KR20080003901A - 질화물 반도체 발광 소자 - Google Patents

Abstract

SiC 기판을 이용하는 것에 의해, 수직형의 발광 소자로 하고, 또 기판과 질화물 반도체층의 격자 부정합에 수반하는 질화물 반도체층의 막질의 저하에 따른 발광 출력의 저하를 방지하고, 또 기판측으로 진행하는 빛도 유효하게 이용할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다. SiC 기판(1)상에, 굴절율이 서로 다른 저굴절률층(21)과 고굴절률층(22)이 교대로 적층되는 광반사층(2)이 직접 마련되고, 그 광반사층(2)상에, 발광층 형성부(3)를 적어도 가지도록 질화물 반도체층이 적층되는 반도체 적층부(5)가 마련되어 있다. 그리고, 반도체 적층부(5)의 상면측에 상부 전극(7)이 SiC 기판(1)의 이면에 하부 전극(8)이 각각 마련되어 있다.

Description

질화물 반도체 발광 소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT}

본 발명은 질화물 반도체를 이용한 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게, 기판에 SiC 로 이루어진 반도체 기판을 이용하고, 기판의 이면에 일방(一方)의 전극을 마련하였음에도, 또 발광층 형성부에서 발광하는 빛을 유효하게 취출할 수 있고, 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

종래의 질화물 반도체를 이용한 반도체 발광 소자는, 예를 들어 사파이어 기판상에 버퍼층 및 발광층 형성부를 포함하는 질화물 반도체 적층부를 성장시키고, 그 반도체 적층부의 일부를 에칭하여 반도체 적층부의 하층측의 도전형층을 노출시키고, 그 노출시킨 하층측 도전형층 표면에 하부 전극을, 반도체 적층부의 상면측에 상부 전극을 각각 마련하는 것에 의해 형성되어 있다. 이와 같은 사파이어가 기판으로서 이용되면, 사파이어 기판은 절연체이기 때문에, 반도체 적층부의 하층측의 도전형층과 접속하는 전극을 기판의 이면에 형성하지 못하여, 상술한 바와 같이 반도체 적층부의 일부를 에칭에 의해 제거하여 하층의 도전형층을 노출시켜야 한다. 이 때문에 매우 제조 공정이 복잡해지는 동시에, 에칭에 의한 오염(contamination)이 발광면이나 전극 형성면 등에 부착하여, 발광 출력의 저하나 전극 접속부의 전기 저항의 증대 등 전기적 특성으로의 문제도 생기고 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해, 기판으로서 SiC로 이루어진 반도체 기판을 이용하고, 그 다음에 질화물 반도체를 이용하여, 버퍼층을 개재시켜 더블 헤테로 접합의 발광층 형성부를 성장시키는 구조의 반도체 발광 소자도 생각할 수 있다. 즉, 도 3에 나타나는 바와 같이, SiC 기판(101)상에 버퍼층(102)이 마련되고, 그 위에 활성층(104)을 하층 반도체층(103)과 상층 반도체층(105)으로 샌드위치 구조로 한 더블 헤테로 접합으로 이루어진 발광층 형성부(106)를 적층하고, 그 표면에 상부 전극(107)을, SiC 기판(101)의 이면에 하부 전극(108)을 형성하는 것에 의해, 발광층 형성부(106) 등의 반도체 적층부의 일부를 에칭하는 일 없이 반도체 적층부의 하층 도전형층에 접속하는 하부 전극(108)을 반도체 기판(101) 이면에 형성하는 것이다(예를 들어 특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1 : 미국 특허 명세서 제5523589호

