KR101622097B1 - 질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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superlattice
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이관재
김진수
이진홍
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명에서는 제1 또는 제2 전도성 반도체층과 활성층 사이에, 인듐 함량이 순차적으로 변화되는 그레이딩 구조(grading structure)를 가지며, 초격자 구조체 전체에 걸쳐 실리콘이 도입된 초격자(superlattice) 구조체를 포함함으로써, 구조적, 전기적 특성의 개선으로 구조적 결함의 발생이 감소되고, 소자의 저항이 감소되어 주입 전류에 따른 전류 퍼짐 효과가 향상되며, 또 동일한 주입 전압에서 고출력 발광 효과를 나타낼 수 있는 질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조방법이 제공된다.

Description

질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE AND FABRICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 초격자(superlattice) 구조를 갖는 질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체 박막은 넓은 밴드갭(Band-gap)을 이용해 단파장 영역의 빛을 낼 수 있는 광소자에 응용되고 있으며, 고온, 고주파 및 고전력 전자 소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, n형 질화물 반도체층 내에 초격자 구조의 도입은 구조적 결함을 줄이고 응력을 완화시켜 활성층 영역의 결정성을 좋게 하고, 또 운반자 수송 능력을 향상시켜 발광소자의 효율을 개선하기 위한 방법으로 이용되어 왔다. 종래 초격자 구조의 도입은 도핑(Doping) 없이 에너지 밴드갭(Energy Bandgap)이 상이한 두 종류의 반도체를 교번하여 성장시키는 방법이 이용되었다.
그러나 상기 방법의 경우, 결함의 밀도가 큰 구조적 특성으로 인한 양자효율 손실로, 전기적 특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 구조적, 전기적 특성의 개선으로 반도체 발광소자의 구조적 결함 발생이 감소되고, 소자의 저항이 감소되어 주입 전류에 따른 전류 퍼짐 효과가 개선되며, 또 동일한 주입 전압에서 고출력 발광 효과를 나타낼 수 있는 질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 기판, 상기 기판 위에 위치하는 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층 위에 위치하는 활성층, 그리고 상기 활성층 위에 위치하는 제2도전형 반도체층을 포함하고, 상기 제1또는 제2도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 초격자 구조체를 더 포함하며, 상기 초격자 구조체는 인듐 함량이 순차적으로 변화되는 그레이딩 구조(grading structure)를 가지며, 초격자 구조체 전체에 걸쳐 도입된 실리콘(Si)을 포함한다.
상기 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 초격자 구조체는 InxGa1 -xN/GaN, InxGa1 - xN/InyGa1 - yN 및 이들의 혼합으로 이루어진 군에서 선택되는 초격자 구조를 포함하며, 상기 x 및 y는 각각 0<x≤1, 0<y≤1, 0<x+y≤1인 것일 수 있다.
그리고, 상기 초격자 구조체는 실리콘이 도입된 질화물계 초격자층 성장 시 성장 온도를 주기적으로 감소시키는 그레이딩 방법과, 실리콘이 도입된 질화물계 초격자층을 성장시킨 후, 상기 초격자층 표면의 인듐을 갈륨으로 치환하는 방법의 혼합 실시에 의해 형성될 수 있다.
또, 상기 초격자 구조체는 그레이딩 구조를 갖는 층을 1주기로 할 때, 5 내지 100 주기를 포함하며, 각 주기는 10nm 이하의 두께를 갖는 것일 수 있다.
또, 상기 초격자 구조체는 1×1017cm-3 내지 5×1019cm-3의 농도로 실리콘을 포함할 수 있다.
또, 상기 초격자 구조체는 n형 또는 p형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 질화물계 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 제1도전형 반도체층이 n형 반도체를 포함하고, 상기 제2도전형 반도체층이 p형 반도체를 포함하는 것일 수 있다.
또, 상기 질화물계 반도체 발광 소자는 상기 제1도전형 반도체층의 배면 측 기판과의 사이에 위치하는 질화물 반도체층을 더 포함할 수 있다.
