KR20090104453A

KR20090104453A - 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR20090104453A
Application number: KR20080029884A
Authority: KR
Inventors: 김유승; 송상엽; 이진현; 김현수
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-06
Also published as: KR100946102B1

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는, n형 및 p형 질화물 반도체층과 이들 사이에 형성된 활성층을 구비하는 발광구조물과, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 n형 및 p형 전극 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 n형 전극 사이에 형성되며, Ru 또는 Ir을 포함하는 물질로 이루어진 제1층 및 상기 제1층 상에 형성되며 투명전도성 산화물로 이루어진 제2층을 구비하는 n형 오믹컨택층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에 따르면, 높은 투광성을 가지면서도 전기적 특성이 우수한 n형 전극을 구비하는 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

질화물, 발광소자, LED, 오믹컨택, 투명전도성 산화물

Description

질화물 반도체 발광소자 {Nitride Semiconductor Light Emitting Device}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 투광성을 가지면서도 전기적 특성이 우수한 n형 전극을 구비하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

반도체 발광소자의 하나인 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p,n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.

상기 반도체 발광소자(10)는 도전성 기판(14) 상에 순차적으로 형성된 p형 반도체층(13), 활성층(12), n형 반도체층(11) 및 오믹컨택층(15)을 갖추어 구성되 며, 상기 오믹컨택층(15)의 상면과 상기 도전성 기판(14) 하면에는 각각 n형 및 p형 전극(16a, 16b)이 형성된다.

도 1에 도시된 반도체 발광소자(10)는 n형 및 p형 전극(16a, 16b)의 사이에 발광구조물이 형성된 구조, 즉, 수직구조를 갖는 발광소자로서 빛은 주요하게 상기 오믹컨택층(15)을 통하여 외부로 방출된다.

이 경우, 상기 오믹컨택층(15)은 n형 반도체층(11)과의 오믹컨택을 형성하기 위해 일 함수가 상대적으로 낮은 Ti, Al 등을 사용하며, 이들의 적층 구조도 일반적으로 사용될 수 있다.

그러나, Ti, Al 등은 빛의 투과율이 낮은 금속들로서 활성층(12)에서 방출된 빛의 상당 부분은 오믹컨택층(15)에 의해 흡수되며, 이는 발광 효율 저하로 이어진다.

따라서, 당 기술 분야에서는 광학적 특성이 우수하면서도 n형 반도체층과 오믹컨택을 유지할 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 높은 투광성을 가지면서도 전기적 특성이 우수한 n형 전극을 구비하는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,

n형 및 p형 질화물 반도체층과 이들 사이에 형성된 활성층을 구비하는 발광구조물과, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 n형 및 p형 전극 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 n형 전극 사이에 형성되며, Ru 또는 Ir을 포함하는 물질로 이루어진 제1층 및 상기 제1층 상에 형성되며 투명전도성 산화물로 이루어진 제2층을 구비하는 n형 오믹컨택층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

바람직하게는, 상기 제1층은 Ru 또는 Ir 합금으로 이루어진 것일 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 Ru 또는 Ir 합금에 포함되는 원소는 Ti, Al, Cr, Ni, Pd, Pt, Mo, Co 및 Mg로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소인 것일 수 있다.

또한, 상기 제2층은 In, Sn, Al, Zn 및 Ga으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로, 상기 제2층은 ITO, CIO, AZO(Al-doped ZnO), ZnO, NiO 및 In₂O₃로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것일 수 있다.

한편, 상기 제1층의 두께는 10 ~ 300Å인 것이 바람직하며, 상기 제2층의 두께는 100 ~ 1000Å인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 제1층 중 적어도 일부는 산화물로 이루어진 것일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다.

다만, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(20)는 도전성 기판(24)과 상기 도전성 기판(24) 상에 순차적으로 형성된 p형 질화물 반도체층(23), 활성층(22), n형 질화물 반도체층(21) 및 n형 오믹컨택층(25)을 구비하여 구성된다. 이에 더하여 상기 n형 오믹컨택층(25)의 상면에는 n형 전극(26a)이, 상기 도전성 기판(26b)의 하면에는 p형 전극(26b)이 형성된다.

본 실시 형태의 경우, 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 해당하며, 그 제조 방법으로는 공지된 공정으로서, 사파이어 등의 질화물 단결정 성장용 기판 상에 n형 질화물 반도체층(21), 활성층(22) 및 p형 질화물 반도체층(23)을 순차적으로 성장시킨 후 지지 기판에 해당하는 도전성 기판(24)을 도금이나 본딩 공정에 의해 형성하고, 사파이어 기판을 제거하는 공정에 의해 형성될 수 있다.

이하, 상기 반도체 발광소자(20)를 구성하는 구성 요소들을 더욱 상세히 설명한다.

