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KR101928479B1 - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

3족 질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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KR101928479B1
KR101928479B1 KR1020160184389A KR20160184389A KR101928479B1 KR 101928479 B1 KR101928479 B1 KR 101928479B1 KR 1020160184389 A KR1020160184389 A KR 1020160184389A KR 20160184389 A KR20160184389 A KR 20160184389A KR 101928479 B1 KR101928479 B1 KR 101928479B1
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semiconductor layer
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Abstract

개시되는 3족 질화물 반도체 발광소자는, n형 3족 질화물 반도체층; 상기 n형 3족 질화물 반도체층의 상면에 적층되며, 상기 n형 3족 질화물 반도체층의 성장온도(T1)보다 설정된 온도(△T1)만큼 저온에서 성장되어, 상면에 V 형상의 단면을 가지는 브이핏(V-pit)을 형성하는 브이핏 씨앗층; 상기 브이핏 씨앗층 위에 성장되며, 상기 브이핏의 내부 사면에 반복 적층 성장되는 양자우물층과 장벽층으로 형성되는 브이핏 발광층을 가지는 활성층; 및 상기 활성층 위에 성장되며, InGaN으로 형성되는 브이핏 보호층;을 포함한다.

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 3족 질화물 반도체 발광소자를 구성하는 3족 질화물 반도체층의 구조에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다.
3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(300), n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(500), p형 3족 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 3족 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 전도성을 가지는 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 3족 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있다. 바람직하게는 n형 3족 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않은 GaN층이 성장되며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 3족 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
n형 3족 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다.
미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 기재되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 3족 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다.
미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 3족 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정 없이 p형 3족 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 3족 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 3족 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 3족 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 3족 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 기재되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 기재되어 있다. 또한, p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)이 Cr, Ni, Au, Cr 및 Au의 순으로 적층되어 구성되는 예가 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
또한, n형 3족 질화물 반도체층(300)이나 p형 3족 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수 개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 3족 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 LED를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
한편, 최근 3족 질화물 반도체 발광소자의 에피성장기술에서 발광소자의 낮은 양자효율을 개선을 목적으로 추가적인 공정 없이 MOCVD 공정에 의한 박막성장 시 V-pit을 형성하여 내부 전계의 스트레인(strain)을 감소시키고, 발광 재결합 효율을 향상시켜 광 출력을 향상 및 동작 전압을 감소시키는 성장 방법이 알려지고 있다.
1. 미국등록특허 US 7,446,345호
본 발명(Discloure)은, 활성층에 형성되는 V-pit의 양자효율을 향상시킬 수 있는 구조를 가지는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제공을 일 목적으로 한다.
본 발명(Discloure)은, V-pit 형상의 다중양자우물구조를 가지는 활성층 위에 p형 3족 질화물 반도체층을 성장시키는 과정에서 V-pit 형상의 다중양자우물구조의 손상을 방지할 수 있는 구조를 가지는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자는, n형 3족 질화물 반도체층; 상기 n형 3족 질화물 반도체층의 상면에 적층되며, 상기 n형 3족 질화물 반도체층의 성장온도(T1)보다 설정된 온도(△T1)만큼 저온에서 성장되어, 상면에 V 형상의 단면을 가지는 브이핏(V-pit)을 형성하는 브이핏 씨앗층; 상기 브이핏 씨앗층 위에 성장되며, 상기 브이핏의 내부 사면에 반복 적층 성장되는 양자우물층과 장벽층으로 형성되는 브이핏 발광층을 가지는 활성층; 및 상기 활성층 위에 성장되며, InGaN으로 형성되는 브이핏 보호층;을 포함한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 브이핏 보호층은, Mg로 도핑되어 p형 도전성을 가지는 InGaN으로 구비되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 브이핏 보호층은, 상기 활성층의 성장온도(T2)보다 저온에서 성장되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 브이핏 보호층 위에 적층되는 p형 3족 질화물 반도체층;을 포함하여 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 브이핏 보호층은, H2 분위기에서 상기 브이핏 발광층의 둘레의 손상을 방지하는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 브이핏 씨앗층과 상기 활성층 사이에 개재되며, InGaN과 GaN이 반복 적층 되어 형성되는 초격자층;을 더 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 브이핏 씨앗층은, 상기 n형 3족 질화물 반도체층 위에 적층되며, TEG(Triethylgallium)를 소스물질로 하여 성장되는 제1 씨앗층; 및 상기 제1 씨앗층 위에 적층되며, TMG(Trimethylgallium)를 소스물질로 하여 성장되는 제2 씨앗층;을 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 브이핏 씨앗층은, 상기 n형 3족 질화물 반도체층의 성장온도(T1)보다 150℃ 내지 600℃ 낮은 온도에서 성장되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 초격자층은, 두께방향으로 In의 조성비가 주기적으로 증가와 감소가 반복되어 형성되는 것을 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 브이핏 발광층을 포함하는 활성층을 성장한 후, p형 3족 질화물 반도체층의 성장을 위해 N2 분위기에서 H2 분위기로 변화하면서, 브이핏 발광층 주변에 발생 되는 손상을 InGaN으로 형성되는 브이핏 보호층에 의해 완화할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 브이핏 보호층을 Mg로 도핑된 InGaN으로 성장함으로써, 브이핏 발광층의 보호효과를 높일 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 브이핏 보호층에 의해 브이핏 발광층에 의해 발광효율 향상효과를 극대화할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면.
