KR100223836B1 - 질화갈륨 발광다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

기판과 이 기판 위에 형성하는 발광 소자와의 격자 부정합 및 온도팽창계수 차이에 따른 결정결함을 제거하기 위한 질화갈륨 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본발명의 목적을 달성하기 위한 질화갈륨 발광다이오드의 제조방법은, 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종박막성장으로 성장한후 살리콘을 도핑하여 얻어진 n⁺형 질화갈륨기판을 마련하는 단계와, 상기 n⁺형 질화갈륨 기판상에 순차적으로 유기금속 박막성장법으로 n형(GaxAl_1-xN, InxGa_1-xN 및 P형 GaxAl_1-xN을 각각 성장시켜 N형 클래드층, 활성층 및 P형 클래드층을 형성하는 단계와, 상기 P형 클래드층상 및 기판하부에 각각 P형 및 n형 전극을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하고 있다.

Description

질화갈륨 발광다이오드 및 그 제조방법

본발명은 할로겐 기상 박막성장(HVPE)방법으로 만든 질화갈륨기판상에 유기 금속화학증착법(M0CM))으로 질화갈륨계 박막을 성장시켜 고휘도 및 고홍율의 발광소자를 제조하는 질화갈륨 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 발광소자, 특 청색 발광다이오드의 휘로 및 효율을 개인하는 기술로서는 일본 공개 특허 평 4-321280 호와 개시된 발명의 예를 들 수 있다.

상기 종래발명에서는 도1에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(1) 위에 질화갈륨계 화합물 반도체인 GaxA1_1-xN(0x≤1)의 버퍼층(2)과, Si가 도포된 GaxAl_1-xN(0x≤1) N형 클래드층(3)과, Zn와 Si가 도포된 발광활성층(4)과, Mg가 도포된 GaxAl_1-xN(α≤1)의 P형 클래드충(5)이 순차적으로 적층되어 있고 P형 전극(6)및 n형 전극(7)이 형성되어 있다.

상기 종래의 발명에서는 p-n접합구조 및 MIS(Meta1-Intulator-Semiconductor) 구조 등을 이용하여 청색 발광다이오드를 만들고 있으나, 질화갈륨(GaN)과 사파이어 기판사이에는 격자부정합(13.8%)과 열괭창계수차이(25%) 때문에 Ga_xAl_1-xN(0x≤1)의 완충층을 사용한다하더라도 박막 성장층에의 결정결함이 10⁸-10¹⁰cm^-2존재하고 있으며 이와 같은 이종 박막성장(hetero epitaxy)은 완충층의 성장조건이 아무리최적화된다 하더라도 사파이어 기판 위에 성장된 박막의 품질을 높이는데는 전술한 격자부정합 및 열팽창계수차이로 인하여 한계가 있었다.

또한 질화갈륨(GaN)과 격자부정합이 3.4%로 사파이어 기판보다 훨신 적은 SiC기판을 사용하더라도 위와 같이 성장된 박막층의 결정결함이 사파이어 기판을 사용한 것처럼 10⁸cm^-2정도로 존재하기 때문에 결정결함의 문제점은 그다지 개선되지 아니하였다.

따라서 본발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 기판과 이 기판 위에 형성하는 발광 소자와의 격자 부졍합 및 온도괭창계수 차이에 따른 결정결함을 제거하기 위한 질화갈륨 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

도1은 종래의 질화갈륨 발광다이오드의 모식적인 단면도.