또, 상기 질화물계 반도체 발광 소자는 상기 제2도전형 반도체층 위에 위치하는 반사층 또는 투명전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따른 질화물계 반도체 발광 소자의 제조방법은 기판 위에 제1도전형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 제1도전형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 위에 제2도전형 반도체층 형성하는 단계를 포함하며, 상기 활성층 형성 전 또는 상기 제2 도전형 반도체층 형성 전에 초격자 구조체를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 초격자 구조체는 초격자 구조 내 인듐 함량이 순차적으로 변화되는 그레이딩 구조를 가지며, 초격자 구조체 전체에 걸쳐 도입된 실리콘(Si)을 포함한다.
상기 질화물계 반도체 발광 소자의 제조방법에 있어서, 상기 초격자 구조체 형성 단계가, 실리콘이 도입된 질화물계 초격자층을 성장시킨 후, 성장된 초격자층 표면의 인듐을 갈륨으로 치환하여, 실리콘이 도입된 질화물계 초격자층, 그리고 상기 초격자층 위에 형성된 실리콘이 도입된 갈륨나이트라이드 초격자층을 포함하는 단위 구조를 형성하는 단계, 그리고 실리콘이 도입된 질화물계 초격자층 성장 시 성장 온도를 실시 단계에 따라 계속적으로 감소시키며 상기 단위 구조 형성 공정을 1회 이상 반복 실시하는 단계에 의해 실시될 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 구조적, 전기적 특성의 개선으로 구조적 결함의 발생이 감소되고, 소자의 저항이 감소되어 주입 전류에 따른 전류 퍼짐 효과가 향상되며, 또 동일한 주입 전압에서 고출력 발광 효과를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 초격자 구조를 적용한 발광 다이오드를 나타낸 구조도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 발광 다이오드에서의 초격자 구조체를 투과전자현미경(FE-TEM)로 관찰한 사진이다.
도 3은 시험예 2에서의 실시예 1 및 비교예 1,2 의 발광다이오드에 대한 상온 PL을 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 시험예 3에서의 실시예 1 및 비교예 1,2 의 발광다이오드에 대한 전류-전압(I-V) 곡선을 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 시험예 4에서 실시예 1 및 비교예 1,2 의 발광다이오드에 대한 주입 전류에 따른 출력 변화를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 초격자 구조를 갖는 질화물계 반도체 발광 소자의 제조시 초격자 구조 내 인듐의 함량을 순차적으로 변화시켜 에너지 밴드갭을 공간적으로 변화시킨 그레이딩 형태(Graded Superlattice-GSL)로 사용하는 동시에, 초격자 구조 전체에 걸쳐 실리콘(Si)을 도입함으로써, 구조적 결함의 발생을 감소시키고, 소자의 저항을 낮추어 주입 전류에 따른 전류 퍼짐 효과를 향상시키며, 또 동일한 주입 전압에서 고출력 발광 효율을 나타내도록 하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 질화물계 반도체 발광 소자는, 기판, 상기 기판 위에 위치하는 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층 위에 위치하는 활성층, 그리고 상기 활성층 위에 위치하는 제2도전형 반도체층을 포함하고, 상기 제1또는 제2도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 초격자 구조체를 더 포함하며, 상기 초격자 구조체는 초격자 구조 내 인듐 함량이 순차적으로 변화되는 그레이딩 구조(grading structure)를 가지며, 초격자 구조체 전체에 걸쳐 도입된 실리콘(Si)을 포함한다.
상기 질화물계 반도체 발광 소자에 있어서, 초격자 구조체는 InxGa1 - xN/GaN, InxGa1-xN/InyGa1-yN과 같은 구조를 포함한다. 이때 상기 초격자 구조체 형성 물질들에서의 x 및 y는 각각 0<x≤1, 0<y≤1, 0<x+y≤1이다.