상술한 바와 같이, SiC를 기판으로서 이용하는 것에 의해, 반도체 적층부를 에칭하지 않아도 기판의 이면에 일방의 전극을 형성하는 것이 가능하여 바람직하다. 그러나, SiC 기판을 이용해도, 질화물 반도체층과의 격자 정합(格子 整合)을 완전하게 행할 수 없어, 그 위에 적층하는 질화물 반도체층의 결정성이 나쁘면 발광 효율이 저하한다고 하는 문제를 가지고 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이, SiC 기판(101)과 발광층 형성부(106) 사이에 버퍼층(102)을 개재시키는 것이 제안되고 있으나, 질화물 반도체에서는 AlN이 SiC와 격자 정수가 가장 가깝고, 가능한 Al의 혼정(混晶) 비율이 큰 AlGaN계 화합물(Al과 Ga의 혼정 비율이 일의적이 아니라, 여 러 가지로 취할 수 있는 화합물인 것을 의미함, 이하의 「계」도 동일한 의미로 이용함)을 버퍼층으로서 개재시키는 것이 바람직하나, AlN은 절연층으로 되어 반도전성으로 하지 못하며, AlGaN계 화합물로 하더라도, Al의 혼정 비율을 크게 하면 할수록 캐리어 농도를 높게 하지 못하여, SiC 기판 이면에 일방의 전극을 형성하려고 하면, 버퍼층의 캐리어 농도를 충분히 올릴 필요가 있어, 캐리어 농도의 관점에서 Al의 혼정 비율을 올리는 것은 0.2 정도가 한도이다. 이 때문에, SiC 기판과 질화물 반도체층의 격자 부정합을 충분히 완화시킬 수 없다.

또한, SiC는 질화물 반도체에서 발광하는 빛을 흡수한다. 이 때문에, 예를 들어 사파이어 기판이면 기판측으로 진행하는 빛이라도 기판의 측면으로부터 나오는 빛이나, 기판의 이면측에서 반사하는 빛을 이용할 수 있으나, SiC 기판을 이용하면, 기판측으로 진행하는 빛을 거의 이용할 수 없다고 하는 문제가 있다. 한편, 발광층에서 발광하는 빛은 사방으로 균등하게 방사되고, 빛을 취출하는 반도체 적층부의 상면측과 동일한 정도의 세기인 빛이 SiC 기판측으로도 진행하여, 이론상 발광하는 빛의 절반은 쓸모없게 된다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, SiC 기판을 이용하는 것에 의해, 기판의 이면에 일방의 전극을 형성하고, 수직형의 발광 소자로 하면서, 기판과 질화물 반도체층의 격자 부정합에 수반하는 질화물 반도체층의 막질의 저하에 기초하는 발광 출력의 저하를 방지하고, 또한 기판측으로 진행하는 빛도 유효하게 이용하는 것에 의해, 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 광반사층으로서 다층의 반도체 적층막을 가지는 경우에도, 그 적층막을 형성하는 경우에 온도 변화를 극력 피하는 것에 의해, 단시간에 적층하는 것이 가능한 구조의 질화물을 이용한 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 질화물 반도체 발광 소자는, SiC 기판과; 상기 SiC 기판상에 직접 마련되고, 굴절율이 서로 다른 저굴절률층과 고굴절률층이 교대로 적층되는 광반사층과; 상기 광반사층상에 마련되고, 발광층 형성부를 적어도 가지도록 질화물 반도체층이 적층되는 반도체 적층부와; 상기 반도체 적층부의 상면측 및 상기 SiC 기판의 이면에 각각 마련되는 전극을 가지고 있다.

여기에 질화물 반도체는 III족 원소인 Ga와 V족 원소인 N의 화합물 또는 III족 원소인 Ga의 일부 또는 전부가 Al, In 등의 다른 III족 원소와 치환한 것, 및/또는 V족 원소인 N의 일부가 P, As 등의 다른 V족 원소와 치환한 질화물을 의미한다. 또, 저굴절률과 고굴절률은 양(兩)층간의 상대적인 굴절률의 관계를 의미하며, 굴절률의 절대값을 불문한다. 또한, 초격자 등의 다층 구조로 층이 형성되어 있는 경우의 굴절률은 그 평균적인 굴절률을 의미한다.

