KR20130007031A - 발광 소자 제조 방법 - Google Patents

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KR20130007031A KR1020110062961A KR20110062961A KR20130007031A KR 20130007031 A KR20130007031 A KR 20130007031A KR 1020110062961 A KR1020110062961 A KR 1020110062961A KR 20110062961 A KR20110062961 A KR 20110062961A KR 20130007031 A KR20130007031 A KR 20130007031A
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송호근
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Abstract

본 발명은 오믹 컨택의 특성을 향상시킬 수 있는 발광소자 및 그 제조 방법을 개시한다.
본 발명의 발광소자는 기판 상에 형성된 n형 질화물층, 상기 n형 질화물층의 상부면에 형성된 활성층, 상기 활성층의 상부면에 형성된 p형 질화물층, 상기 p형 질화물층의 상부면에 형성된 p측 전극, 및 상기 n형 질화물층의 노출 영역에 구비된 n측 전극을 포함하고, 상기 p형 질화물층은 상기 p측 전극과 접하고, 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높은 p형 도펀트 농도를 갖는 오믹 컨택의 p형 도핑 영역을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 발광소자의 제조 방법은 기판의 상부 방향에 n형 질화물층을 형성하는 단계, 상기 n형 질화물층 상에 활성층을 형성하는 단계, 상기 활성층의 상부면에 p형 질화물층을 형성하는 단계, n측 전극을 위해 상기 n형 질화물층의 일 영역을 노출하는 단계, 상기 p형 질화물층의 상부 영역 일측에 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높은 p형 도펀트 농도를 갖는 오믹 컨택의 p형 도핑 영역을 형성하는 단계, 및 상기 p형 도핑 영역의 상부면에 p측 전극을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물층 영역의 상부면에 n측 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{Light Emitting Diode and method of manufacturing the same}
본 발명은 오믹 컨택의 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 질화물 반도체 소자에는 예를 들어 GaN계 질화물 반도체 소자를 들 수 있고, 이 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색 또는 녹색 LED의 발광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다.
특히, 청색 또는 녹색 LED의 발광 소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며 전 세계적인 매출은 지수함수적으로 증가하고 있는 상황이다.
종래의 GaN계 반도체 발광 소자의 기본 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(14)을 포함하며, 상기 p형 질화물 반도체층(14)과 활성층(13)은 그 일부 영역이 에칭되어 n형 질화물 반도체층(12)의 일부 영역이 노출된 구조를 갖는다.
그리고, 상기 p형 질화물 반도체층(14)의 상부면 및 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(12)의 영역에는 각각 p측 전극(15) 및 n측 전극(16)이 형성된다.
이러한 종래의 발광 소자는 p측 전극(15) 형성시 오믹 컨택이 잘 형성되지 않아 p측 전극(15)의 하부에 전류 밀집(current crowding) 현상이 발생하고, 이러한 전류 밀집 현상에 의해 발광 소자에 큰 스트레스를 줄뿐 아니라 발광 균일도를 저하시킨다.
이러한 전류 밀집 현상은 발광 휘도를 높이기 위해 p측 전극(15)을 통해 전압을 높여 전류의 공급량을 늘릴수록 더 심각한 문제를 야기한다. 즉, 일정량 이상의 과도한 전류가 p측 전극(15)에 공급되면 많은 열이 발생하는 문제를 야기한다.
따라서, 발광 소자에 많은 열을 발생하게 하는 이러한 문제점들은 전반적으로 발광 소자의 성능과 수명을 열화 시키는 주요 요인이 된다.