종래 질화물계 반도체 발광 소자에 있어서의 초격자 구조체는 InGaN함유 층과 GaN함유 층을 1주기로 하여, 동일한 조성을 갖는 InGaN함유 층과 GaN함유 층이 교대로 반복 형성된다. 이에 반해 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광 소자에 있어서의 초격자 구조체는 초격자 구조 성장 온도를 일정한 간격으로, 즉 주기적으로 감소시켜 초격자 구조체내 인듐 함량이 순차적으로 변화되도록 하는 그레이딩 방법과, InGaN 함유 층의 형성 후, 상기 InGaN 함유 층 표면의 인듐을 갈륨으로 치환하는 인듐 변환 방법에 의해 형성된다. 그 결과, 상기 인듐 변환 방법에 의해 InGaN 함유 층과 그 위에 형성된 GaN 함유 층을 포함하는 초격자 구조의 1주기가 형성되고, 또 그레이딩 방법에 의해 주기에 따라 인듐의 농도가 변화되는 그레이딩 구조가 형성된다.
상기 초격자 구조체는 InGaN함유 층/GaN 함유 층을 1주기라 할 때, 5 내지 100 주기를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
또, 상기 각 층의 두께는 약 1 내지 3nm일 수 있으며, 이에 따라 상기 초격자 구조체의 두께는 10 내지 500nm일 수 있다. 상기 각 층의 두께가 3nm를 초과하는 경우 초격자 구조라기 보다는 개개의 한 층의 의미를 갖게 된다. 즉, 초격자 구조는 두 개의 서로 다른 박막 반도체 물질을 반복적으로 성장한 구조로 전체적으로 보면 에너지 변형이 일어난 또 다른 하나의 층을 만드는 것으로서, 만약 초격자 층을 구성하는 각각의 층의 두께가 크게 되면 초격자의 의미가 아닌 개개의 한 층의 의미를 갖게 된다.
또, InGaN함유 층의 형성과정에서 실리콘을 도핑 등의 방법으로 도입함으로써, 초격자 구조체 전체에 걸쳐 존재하는 실리콘이 포함된다.
상기 초격자 구조체 내에 포함되는 Si의 농도는 약 1×1017cm-3 내지 약 5×1019cm-3인 것이 바람직할 수 있다. 초격자 구조체내 Si의 농도가 1×1017cm-3 미만이면 Si 도입에 따른 동작 전압 및 전기적 저항 등의 전기적 특성 개선 효과가 미미하고 Si의 농도가 5×1019cm-3를 초과할 경우 구조의 결정성이 저하되어 전체적인 소자 특성이 저하될 수 있다.
또, 상기 초격자 구조체는 상기 실리콘과 함께 도펀트를 더 포함할 수 있다. 상기 도펀트는 초격자 구조체의 형성 위치에 따라 그 종류가 달라질 수 있다. 상세하게는, 초격자 구조체가 제1도전형 반도체층와 활성층 사이에 형성되는 경우 Ge, Se, 또는 Te과 같은 n형 도펀트를 사용할 수 있고, 또 초격자 구조체가 제2도전형 반도체층과 활성층 사이에 형성되는 경우에는 Mg, Be, 또는 Zn 와 같은 p형 도펀트를 사용할 수 있다.
이들 도펀트는 초격자 구조체내 약 1×1017cm-3 내지 약 1×1019cm-3의 농도로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 상기 질화물계 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 기판은 통상 반도체 기판으로서 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 기판은 반도체 단결정 성장용 기판일 수 있으며, 보다 구체적으로는 사파이어(sapphire), Al2O3, AlN, BN, GaAs, GaN, LiAlO2, LiGaO2, MgAl2O4, MgO, 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 산화아연(ZnO), 유리 등을 포함하는 기판일 수 있다. 일례로, 상기 기판이 사파이어로 형성된 경우, 상기 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 요철상수가 13.001Å, a축 방향 향으로는 4.765Å의 요철 간 거리를 갖는 것일 수 있으며, 또 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 것일 수 있다. 이중에서도 사파이어 기판층의 C면의 경우 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로서 보다 바람직할 수 있다.