상기 광반사층이 Al_xGa_{1 - x}N (0<x<1)과 Al_yGa_{1 - y}N (0

y<1, y<x) 의 적층 구조에 의해 형성되는 것에 의해, 다층막의 성장 공정을 단시간에 행할 수 있으며, 또 막질이 뛰어난 질화물 반도체층을 적층할 수 있다. 즉, AlGaN계 화합물끼리 굴절률을 변경한 반도체층을 적층하려고 하면, 양층간의 굴절률차를 그다지 크게 할 수 없으나, InGaN계 화합물을 고굴절률층으로서 이용하면 저굴절률층의 Al_xGa_{1 - x}N 과 같이, 700℃ 정도 이상의 고온에서 성장시킬 수 없다. 한편, 질화물 반도체층은 고온인 쪽이 결정성이 좋은 층을 형성하기 쉽기 때문에, 결정성이 뛰어난 다층막을 형성하려고 하면 가능한 고온에서 성장시키는 것이 바람직하다. 이 때문에, 고굴절률층으로서 InGaN계 화합물을 이용하려고 하면, 저굴절률층과 고굴절률층에서 하나씩 성장 온도를 변경해야 하기 때문에, 상당히 시간이 걸리는 동시에 전체의 결정성도 저하하지만, Al_xGa_{1 - x}N (0<x<1) 과 Al_yGa_{1 -y}N (0

y<1, y<x) 의 적층 구조로 하는 것에 의해 고온인 채로 조성을 바꾸어 성장시킬 수 있기 때문에, 매우 단시간에 막질이 뛰어난 광반사층을 형성할 수 있다. 막질이 뛰어난 것에 의해 빛의 반사 특성도 매우 향상된다.

상기 광반사층의 저굴절률층 및 고굴절률층의 적어도 한쪽은, 추가로 굴절률이 다른 조정층과 완화층의 초격자 구조로 형성되어도 된다. 예를 들어, 상기 조정층이 In_vGa_{1 - v}N (0

v<1) 으로 이루어지고, 상기 완화층이 Al_wGa_{1 - w}N (0<w<1) 으로 이루어진 구성이어도 된다.

또, 상기 발광층 형성부상에, 저굴절률층과 고굴절률층의 적층 구조에 의한 제2 광반사층이 형성되어도 된다. 이 경우, 상기 발광층 형성부가 수직 방향의 공진기(共振器)로 되도록 형성되는 동시에, 상기 제2 광반사층의 일부로부터 빛을 취출하도록 형성되는 것에 의해, 면발광 레이저로 할 수 있다.

상기 발광층 형성부가 Al_aGa_bIn_{1 -a- b}N (0

a

1, 0

b

1, 0

a+b

1) 로 이루어지는 동시에, 활성층을 n형층과 p형층으로 샌드위치 구조로 하는 더블 헤테로 구조로 형성되는 것에 의해, 캐리어를 충분히 가둘 수 있어, 발광 효율이 뛰어난 반도체 발광 소자가 얻어진다.

본 발명에 의하면, SiC 기판 표면에 직접 다층막에 의해 광반사층이 형성되어 있기 때문에, 그 위에 적층되는 질화물 반도체층의 막질이 향상되는 동시에, 발광층에서 발광한 빛으로, 기판측으로 진행하는 빛이라도 광반사층에 의해 반사되어 표면측으로부터 출사되기 쉬워진다. 즉, 상술한 바와 같이, SiC 기판과 질화물 반도체는 격자 정수 등은 일치하지 않고, 비록 버퍼층을 삽입하더라도, 버퍼층은 그 도전성을 확보하기 위해서는 Al의 혼정 비율을 그만큼 올리지 못하여, 반드시 버퍼층의 역활을 충분하게는 완수하지 못하여, 막질이 양호한 질화물 반도체층을 성장시킬 수 없다. 그러나, 다층막으로 하는 것에 의해 캐리어 농도를 올리기 쉬운 동시에, 격자 정수 등이 다른 층에서도 적층하기 쉽기 때문에, Al의 혼정 비율을 올려 SiC 기판의 격자 정수와 가까운 층을 성장시킬 수 있고, 그 위에 성장하는 질화물 반도체층의 막질을 향상시킬 수도 있다. 또한, 그 다층막이 발광층에서 발광하는 빛의 반사막으로 되는 두께로 적층되는 것에 의해 기판측으로 진행하는 빛을 반사시킬 수 있고, 발광하는 빛의 거의 전부를 표면측에 취출할 수 있다. 그 결과, 상당히 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있고, 발광 효율이 뛰어난 질화물 반도체 발광 소자가 된다.