도2는 본발명의 질화갈륨 발광다이오드의 모식적인 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 사파이어 기판 2 : 완충층

3, 11 : n형 클래드층 4, 12 : 활성층

5, 13 : P형 클래드층 6, 7, 14, 15 : 전극

이와 같은 본발명의 목적을 달성하기 위한 질화갈륨 발광다어오드의 제조방법은, 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종박막성장으로 성장한후 실리콘을 도핑하여 얻어진 n⁺형 질화갈륨기판을 마련하는 단계와, 상기 n⁺형 질화갈륨 기판상에 순차적으로 유기금속 박막성장법으로 n형(GaxAl_1-xN, In_xGa_1-xN 및 P형 GaxAl_1-xN을 각각 성장시켜 N형 클래드층, 활성층 및 P형 클래드층을 형성하는 단계와, 상기 P형 클래드층상 및 기판하부에 각각 P형 및 n형 전극을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명의 질화갈륨 발광다이오드는, 할로겐 기상박막성장법을 이용한

동종 박막성장으로 성장한후 실리콘 도핑하여 얻어진 n⁺형 질화갈륨기판과, 상기 n⁺형 질화갈륨 기판상에 실리콘 도핑의 Ga_xAl_1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 n형 클래드층과, 상기 n형 클래드층상에 In_xGa_1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 활성층과, 상기 활성층상에 마그네슘 도핑의 Ga_xAl_1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 P형 클래드층과, 상기 기판하부 및 P형 클래드층 상부에 각각 형성된 n형 및 P형 전극을 구비함을 특징으로 한다.

이하 본발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 근거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 질화갈륨 발광다이오드의 모식적인 단면도로서, 할로겐 기상박막성장법을 이용 동종박막성장(Homo epitaxy)으로 성장한 후 실리콘 도핑하여 얻어진 5∼10×10¹⁸cm³불순물농도의 n⁺형 GaN 기판(10)과, 상기 n⁺형 GaN기판(10)상에 실리콘도핑의 Ga_xAl_1-xN(0x≤1)을 3-5μm두께로 성장시켜 형성한 n형 클래드층(11)과, 상기 n형 클래드충(10)상에 300-500Å두께로 In_xGa_1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 활성충(12)과, 상기 활성층(12)상에 5000Å두께로 마그네슘 도핑의 Ga_xAl_1-XN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 P형 클래드층(13)과, 상기 기판(10)의 뒷면 및 상기 P형 클래드층(13)의 전면에 각각 증착형성된 N형전극(14) 및 P형 전극(15)으로 구성되어 있다.

그리고 상기 활성층의 각 조성은 청색 발광소자인 경우에는 x=0.22∼0.25 정도로 하고, 순수 녹색발광소자인 경우에는 x=0.43∼0.5정도로 한다.

그리고 상기 InxGa_1-xN의 활성층(12)은 In_0.43∼0.5Al_0.57∼0.5N(또는 In_0.22∼0.25Al_0.78∼0.75N)의 웰층위에 In_0.05Ga_0.95N의 장벽층을 형성하고 이것을 수회(3-5회) 교대로 형성시키는 양자우물 구조로 형성하면 더욱 발광효율을 높일 수 있다.

이와 같은 구조의 질화갈륨 발광다이오드의 제조방법의 실시예에 대하여 설명한다.

먼저, 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종박막성장으로 300-350μm두께로 성장시킨 후 불순물농도가 5∼10×10¹⁸cm³가 되도록 실리콘을 도핑한 질화갈륨(GaN)기판을 마련한다.

이때 실리콘 소오스는 SiH₄혹은 Si₂H₆을 사용한다.

이어, 유기금속화학증착법(MOCVD)을 사용하여 NH₃분위기에서 950-1050℃의 온도로 3-5μm 두께의 실리콘이 도핑된 Ga_xAl_1-XN(0x≤1)층을 성장시켜 N형 클래드층을 형성한다.

다시 상기 N형 클래드층 위에 720°∼ 850°온도로 300-500Å 두께의 In_xGa_1-xN(0x≤1)를 성장시켜 활성층을 형성한다.

이때 상기 In 및 Ga의 조성비는 발광소자의 파장에 따라 조절한다.

에를들어, 청색 발광소자는 x=0.22∼0.25 정도로 하며 순수녹색 발광소자는 x=0.43∼0.5 정도로 한다.

또한 발광효율을 높이기 위해 상기 In_xGa_1-xN의 활성층은 In_0.22∼0.25Al_0.78∼0.75N(또는 In_0.43∼0.5Al_0.57∼0.5N)의 웰층위에 In_0.05Al_0.95N의 장벽층을 수회 교대로 형성하여서 되는 양자우물구조로 형성한다.

