KR101216342B1 - 질화물계 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 접촉층과 전극의 계면에 쇼트키 장벽이 형성되는 것을 억제할 수 있는 질화물계 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. GaN 기판(3)과, GaN 기판(3)의 주요면(S1)에 마련되고 있고, 발광층(11)을 포함하는 육방정계의 질화갈륨계 반도체 영역(5)과, 질화갈륨계 반도체 영역(5) 상에 마련되어 있고, 금속으로 이루어진 p 전극(21)을 구비하는 질화물계 반도체 발광 소자의 LD(1)를 제공한다. 질화갈륨계 반도체 영역(5)은, 왜곡을 내포하는 접촉층(17)을 포함하고, 접촉층(17)은 p 전극과 접하고 있으며, 주요면(S1)은, GaN 기판(3)의 c축 방향과 직교하는 면으로부터 미리 정해진 경사 각도(θ)로 경사진 기준 평면(S5)을 따라 연장되어 있고, 경사 각도(θ)는 40°보다 크고 90°보다 작은 범위 또는 150°이상 180°미만의 범위 중 어느 하나에 포함되어 있다. 질화갈륨계 반도체 영역(5)은 GaN 기판(3)과 격자 정합되어 있다.

Description

질화물계 반도체 발광 소자{NITRIDE-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}
본 발명은 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
특허문헌 1에는 고효율 GaN계의 광 반도체 소자의 구조가 개시되어 있다. 특허문헌 1의 광 반도체 소자인 발광 소자는, 왜곡(스트레인; strain)을 내포하는 왜곡 양자 우물층을 포함하는 복수의 GaN계 반도체층을 구비한다. 이 발광 소자는, 사파이어, SiC, GaN 등의 기판에 n형 GaN 컨택트층, n형 AlGaN 클래드층, 다중 왜곡 양자 우물층, p형 AlGaN 클래드층, p형 GaN 컨택트층을 순차 퇴적하여 형성된다. 또한, n형 GaN 컨택트층과 p형 GaN 컨택트층의 각각에는, 각각의 전극이 되는 n 전극과 p 전극이 형성되어 있다. 다중 왜곡 양자 우물층은 GaInN/GaN 다중 왜곡 양자 우물층 또는 GaInN/GaInN 다중 왜곡 양자 우물층이 이용되고 있다. 그리고, 이 다중 왜곡 양자 우물층의 성장면의 면방위는, 피에조 전계가 최대가 되는 방위와는 상이하다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제11-112029호 공보
상기 종래의 광 반도체 소자는 p형 GaN 접촉층과 p 전극을 구비하고, p 전극은 p형 GaN 접촉층에 접하고 있다. 이러한 광 반도체 소자의 경우, p형 GaN은 비교적 큰 일함수(work function)를 갖고 있기 때문에, p형 GaN 접촉층과 p 전극과의 계면에 쇼트키 장벽이 형성되는 경우가 있다. 그래서, 본 발명의 목적은, 접촉층과 전극과의 계면에 쇼트키 장벽이 형성되는 것을 억제할 수 있는 질화물계 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 질화물계 반도체 발광 소자는, GaN 기판과, 상기 GaN 기판의 주요면에 마련되어 있고, 발광층을 포함하는 육방정계의 질화갈륨계 반도체 영역과, 상기 질화갈륨계 반도체 영역 상에 마련되어 있고, 금속으로 이루어진 전극을 구비하며, 상기 질화갈륨계 반도체 영역은, 왜곡을 내포하는 접촉층을 포함하고, 상기 접촉층은 상기 전극과 접하고 있으며, 상기 주요면은, 상기 GaN 기판의 c축 방향과 직교하는 면으로부터 미리 정해진 경사 각도로 경사진 기준 평면을 따라 연장되어 있고, 상기 경사 각도는, 40°보다 크고 90°보다 작은 범위 또는 150°이상 180°미만의 범위 중 어느 하나에 포함되며, 상기 질화갈륨계 반도체 영역은 상기 GaN 기판과 격자 정합되어 있고, 상기 접촉층은, p형 도핑된 InGaN 또는 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어지며, 상기 접촉층이 p형 도핑된 InGaN으로 이루어지는 경우, 상기 접촉층의 In의 조성비는 1% 이상 20% 이하의 범위 내에 있고, 상기 접촉층이 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어지는 