또, 상술한 바와 같이 광반사층을 Al_xGa_{1 - x}N (0<x<1) 과 Al_yGa_{1 - y}N (0

y<1, y<x) 의 적층 구조로 하는 것에 의해, 700℃ 정도 이상의 고온에서만 성장시킬 수 있기 때문에, 특히 결정성이 뛰어난 질화물 반도체층을 적층할 수 있는 동시에, InGaN계 화합물을 끼우면, 그 층은 600℃ 정도 이하의 저온도에서 성장해야 하기 때문에, 다층막을 형성하는데에 온도의 올림과 내림을 반복해야 되지만, 그럴 필요도 없이 매우 간단하게 다층막을 성장시킬 수 있다. 또한, 질화물 반도체층은 고온에서 성장하는 쪽이 막질이 좋은 반도체층을 성장시킬 수 있기 때문에, 한층 더 막질이 좋은 질화물 반도체층을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광 소자의 단면 및 밴드도의 설명도이다.

도 2는 도 1의 광반사층의 다른 예를 나타내는 밴드도이다.

도 3은 종래의 질화물 반도체 발광 소자의 일례를 나타내는 단면 설명도이다.

<부호의 설명>

1 SiC 기판

2 광반사층

3 발광층 형성부

4 컨택트층

5 반도체 적층부

7 상부 전극

8 하부 전극

21 저굴절률층

22 고굴절률층

31 n형층

32 활성층

33 p형층

다음에, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광 소자에 대하여 도면을 참조하면서 설명을 한다. 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광 소자는 그 일 실시 형태의 단면 설명도 및 광반사층의 밴드도가 도 1에 나타나는 바와 같이, SiC 기판(1)상에, 굴절률이 서로 다른 저굴절률층(21)과 고굴절률층(22)이 교대로 적층되는 광반사층(2)이 직접 마련되고, 그 광반사층(2)상에, 발광층 형성부(3)를 적어도 가지도록 질화물 반도체층이 적층되는 반도체 적층부(5)가 마련되어 있다. 그리고, 반도체 적층부(5)의 상면측에 상부 전극(7)이, SiC 기판(1)의 이면에 하부 전극(8)이 각각 마련되는 것에 의해 형성되어 있다.

SiC 기판(1)은 단결정 탄화 규소 기판이 이용되고, 도 1에 나타나는 예에서는 n형으로 형성되어 있다. 그 기판(1)상에 직접 광반사층(2)이 적층되어 있다. 광 반사층(2)은 기판(1)과 동일한 도전형이고, 예를 들어 n형의 Al_xGa_{1 - x}N (0<x<1, 예를 들어 x=0.3) 으로 이루어진 저굴절률층(21)과 n형의 Al_yGa_{1 - y}N (0

y<1, y<x, 예를 들어 y=0) 으로 이루어진 고굴절률층(22)이 각각 λ/(4n₁) , λ/(4n₂) (λ는 발광하는 빛의 파장, n₁, n₂ 는 저굴절률층 및 고굴절률층 각각의 굴절률) 의 두께로 교대로 적층되어 형성되어 있다. 이와 같이, 굴절률이 다른 2개의 층을 교대로 적층하는 것에 의해, 분포형 브래그 반사층(DBR ; distributed Bragg reflection)이 형성되고, 특히 각 층이 λ/(4n)의 두께로 형성되는 것에 의해 가장 잘 반사한다.