상기 활성층의 형성 후에 다시 온도를 1000∼1050℃로 높여 Mg가 도핑된 P형클래드층을 5000Å두께로 형성한다.

이어, n⁺형 GaN 기판의 뒷면을 보론카아바이드 또는 다이아몬드 파우더를 이용하여 웨이퍼두께가 100∼150μm로 래핑연마 한 후 A1₂O₃파우더로 폴리슁하고 웨이퍼를 세척한 다음 n형 메탈 Ti/Al/Ni/Au를 통상의 방법으로 증착하고 실온 700℃에서 30초간 어닐링하여 n형 오옴접촉 전극을 형성하고 상기 P형 클래드층상에 P형 금속 Cr/Ni/Au를 증착하고 실온 500℃에서 30초간 어닐링하여 P형 오옴접촉 전극을 형성 한다.

이와 같은 본발명의 질화갈륨 발광다이오드 및 그의 제조방법에 의하면, 할로겐 기상 박막성장을 이용한 동종박막성장으로 성장시켜 얻어진 n⁺형 GaN 기판을 사용하기 때문에 상기 n⁺형 GaN 기판위의 박막성장(epitaxy)시 결정결함을 10⁵cm^-3이하로 줄일 수 있어 고 품위의 박막을 성장시킬 수 있고, 이로 인해 고휘도 고출력(고효율)의 발광다이오드가 제조되며, n형 기판을 기판뒷면에 만들 수 있기 때문에(종래는 동일면에 만듬) 식각공정이 삭제되어 제조공정이 간단해지고 P형 혹은 n형 전극한쪽만 본딩하면 되므로 패키징이 간단해지며 또 벽개(cleaving)공졍이 용이하여 수율이 증가되며, n형 전극뒷면에 메탈전극을 증착하여 이 전극자체를 반사거울로 겸용할 수 있어 발광효율이 증대되는 등 뛰어난 효과가 있다.

Claims (7)

1. 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종박막성장으로 성장한후 실리콘을 도핑하여 얻어진 n⁺형 질화갈륨기판을 마련하는 단계와, 상기 n⁺형 질화갈륨 기판상에 순차적으로 유기금속 박막성장법으로 n형 GaxAl_1-xN,In_xGa_1-xN 및 P형 GaxAl_1-xN을 각각 성장시켜 N형 클래드층, 활성층 및 P형 클래드층을 형성하는 단졔와, 상기 P형 클래드층상 및 기판하부에 각각 P형 멎 n형 전극을 형성하는 단계를 구비한 질화갈륨 발광 다이오드의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 활성층 In_xGa_1-xN의 x는 0.22∼0.25인 질화갈륨 발광 다이오드의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 활성층 In_xGa_1-xN의 x는 0.45∼O.5인 질화갈륨 발광 다이오드의 제조방법.
4. 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종 박막성장으로 성장한후 실리콘 도핑하여 얻어진 n⁺형 질화갈륨기판과, 상기 n⁺형 질화갈륨 기판상에 실리콘 도핑의 Ga_xAl_1-XN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 n형 클래드층과, 상기 n형 클래드층상에 In_xGa_1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 활성층과, 상기 활성층상에 마그네습 도핑의 Ga_xAl_1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 P형 클래드층과, 상기 기판하부 및 P형 클래드층 상부에 각각 형성된 n형 및 P형 전극을 구비한 질화갈륨 발광 다이오드.
5. 제4항에 있어서, 상기 활성충 InxGa_1-XN의 x는 0.22∼0.25인 질화갈륨 발광 다이오드.
6. 제4항에 있어서, 상기 활성층 InGa_1-xN의 x는 0.43∼0.5인 질화갈륨 발광 다이오드.
7. 제4항에 있어서, 상기 활성층 InxGa_1-xN(0x≤1)층위에 In_0.05Ga_0.95N의 장벽층을 더 형성하여 양자우물 구조로 형성된 질화갈륨 발광 다이오드.