본 발명의 목적은 p형 오믹 접촉 저항을 감소시켜 발광 소자의 동작 전압을 낮출 수 있고, 발생 열을 감소시켜 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 p형 오믹 접촉 저항을 감소시켜 발광 소자의 동작 전압을 낮출 수 있는 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자는 기판 상에 형성된 n형 질화물층; 상기 n형 질화물층의 상부면에 형성된 활성층; 상기 활성층의 상부면에 형성된 p형 질화물층; 상기 p형 질화물층의 상부면에 형성된 p측 전극; 및 상기 n형 질화물층의 노출 영역에 구비된 n측 전극을 포함하고, 상기 p형 질화물층은 상기 p측 전극과 접하고, 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높은 p형 도펀트 농도를 갖는 오믹 컨택의 p형 도핑 영역을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 발광소자에서 상기 p형 도핑 영역은 헤비 도핑(Heavy doping)에 의해 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자의 제조 방법은 기판의 상부 방향에 n형 질화물층을 형성하는 단계; 상기 n형 질화물층 상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층의 상부면에 p형 질화물층을 형성하는 단계; n측 전극을 위해 상기 n형 질화물층의 일 영역을 노출하는 단계; 상기 p형 질화물층의 상부 영역 일측에 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높은 p형 도펀트 농도를 갖는 오믹 컨택의 p형 도핑 영역을 형성하는 단계; 및 상기 p형 도핑 영역의 상부면에 p측 전극을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물층 영역에 n측 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자의 제조 방법에서 상기 p형 도핑 영역을 형성하는 단계는 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높은 p형 도펀트 농도로 상기 p형 도핑 영역에 헤비 도핑하는 단계; 및 상기 p형 도핑 영역을 포함한 상기 p형 질화물층에 대해 급속 열처리(RTP: Rapid Thermal Processing)를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광소자는 p형 오믹 접촉 저항을 감소시켜 발광 소자의 동작 전압을 낮출 수 있고, 발생 열을 감소시켜 발광 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 발생 열의 감소로 인해 발광 소자의 동작 과정에서 온도 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자의 기본 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 여기서, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), n형 질화물층(130), 활성층(140), p형 도핑 영역(155)을 갖는 p형 질화물층(150), n측 전극(181) 및 p측 전극(182)을 포함한다.
버퍼층(120)은 선택적으로 기판(110)의 상부면에 구비되는 층으로, 기판(110)과 n형 질화물층(130) 사이의 격자 부정합을 해소하기 위해 AlN 또는 GaN 으로 형성할 수 있다.
n형 질화물층(130)은 기판(110) 또는 버퍼층(120)의 상부면에 구비되는 층으로 예컨대, Si을 도핑한 AlGaN으로 이루어진 제 1 층, 및 언도우프의 GaN(undoped-GaN)로 이루어진 제 2 층이 번갈아가며 구비된 적층 구조로 형성될 수 있다. 물론, n형 질화물층(130)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하나, 제 1 층과 제 2 층이 번갈아가며 구비된 적층 구조로 형성하여 크랙이 없는 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.
활성층(140)은 n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이에서 단일양자우물구조 또는 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물구조로 이루어진 층으로 구비될 수 있다. 여기서, 활성층(140)은 다중양자우물구조로 이루어지되, 양자장벽층은 예컨대 Al이 포함된 AlGaInN의 4원계 질화물층이고, 양자우물층은 예를 들어 InGaN으로 이루어질 수 있다. 이러한 구조의 활성층(140)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
p형 질화물층(150)은 예컨대 Mg을 p형 도펀트로 도핑한 p형 AlGaN의 제 1 층과, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제 2 층을 번갈아가며 구비한 적층 구조로 형성될 수 있다. 또한, p형 질화물층(150)은 n형 질화물층(130)과 마찬가지로 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.
이러한 p형 질화물층(150)에서, p형 도핑 영역(155)은 p측 전극(182)과 접하는 영역을 포함하여 p형 질화물층(150)의 상부 영역에 형성된다. 특히, p형 도핑 영역(155)은 제 1 층과 제 2 층을 번갈아가며 구비한 적층 구조에서 p형 GaN로 이루어진 최종 제 2 층에 형성될 수 있다.
p형 도핑 영역(155)은 Mg, Zn, Ca, Be, B, In, Sn, Ni, Ga, Pd, Ag, Al, Pt 및 Au로 구성된 군 중 어느 하나 또는 선택된 합성물과 같은 p형 도펀트를 헤비 도핑(Heavy doping)으로 형성된다. 여기서, 헤비 도핑은 p형 질화물층(150)의 다른 영역에 존재하는 p형 도펀트 농도보다 높은 농도로 p형 도펀트를 p형 도핑 영역(155)에 형성하는 방법을 포함한다.