또, 상기 질화물계 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 기판 위에 형성되는 상기 제1도전형 반도체층은 제1도전형 불순물로 도핑된 질화물 반도체를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 상기 질화물 반도체는 InyGa(1-y)N(이때, 0≤y≤1임)일 수 있으며, 보다 구체적으로는 GaN, InGaN 등일 수 있다. 또, 상기 질화물 반도체에 도핑되는 제1도전형 불순물은 n형 불순물일 수 있으며, 구체적으로는, Si일 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층 위에 위치하는 활성층은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 양자우물층(미도시)과 양자장벽층(미도시)을 포함한다.
상기 활성층은 인듐 함량에 따라 밴드갭 에너지가 조절되도록 InxGa1 -xN(0<x<1) 등의 반도체 재료를 포함할 수 있다.
또, 상기 활성층은 양자 장벽층과 양자 우물층이 서로 교대로 적층된 다중 양자 우물(multi-quantumn well, MQW) 구조를 가질 수 있다. 구체적으로 상기 활성층은 InGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 활성층 위에 위치하는 상기 제2도전형 반도체층은 제2도전형 불순물로 도핑된 질화물 반도체를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 상기 질화물 반도체는 InyGa(1-y)N(이때, 0≤y≤1임)일 수 있으며, 보다 구체적으로는 GaN, InN, 또는 InGaN 등일 수 있다. 또, 상기 질화물 반도체에 도핑되는 제2도전형 불순물은 p형 불순물로서, 구체적으로는 Mg일 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2도전형 반도체층(31, 33)은 각각 n형 및 p형 반도체층라고 설명되었으나, 이와 반대로 각각 p형 및 n형 반도체층일 수도 있다.
또, 상기 제1 및 제2도전형 반도체층은 각각 독립적으로 단일층일 수도 있고, 또는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수도 있다.
또, 상기 제1도전형 반도체층의 아래, 즉 배면측에 질화물 반도체층이 더 포함될 수 있다. 구체적으로 상기 질화물 반도체층은 InyGa(1-y)N(이때, 0≤y≤1임)의 질화물 반도체를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 GaN, 또는 InGaN 등을 포함할 수 있다.
상기 질화물 반도체층은 증착법 등 통상의 질화물 반도체층 형성 방법에 따라 형성될 수 있다.
또, 상기 p형 전극을 통해 인가되는 전원이 제2도전형 반도체층(또는 p형 질화물 반도체층)에 고르게 공급되도록 하기 위해 상기 제2도전형 반도체층 위에 투명 전극(미도시)이 더 형성될 수도 있다.
통상 p형 질화물 반도체층은 수직으로는 수 Ω의 저항을 갖고, 수평으로 수백 ㏀의 저항을 갖기 때문에, 수평 방향으로는 전류가 흐르지 않고 수직 방향으로만 전류가 흐르게 된다. 따라서, p형 질화물 반도체층에 국부적으로 전원을 인가하게 되면 p형 반도체층 전체적으로 전류가 흐르지 않으므로, 우수한 전도성을 가져 p형 반도체층에 전체적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 동시에, 투명성을 가져 활성층에서 발생된 광이 잘 투과될 수 있도록 투명 도전성 물질을 이용하여 투명전극을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로 상기 투명 도전성 물질은 ITO, IZO, ZnO, RuOx, TiOx 또는 IrOx 등일 수 있다.
또, 상기 제2도전형 반도체층 위에 p형 전극 측으로 방출되는 빛을 상부로 반사하기 위한 반사층이 더 형성될 수도 있다.
