KR100814921B1 - 질화물계 반도체 발광다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것으로서, 특히, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 고농도 n형 질화물 반도체층과, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 저농도 n형 질화물 반도체층과, 상기 저농도 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극 및 상기 저농도 n형 질화물 반도체층이 형성되는 않은 상기 고농도 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것이다.

LED, n형 질화물 반도체층, 계면특성, n형 전극

Description

질화물계 반도체 발광다이오드{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE}

도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 기판 120 : 버퍼층

130 : n형 질화물 반도체층 140 : 활성층

150 : p형 질화물 반도체층 160 : p형 전극

170 : n형 전극

본 발명은 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 n형 전극의 오믹 특성을 향상시키는 동시에 활성층이 형성되는 n형 질화물 반도체층의 계면특성을 향상시키는 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode : 이하, 'LED'라 칭함)는 전자와 홀의 재결합이라는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체 소자이다.

보통 LED의 사용 범위는 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화기기, 광통신 등에 사용되고 종류는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나누어진다.

LED에 있어서, 발광되는 광의 주파수(혹은 파장)는 반도체소자에 사용되는 재료의 밴드 갭 함수로서, 작은 밴드 갭을 갖는 반도체 재료를 사용하는 경우 낮은 에너지와 긴 파장의 광자가 발생되고, 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 재료를 사용하는 경우 짧은 파장의 광자가 발생된다. 따라서, 발광하고자 하는 빛의 종류에 따라서 소자의 반도체 재료가 선택된다.

예를 들어, 적색 LED의 경우 AlGaInP 물질을 사용하고, 청색 LED의 경우 실리콘 카바이드(SiC)와 Ⅲ족 질화물계 반도체, 특히 갈륨나이트라이드(GaN)를 사용한다. 근래 청색 발광다이오드로 사용되는 질화물계 반도체로는 (Al_xIn_{1 -x})_yGa_{1 - y}N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질이 널리 사용되고 있다.

하지만, 상기 질화물계 반도체는 비교적 큰 에너지 밴드갭을 가지므로, 전극과 오믹접촉을 형성하는데 어려움이 있다. 특히, n형 질화물 반도체층은 보다 큰 에너지 밴드갭을 가지므로, n형 전극과 접촉부위에서 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작전압이 커져 발열량이 증가되는 문제가 있다.

그러면, 이하 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 문제점에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED는, 사파이어 기판(110)과, GaN 버퍼층(120)과, n형 질화물 반도체층(130)과, 활성층(140)과, p형 질화물 반도체층(150)이 순차 결정성장되어 있으며, 상기 p형 질화물 반도체층(150) 및 활성층(140)은 식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되는 바, n형 질화물 반도체층(130)의 일부 상면이 노출된 구조를 갖는다.

상기 노출된 n형 질화물 반도체층(130) 상에는 n형 전극(170)이 형성되어 있고, 상기 p형 질화물 반도체층(150) 상에는 ITO 등으로 이루어진 p형 전극(160)이 형성되어 있다.

한편, 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED는, 높은 에너지 밴드갭을 가지는 n형 질화물 반도체층(130)으로 인하여, 그 위에 형성되는 n형 전극(170)과의 접촉부위에서 접촉저항이 높아지며, 이로 인해 소자의 동작전압이 커져 발열량이 증가되는 문제가 있었다.

이에 따라, 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 상기 n형 질화물 반도체층(130) 내에 고농도의 Si 불순물을 도핑하여 전기전도도를 향상시키고, 접촉 저항을 낮추어 오믹 특성을 개선하였다.

그런데, 상기와 같이 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED는 상기 n형 질화물 반도체층(130)의 전기전도도를 향상시켜 기존에 비해 향상된 오믹 특성을 얻을 수는 있었으나, 상기 n형 질화물 반도체층(130) 내에 Si 불순물을 고농도로 도핑하게 되면, 그 층의 결정성이 저하되는 문제가 있다.

