KR101012516B1 - 질화물 반도체 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은, n측 질화물 반도체 영역; 상기 n측 질화물 반도체 영역 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 p측 질화물 반도체 영역을 포함하되, 상기 p측 질화물 반도체 영역은 p-도프 GaN층 및 p-도프 또는 언도프의 AlGaN층이 교대로 2회 이상 적층된 다층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다.

질화물 반도체, LED, 발광 소자, GaN

Description

질화물 반도체 발광 소자{Nitride Semiconductor Light Emitting Device}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 p측 질화물 반도체 영역의 전기적 특성과 표면 모폴로지가 크게 개선된 고품질 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

최근, GaN, AlGaN, InGaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(간단히, '질화물 반도체'라고도 함) 재료의 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)가 반도체 발광소자로서 다양한 응용분야에서 사용되고 있다. 질화물 반도체는 통상 In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가진다.

질화물 LED 또는 LD를 사용하는 디지털 제품이 진화함에 따라, 보다 큰 휘도 및 효율과 높은 신뢰성을 갖는 질화물 반도체 발광 소자에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러나, 질화물 반도체 발광소자의 p측 질화물 반도체 영역에 배치되는 p-도프 GaN층(p-doped GaN layer)는 Mg-H 복합체(Mg-H complex)에 의한 억셉터 기능의 열화 또는 활성화 효율(activation efficiency)의 저하 등으로 인해 p형 특성이나 충분히 높은 전기적 특성을 갖지 보유하지 못하고 있다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(10)는, 사파이어 등의 기판(11) 상에 n-도프 GaN층(14), 활성층(16) 및 p-도프 GaN층(18)이 순차 적층된 구조를 갖는다. 메사 식각에 의해 노출된 n-도프 GaN층(14)의 상면에는 n측 전극(15)이 형성되어 있고, p-도프 GaN층(18) 상에는 p측 전극(19)이 형성되어 있다.

상술한 종래 질화물 반도체 발광 소자 구조에서, p-도프 GaN층(18)은 비교적 낮은 전기 전도도(conductivity)을 가질 뿐만 아니라 10¹⁸ cm^-1 이상의 홀농도를 쉽게 얻지 못했으며 양질의 결정 품질로 구현하기가 어렵다. 이는 p-도프 GaN 성장시 Mg 도펀트 소스가 Mg-H 복합체를 형성하여 Mg 억셉터의 기능을 열화시키고 Mg의 활성화 효율을 저하시키기 때문이다. 높은 홀농도를 얻기 위해 과량의 Mg 소스를 공급할 경우, p-도프 GaN층의 표면 모폴로지(surface morphology)가 고르지 못하고 결정 품질이 나빠지며 이는 발광 소자의 발광 효율 및 휘도 감소를 가져온다.

본 발명의 일 과제는, p측 질화물 반도체 영역의 전기 전도도 등 전기적 특성과 표면 모폴로지가 개선된 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, n측 질화물 반도체 영역; 상기 n측 질화물 반도체 영역 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 p측 질화물 반도체 영역을 포함하되, 상기 p측 질화물 반도체 영역은 p-도프 GaN층 및 p-도프 또는 언도프의 AlGaN층이 교대로 2회 이상 적층된 다층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다.