이 광반사층(2)은, 예를 들어 Al_xGa_{1 - x}N (0<x<1, 예를 들어 x=0.3) 으로 이루어진 저굴절률층(21)과, Al_yGa_{1 - y}N (0

y<1, y<x, 예를 들어 y=0)으로 이루어진 고굴절률층(22)의 적층 구조에 의해 형성되는 것에 의해, 모두 700 ~ 1200℃ 정도의 고온에서 성장시킬 수 있고, 고온에서 결정성이 좋은 질화물 반도체층을 적층할 수 있는 동시에, 양층을 교대로 적층하는 경우에도 온도를 변화시키지 않고 성장시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 이 경우, 양층간의 굴절률차를 크게 하기 어렵기 때문에, 반사율을 올리기 위해서는 층 수를 많게 하거나, 저굴절률층(21)의 Al 혼정 비율을 크게 할 필요가 있다. Al의 혼정 비율을 크게 해도, 버퍼층과 같이 벌크로 두꺼운 층을 형성하는 것이 아니라, GaN 층과의 적층 구조로 하기 때문에, 캐리어 농도를 올릴 수 있고, SiC 기판과의 격자 정수도 가까워 양질의 막을 형성하기 쉽다.

그러나, 지나치게 Al의 혼정 비율을 올리지 않거나, 또는 저굴절률층의 Al 혼정비를 크게 하면서, 더욱 굴절률차를 크게 하는 경우에는 고굴절률층(22)으로서 In_zGa_{1 - z}N (0<z<1) 으로 이루어진 고굴절률층(22)을 이용할 수도 있다. 이 경우, AlGaN계 화합물은 상술한 고온에서, InGaN계 화합물은 400 ~ 600℃ 정도의 저온에서 성장한다.

또, 상술한 저굴절률층(21)이나 고굴절률층(22)은 그 어느 한 층 또는 양층 모두, 상술한 벌크층이 아니라, 예를 들어 도 2에 밴드도로 나타내는 바와 같이, 추가로 굴절률이 다른 층, 예를 들어 In_vGa_{1 - v}N (0

v<1, 예를 들어 v=0)으로 이루어진 조정층(222)과, 예를 들어 Al_wGa_{1 - w}N (0<w<1, 예를 들어 w=0.1) 으로 이루어진 완화층(221)의 초격자 구조로 형성되어도, 각각의 초격자 구조의 평균적인 굴절률이 낮은 층과 높은 층이 되도록 교대로 적층되면, 동양(同樣)으로 광반사층으로서 기여하면서, 초격자 구조에 의한 격자 정수 등의 상위(相違)에 기초하는 결정 결함의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 저굴절률층(21) 및 고굴절률층(22) 모두, 상술한 예에 한정되는 것이 아니라, 굴절률이 다른 층에서 빛을 반사하기 쉽도록 적층되어 있으면 된다.

발광층 형성부(3)는 광반사층(2)상에 직접 또는 다른 반도체층을 개재시켜 형성되고, 도 1에 나타나는 예에서는 Al_aGa_bIn_{1 -a- b}N (0

a

1, O

b

1, O

a+b

1) 인 일반식으로 나타나는 질화물 재료에 의해, 활성층(32)을 끼우도록, 예를 들어 0.5㎛ 정도의 n형 GaN 등에 의해 형성되는 n형층(31)과 0.5㎛ 정도의 p형 GaN 등에 의해 형성되는 p형층(33)이 마련된 더블 헤테로 구조로 이루어져 있다. 활성층(32) 은 발광시키는 빛의 파장에 따른 밴드갭 에너지를 갖는 재료가 선택되고, 예를 들어 파장이 440 ~ 470㎚ 의 청색 발광을 시키는 경우, 0.01 ~ 0.1㎛ 정도의 In_{0 .15}Ga_{0 .85}N 으로 이루어진 벌크 구조인 것, 또는 1 ~ 10㎚ 정도의 In_{0 .1}Ga_{0 .9}N 웰층과 1 ~ 10㎚ 정도의 GaN 배리어층의 단일 또는 다중의 양자 우물 구조로 형성되고, 전체 0.01 ~ 0.1㎛ 정도로 형성된다. 이 발광층 형성부(3)는 더블 헤테로 접합 구조가 아니어도, 싱글 헤테로 구조, 또는 호모 접합으로 pn 접합이 형성된 것이어도 되고, 전자와 정공(正孔)의 재결합에 의한 발광부가 형성되도록 반도체층이 적층되어 있으면 된다.