경우, 상기 접촉층의 In의 조성비는 상기 접촉층의 Al의 조성비에 0.22를 곱한 값보다도 큰 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 질화물계 반도체 발광 소자에 따르면, GaN 기판의 주요면과 GaN 기판의 c축 방향과 직교하는 면이 이루는 각이 40°보다 크고 90°보다 작은 범위 또는 150°이상 180°미만의 범위 중 어느 하나에 포함되는 값일 경우에는, GaN 기판과 질화갈륨계 반도체 영역이 격자 정합되어 있기 때문에, p형 도핑된 InGaN 또는 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어진 접촉층 내에는 기준 평면을 따른 방향으로 압축 응력이 발생하므로, 음의 피에조 전계가 발생한다. 이러한 음의 피에조 전계에 의해 접촉층 내의 에너지 밴드가, 쇼트키 장벽이 저감되는 방향으로 변화된다. 접촉층이 p형 도핑된 InGaN으로 이루어지는 경우, 접촉층의 In의 조성비가 1% 이상 20% 이하의 범위 내에 있으면, 예컨대 10 ㎚～50 ㎚ 두께의 접촉층에 있어서 격자 완화에 의해 압축 응력이 해방되지 않게 접촉층 내의 에너지 밴드의 쇼트키 장벽이 저감된다. 접촉층이 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어지는 경우, 접촉층의 In의 조성비가 Al의 조성비에 0.22를 곱한 값보다도 큰 값으로 되어 있으면, 접촉층이 GaN 기판에 대하여 압축 응력을 갖는다.
또한, 본 발명의 질화물계 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 경사 각도는 63°이상 83°미만의 범위 내에 있을 수 있다. 경사 각도가 63°이상 83°미만의 범위 내에 있는 경우에, 음의 피에조 전계가 최대가 되기 때문에, 구동 전압이 충분히 저감된다.
또한, 본 발명의 질화물계 반도체 발광 소자에서, 상기 발광층은, 500 ㎚ 이상의 미리 정해진 범위 내에 피크 파장을 갖는 빛을 발광할 수 있다. 발광층에서의 전압 강하가 현저해지고, 소자 전체의 구동 전압이 높아지는 500 ㎚ 이상의 피크 파장의 빛을 발광하는 경우에도, 본 발명에 따르면, 구동 전압을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 접촉층과 전극과의 계면에 쇼트키 장벽이 형성되는 것을 억제할 수 있는 질화물계 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 LD의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실시형태에 따른 LD의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시형태에 대해서 상세히 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서, 가능한 경우에는, 동일 요소에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다. 도 1은 실시형태에 따른 LD(1)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. LD(1)는 GaN 기판(3), 질화갈륨계 반도체 영역(5), 절연막(19), p 전극(21) 및 n 전극(23)을 구비하는 질화물계 반도체 발광 소자이다. n 전극(23), GaN 기판(3), 질화갈륨계 반도체 영역(5), p 전극(21)은 미리 정해진 z축 방향을 따라 순차 마련되어 있다.
GaN 기판(3)은, n 전극(23)과 질화갈륨계 반도체 영역(5)[특히, 광 가둠층(7)] 사이에 마련되어 있고, n 전극(23)에 접하고 있다. GaN 기판(3)은 주요면(S1)을 갖는다. 주요면(S1)은 GaN 기판(3)의 표면 중 n 전극(23)의 반대측에 있는 표면이다. 주요면(S1)은 GaN 기판(3)의 c축 방향과 직교하는 면으로부터 미리 정해진 경사 각도(θ)로 경사진 기준 평면(S5)을 따라 연장되어 있다. 경사 각도(θ)는 40°보다 크고 90°보다 작은 범위 또는 150°이상 180°미만의 범위 중 어느 하나에 포함되지만(40°＜θ＜90° 또는 150°≤θ＜180°), 63°이상 83°미만의 범위 내(63°≤θ＜83°)에 있을 수 있다.