본 발명의 실시형태에서, 상기 AlGaN층은 20nm 이상의 두께를 갖고 상기 p-도프 GaN층은 상기 AlGaN층의 두께보다 크거나 같은 두께를 갖는다. 상기 AlGaN층은 20nm 이상 100nm 이하일 수 있다. 상기 AlGaN층은 언도프되거나 상기 p-도프 GaN층의 도핑 농도보다 낮은 도핑 농도로 p-도프될 수 있다. 일 실시형태로서, 상기 p-도프 GaN층의 도핑 농도는 Mg 도펀트로 6×10¹⁹ 내지 1×10²⁰cm^-3이고 상기 AlGaN층의 도핑 농도는 Mg 도펀트로 0 내지 5×10¹⁹ cm^-3일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 질화물 반도체 발광 소자는, 상기 n측 질화물 반도체 영역에 전기적으로 접속되도록 배치된 n측 전극 및 상기 p측 질화물 반도체 영역 상에 형성된 p측 전극을 더 포함하되, 상기 n측 전극과 p측 전극이 동일측을 향하는 수평구조(lateral-structured) 발광 소자일 수 있다. 이 경우, 상기 질화물 반도체 발광 소자는 상기 n측 질화물 반도체 영역 아래에 배치된 사파이어 등의 기판을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 질화물 반도체 발광 소자는, 상기 n측 질화물 반도체 영역에 전기적으로 접속되도록 배치된 n측 전극 및 상기 p측 질화물 반도체 영역 상에 형성된 p측 전극을 더 포함하되, 상기 n측 전극과 p측 전극이 반대측을 향하는 수직구조(vertical-structured) 발광 소자일 수 있다. 상기 수직구조 발광 소자는 상기 n측 질화물 반도체 영역을 사이에 두고 상기 활성층의 반대편에 배치된 도전성 기판을 더 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 수직구조 발광 소자는 상기 p측 질화물 반도체 영역을 사이에 두고 상기 활성층의 반대편에 배치된 도전성 기판을 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 수직구조 발광소자는 상기 도전성 기판과 p측 질화물 반도체 영역 사이에 형성된 도전성 접착층을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, p측 질화물 반도체 영역에 p-도프 GaN층과 p-도프 또는 언도프의 AlGaN층을 교대로 2회이상 반복 적층하여 형성된 다층구조를 구비함으로써, p측 질화물 반도체 영역의 표면 모폴로지가 개선되고 전기 전도도가 높아진다. 이에 따라, 질화물 반도체 발광 소자의 효율과 휘도가 향상된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광 소자(100)는 사파이어 등의 절연 기판(101) 상에 순차 형성된 층 구조의 n측 질화물 반도체 영역(104), 활성층(106) 및 p측 질화물 반도체 영역(108)을 포함한다. n측 및 p측 질화물 반도체 영역에 전압을 인가하기 위한 n측 전극(105) 및 p측 전극(109)이 n측 및 p측 질화물 반도체 영역(104, 108)에 각각 전기적으로 접속하도록 배치되어 있다. 특히 메사 식각에 의해 n측 질화물 반도체 영역(104)의 일부가 노출되고 그 노출된 n측 질화물 반도체 영역(104) 일부 상에 n측 전극(105)이 배치된다. 이에 따라, 질화물 반도체 발광 소자(100)는 n측 전극(105)과 p측 전극(109)이 동일측을 향하는 수평구조의(lateral- structured) 발광 소자를 이룬다.

n측 질화물 반도체 영역(104)는 그 하부에서 기판(101)과의 격자 불일치를 완화하기 위한 버퍼 구조를 포함할 수 있다. 활성층(106)은 예컨대, 언도프 GaN의 장벽층과 언도프 InGaN의 우물층의 다중양자우물(MQW) 구조를 갖거나, 단일양자우물 구조를 가질 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, p측 질화물 반도체 영역(108)은 언도프 또는 p-도프의 AlGaN층(108a)과 p-도프 GaN층(108b)이 교대로 2회이상 반복 적층되어 형성된 다층막 구조를 갖는다. 이러한 2 페어(2 pairs)이상의 GaN(p-도프)/AlGaN(언도프 또는 p-도프)로 된 다층막 구조에서는, p-도프 GaN층(108b)를 샌드위칭하는 AlGaN층(108a)들은 Mg 등의 p형 도펀트의 활성화를 돕고 p-도프 GaN층(108b)의 홀 농도를 증가시키는 역할을 한다. 또한, AlGaN층(108a)과 p-도프 GaN층(108b)을 2회 이상 교대로 반복 적층함으로써 AlGaN과 GaN 간의 계면에서 스트레스가 완화된다.