활성층(32)은 통상 논도핑으로 형성되지만, p형층 또는 n형층이라도 상관없다. n형층(31)과 p형층(33)은 활성층에 캐리어를 가두는 의미에서도, 활성층(32)보다 밴드갭 에너지가 큰 재료가 바람직하며, 상술한 GaN 대신에 AlGaN계 화합물이어도 되고, 다른 조성인 층과의 복층으로 각각 마련되어도 되고, 나아가서는 n형층(31)과 p형층(32)이 다른 조성으로 형성되어도 되고, 반드시 이들로 한정되지는 않는다.

이 발광층 형성부(3)를, 예를 들어 면발광 레이저와 같이, 수직 방향의 공진기로서 이용하는 경우에는 전체의 두께가 λ/n 으로 되도록 조정되어 있는 것이 공진기로 되기 쉬워 바람직하다. 이 경우, n형층(31) 및 p형층(33)의 두께로 조정된다. 또, 수직 방향의 공진기로 하는 경우에는, 도시되어 있지 않으나, 이 발광층 형성부(3)의 위에, 저굴절률층와 고굴절률층의 적층 구조에 의한 제2 광반사층이 형성된다. 이런 의미에서, n형층(31) 및 p형층(33)은 스페이서층으로서 기능하거나, 전자 배리어층이나 정공 배리어층 등으로서 기능하도록, 그들 조성이나 막 두께도 적절히 조정된다.

발광층 형성부(3)상에, 예를 들어 p형 GaN으로 이루어진 컨택트층(4)이 마련되는 것에 의해, 상술한 광반사층(2), 발광층 형성부(3)와 함께 반도체 적층부(5)가 구성되어 있다. 컨택트층(4)은 그 상부에 마련되는 전극과의 오믹 컨택트를 양호하게 하는 동시에, 상부 전극(7)으로부터의 전류를 발광 소자 칩의 전체에 확산시키기 위해 마련되지만, 발광층 형성부(3)의 표면에 직접 투광성 도전층이 마련되어도 된다. 컨택트층(4)이 마련되는 경우에는, 상술한 목적으로부터도, 가능한 캐리어 농도를 크게 하는 것이 바람직하기 때문에, 일반적으로는 GaN이 이용되지만, AlGaN계 화합물층 또는 InGaN계 화합물층으로 형성되어도 된다.

이 컨택트층(4)상에 투광성 도전층(6)이, 예를 들어 Ni-Au 층으로 2 ~ 100㎚ 정도의 두께로 형성되거나, ZnO 층 또는 ITO 층으로 0.1 ~ 2㎛ 정도의 두께로 마련되는 것에 의해 형성되어 있다. ZnO 층 또는 ITO 층은 두껍게 해도 투광성이 있지만, Ni-Au 층은 두껍게 하면 투광성이 없어지므로 얇게 형성된다. 도 1에 나타난 예에서는 ZnO 층이 0.3㎛ 정도의 두께로 형성되어 있다. 이 투광성 도전층(6)은, 질화물 반도체층, 특히 p형 질화물 반도체층은 캐리어 농도를 크게 하기 어렵고, 전류를 칩의 전(全)면에 확산하기 어렵다는 것, 및 전극 패드로 하는 금속막으로 이루어진 상부 전극(7)과의 오믹 컨택트를 취하기 어렵다는 하는 문제를 개량하기 위해 마련되는 것으로, 이러한 문제를 해소할 수 있으면 없어도 상관없다.

상부 전극(7)은 도 1에 나타난 예에서는 반도체 적층부(5)의 상면측이 p형으로 이루어진 층이기 때문에 p측 전극으로서 형성되어 있으며, 예를 들어 Ti/Au, Pd/Au 또는 Ni-Au 등의 적층 구조로, 전체적으로 0.1 ~ 1㎛ 정도의 두께로 형성되어 있다. 또, SiC 기판(1)의 이면에 하부 전극(n측 전극)(8)이, 예를 들어 Ti-Al 합금 또는 Ti/Au 의 적층 구조 등으로, 전체적으로 0.1 ~ 1㎛ 정도의 두께로 형성된다.