도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 보인 도면.
도 3은 (A)브이핏 발광층 성장 후 H2 분위기에 노출된 상태와 (B)브이핏 발광층 성장 후 N2 분위기에 노출된 상태의 표면 SEM 이미지.
도 4는 도 3의 (A)와 (B)의 PL선도.
도 5는 브이핏 보호층의 Mg 도핑의 영향을 설명하기 위한 SEM 이미지.
도 6은 도 5의 PL 선도.
도 7은 Mg의 도핑농도에 따른 영향을 설명하기 위한 SEM 이미지.
도 8은 도 7의 PL선도.
이하, 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자를 구현한 실시형태를, 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 본 개시와 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 실시 형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 기술적 내용을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 보인 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(100)는, n형 3족 질화물 반도체층(110), 브이핏 씨앗층(120), 활성층(130) 및 브이핏 보호층(140)을 포함한다.
n형 3족 질화물 반도체층(110)은, Si을 도펀트로 하며, GaN으로 구비된다.
n형 3족 질화물 반도체층(110)은, 도핑이 되지 않은 언도프드 층과, 높은 농도로 도핑된 헤비도프드 층이 반복적층되어 형성되는 구간을 포함할 수 있다.
브이핏 씨앗층(120)은, n형 3족 질화물 반도체층(110)을 따라 올라오는 관통전위(TD; threading dislocation)가 브이핏의 형태로 성장되도록 하는 기초를 형성한다.
브이핏 씨앗층(120)은, n형 3족 질화물 반도체층(110)의 상면에 적층되며, n형 3족 질화물 반도체층(110)의 성장온도(T1)보다 설정된 온도(△T1)만큼 저온에서 성장되어, 상면에 V 형상의 단면을 가지는 작은 크기의 브이핏(V-pit)을 형성한다.
여기서, 브이핏 씨앗층(120)은, 제1,2 씨앗층(121,122)이 적층되어 형성되는 것이 바람직다.으로 형성될 수 있다.
제1 씨앗층(121)은, n형 3족 질화물 반도체층(110) 위에 적층되며, TEG(Triethylgallium)를 소스물질로 하여 성장된다.
제2 씨앗층(122)은, 제1 씨앗층(121) 위에 적층되며, TMG(Trimethylgallium)를 소스물질로 하여 성장된다.
한편, 브이핏 씨앗층(120)은, n형 3족 질화물 반도체층(110)의 성장온도(T1)보다 150℃ 내지 600℃ 낮은 온도에서 성장되는 것이 바람직하다.
활성층(130)은, 브이핏 씨앗층(120) 위에 성장되며, 브이핏의 내부 사면에 반복 적층 성장되는 양자우물층과 장벽층으로 형성되는 브이핏 발광층(133)을 가진다.
여기서, 브이핏 발광층(133)의 적당한 직경은 100~200nm 수준이다.
브이핏 보호층(140)은, 활성층(130) 위에 성장되며, InGaN으로 형성된다.
브이핏 보호층(140)은, Mg로 도핑되어 p형 도전성을 가지는 InGaN으로 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 브이핏 보호층(140)은, 활성층(130)의 성장온도(T2)보다 저온에서 성장되는 것이 바람직하다.
여기서, 브이핏 보호층(140)은, H2 분위기에서 브이핏 발광층(133)의 둘레의 손상을 방지하게 된다. 이는 브이핏 발광층(133)에 의한 양자효율 향상에 기여한다.
본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(100)는, 브이핏 보호층(140) 위에 적층되는 p형 3족 질화물 반도체층(150)을 더 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(100)는, 브이핏 씨앗층(120)과 활성층(130) 사이에 개재되며, InGaN과 GaN이 반복 적층 되어 형성되는 초격자층(160)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이에 의해, 초격자층(160)은, 브이핏 씨앗층(120)에 의해 형성된 브이핏의 크기를 성장시키는 기능을 하며, 브이핏 발광층(133)의 양자효율 향상에 적합한 크기로 성장시킨다.
한편, 초격자층(160)은, 그 두께방향으로 In의 조성비가 주기적으로 증가와 감소가 반복되어 형성되는 것, 즉 Graded Indium composition을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 실시형태에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 광 특성에 관한 실험결과를 설명한다.
도 3은 (A)브이핏 발광층 성장 후 H2 분위기에 노출된 상태와 (B)브이핏 발광층 성장 후 N2 분위기에 노출된 상태의 표면 SEM 이미지이고, 도 4는 도 3의 (A)와 (B)의 PL선도이다.