상기한 홀농도 증가와 계면에서의 스트레스 완화에 의해, 상부의 p-도프 GaN층(108b)은 증가 된 전기전도도와 평탄한(smooth) 표면 모폴로지를 갖게 된다. 실제로 p측 질화물 반도체 영역을 p-도프 GaN층만으로 성장시킨 경우와 비교할 때, 동일한 Mg 도핑 농도로도 p측 질화물 반도체 영역은 더 작은 평균 표면 거칠기(average roughness)와 더 높은 전기전도도를 갖는다는 것을 실험적으로 확인할 수 있다(도 6 참조).

상술한 p-도프 GaN/ 언도프 또는 p-도프 AlGaN의 교대 반복 적층 구조(108a, 108b)는 MOCVD(유기금속 화학기상증착)로 형성될 수 있는데, 예컨대, TMG, TMA 등의 유기금속 소스와 CP₂Mg의 도펀트 소스를 사용하여 MOCVD로 성장될 수 있다.

본 실시형태에서는 질화물 반도체 결정 성장을 위한 기판(101)으로서 사파이어(Al₂O₃) 등의 절연 기판을 사용하고 있지만, 사파이어 기판 대신에 SiC 기판, Si기판, ZnO기판, MgO기판, GaN기판 등 질화물 반도체층 성장에 사용될 수 있는 어떠한 기판도 사용가능하다.

도 3은 본 발명의 실시형태들에 따른 p측 질화물 반도체 영역의 부분 단면도이다. 도 3(a)와 같이 p측 질화물 반도체 영역은 활성층 위에서 AlGaN층(언도프 또는 p-도프)부터 시작하여 GaN층(p-도프), 다시 AlGaN층, GaN층의 순서로 적층된 다층막 구조를 가질 수 있다. 다른 예로서, 도 3(b)와 같이 활성층 위에서 먼저 GaN층(p-도프)이 성장하고 그 위에 AlGaN층이 성장하고, 이러한 GaN/AlGaN의 2층 구조 반복될 수도 있다.

바람직한 실시형태에서, 상술한 p측 질화물 반도체 영역(108)의 다층막 구조 에 있어서, 언도프 또는 p-도프의 AlGaN층(108a)의 두께(d1)은 20nm 이상이고, p-도프 GaN층(108b)의 두께(d2)는 AlGaN층(108a)의 두께(d1)와 같거나 더 클 수 있다. 예를 들어, 상기한 다층막 구조 내의 AlGaN층(108a)은 20 내지 100nm의 두께를 갖고 p-도프 GaN층(108b)은 AlGaN층(108a) 두께 이상 110nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 이러한 p-GaN층 및 AlGaN층의 두께는 초격자를 구성하는 단일막보다는 더 큰 두께를 나타내고 초격자 구조에서 예상하지 못하는 p-GaN 표면 모폴로지와 전기전도도를 실현할 수 있다.

AlGaN층(108a)은 언도프되거나(의도적인 도핑농도가 0임) p-도프 GaN층의 도핑 농도보다 더 낮은 도핑 농도로 p-도프될 수 있다. 예를 들어, p-도프 GaN층의 도핑 농도는 Mg 도펀트로 6×10¹⁹ 내지 1×10²⁰cm^-3이고 상기 AlGaN층의 도핑 농도는 Mg 도펀트로 0(언도프) 내지 5×10¹⁹ cm^-3일 수 있다. p-도프 GaN층(108b)은 6×10¹⁹cm^-3 정도의 Mg 도핑 농도로도 10¹⁸ cm^-3 이상의 홀농도를 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 본 실시형태에서는 n측 전극 및 p측 전극이 발광 구조(n측 질화물 반도체 영역, 활성층 및 p측 질화물 반도체 영역)의 반대측을 향하도록 배치되어, 수직구조(vertical-structured) 발광 소자를 이룬다.

