850℃~1000℃의 낮은 성장온도 범위에서 형성될 수 있다. 상기 제1 중간층(103)은 낮은 성장온도에서 측면성장이 억제되어 형성되므로, 상기 활성층(102)의 상부에 피트를 향하여 만곡된 영역을 가지게 된다. 상기 제1 중간층(103)은 불순물의 도핑농도가 균일하게 되는 영역까지 형성하되, 본 발명의 일실시예에서는 불순물인 Mg의 농도가 3×10¹⁹/㎤ ~ 2×10²⁰/㎤의 범위 내에서 점차 증가하도록 할 수 있다.

상기 제1 중간층(103)의 상부에는 상기 제1 중간층(103)의 만곡된 영역을 채우도록 제2 중간층(104)이 형성되며, 상기 제2 도전형 반도체층(105)을 향하는 상면은 평탄하게 형성된다. 상기 제2 중간층(104)이 만곡된 영역을 채우도록 측면성장이 촉진되는 조건 중의 하나로 높은 성장온도 범위를 들 수 있다. 성장온도를 제외한 다른 조건이 동일하다면, 상기 제1 중간층(103)의 성장온도는 상기 제2 중간층(104)의 성장온도보다 낮은 온도로 할 수 있다. 구체적으로 상기 제2 중간층(104)은 950℃~1150℃의 높은 성장온도 범위에서 형성될 수 있다. 상기 제2 중간층(104)은 높은 성장온도에서 성장되므로 측면성장에 의해 상기 제1 중간층(103)의 만곡된 영역을 채우게 된다. 상기 제2 중간층(104)은 상기 제1 중간층(103)보다 균일한 도핑농도로 상기 제1 중간층(103)의 만곡된 영역을 채우게 되므로, 피트 상부의 저항값이 종래에 비해 높게 형성된다.

도 6은 종래 기술에 의한 질화물 반도체 발광소자(Ref)와 본 발명의 일실시형태에 의한 질화물 반도체 발광소자를 정전기 내압특성을 비교한 도표이다. 상기 제2 중간층(104)의 도핑농도를 5×10¹⁹/㎤, 8.8×10¹⁹/㎤ 및 1.1×10²⁰/㎤로 형성한 경우에 각각의 정전기 내압특성이 종래에 비해 약 7%이상 상승한 것을 볼 수 있다.

이하, 상술된 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 일실시예를 설명한다.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 개략적으로 나태낸 공정별 도면이다. 우선, 도 7에 도시된 것과 같이, 성장용 기판(200) 상에 상면에 피트(P) 구조를 갖는 제1 도전형 반도체층(101)을 형성한다. 성장용 기판(200)은 반도체 단결정, 특히, 질화물 단결정 성장을 위한 것으로서, 사파이어, Si, ZnO, GaAs, SiC, MgAl₂O₄, MgO, LiAlO₂, LiGaO₂ , GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 특히, 질화물 반도체의 성장용 기판으로 주로 사용된다.

상기 제1 도전형 반도체층(101)은 MOCVD, MBE, HVPE 공정 등으로 성장될 수 있으며, 피트(P) 구조의 경우, 에칭에 의해 형성될 수도 있으나, 본 발명의 일실시예에서는 성장 속도, 온도 등의 조건을 적절히 조절하여 전위 주변에서 자발적으로 형성시킬 수 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 피트(P)의 사면에는 중간층(103, 104)에 의해 고 저항영역이 형성될 수 있으므로, 피트(P)의 크기는 그 위에 형성될 제1 중간층(103)이 낮은 성장 온도에서 채워지지 않을 정도로 크게 형성하되, 상기 제1 중간층(103)의 위에 형성되는 제2 중간층(104)의 상면이 평탄해질 정도로 상대적으로 작아도 무방하며, 이에 의해, 발광 영역을 충분히 확보할 수 있다.

다음으로, 도 8에 도시된 것과 같이, 제1 도전형 반도체층(101) 상에 활성층(102)을 형성한다. 상기 활성층(102))은 앞서 설명한 바와 같이 통상적인 질화물 반도체 성장 공정에 의해 형성될 수 있다. 활성층(102)의 경우, 피트에 대응하도록 만곡된 형상을 가지며, 피트 주변에서의 상대적으로 두께가 얇게 형성한다. 이에 의해 피트 주변에서 높은 밴드갭을 가지며, 캐리어가 결함밀도가 상대적으로 높은 피트 방향으로 향하는 것을 차단할 수 있다.