질화갈륨계 반도체 영역(5)은, GaN 기판(3)과 p 전극(21) 사이에 마련되어 있고, GaN 기판(3)의 주요면(S1)을 통해 GaN 기판(3)에 접하고 있다. 질화갈륨계 반도체 영역(5)은, 육방정계의 질화갈륨계 반도체로 이루어지고, 주요면(S1)에 마련되어 있다. 질화갈륨계 반도체 영역(5)은 GaN 기판(3)과 격자 정합되어 있다. 질화갈륨계 반도체 영역(5)은, 광 가둠층(7), 광 가이드층(9), 발광층(11), 광 가이드층(13), 광 가둠층(15) 및 접촉층(17)을 갖는다. 광 가둠층(7), 광 가이드층(9), 발광층(11), 광 가이드층(13), 광 가둠층(15), 접촉층(17)은 주요면(S1) 상에 있어서 z축 방향을 따라 순차 마련되어 있다.
광 가둠층(7)은, GaN 기판(3)과 광 가이드층(9) 사이에 마련되어 있고, 주요면(S1)을 통해 GaN 기판(3)에 접하고 있다. 광 가이드층(9)은, 광 가둠층(7)과 발광층(11) 사이에 마련되어 있고, 광 가둠층(7)에 접하고 있다. 발광층(11)은, 광 가이드층(9)과 광 가이드층(13) 사이에 마련되어 있고, 광 가이드층(9)에 접하고 있다. 발광층(11)은, 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함하는 다중 양자 우물 구조를 갖고 있고, 광 가이드층(9)은, 발광층(11)의 장벽층에 접하고 있다. 발광층(11)은, 500 ㎚ 이상의 미리 정해진 범위 내(예컨대, 500 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 범위 내)에 피크 파장을 갖는 빛을 발광한다. 광 가이드층(13)은, 발광층(11)과 광 가둠층(15) 사이에 마련되어 있고, 발광층(11)(특히 장벽층)에 접하고 있다.
광 가둠층(15)은, 광 가이드층(13)과 접촉층(17) 사이에 마련되어 있고, 광 가이드층(13)에 접하고 있다. 접촉층(17)은, 광 가둠층(15)과 p 전극(21) 사이에 마련되어 있고, 접촉층(17)의 계면(S3)을 통해 광 가둠층(15)에 접하고 있다. 또한, 접촉층(17)은 p 전극(21)에 접하고 있다. n 전극(23)은 GaN 기판(3)에 접하고 있다.
광 가둠층(15) 및 접촉층(17)은, 스트라이프 형상 부분(25)을 이룬다. 스트라이프 형상 부분(25)은, 광 가이드층(13)의 표면(S7)[이 표면은, 발광층(11)과의 계면의 반대측에 있음]의 일부에 마련된 y축 방향으로 연장되는 볼록 형상을 이루고 있다. 광 가이드층(13)의 표면(S7)에는 절연막(18), 스트라이프 형상 부분(25), 절연막(19)이 x축 방향을 따라 순차 배치되어 있다. 스트라이프 형상 부분(25)은, 절연막(18)과 절연막(19) 사이에 마련되어 있고, 절연막(18)과 절연막(19)에 접하고 있다. 절연막(18) 및 절연막(19)은 표면(S7)을 통해 광 가이드층(13)에 접하고 있다.
다음에, LD(1)의 실시예를 설명한다. GaN 기판(3)의 주요면(S1)은, m축 방향으로 75°오프면[(20-21)면]으로 되어 있다. 광 가둠층(7)은 InAlGaN(In의 조성비는 3%이고, Al의 조성비는 14%임) 또는 AlGaN(Al의 조성비는 7%임)으로 이루어지고, 1200 ㎚ 정도의 두께를 갖는다. 광 가이드층(9) 및 광 가이드층(13)은 모두 InGaN(In의 조성비는 3%임)으로 이루어지고, 100 ㎚ 정도의 두께를 갖는다. 발광층(11)의 복수의 우물층은 모두 InGaN(In의 조성비는 30% 임)으로 이루어지고, 3 ㎚ 정도의 두께를 갖는다. 발광층(11)의 복수의 장벽층은 모두 InGaN(In의 조성비는 0%～3%임)으로 이루어지고, 10 ㎚ 정도의 두께를 갖는다. 발광층(11)은 520 ㎚대의 빛을 발광한다.