도 4를 참조하면, 질화물 반도체 발광 소자(200)는 SiC 등의 도전성 기판(201) 상에 순차 적층된 n측 질화물 반도체 영역(204), 활성층(206) 및 p측 질화물 반도체 영역(208)을 포함한다. n측 전극(205)은 도전성 기판(201) 하면에 배치될 수 있고, p측 전극(209)은 p측 질화물 반도체 영역(208) 상에 배치될 수 있다.

p측 질화물 반도체 영역(208)은 전술한 바와 같이 언도프 또는 p-도프 AlGaN층과 p-도프 GaN층이 교대로 2회이상 반복 적층된 다층막 구조를 갖는다. 이러한 수직 구조 발광 소자에서도, 상기 다층막 구조의 p측 질화물 반도체 영역(208)은 계면에서의 스트레스 완화와 홀 농도 증가의 효과를 나타내고 고른 p-도프 GaN 모폴로지를 구현할 수 있다.

도전성 기판(201)으로는, GaN 성장용 결정면(상면)을 갖는 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, SiC, ZnO 및 GaN 기판 중 어느 하나를 도전성 기판(201)으로 사용할 수 있다. 또한 도전성 기판(201)을 제거하여 박막의 LED 구조를 형성할 수도 있다. 박막 LED 구조에서는, n측 전극(205)은 도전성 기판 없이 n측 질화물 반도체 영역(204)에 직접 접촉할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 수직 구조 발광 소자의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 질화물 반도체 발광 소자(300)는 도전성 기판(301) 상에 p측 질화물 반도체 영역(308), 활성층(306) 및 n측 질화물 반도체 영역(304)의 순서로 적층된 적층구조를 갖는다. 즉, p측 질화물 반도체 영역(308)은 활성층(306)과 도전성 기판(301)의 사이에 배치되고, 도전성 기판(301)은 n측 질화물 반도체 영역(304)의 반대편에 배치된다. 도전성 기판(301)과 p측 질화물 반도체 영역(308) 사이에는 도전성 접착층(312)이 형성될 수 있다. 도전성 기판(301)의 하면에는 p측 전극(309)이 배치되고 n측 질화물 반도체 영역(304) 상면에는 n측 전극(305)이 배치된다.

본 실시형태에서도, p측 질화물 반도체 영역(308)은 p-도프 GaN층과 언도프 또는 p-도프 AlGaN층을 교대로 2페어 이상 반복해서 배치하여 형성된 다층막 구조로 되어 있다. 수직구조 발광 소자(300)는 도전성 기판의 본딩과 성장용 기판의 제거를 통해 얻어질 수 있다. 예를 들어, 사파이어 기판(미도시) 상에 n측 질화물 반도체 영역(304), 활성층(306) 및 다층막 구조의 p측 질화물 반도체 영역(308)을 순차적으로 성장시킨 후, Au, Au-Sn 등의 도전성 접착층(312)을 사용하여 지지용 도전성 기판(301)을 p측 질화물 반도체 영역(308)에 접합시킬 수 있다. 이 후, 레이저 리프트오프(laser lift-off), 에칭 등의 기판 제거 기술을 이용하여 n측 질화물 반도체 영역(304)으로부터 사파이어 기판을 제거할 수 있다. 도전성 기판(301)으로는, SiC, ZnO, GaN 등의 기판 뿐만 아니라 기타 Al, Cu와 같은 금속 기판을 사용할 수 있다.

도 6은 비교예(a) 및 실시예(b)에 따라 형성된 p측 질화물 반도체 영역의 표 면을 나타낸 AFM(Atomic Force Microscopy) 사진이다. 비교예에서는 갈륨 소스로서 TMG, 질소 소스로서 NH₃를 사용하고 Mg(도펀트) 소스로서 CP₂Mg 를 사용하여, MOCVD로 단순히 p-도프 GaN층만을 성장시켰다. 도 6(a)에 나타난 p-도프 GaN층의 표면의 분석 결과, 비교예에 따른 p-도프 GaN층의 표면 거칠기의 평균값(average roughness)은 2.75 nm이었고, 그 표면 거칠기의 평균 제곱근(root mean square)는 3.62 nm이었다.

