KR100831713B1 - 질화물계 반도체 발광다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광다이오드에 관한 것으로서, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 일부분에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p⁺⁺형 질화물 반도체층과, 상기 p⁺⁺형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 n형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것이다.

LED, ITO, p형 전극, 오믹 특성

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>

100 : 기판 110 : 버퍼층

120 : n형 질화물 반도체층 130 : 활성층

140 : p형 질화물 반도체층 150 : p형 전극

170 : n형 전극 200 : p⁺⁺형 질화물 반도체층

본 발명은 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투명한 산화물(oxide)계 물질로 이루어진 p형 전극의 오믹(Ohmic) 특성을 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 GaN계 물질이 널리 사용되 고 있다.

그러면, 이하 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED에 대해서 상세하게 설명한다.

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

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 LED는, 광투과성 기판인 사파이어 기판(100) 상에 GaN으로 된 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 단일 양자 우물(SQW) 구조의 InGaN 또는 InGaN을 함유하는 다중 양자 우물(MQW) 구조의 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층된 기본 구조를 가진다.

그리고, 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 활성층(130)은 일부 메사 식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거된 바, n형 질화물 반도체층(120)의 일부 상면이 노출되어 있다. 또한, 노출된 n형 질화물 반도체층(120)의 상면에는 n형 전극(170)이 형성되어 있고, p형 질화물 반도체층(160) 상에는 투명한 산화물계 물질(예, ITO 등)로 이루어진 p형 전극(150)과 p형 본딩 전극(160)이 순차 적층된 구조로 형성되어 있다.

한편, 현재 상용화되어 있는 질화물계 반도체 LED는 주로 GaN계 물질을 기반으로 한 청색 LED 칩에 황색(yellow) 발광을 하는 형광체를 혼합한 백색 LED가 사용된다. 이러한 백색 LED의 휘도를 높이는 방안은, 청색 LED 칩의 휘도를 높이거 나 황색 형광체의 광 변환 효율을 향상시키는 두 가지 방식이 있다.

따라서, 상술한 바와 같이, 상기 질화물계 반도체 LED는 청색 LED 칩의 휘도를 높이기 위하여 p형 전극(150)이 기존의 반투명한 금속 물질이 아닌 투명한 산화물계 물질로 형성되어 있다.

그런데, 상기 p형 전극(150)이 투명한 산화물계 물질로 형성되면, 전극의 투과도가 높아져 청색 빛의 흡수는 최소화하여 휘도는 향상시킬 수 있었으나, 일반적으로 투명한 산화물계 물질은 n형 질화물 반도체와 오믹 접합을 이루는 물질로 알려져 있는 바, p형 전극(150)과 p형 질화물 반도체층(140) 간의 오믹 접합이 이루어지지 않아 오믹 접촉 저항이 높아지게 되고, 특히, LED 소자의 경우에는 동작전압(V_f)이 높아지는 문제가 있다.

그러나, 상기와 같이, LED 소자의 동작전압이 높아지게 되면 전류밀도의 집중으로 인해 LED 소자의 중심파장이 짧아지는 단파장화(blue-shift)가 발생하므로, 발광 효율이 감소하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 투명한 산화물(oxide)계 물질로 이루어진 p형 전극의 오믹 특성을 향상시켜 고휘도를 구현하는 질화물계 반도체 LED를 제공하는 데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 일부분에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p⁺⁺형 질화물 반도체층과, 상기 p⁺⁺형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 n형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 LED를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 LED에서, 상기 p⁺⁺형 질화물 반도체층은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, p형 도전성 불순물이 고농도로 도핑되어 n형의 전기전도도를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 LED에서, 상기 p⁺⁺형 질화물 반도체층은, n형의 전기전도도를 가지기 위하여 p형 도전성 불순물이 5E20 ㎝^-3 이상의 고농도로 도핑되어 이루어짐이 바람직하다.

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 나 타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 소자에 대하여 도 2를 참고로 하여 상세하게 설명한다. 여기서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 LED는, 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층되어 이루어진 발광 구조물을 포함한다.

상기 기판(100)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 사파이어 기판 및 실리콘카바네이트(SiC) 기판과 같은 이종 기판 또는 질화물 기판과 같은 동종 기판일 수 있다.

상기 버퍼층(110)은, 상기 n형 질화물 반도체층(120)을 성장하기 전에 상기 기판(100)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 일반적으로 GaN 또는 Ga을 포함한 질화물 예를 들어, SiC/InGaN으로 형성되어 있으며, 이는 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략 가능하다.

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(120, 140)과 활성층(130)은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN 층 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(140)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(130)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.

특히, 본 발명은 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 및 p⁺⁺형 질화물 반도체층(140)이 형성되어 있다. 이는 후술할 투명 산화물계 물질로 이루어진 p형 전극과 상기 p형 질화물 반도체층(140)이 오믹 접합을 이루게 하기 위함이다.

보다 상세하게, 상기 p⁺⁺형 질화물 반도체층(140)은 In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있으며, p형 도전성 불순물인 Mg, Zn, Be 등이 고농도로 n형 특성, 즉, n형 전기전도도를 가진다. 본 실시예에서는 상기 p형 도전성 불순물로 Mg이 사용되었으며, 이는 5E20 ㎝^-3 이상 도핑되어 n형 전기전도도를 나타내고 있다.

그리고, 상기 p⁺⁺형 질화물 반도체층(200) 상에 p형 전극(150)이 형성되어 있다. 이때, 상기 p형 전극(150)은 전류확산 효과를 증대시켜 휘도를 향상시키기 위하여 발광소자의 발광 파장에 대해 투과율이 높은 투명한 산화물계 물질로 이루어져 있으며, 투명한 산화물계 물질로는 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide) 및 ZnO(Zinc Oxide) 등을 사용하고, 바람직하게는 ITO를 주로 사용한다.

즉, 본 발명은 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 n형 전기전도도를 가지는 p⁺⁺형 질화물 반도체층(200)을 구비하여 투명한 산화물계 물질로 이루어진 상기 p형 전극(150)이 p형 전기전도도를 갖는 p형 질화물 반도체층(140)이 아닌 n형 전기전도도를 가지는 p⁺⁺형 질화물 반도체층(200)과 접하게 함으로써, p형 전극(150)의 오믹 접촉 저항을 낮출 수 있다. 이와 같이, 상기 p형 전극(150)의 오믹 접촉 저항이 낮아지게 되어 오믹 특성이 향상되면, 질화물계 반도체 LED의 동작전압이 낮아지게 되는 바, LED의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

상기 p형 전극(150) 상에는 Cr/Au 등으로 이루어진 p형 본딩 전극(160)이 형성되어 있다.

상기 p⁺⁺형 및 p형 질화물 반도체층(200, 140)과 활성층(130)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 n형 질화물 반도체층(120)의 일부를 노출하고 있다.

상기 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상의 일부분에는 Cr/Au 등으로 이루어져 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 실 시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 n형 전기전도도를 갖는 p⁺⁺형 질화물 반도체층 상에 투명 산화물계 물질로 이루어진 p형 전극을 형성함으로써, p형 전극의 오믹 특성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 p형 전극의 오믹 특성 향상으로 인하여 동작 전압(V_f)을 낮추어 고신뢰성의 질화물계 반도체 LED를 제공할 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층 상의 일부분에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p⁺⁺형 질화물 반도체층;

   상기 p⁺⁺형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극; 및

   상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 n형 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 p⁺⁺형 질화물 반도체층은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 조성물로 이루어져 있으며, p형 도전성 불순물이 고농도로 도핑되어 n형의 전기전도도를 가짐을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광다이오드.
3. 삭제

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