발광구조물을 이루는 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)과 활성층(23)에 대하여 설명하면, 우선 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)은 질화물 반도체로 이루어 지는 것이 바람직하다. 본 명세서에서, '질화물 반도체'란, AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다. 즉, 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.

상기 활성층(23)은 단일 또는 다중 양자 웰 구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다. 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24), 활성층(23)은 반도체 단결정의 성장 공정, 특히, 질화물 단결정 성장 공정으로서 공지된 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE) 등의 방법으로 성장시킬 수 있다.

상기 도전성 기판(24)은 수직구조 발광소자의 최종 구성 요소에 포함되며, 단결정 성장용 기판의 제거 등을 공정을 수행함에 있어서 상대적으로 두께가 얇은 발광구조물을 지지하는데 사용된다. 상기 도전성 기판(24)은 도금이나 웨이퍼 본딩 방식으로 상기 발광구조물과 결합하여 형성될 수 있으며, Si, Cu, Ni, Au, W, Ti 등으로 이루어진 물질로 이루어진다.

상기 n형 및 p형 전극(26a, 26b)은 소자의 전기적 연결을 위한 전극으로 기능 한다. 이 경우, 상기 n형 전극 및 p형 전극(26a, 26b)은 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금으로 이루어진다. 이러한 n형 전극 및 p형 전극(26a, 26b)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.

상기 n형 오믹컨택층(25)은 상기 n형 질화물 반도체층(21)과 n형 전극(26a) 사이에서 오믹컨택을 형성함과 동시에 높은 광 투과율을 가짐으로써 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.

이를 위하여, 상기 n형 오믹컨택층(25)은 2개의 층을 포함하도록 구성되며, 구체적으로, 제1층(25a)은 Ru 또는 Ir을 포함하는 물질로 이루어지고, 그 위에 형성되는 제2층(25a)은 투명전도성 산화물로 이루어진다.

상기 제1층(25a)의 경우, Ru 또는 Ir를 포함하는 물질이면 족하며, 특히, Ru 또는 Ir 만으로 이루어지거나 합금 형태로도 채용될 수 있다.

Ru와 Ir은 일 함수가 상대적으로 큰 금속으로 n형 오믹컨택용 금속으로 적합하지 않을 수 있으나, 본 발명자는 특히, Ru와 Ir가 산화물로 존재할 경우 투명전극으로 사용하기에 적당한 저항과 높은 열적 안정성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 실시 형태에서 다소 변형된 실시 형태의 경우에는 도 3과 같이, n형 오믹컨택층(35)이 Ru 또는 Ir을 포함하는 물질로 이루어진 제1층(35a)과 투명전도성 산화물로 이루어진 제2층(35b)을 갖되, 상기 제1층(35a) 중 적어도 일부의 영역은 산화물로 이루어진 영역(A)으로 존재할 수도 있다.

한편, 상기 제1층(25a)이 Ru 또는 Ir 합금인 경우에는 이에 포함되는 원소로는 Ti, Al, Cr, Ni, Pd, Pt, Mo, Co, Mg 등을 예로 들 수 있으며, 전기 저항과 광 투과율을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

다시, 도 2를 참조하면, 상기 제2층(25b)은 높은 광 투과도를 가지며 전극으로 사용할 수 있을 만큼의 적당한 전기적 특성을 갖는 어떠한 물질도 채용이 가능하며, 이에 가장 부합하는 물질은 투명전도성 산화물이다.

상기 제2층(25b)을 투명전도성 산화물로 형성함으로써, 특히 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서, 높은 광 투과도를 보장할 수 있다.

이 경우, 상기 제2층(25b)을 이루는 투명전도성 산화물은 In, Sn, Al, Zn, Ga 등의 원소를 포함하는 물질이며, 예컨대, ITO, CIO, AZO, ZnO, NiO, In₂O₃ 등에 해당한다.

한편, 상기 n형 오믹컨택층(25)에 포함된 제1층(25a)과 제2층(25b)은 각각의 두께(t1, t2)가 전기 저항과 광 투과도의 조절 측면에서 적절히 조절될 수 있다.

이에 제한되지는 않으나, 상기 제1층(25a)의 두께(t1)는 오믹컨택을 형성하기 위해 10 ~ 300Å인 범위를 가지며, 상기 제2층(25b)의 두께(t2)는 100 ~ 1000Å인 범위를 갖는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 실시 형태의 경우에는 n형 오믹컨택층에 투명전도성 산화물을 포함하여 높은 광투과도를 보장하면서도 n형 질화물 반도체층에 인접된 층을 이루는 물질을 Ru 또는 Ir로 채용함으로써 오믹컨택이 가능하도록 하였다.

구체적인 실험 예로서, 상기 질화물 반도체 발광소자(20)에서 n형 오믹컨택층(25)을 제1층(25a)은 1㎚ 두께의 Ru로 하며, 제2층(25b)은 200㎚ 두께의 ITO(In-doped SnO)로 한 경우, CTLM 28㎛ spacing에서 측정된 I-V 곡선을 분석한 결과 1차 함수, 즉, 리니어한 특성을 보였다.