이에 반하여, 실시예에서는 TMG, NH₃, CP₂Mg 및 Al 소스로서 TMA를 사용하여, 상술한 바와 같은 질화물 반도체 다층막 구조를 성장시켰다. 구체적으로는, 언도프 AlGaN층과 p-도프 GaN층이 교대로 10회 반복 적층된 구조(10 페어)로 성장시켰다. p-도프 GaN층 성장시 Mg 도펀트를 사용하였고, 언도프 AlGaN층은 약 20nm, p-도프 GaN층은 약 25nm의 두께로 성장시켰다. 이 다층막 구조에서 맨 위에 형성된(맨 마지막으로 성장된) 층은 p-도프 GaN층이었다. 도 6(b)에 나타난 최상층 p-도프 GaN층의 표면 거칠기의 평균값은 2.30 nm이었고, 그 표면 거칠기의 평균 제곱근은 2.9 nm이었다.

비교예 및 실시예의 p측 질화물 반도체 영역에 대하여 전기 전도도를 측정한 결과, 비교예의 p측 질화물 반도체 영역(도 6(a))은 약 0.14 (Ωㆍcm)^-1의 전도도를 나타낸 반면에, 실시예의 p측 질화물 반도체 영역(도 6(b))은 1.2 (Ωㆍcm)^-1 이상의 전도도를 나타내었다. 이로써 실시예의 다층막 구조는 종래의 p-도프 GaN 단일층 구조에 비하여 3배 이상의 전기전도도 개선 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시형태들에 따른 p측 질화물 반도체 영역의 부분 단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.

도 6은 비교예 및 실시예에 따른 p측 질화물 반도체 영역 표면의 AFM(Atomic Force Microscopy) 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 200, 300: 질화물 반도체 발광 소자 101, 201, 301: 기판

104, 204, 304: n측 질화물 반도체 영역 105, 205, 305: n측 전극

106, 206, 306: 활성층

108, 208, 308: p측 질화물 반도체 영역

109, 209, 309: p측 전극 312: 도전성 접착층

Claims (11)

1. n측 질화물 반도체 영역;

   상기 n측 질화물 반도체 영역 상에 형성된 활성층; 및

   상기 활성층 상에 형성된 p측 질화물 반도체 영역;

   상기 n측 질화물 반도체 영역에 전기적으로 접속되도록 배치된 n측 전극;

   상기 p측 질화물 반도체 영역 상에 형성된 p측 전극; 및,

   상기 p측 질화물 반도체 영역을 사이에 두고 상기 활성층의 반대편에 배치된 도전성 기판;

   을 포함하되,

   상기 p측 질화물 반도체 영역은 p-도프 GaN층 및 p-도프 또는 언도프의 AlGaN층이 교대로 2회 이상 적층된 다층구조를 가지며, 상기 n측 전극과 p측 전극이 상기 활성층을 사이에 두고 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 AlGaN층은 20nm 이상의 두께를 갖고 상기 p-도프 GaN층은 상기 AlGaN층의 두께보다 크거나 같은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 AlGaN층은 20nm 이상 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 AlGaN층은 언도프되거나 상기 p-도프 GaN층의 도핑 농도보다 낮은 도핑 농도로 p-도프된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
5. 제4항에 있어서,

   상기 p-도프 GaN층의 도핑 농도는 Mg 도펀트로 6×10¹⁹ 내지 1×10²⁰cm^-3이고 상기 AlGaN층의 도핑 농도는 Mg 도펀트로 0 내지 5×10¹⁹ cm^-3인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,

    상기 질화물 반도체 발광 소자는 상기 도전성 기판과 p측 질화물 반도체 영역 사이에 형성된 도전성 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.

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