도 3을 참조하면, (A)의 경우 브이핏 주변의 손상이 크게 발생한 것을 확인할 수 있으나, (B)의 경우 손상이 없이 깨끗하게 유지됨을 확인할 수 있다.
도 4를 참조하면, (B)와 비교할 때, (A)의 경우 손상(damage)에 의하여 Intensity는 급격히 감소하고, 파장이 장파장으로 이동하는 것을 알 수 있다.
즉, 브이핏 발광층에 대한 H2의 영향이 매우 큰 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 5는 브이핏 보호층의 Mg 도핑의 영향을 설명하기 위한 SEM 이미지, 도 6은 도 5의 PL 선도이다.
도 5는, (A)브이핏 보호층의 Mg 도핑이 있는 경우와 (B) 브이핏 보호층의 Mg 도핑이 없는 경우로서, 양자 모두 H2 분위기에 노출된 상태의 SEM 이미지이며, (A)의 경우 브이핏 발광층의 주변 손상이 거의 없으나 (B)의 경우 상당부분 손상이 발생된 것을 확인할 수 있다.
도 6은, 도 5의 (A)와 (B), 도 3의 (A)와 비교한 PL선도로서, Mg 도핑이 없는 경우 Intensity의 감소가 있으나, 도 3의 (A)와 비교하면, Mg 도핑이 없는 브이핏 보호층에 의해서도 유의미한 효과를 가지는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 7은 Mg의 도핑농도에 따른 영향을 설명하기 위한 SEM 이미지, 도 8은 도 7의 PL선도이다.
도 7은, (A)Mg 도핑농도가 200sccm인 경우와 (B)Mg 도핑농도가 800sccm인 경우로서, 양자 모두 H2 분위기에 노출된 상태의 SEM 이미지이며, (A)에 비해 (B)의 표면 상태가 양호한 것으로 확인할 수 있다.
도 8은, 도 7의 (A)와 (B), Mg 도핑된 브이핏 보호층 없이 N2 분위기에 노출된 경우(검은색 선), Mg 도핑된 브이핏 보호층 없이 H2 분위기에 노출된 경우(붉은색 선)를 비교한 것으로서, Mg 도핑농도가 800sccm인 경우(B), H2 분위기에 노출된 것임에도 N2 분위기에 노출된 검은색 선과 거의 동등함을 알 수 있다.
또한, Mg 도핑농도가 200sccm인 경우(A)도 유의미한 효과를 가짐을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 브이핏 발광층(133)을 형성한 후, InGaN으로 형성된 브이핏 보호층(140)을 형성하는 것이 브이핏 발광층(133)의 H2에 의한 손상을 방지하는데 효과적이며, 브이핏 보호층(140)은 Mg 도핑된 InGaN으로 마련되는 것이 보다 효과적이며, Mg 도핑농도는 높을 수록 효과적임을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. n형 3족 질화물 반도체층;
    상기 n형 3족 질화물 반도체층의 상면에 적층되며, 상기 n형 3족 질화물 반도체층의 성장온도(T1)보다 설정된 온도(△T1)만큼 저온에서 성장되어, 상면에 V 형상의 단면을 가지는 브이핏(V-pit)을 형성하는 브이핏 씨앗층;
    상기 브이핏 씨앗층 위에 성장되며, 상기 브이핏의 내부 사면에 반복 적층 성장되는 양자우물층과 장벽층으로 형성되는 브이핏 발광층을 가지는 활성층;
    상기 활성층 위에 성장되며, InGaN으로 형성되는 브이핏 보호층; 및
    상기 브이핏 보호층 위에 적층되는 p형 3족 질화물 반도체층;을 포함하며,
    상기 브이핏 보호층은, Mg로 도핑되어 p형 도전성을 가지는 InGaN으로 구비되는 것을 특징으로 하고,
    상기 브이핏 보호층은, 상기 활성층의 성장온도(T2)보다 저온에서 성장되는 것을 특징으로 하고,
    상기 브이핏 보호층은, H2 분위기에서 상기 브이핏 발광층의 둘레의 손상을 방지하는 것을 특징으로 하고,
    상기 브이핏 씨앗층과 상기 활성층 사이에 개재되며, InGaN과 GaN이 반복 적층 되어 형성되는 초격자층;을 더 포함하며,
    상기 초격자층은, 두께방향으로 In의 조성비가 주기적으로 증가와 감소가 반복되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 브이핏 씨앗층은,
    상기 n형 3족 질화물 반도체층 위에 적층되며, TEG(Triethylgallium)를 소스물질로 하여 성장되는 제1 씨앗층; 및
    상기 제1 씨앗층 위에 적층되며, TMG(Trimethylgallium)를 소스물질로 하여 성장되는 제2 씨앗층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 브이핏 씨앗층은, 상기 n형 3족 질화물 반도체층의 성장온도(T1)보다 150℃ 내지 600℃ 낮은 온도에서 성장되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  9. 삭제
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