또한, 비슷한 방식으로, 상기 질화물 반도체 발광소자(20)에서 n형 오믹컨택층(25)을 제1층(25a)은 1㎚ 두께의 Ir로 하며, 제2층(25b)은 200㎚ 두께의 AZO(Al-doped ZnO)로 한 경우에도 I-V 곡선이 1차 함수를 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 본 실시 형태에서 채용된 n형 오믹컨택층은 높은 광 투과도를 가짐과 더불어 n형 질화물 반도체층과 오믹컨택을 형성할 수 있다.

도 4는 도 2의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도 4에 따른 질화물 반도체 발광소자(40)는 도 2의 경우와 마찬가지로 도전성 기판(44)과 상기 도전성 기판(44) 상에 순차적으로 형성된 p형 질화물 반도체층(43), 활성층(42), n형 질화물 반도체층(41) 및 제1, 2층(45a, 45b)을 갖는 n형 오믹컨택층(45)을 구비하여 구성되며, 상기 n형 오믹컨택층(45)의 상면에는 n형 전극(46a)이, 상기 도전성 기판(44)의 하면에는 p형 전극(46b)이 형성된다.

이에 더하여, 상기 n형 질화물 반도체층(41)과 상기 n형 오믹컨택층(45)의 사이에는 GaN 기판(47)이 형성된다.

상기 GaN 기판(47)은 질화물 단결정 성장용 기판으로 제공되며, 전기 전도성을 띄고 있으므로, 발광구조물의 성장 후에 제거될 필요 없이 최종 발광소자(40)에 남아 있을 수 있다. 다만, GaN 기판(47) 대신에 질화물 단결정 성장용 기판으로서 전기 전도성을 갖는 물질로 이루어진 다른 기판, 예컨대 SiC 기판도 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 채택할 수 있는 범위라면 채용 가능할 것이다.

이러한 차이 외에 동일한 용어로 나타낸 다른 구성 요소에 대해서는 도 2의 경우와 동일한 것으로 이해될 수 있으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.

본 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(50)는 사파이어 기판(54), 상 기 사파이어 기판(54) 상에 순차적으로 성장된 n형 질화물 반도체층(51), 활성층(52), p형 질화물 반도체층, p형 오믹컨택층(58) 및 상기 n형 질화물 반도체층(51)의 에칭된 일부 영역에 형성되며 제1, 2층(55a, 55b)를 구비하는 n형 오믹컨택층(55)을 구비하며, 이에 더하여, n형 및 p형 전극(56a, 56b)을 포함한다.

본 실시 형태는 n형 및 p형 전극(56a, 56b)의 배치가 수평구조에 해당하며, 수직 구조의 경우에 비하여 n형 오믹컨택층(55)에 의한 광 투과도 확보 기능이 다소 미미할 수 있으나, 본 발명에서 채용될 수 있는 발광소자의 전극 배치 구조는 수직구조만이 아닌 수평구조에서 확장될 수 있다.

이와 같이, 수직구조만이 아니라 수평구조에서도 n형 오믹컨택층(55)의 적용이 가능한 것은 n형 질화물 반도체층에서 n형 오믹컨택층이 형성되는 면이 N-극성면(N-polar surface) 또는 P-극성면(P-polar surface) 모두에 대하여 오믹컨택을 형성할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

한편, 상기 p형 오믹컨택층(58)의 경우, 필수적인 구성 요소는 아니나, p형 질화물 반도체층(53)과의 오믹컨택을 위해 Ni/Au 구조 등이 일반적으로 채용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

도 3은 도 2의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에서 채용될 수 있는 오믹컨택층을 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21: n형 질화물 반도체층 22: 활성층

23: p형 질화물 반도체층 24: 도전성 기판

25: n형 오믹컨택층 26a, 26b: n형 및 p형 전극

47: GaN 기판 54: 사파이어 기판

Claims

n형 및 p형 질화물 반도체층과 이들 사이에 형성된 활성층을 구비하는 발광구조물;

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 n형 및 p형 전극; 및

상기 n형 질화물 반도체층과 상기 n형 전극 사이에 형성되며, Ru 또는 Ir을 포함하는 물질로 이루어진 제1층 및 상기 제1층 상에 형성되며 투명전도성 산화물로 이루어진 제2층을 구비하는 n형 오믹컨택층;

을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1층은 Ru 또는 Ir 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 Ru 또는 Ir 합금에 포함되는 원소는 Ti, Al, Cr, Ni, Pd, Pt, Mo, Co 및 Mg로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제2층은 In, Sn, Al, Zn 및 Ga으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제2층은 ITO, CIO, AZO, ZnO, NiO 및 In₂O₃로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1층의 두께는 10 ~ 300Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제2층의 두께는 100 ~ 1000Å 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1층 중 적어도 일부는 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.