상기 반사층은 비교적 큰 에너지 밴드갭을 갖는 p형 질화물 반도체층과의 접촉 저항을 낮추면서도, 높은 반사율을 갖는 물질을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로는 Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 이중에서도 70% 이상의 반사율을 갖는 것이 보다 바람직할 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 상기 반도체 광전자 구조체 위에 서로 이격되어 위치하는 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 전극은 식각에 의해 상면 일부가 노출된 제1도전형 반도체층 위에 상기 활성층 및 제2도전형 반도체층과 이격되어 위치하는 n형 전극일 수 있고, 또 상기 제2전극은 제2도전형 반도체층 위에 위치하는 p형 전극일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 역시 반도체 발광소자의 종류에 따라 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 및 제2 전극은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 Ti, Cr, Au, Al, Ni, Ag, Zn 등의 금속 단체, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 각각 독립적으로 단층 구조 또는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있으며, 또, 상기 제2전극(또는 p형 전극)은 전류의 확산을 위한 전극 패턴에 따라 복수 개로 형성될 수도 있다.
보다 구체적으로는 상기 제1전극(또는 n형 전극) 또는 상기 제2전극(또는 p형 전극)은 Cr/Au을 증착한 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 질화물계 발광 소자로서, 실리콘이 도입된 초격자 구조를 적용한 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 나타낸 단면 구조도이다. 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일 예일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 질화물계 발광 소자의 일 예로서 발광 다이오드는, 사파이어 기판(10), 상기 기판 위에 선택적으로 위치하며, n-GaN을 포함하는 질화물 반도체층(60), 상기 질화물 반도체층 위에 위치하며 n-GaN을 포함하는 제1도전형 반도체층(20), 상기 제1도전형 반도체층 위에 위치하는 InGaN/GaN의 MQW구조를 갖는 활성층(30), 그리고 상기 활성층 위에 위치하며, p-GaN을 포함하는 제2도전형 반도체층(40)을 포함하고, 상기 제1도전형 반도체층과 활성층 사이에 실리콘(Si)이 도입된 LnGaN/GaN 초격자 구조체(50)를 포함한다.
상기 도 1에서는 상기 실리콘이 도입된 초격자 구조체가 제2도전형 반도체층(40)과 활성층(30) 사이에 형성될 수도 있고, 또는 제1도전형 반도체층(20)과 활성층(30) 사이 그리고 제2도전형 반도체층(40)과 활성층(30) 사이 둘 모두에 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 질화물계 반도체 발광소자는, 상기한 바와 같은 특징적 구조를 갖는 초격자 구조체를 포함함으로써 결함 밀도의 감소와 응력 완화로 내부양자효율이 향상될 수 있다. 또, 실리콘 원자의 도입으로 인해 발광 다이오드의 전체 저항이 감소됨으로써 발광 다이오드의 동작 전압이 감소하고 주입 전류에 따른 운반자 퍼짐 효과가 개선되며, 그 결과로 주입되는 전력량 대비 출력값이 증가한다. 또 감소된 저항은 고 전류에서 열 발생 확률이 낮기 때문에, 고출력 발광다이오드를 실현할 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 반도체 발광소자는, 기판 위에 제1도전형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 제1도전형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 위에 제2도전형 반도체층 형성하는 단계를 포함하며, 상기 활성층 형성 전 또는 상기 제2 도전형 반도체층 형성 전에 상기한 초격자 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층의 형성은 통상의 방법에 따라 실시될 수 있다.
구체적으로는, 유기 금속 화학 증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소 기상 증착법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), MOCVD 또는 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE) 등의 방법을 이용하여 기판 위에 제1도전형 반도체 형성물질, 활성층 형성물질, 및 제2도전형 반도체 형성물질을 각각 이용하여 순차적으로 성장시킴으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 제1도전형 반도체 형성물질, 활성층 형성물질, 및 제2도전형 반도체 형성물질은 앞서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.
한편, 상기 초격자 구조체는 실리콘이 도입된 초격자층을 성장시킨 후, 성장된 초격자층 표면의 인듐을 갈륨으로 치환하여, 실리콘이 도입된 초격자층, 그리고 상기 초격자층 위에 형성된 실리콘이 도입된 갈륨나이트라이드 초격자층을 포함하는 단위 구조를 형성하는 단계, 그리고 실리콘이 도입된 초격자층 성장시 성장 온도를 실시 단계에 따라 계속적으로 감소시키며 상기 단위 구조 형성 공정을 1회 이상 반복 실시하는 단계에 의해 형성될 수 있다.