광 가둠층(15)은, p형 도핑된 AlGaN(Al의 조성비는 7%) 또는 p형 도핑된 InAlGaN(In의 조성비는 3%이며, Al의 조성비는 14%임)으로 이루어지고, 400 ㎚ 정도의 두께를 갖는다. 접촉층(17)은, p형 도핑된 InGaN 또는 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어지고, 10 ㎚～50 ㎚ 정도의 두께를 갖는다. 접촉층(17)이 p형 도핑된 InGaN으로 이루어지는 경우, 접촉층(17)의 In의 조성비는 1% 이상 20% 이하의 범위 내에 있다. 접촉층(17)이 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어지는 경우, 접촉층(17)의 In의 조성비는, 접촉층(17)의 Al의 조성비에 0.22를 곱한 값보다도 큰 값으로 되어 있다. 광 가둠층(15)의 밴드갭 에너지는 접촉층(17)의 밴드갭 에너지보다도 크다.
절연막(19)은 SiO2로 이루어진다. P 전극(21)은 Ni/Au, Pt/Pd, Pd/Au, Al/Ti/Al, Ni/Pt/Au 및 Pd/Pt/Au 중 어느 하나로 이루어진다. n 전극(23)은 Ti/Al로 이루어진다.
또한, 질화갈륨계 반도체 영역(5)의 기준 평면(S5)을 따른 방향의 폭은 400 ㎛ 정도이며, 기준 평면(S5)과 직교하는 방향의 높이는 100 ㎛ 정도이다. 스트라이프 형상 부분(25)은 질화갈륨계 반도체 영역(5)의 기준 평면(S5)을 따른 방향의 폭이 2 ㎛ 정도이며, 기준 평면(S5)과 직교하는 방향의 높이가 1 ㎛ 정도이다.
다음에, 실시예에 따른 LD(1)의 제조 방법을 개략적으로 설명한다. 우선, GaN 기판(3)에 해당하는 GaN 기판의 표면에, 질화갈륨계 반도체 영역(5)에 해당하는 질화갈륨계 반도체 영역을 형성하였다. 다음에, 건식 에칭에 의해 스트라이프 형상 부분(25)에 해당하는 부분을 형성하였다. 다음에, 이 건식 에칭에 의해 제거된 부분에 절연막(18) 및 절연막(19)에 해당하는 SiO2 절연막을 스퍼터링에 의해 성막하고, 이 후, p 전극(21)을 형성하여 복수의 LD(1)로 분할하였다.
이상 설명한 본 실시예에 따른 LD(1)에 의하면, 주요면(S1)과 GaN 기판(3)의 c축 방향과 직교하는 면이 이루는 각[경사 각도(θ)]이 40°보다 크고 90°보다 작은 범위 또는 150°이상 180°미만의 범위 중 어느 하나에 포함되는 값일 경우, GaN 기판(3)과 질화갈륨계 반도체 영역(5)이 격자 정합되어 있기 때문에, p형 도핑된 InGaN 또는 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어진 접촉층(17) 내에는 기준 평면(S5)을 따른 방향으로 압축 응력이 발생하고 있고, 따라서, 음의 피에조 전계가 발생하고 있다. 이러한 음의 피에조 전계에 의해 접촉층(17) 내의 에너지 밴드가 쇼트키 장벽이 저감되는 방향으로 변화된다. 따라서, LD(1)의 동작 전압이 저감된다. 실제, 본 실시예에 따른 LD(1)의 접촉층(17) 대신에 p형 도핑된 GaN으로 이루어진 접촉층(17a)을 이용한 다른 LD의 동작 전압의 실측값이 10(볼트)이었지만, 본 실시예에 따른 LD(1)의 동작 전압의 실측값은 6(볼트)이었다.