다음으로, 도 9에 도시된 것과 같이, p형 불순물로 도핑된 반도체층을 구비하는 제1 및 제2 중간층(103, 104)을 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 중간층(103)은 상기 활성층(102)의 상부에 측면성장이 억제된 성장조건에서 형성된다. 구체적으로 상기 제1 중간층(103)은 850℃~1000℃의 낮은 성장온도 범위에서 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 중간층(103)은 불순물의 도핑농도가 균일하게 되는 영역까지 형성하며, 본 발명의 일실시예에서는 불순물인 Mg의 농도가 3×10¹⁹/㎤ ~ 2×10²⁰/㎤의 범위 내에서 점차 증가하도록 할 수 있다.

다음으로, 상기 제1 중간층(103)의 상부에는 상기 제1 중간층(103)의 만곡된 영역을 채우도록 제2 중간층(104)형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 높은 성장온도에서 성장되므로 측면성장에 의해 상기 제1 중간층(103)의 만곡된 영역을 채우도록 형성되며, 상기 제2 도전형 반도체층을 향하는 상면은 평탄하게 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 제2 중간층(104)은 950℃~1150℃의 높은 성장온도 범위에서 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 중간층(104)은 불순물의 도핑농도가 상기 제1 중간층(103) 보다 균일하게 상기 제1 중간층(103)의 만곡된 영역을 채우게 되므로, 피트 상부의 저항값이 종래에 비해 높게 형성된다.

다음으로, 도 10에 도시된 것과 같이, 상기에서 얻어진 구조물을 제1 도전형 반도체층(101)이 노출되도록 식각한 후 제1 전극(106a)을 형성하며, 제2 도전형 반도체층(105) 상에는 제2 전극(106b)을 형성한다. 이 경우, 제2 도전형 반도체층(105)과 제2 전극(106b) 사이에는 오믹 컨택 기능을 향상시키기 위하여 ITO, ZnO 등과 같은 투명 전극이 더 구비될 수 있다. 도 10에 도시된 구조의 경우, 제1 및 제2 전극(106a, 106b)이 모두 상부를 향하여 형성된 소위, 수평전극 구조에 해당한다. 본 발명의 경우, 전류 분산 기능이 향상되도록 수직 전극 구조에도 응용될 수 있다.

100 : 질화물 반도체 발광소자
101, 301: 제1 도전형 반도체층
102, 302 : 활성층
103: 제1 중간층
104: 제2 중간층
105, 305: 제2 도전형 반도체층
106a: 제1 전극
106b: 제2 전극
303: 중간층
200: 성장용 기판

Claims (13)

1. 피트가 형성된 상면을 갖는 제1 도전형 반도체층;
   상기 제1 도전형 반도체층의 상면에 형성된 활성층;
   상기 활성층 상에 형성되며 제2 도전형 불순물로 도핑된 중간층; 및
   상기 중간층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
   상기 중간층은 상부로 갈수록 불순물의 농도가 증가하는 제1 중간층 및, 상기 제1 중간층 상에 형성되며 전체 영역에서 상기 제1 중간층의 불순물 농도 분포보다 불순물의 농도 분포가 균일한 제2 중간층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 활성층 및 제1 중간층은 각각 상기 피트에 대응하는 영역에서 상기 피트가 매립되지 않도록 만곡된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 중간층은 평탄한 상면을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 중간층의 불순물 농도는 3×10¹⁹/㎤ ~ 2×10²⁰/㎤의 범위 내에서 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 중간층의 불순물 농도는 5.5×10¹⁹/㎤ ~ 8.8×10¹⁹/㎤의 범위 내에서 제1 중간층보다 균일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 피트는 역피라미드 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
   
7. 단면이 V 형상인 피트를 갖는 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
   상기 제1 도전형 반도체층 상에 상기 피트의 형상에 대응되는 활성층을 형성하는 단계;
   상기 활성층 상에, 측면성장이 억제되는 성장조건 하에서 제1 농도 분포의 불순물을 포함하는 제1 중간층을 형성하는 단계;
   상기 제1 중간층 상에 상기 제1 농도 분포보다 균일한 제2 농도 분포의 불순물을 포함하며 상기 피트를 채우는 제2 중간층을 형성하는 단계; 및
   상기 제2 중간층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 중간층은 850℃~1000℃의 온도범위에서 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 제2 중간층은 950℃~1150℃의 온도범위에서 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 불순물은 마그네슘(Mg)인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

Images