상세하게는, 질소, 아르곤 등의 불활성 기체 분위기에서 유기 금속 화학 증착법(MOCVD), 수소 기상 증착법(HVPE), 또는 분자빔 에피택시법(MBE) 등의 방법으로 실리콘이 도입된 초격자층을 성장시킨 후, 운반자 가스를 70% 질소와 30% 수소로 변환시켜 약 25초 동안 성장 차단 시간을 제공함으로써, InGaN 함유 층 표면의 인듐(In)을 탈착시키는 동시에 갈륨(Ga) 원자를 그 빈자리를 채워 갈륨나이트라이드(GaN)로 성장되도록 한다. 상기와 같은 방법에 따라 InGaN함유 층과 그 위에 형성된 GaN 함유 층을 포함하는 초격자 구조체의 단위 구조가 형성되며, 이를 1 주기로 한다.
이어서 상기와 같은 초격자 구조 형성 공정을 반복실시 하되, 선행 초격자 구조 형성 공정에서의 초격자 성장 온도에 비해 낮은 온도에서 초격자 성장을 실시한다. 구체적으로는 최종 제조되는 질화물계 반도체 발광 소자에서의 개선 효과를 고려할 때 초격자 구조체내 인듐 농도가 0.5 내지 1%의 기울기로 변화되는 것이 바람직하다. 일 예로 처음 층의 인듐 조성이 1 중량%라고 하면 다음 층의 인듐 조성은 1.5 내지 2 중량%일 수 있다. 이에 따라 초격자 구조 형성 공정시 실시 단계별로 온도를 3 내지 5℃씩 낮추는 것이 바람직할 수 있다.
상기 초격자 구조체는 앞서 설명한 바와 같이 InxGa1 - xN/GaN, InxGa1 - xN/InyGa1 -yN과 같은 구조, 또는 이들의 혼합 구조(상기 초격자 구조체 형성 물질들에서의 x 및 y는 각각 0<x≤1, 0<y≤1, 0<x+y≤1임)를 포함하며, 상기와 같은 제조 방법에 의해 상기 초격자 구조 내 인듐 함량이 순차적으로 증가하는 그레이딩 구조(grading structure)를 가져 공간적으로 에너지 밴드갭 변조를 형성하게 된다. 또 초격자 구조체 전체에 걸쳐 도입된 실리콘(Si)을 포함된다.
상기의 방법에 의해 제1도전형 반도체층 위에 초격자 구조체를 성장시킨 후, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 순차로 형성함으로써 질화물계 반도체 발광소자를 제조할 수 있다.
한편, 상기 제조방법은, 반도체 발광소자가 제1도전형 반도체층 아래 기판과 접하는 면 사이에 질화물 반도체층을 더 포함하는 경우에는 기판 위에 질화물 반도체층을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다. 이때 질화물 반도체층의 형성 방법은 증착 등 통상의 반도체층 형성방법에 따라 실시될 수 있으며, 이때 사용가능한 질화물 반도체층 형성용 물질은 앞서 설명한 바와 동일하다.
또, 상기 제조방법은, 반도체 발광소자가 제2도전형 반도체층 위에 투명전극 또는 반사층을 더 포함하는 경우에는 상기 반도체 광전자 구조체의 제조 후, 투명전극 또는 반사층을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 투명전극 및 반사층 형성공정은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 이때 사용되는 투명전극 형성용 물질 및 반사층 형성용 물질은 앞서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.
다음으로, 제1 및 제2 전극 형성 공정이 실시될 수 있다.
상기 제1 전극은 반도체 광전자 구조체의 형성 후 식각 공정을 통해 노출된 제1도전형 반도체층 위에 형성되게 되므로, 상기 반도체 광전자 구조체에서의 활성층 및 제2도전형 반도체층에 대한 식각 공정이 실시된다. 이때 상기 제2도전형 반도체층 위에 선택적으로 반사층 또는 투명전극이 더 형성된 경우에는 반사층 및 투명전극에 대한 식각공정을 또한 실시할 수 있다.