이와 같이, 상기 n형 질화물 반도체층(130)의 결정성이 저하되면, 그 표면이 나선 성장(spiral growth)에 의해 거칠어지는 바, 결함의 밀도가 높아지게 되어 계면특성이 낮아져 전체적인 질화물계 반도체 LED의 역전압 및 누설전류 특성이 낮아지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, n형 질화물 반도체층을 고농도의 n형 질화물 반도체층과 저농도의 n형 질화물 반도체층이 순차 적층되어 있는 다층 구조로 형성하되, 저동도의 n형 질화물 반도체층을 활성층의 하지층으로 적용함으로써, 활성층과 접하는 n형 질화물 반도체층의 계면특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 반도체 LED를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 고농도 n형 질화물 반도체층과, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 저농도 n형 질화물 반도체층과, 상기 저농도 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극 및 상기 저농도 n형 질화물 반도체층이 형성되는 않은 상기 고농도 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 질화물계 반도체 LED를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 LED에서, 상기 저농도 n형 질화물 반도체층은, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층의 도핑 농도보다 낮으며, 이때, 상기 저농도 n형 질화물 반도체층은, 5×10¹⁷/㎤ 내지 4×10¹⁸/㎤ 범위의 n형 불순물이 도핑된 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 LED에서, 상기 기판과 상기 고농도 n형 질화물 반도체층 사이 계면에 형성된 저농도 n형 질화물 반도체층을 더 포함하고, 상기 기판과 저농도 n형 질화물 반도체층 사이 계면에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 LED에서, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층은, 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층이 두 층 이상 적층되어 있는 다층 구조로 형성된 것이 바람직하며, 보다 구체적으로, 상기 전류확산층을 구성하는 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N (0 ≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, Al과 In의 조성비를 다르게 하여 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 LED에서, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층은, 동일한 타입의 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층이 두 층 이상 적층되어 있는 다층 구조로 형성된 것이 바람직하다.

상기 고농도 n형 질화물 반도체층을 구성하는 동일한 타입의 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, 도전형 불순물의 도핑 농도를 다르게 하여 형성되는 것이 바람직하고, 보다 상세하게 상기 동일한 타입의 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층은 어느 일방으로 도전형 불순물의 도핑 농도가 순차적으로 증가하는 두 층 이상의 질화물 반도체층으로 이루어지거나, 어느 일방으로 도전형 불순물의 도핑 농도가 순차적으로 증감하는 두 층 이상의 질화물 반도체층으로 이루어질 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 LED에 대하여 도 2를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 LED는, 기판(110) 상에 버퍼층(120)이 형성되어 있다.

상기 기판(110)은, 질화물계 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층(120)은, 상기 제1 n형 질화물 반도체층(130a)을 성장하기 전에 상기 기판(110)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 일반적으로 AlN/GaN으로 형성되어 있다. 이는 상기 기판(110)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로 반드시 필요한 층은 아니므로 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략 가능하다.

그리고, 상기 버퍼층(120) 상에는 n형 질화물 반도체층(130), 활성층(140) 및 p형 질화물 반도체층(150)이 순차 적층되어 있는 발광 구조물을 포함한다.

상기 n형 질화물 반도체층(130) 및 p형 질화물 반도체층(130, 150)과 활성층(140)은, Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(130)을 구성하는 제1 n형 및 제2 n형 질화물 반도체층(130a, 130b)은, n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다. 또한, 상기 p형 질화물 반도체층(150)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다. 그리고, 상기 활성층(140)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 상기 n형 질화물 반도체층(130)은, 상기 버퍼층(120) 상에 고농도 n형 질화물 반도체층(130a) 및 저농도 n형 질화물 반도체층(130b)이 순차 적층되어 있는 다층 구조로 형성되어 있다.

이때, 상기 저농도 n형 질화물 반도체층(130b)은, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층(130a)의 도핑 농도보다 낮게 형성되어 있으며, 보다 구체적으로, 상기 저농도 n형 질화물 반도체층(130b)은, n형 불순물을 5×10¹⁷/㎤ 내지 4×10¹⁸/㎤ 범위로 도핑하여 형성되며, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층(130a)은, n형 불순물이 4×10¹⁸/㎤ 보다 높게 도핑하여 형성된다.

즉, 본 발명은 상기 n형 질화물 반도체층(130)을 고농도 n형 질화물 반도체층(130a)과 저농도 n형 질화물 반도체층(130b)으로 구분함으로써, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층(130a)은, 전기전도도를 향상시켜 전류확산 효과를 개선하는 동시에 후술하는 n형 전극(170)과 접촉시켜 접촉 저항을 최소화하는 역할을 하고, 상기 저농도 n형 질화물 반도체층(130b)은, 활성층(140)의 하지층으로 적용시켜 활성층(140)과 접하는 n형 질화물 반도체층의 계면특성을 향상시키는 역할을 한다.

또한, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층(130a)은, 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층이 두 층 이상 적층되어 있는 다층 구조로 형성되거나, 서로 동일한 타입의 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층이 두 층 이상 적층되어 있는 다층 구조로 형성될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층(130a)을 구성하는 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물의 Al과 In의 조성비를 다르게 하여 형성되며, 서로 동일한 타입의 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물에 n형 도전형 불순물의 도핑 농도를 다르게 하여 형성될 수 있다.