도 2의 (a)에 광 가둠층(15) 및 접촉층(17)의 밴드갭을 나타낸다. 도 2의 (b)에는 본 실시예에 따른 LD(1)의 접촉층(17) 대신에 p형 도핑된 GaN으로 이루어진 접촉층(17a)을 이용한 상기 다른 LD의 광 가둠층(15) 및 접촉층(17a)의 밴드갭을 나타낸다. 도면 중 부호 F는 페르미 준위를 나타내고, 도면 중 부호 H는 홀전류의 방향을 나타낸다. 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 LD(1)의 접촉층(17)의 밴드갭은, 본 실시예에 따른 LD(1)의 접촉층(17)의 쇼트키 장벽(SB1)이 상기 다른 LD의 접촉층(17a)의 쇼트키 장벽(SB2)보다도 저감되는 방향으로 변화되고 있다.
또한, 접촉층(17)이 p형 도핑된 InGaN으로 이루어지는 경우, 접촉층(17)의 In의 조성비가 1% 이상인 경우에 접촉층(17) 내의 에너지 밴드의 쇼트키 장벽이 저감되고, 접촉층(17)의 In의 조성비가 20%를 초과하면 10 ㎚～50 ㎚ 두께의 접촉층(17)에 있어서 격자 완화에 의해 압축 응력이 해방되기 때문에, 접촉층(17)의 In의 조성비를 1% 이상 20% 이하의 범위 내로 하였다. 또한, 접촉층(17)이 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어지는 경우, 접촉층(17)이 GaN 기판(3)에 대하여 압축 응력을 갖도록 하기 위해서, 접촉층(17)의 In의 조성비를, 접촉층(17)의 Al의 조성비에 0.22를 곱한 값보다도 큰 값으로 하였다. 또한, 경사 각도(θ)가 63°이상 83°미만의 범위 내에 있으면, 음의 피에조 전계가 최대가 되기 때문에, 본 실시예에 따른 LD(1)의 구동 전압을 충분히 저감시킬 수 있다. 또한, 상기 다른 LD가 500 ㎚ 이상의 피크 파장의 빛을 발광하는 구성이라면 발광층(11)에서의 전압 강하가 현저해지고 LD(1) 전체의 구동 전압이 높아지지만, 본 실시예에 따른 LD(1)는 520 ㎚대의 빛을 발광하는 것이지만, 상기 다른 LD에 비하여 구동 전압을 저감시킬 수 있다.
이상, 실시형태에 있어서 본 발명의 원리를 도시하여 설명하였지만, 본 발명은, 그러한 원리에서 벗어나지 않도록 배치 및 세부사항에 있어서 변경될 수 있는 것은 당업자에 의해 인식된다. 본 발명은, 본 실시형태에 개시된 특정 구성에 한정되지 않는다. 따라서, 특허청구범위 및 그 정신의 범위에서 오는 모든 수정 및 변경에 권리를 청구한다.

Claims (3)

  1. 질화물계 반도체 발광 소자로서,
    GaN 기판과,
    상기 GaN 기판의 주요면에 마련되어 있고, 발광층을 포함하는 육방정계의 질화갈륨계 반도체 영역과,
    상기 질화갈륨계 반도체 영역 상에 마련되어 있고, 금속으로 이루어진 전극을 구비하며,
    상기 질화갈륨계 반도체 영역은, 왜곡을 내포하는 접촉층을 포함하고,
    상기 접촉층은 상기 전극과 접하고 있으며,
    상기 주요면은, 상기 GaN 기판의 c축 방향과 직교하는 면으로부터 상기 GaN 기판의 m축을 향하여 미리 정해진 경사 각도로 경사진 기준 평면을 따라 연장되어 있고,
    상기 경사 각도는, 63°이상 83°미만의 범위에 포함되며,
    상기 질화갈륨계 반도체 영역은 상기 GaN 기판과 격자 정합되어 있고,
    상기 접촉층은, p형 도핑된 InGaN 또는 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어지며,
    상기 접촉층이 p형 도핑된 InGaN으로 이루어지는 경우, 상기 접촉층의 In의 조성비는 1% 이상 20% 이하의 범위 내에 있고, 상기 접촉층이 p형 도핑된 InAlGaN으로 이루어지는 경우, 상기 접촉층의 In의 조성비는 상기 접촉층의 Al의 조성비에 0.22를 곱한 값보다도 큰 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 발광층은, 500 ㎚ 이상의 미리 정해진 범위 내에 피크 파장을 갖는 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광 소자.
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