식각공정의 완료 후 제1 및 제2전극의 형성 공정이 실시될 수 있으며, 이때 전극의 형성 방법은 앞서 설명한 바와 같은 전극 형성용 물질을 이용하여 통상의 전극 형성 방법에 따라 실시될 수 있다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 질화물계 반도체 발광소자는 질화물계 반도체 발광소자는 구조적, 전기적 특성의 개선으로 구조적 결함의 발생이 감소되고, 소자의 저항이 감소되어 주입 전류에 따른 전류 퍼짐 효과가 향상되며, 또 동일한 주입 전압에서 고출력 발광 효과를 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 반도체 발광소자는 광 다이오드, 레이저 다이오드, 광검출 소자 또는 태양 전지를 포함하는 광소자; 또는 박막 트랜지스터를 포함하는 전자 소자 일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[ 실시예 1]
사파이어 기판 위에 MOCVD 방법으로 GaN 박막층 및 n-GaN의 제1도전형 반도체층을 순차로 형성하였다.
상기 제1도전형 반도체층이 형성된 기판에 대해 질소분위기에서 실리콘이 첨가된 InGaN 층을 형성한 후, 70% 질소와 30% 수소를 포함하는 운반자 가스를 25초 동안 공급하였다. 상기와 같은 공정을 12회 반복 실시하되, 각 실시단계별로 초격자 구조 성장 온도를 3℃씩 낮추어 실시하였다. 그 결과로 상기 제1도전형 반도체층 위에 12 주기의 초격자 구조체를 형성하였다.
다음으로 상기 초격자 구조체 위에 MOCVD 방법으로 MQW(Multi Quantum Well) 및 p-GaN를 순차적으로 성장시키고, 이후, 습식 식각에 의하여 노출된 n-GaN과 p-GaN 위에 Cr/Au을 증착하여 전극을 형성하였다. 상기 전극은 광학리소그라피 공정과 전자빔증착기를 이용한 증착공정을 이용하였다. 그 결과로 발광다이오드를 제조하였다.
비교예 1: C- LED 제조
사파이어 기판 위에 MOCVD 방법으로 GaN 박막층 및 n-GaN의 제1도전형 반도체층을 순차로 형성하였다.
상기 제1도전형 반도체층이 형성된 기판 위에 MOCVD 방법으로 MQW(Multi Quantum Well) 및 p-GaN를 순차적으로 성장시키고, 이후, 습식 식각에 의하여 노출된 n-GaN와 p-GaN 위에 Cr/Au을 증착하여 전극을 형성하였다. 상기 전극은 광학리소그라피 공정과 전자빔증착기를 이용한 증착공정을 이용하였다. 그 결과로 발광다이오드를 제조하였다.
비교예 2: unGSL - LED 제조
상기 실시예 1에서 초격자 구조체의 형성시 실리콘을 도입하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 발광 다이오드를 제조하였다.
시험예 1
상기 실시예 1에서 제조한 발광 다이오드에 있어서, 인듐변환기술로 성장된 InGaN/GaN 초격자 구조체를 투과전자현미경(FE-TEM)를 이용하여 관찰하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 초격자 구조체내 12 주기의 InGaN/GaN 초격자 구조가 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
시험예 2
상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조한 발광 다이오드에 대해, 광학적 특성 측정을 위해 Photoluminescence 장비를 사용하여 상온 PL 을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타난 결과로부터, 초격자 구조가 형성된 발광다이오드에서 초격자층의 영향으로 결함 밀도가 줄어들어 초격자 구조를 포함하지 않은 발광다이오드에 비해 결함에 의해 발생되는 광 손실을 줄임으로 광학적 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.
시험예 3
상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조한 발광 다이오드에 대해, 전류 전압 곡선을 측정하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타난 결과로부터, 실리콘이 첨가된 초격자 구조의 발광다이오드에서 동작 전압이 낮아지고 곡선의 기울기에서 발광다이오드의 저항을 구해본 결과 실리콘이 첨가된 초격자 구조의 발광다이오드에서 가장 작은 저항값을 갖는 것을 알 수 있다.