이때, 상기 동일한 타입의 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층은 어느 일방으로 도전형 불순물의 도핑 농도가 순차적으로 증가하는 두 층 이상의 질화물 반도체층으로 이루어지거나, 어느 일방으로 도전형 불순물의 도핑 농도가 순차적으로 증감하는 두 층 이상의 질화물 반도체층으로 이루어지는 것이 가능하다.

한편, 도시하지는 않았으나, 상기 기판(110)과 상기 고농도 n형 질화물 반도체층(130a) 즉, 버퍼층(120)과 상기 고농도 n형 질화물 반도체층(130a) 사이 계면 에 형성된 저농도 n형 질화물 반도체층을 더 포함할 수 있다. 이는, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층(130a) 상에 형성된 저농도 n형 질화물 반도체층(130b)과 동일한 구성으로 이루어진 층으로, 상기 저농도 n형 질화물 반도체층(130b)과 마찬가지로 성장 공정시, 결함을 최소화하여 우수한 계면 특성을 나타낸다.

그리고, 상기 p형 질화물 반도체층(150) 상에는 p형 전극(160)이 형성되어 있다. 이때, 상기 p형 전극(160)은, 전류확산 효과를 향상시키기 위하여 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전성 금속산화물로 형성된 것이 바람직하다. 또한, 상기 p형 전극(160)은, LED의 발광 파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택 저항이 낮은 금속박막으로도 이루어질 수 있다.

또한, 상기 활성층(150)과 p형 질화물 반도체층(140) 및 저농도 n형 질화물 반도체층(130b)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 고농도 n형 질화물 반도체층(130a)의 일부가 노출되어 있다.

그리고, 상기 메사 식각에 의해 노출된 고농도 n형 질화물 반도체층(130a) 상에는 n형 전극(170)이 형성되어 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개 념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 n형 전극에서 n형 질화물 반도체층을 통해 p형 전극으로 흐르는 전류를 n형 질화물 반도체층 사이에 형성되어 있으며, n형 전극과 직접적으로 접촉되어 있는 전류확산층을 이용하여 인가함으로써, 전류확산 효과를 향상시켜 낮은 동작전압과 높은 발광 효율을 가지는 질화물계 반도체 발광다이오드를 제공할 수 있다.

Claims (11)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 고농도 n형 질화물 반도체층;

   상기 고농도 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 저농도 n형 질화물 반도체층;

   상기 저농도 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극; 및

   상기 저농도 n형 질화물 반도체층이 형성되지 않은 상기 고농도 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;

   을 포함하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 저농도 n형 질화물 반도체층은, 상기 고농도 n형 질화물 반도체층의 도핑 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
3. 제2항에 있어서,

   상기 저농도 n형 질화물 반도체층은, 5×10¹⁷/㎤ 내지 4×10¹⁸/㎤ 범위의 n형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
4. 제1항에 있어서,

   상기 기판과 상기 고농도 n형 질화물 반도체층 사이 계면에 형성된 저농도 n형 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
5. 제4항에 있어서,

   상기 기판과 저농도 n형 질화물 반도체층 사이 계면에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 고농도 n형 질화물 반도체층은, 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층이 적어도 두 층이 적층되는 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
7. 제6항에 있어서,

   상기 고농도 n형 질화물 반도체층을 구성하는 서로 다른 에너지 밴드를 가지는 질화물 반도체층은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, Al과 In의 조성비를 다르게 하여 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
8. 제1항에 있어서,

   상기 고농도 n형 질화물 반도체층은, 동일한 타입의 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층이 적어도 두 층이 적층되는 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
9. 제8항에 있어서,

   상기 고농도 n형 질화물 반도체층을 구성하는 동일한 타입의 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, 도전형 불순물의 도핑 농도를 다르게 하여 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
10. 제8항에 있어서,

    상기 고농도 n형 질화물 반도체층을 구성하는 동일한 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층은 어느 일방으로 도전형 불순물의 도핑 농도가 순차적으로 증가하는 적어도 두 층의 질화물 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
11. 제8항에 있어서,

    상기 고농도 n형 질화물 반도체층을 구성하는 동일한 도전형 불순물이 도핑된 질화물 반도체층은 어느 일방으로 도전형 불순물의 도핑 농도가 순차적으로 증감하는 적어도 두 층의 질화물 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.

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