상술한 반도체 적층부(5)를 n형으로 형성하기 위해서는 Se, Si, Ge, Te를 H₂Se, SiH₄, GeH₄, TeH₄ 등의 불순물 원료 가스로서 반응 가스내에 혼입하면 얻어지고, p형으로 하기 위해서는 Mg나 Zn을 시클로 펜타디에닐 마그네슘(Cp₂Mg)이나 디메틸아연(DMZn)의 유기 금속 가스로서 원료 가스에 혼입한다. 단, n형의 경우는 불순물을 혼입하지 않아도, 성막(成膜)시에 N이 증발하기 쉬워 자연스럽게 n형으로 되기 쉽기 때문에, 그런 성질을 이용할 수도 있다.

다음에, 구체적인 예로, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자의 제법에 대해 간단히 설명한다. 우선, SiC 기판(1)을, 예를 들어 MOCVD(유기 금속 화학 기상 성장) 장치내에 세팅하고, 성장할 반도체층의 성분 가스, 예를 들어 트리메틸 갈륨, 트리메틸 알루미늄, 트리메틸 인듐, 암모니아 가스, n형 도펀트 가스로서의 H₂Se, SiH₄, GeH₄, TeH₄ 중 어느 하나, 또는 p형 도편트 가스로서 DMZn 또는 Cp₂Mg 중 필요한 가스를 캐리어 가스인 H₂ 가스 또는 N₂ 가스와 함께 도입하고, 예를 들어 700 ~ 1200℃ 정도의 온도에서, n형의 Al_{0 .3}Ga_{0 .7}N 저굴절률층(21)과 GaN 고굴절률층(22)을 교대로 적층하여 광반사층(2)을 형성한다.

계속해서, GaN 으로 이루어져 0.5㎛ 정도 두께인 n형층(31) , In_{0 .1}Ga_{0 .9}N으로 이루어진 우물층과, GaN 으로 이루어진 장벽층을 5주기 정도 교대로 적층한 양자 우물 활성층(32), 및 GaN 으로 이루어져 0.5㎛ 정도 두께인 p형층(33)을 순차적으로 적층하는 것에 의해 발광층 형성부(3)를 성장시킨다. 이어서, p형 GaN 으로 이루어져 0.05 ~ 2㎛ 정도 두께인 p형 컨택트층(4)을 각각 순차적으로 에피택셜 성장시켜 반도체 적층부(5)를 형성한다.

그 후 SiO₂ 보호막을 컨택트층(4) 표면 전면에 마련하고, 400 ~ 800℃, 20 ~ 60분간 정도의 어닐을 행하여, 컨택트층(4) 및 p형층(33)의 활성화를 행한다. 어닐이 완료하면, 웨이퍼를 스퍼터링(sputtering) 장치 또는 진공 증착 장치에 넣어 컨택트층(4) 표면에, ZnO로 이루어진 투광성 도전층(6)을 0.3㎛ 정도 형성하고, 추가로 Ti, Al 등을 성막하는 것에 의해 상부 전극(7)을 형성한다. 그 후, SiC 기판(1)의 이면측을 랩핑하는 것에 의해 SiC 기판(1)을 얇게 하고, 기판(1)의 이면에 Ti, Au 등의 금속막을 동양으로 성막하는 것에 의해 하부 전극(8)을 형성한다. 마지막으로, 스크라이브(scribe) 하여 칩화하는 것에 의해 질화물 반도체 발광 소자의 칩이 얻어진다.

본 발명에 의하면, 질화물 반도체층을 적층하는데 SiC 기판을 이용하고 있기 때문에, 적층되는 반도체층의 하층의 도전형층과 동일한 도전형층으로 형성할 수 있다. 그 결과, 적층되는 반도체 적층부의 하층의 도전형층과 접속하는 하부 전극을 기판의 이면에 형성할 수 있고, 적층한 반도체 적층부의 일부를 에칭에 의해 제거하여 하층의 도전형층을 노출시킬 필요가 없다. 이 때문에, 반도체 적층부의 일부를 에칭하는 것에 의한 오염의 악영향도 없어, 간단하게 전극을 형성할 수 있다.