시험예 4
상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조한 발광 다이오드에 대해, 주입 전류에 따른 출력의 변화를 관찰하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 결과로부터, 실리콘이 첨가된 초격자 구조를 갖는 발광 다이오드에서 작은 저항에 따른 전류를 증가 했을 때 걸리는 저항에 의한 열 발생 확률이 낮아 전류 퍼짐 효과가 개선되어 출력 파워가 증가하는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 기판 20: 제1도전형 반도체층
30: 활성층 40: 제2도전형 반도체층
50: 초격자 구조체 60: 질화물 반도체층
100 발광 다이오드

Claims (10)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 위치하는 제1도전형 반도체층,
    상기 제1도전형 반도체층 위에 위치하는 활성층, 그리고
    상기 활성층 위에 위치하는 제2도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 제1또는 제2도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 초격자 구조체를 더 포함하며,
    상기 초격자 구조체는 인듐 함량이 순차적으로 변화되는 그레이딩 구조(grading structure)를 가지며, 초격자 구조체 전체에 걸쳐 도입된 실리콘(Si)을 포함하는 것이며,
    상기 초격자 구조체는 실리콘이 도입된 초격자층 성장시 성장 온도를 주기적으로 감소시키는 그레이딩 방법과, 실리콘이 도입된 초격자층을 성장시킨 후, 상기 초격자층 표면의 인듐을 갈륨으로 치환하여 갈륨나이트라이드층을 형성하는 방법의 혼합 실시에 의해 형성되는 것인 질화물계 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초격자 구조체가 InxGa1 - xN/GaN, InxGa1 - xN/InyGa1 - yN 및 이들의 혼합으로 이루어진 군에서 선택되는 초격자 구조를 포함하며, 상기 x 및 y는 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1인 것인 질화물계 반도체 발광 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초격자 구조체는 실리콘이 도입된 초격자층, 그리고 상기 초격자층 위에 형성된 실리콘이 도입된 갈륨나이트라이드 초격자층을 포함하는 구조를 1주기라 할 때, 5 내지 100 주기를 포함하며, 상기 각 층은 단원자 크기 이상 10nm 이하의 두께를 갖는 것인 질화물계 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초격자 구조체는 1×1017cm-3 내지 5×1019cm-3의 농도로 실리콘을 포함하는 것인 질화물계 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초격자 구조체는 n형 또는 p형 도펀트를 더 포함하는 것인 질화물계 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층이 n형 반도체를 포함하고, 상기 제2도전형 반도체층이 p형 반도체를 포함하는 것인 질화물계 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전형 반도체층 위에 위치하는 반사층 또는 투명전극을 더 포함하는 것인 질화물계 반도체 발광 소자.
  9. 기판 위에 제1도전형 반도체층을 형성하는 단계,
    상기 제1도전형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계 및
    상기 활성층 위에 제2도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 활성층 형성 전 또는 상기 제2 도전형 반도체층 형성 전에 초격자 구조체를 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 초격자 구조체는 초격자 구조 내 인듐 함량이 순차적으로 변화되는 그레이딩 구조를 가지며, 초격자 구조체 전체에 걸쳐 도입된 실리콘(Si)을 포함하고,
    상기 초격자 구조체 형성 단계가 실리콘이 도입된 초격자층을 성장시킨 후, 성장된 초격자층 표면의 인듐을 갈륨으로 치환하여, 실리콘이 도입된 초격자층, 그리고 상기 초격자층 위에 형성된 실리콘이 도입된 갈륨나이트라이드 초격자층을 포함하는 단위 구조를 형성하는 단계, 그리고 실리콘이 도입된 초격자층 성장시 성장 온도를 실시 단계에 따라 계속적으로 감소시키며 상기 단위 구조 형성 공정을 1회 이상 반복실시하는 단계에 의해 실시되는 것인, 질화물계 반도체 발광 소자의 제조방법.
  10. 삭제
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