또한, SiC 기판 표면에 직접 광반사층이 형성되어 있기 때문에, 발광층 형성부에서 발광하여 기판측으로 진행하는 빛도 SiC 기판에 흡수되지 않고, 표면측으로 반사하여 표면측을 향한 빛과 함께 표면측으로부터 방사된다. 그 결과, 외부 양자 효율이 큰 폭으로 향상하여, 매우 고휘도인 질화물 반도체 발광 소자가 얻어진다. 또한, 광반사층은 굴절률이 다른 층이, 각각 예를 들어 λ/(4n) 정도의 두께로 교대로 적층되기 때문에, 예를 들어 AlGaN계 화합물의 Al 혼정 비율이 높은 층이라도 비교적 캐리어 농도를 높게 할 수 있고, SiC 기판과 격자 정수가 가까운 AlGaN계를 성장시킬 수 있다. 그 결과, SiC 기판과 GaN 층 등의 격자 부정합을 완화시킬 수 있고, 보다 결정성이 뛰어난 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 기판의 이면에 일방의 전극을 형성한 수직 형의 질화물 반도체 발광 소자가 얻어지고, 제조 공정이 용이하며, 또 이용하기 좋은 발광 소자가 얻어지는 동시에, 질화물 반도체층의 결정성이 뛰어나 발광 효율이 향상되고, 또 기판측으로 진행하는 빛도 표면측에 반사되어 이용할 수 있기 때문에 외부 양자 효율이 큰 폭으로 향상하여, 매우 고휘도의 질화물 반도체 발광 소자가 얻어진다.

상술한 예에서는 기판을 n형으로 하여 하층의 반도체층을 n형으로 하였으나, 기판을 p형으로 하여 p형층을 하층으로 하는 것도 가능하다. 또, 발광층 형성부를, 활성층을 n형층과 p형층에 끼우는 샌드위치 구조의 더블 헤테로 구조로 하였으나, 또 다른 반도체층이 어느 한 층 사이에 삽입되거나, 싱글 헤테로 구조로 되거나, 호모 pn 접합으로 형성되거나 할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 질화물 반도체를 이용한 청색계 또는 자외광의 반도체 발광 소자가 얻어지고, 발광색 변환용 형광체를 도포하는 것 등에 의해, 백색광 발광 소자로 할 수도 있고, 백색의 광원, 조명 등 폭넓은 전기 기기의 광원이나 파일럿 램프, 조명 기구, 소독용 기구 등에 이용할 수 있다.

Claims (7)

1. SiC 기판과,

   상기 SiC 기판상에 직접 마련되고, 굴절률이 서로 다른 저굴절률층과 고굴절률층이 교대로 적층되는 광반사층과,

   상기 광반사층상에 마련되고, 발광층 형성부를 적어도 가지도록 질화물 반도체층이 적층되는 반도체 적층부와,

   상기 반도체 적층부의 상면측 및 상기 SiC 기판의 이면에 각각 마련되는 전극을 갖는 질화물 반도체 발광 소자.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 광반사층이 Al_xGa_{1 - x}N (0<x<1)과 Al_yGa_{1 - y}N (0

   

   y<1, y<x) 의 적층 구조에 의해 형성되어 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 광반사층의 저굴절률층 및 고굴절률층의 적어도 한쪽은, 추가로 굴절률이 다른 조정층과 완화층의 초격자(超格子) 구조로 형성되어 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 조정층이 In_vGa_{1 - v}N (0

   

   v<1) 으로 이루어지고, 상기 완화층이 Al_wGa_{1 -w}N (0<w<1) 으로 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 발광층 형성부의 위에, 저굴절률층과 고굴절률층의 적층 구조에 의한 제2 광반사층이 형성되어 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 발광층 형성부가 수직 방향의 공진기(共振器)로 되도록 형성되는 동시에, 상기 제2 광반사층의 일부로부터 빛을 취출하도록 형성되어, 면발광 레이저로 되어 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 발광층 형성부가 Al_aGa_bIn_{1 -a- b}N (0

   

   a

   

   1, O

   

   b

   

   1, O

   

   a+b

   

   1) 으로 이루어지는 동시에, 활성층을 n형층과 p형층으로 샌드위치 구조로 하는 더블 헤테로 구조로 형성되어 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자.

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