이렇게 형성된 p형 도핑 영역(155)의 p형 도펀트가 p형 질화물층(150)의 다른 영역보다 높은 농도로 존재하기 때문에, p형 도핑 영역(155)의 유효 정공 농도(neteffective hole concentration)는 p형 질화물층(150)의 다른 영역에 비해 월등히 증가하게 된다.
따라서, p형 도핑 영역(155)과 p측 전극(182) 사이에 양자역학적 전도현상인 터널링 메카니즘(tunneling mechanism)에 의해서, p형 도핑 영역(155)과 p측 전극(182) 사이에는 낮은 저항값의 오믹 컨택을 가지게 된다.
그러므로, 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 p형 도핑 영역(155)과 p측 전극(182) 사이에는 낮은 저항값의 오믹 컨택에 의해 전류 밀집 현상을 해소하여, p측 전극(182)을 통해 인가되는 동작 전압을 낮출 수 있다.
이하, 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)의 제조 방법을 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 제조하기 위해서, 도 3a에 도시된 바와 같이 먼저 기판(110) 상에 버퍼층(120)과 n형 질화물층(130)을 순차적으로 성장시킨다.
기판(110) 상에 선택적으로 기판(110)과 n형 질화물층(130) 사이에 격자 부정합을 해소하기 위해 AlN 또는 GaN을 이용하여 버퍼층(120)이 형성된 후, 버퍼층(120)의 상부면에 n형 질화물층(130)이 형성된다.
n형 질화물층(130)은 적층 구조로 형성될 수도 있다. 예를 들어, NH3, 트리메탈갈륨(TMG), 및 Si과 같은 n형 도펀트를 포함한 실란 가스를 공급하여, n형 질화물층(130)이 Si을 도핑한 n형 AlGaN으로 이루어진 제 1 층(도시하지 않음) 및 언도우프의 GaN로 이루어진 제 2 층(도시하지 않음)을 번갈아가며 구비된 적층 구조로 형성될 수 있다.
여기서, n형 질화물층(130)은 단일의 질화물 반도체로 성장시키는 것도 가능하나, 분자선 에피택시 성장방법, 유기금속 기상 성장방법, 원자층 에피택시 성장 방법 등과 같은 미세박막 결정성장 방법에 의하여 제 1 층과 제 2 층을 번갈아가며 구비한 적층 구조를 구현하여, 크랙이 없고 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 형성하는 것이 바람직하다.
n형 질화물층(130)이 형성된 후, 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조의 활성층(140)이 n형 질화물층(130)의 상부면에 형성된다. 여기서, 활성층(140)은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물구조를 적용한다. 활성층(140)의 양자장벽층은 예컨대 Al이 포함된 AlGaInN의 4원계 질화물층이고, 양자우물층은 예를 들어 InGaN으로 이루어져 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제하도록 형성된다.
활성층(140)이 형성된 후, p형 질화물층(150)이 활성층(140)의 상부면에 형성된다.
여기서, p형 질화물층(150)은 분자선 에피택시 성장방법, 유기금속 기상 성장방법, 원자층 에피택시 성장 방법 등과 같은 미세박막 결정성장 방법으로 형성될 수 있다. 예컨대, p형 질화물층(150)은 Mg을 도핑한 p형 AlGaN의 제 1 층, 및 Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제 2 층을 번갈아가며 형성한 적층 구조로 형성될 수 있다.
이와 같이 p형 질화물층(150)을 형성한 후, 도 3b에 도시된 바와 같이 n형 질화물층(130)이 노출되도록 노광 에칭(lithography etching)을 수행한다.
이후, p형 도핑 영역(155)은 p형 질화물층(150)의 상부 영역 중 p측 전극(182)과 접하는 영역에 p형 도펀트를 헤비 도핑하여 형성할 수 있다. 구체적으로, p형 도핑 영역(155)은 p형 질화물층(150)의 상부 영역 중 p측 전극(182)과 접하는 부분의 영역이고, Mg, Zn, Ca, Be, B, In, Sn, Ni, Ga, Pd, Ag, Al, Pt 또는 Au로 구성된 군 중 어느 하나 또는 합성물과 같은 p형 도펀트를 헤비 도핑하여 형성할 수 있다. 이때, p형 도핑 영역(155)의 p형 도펀트 농도는 p형 질화물층(150)의 p형 도펀트 농도보다 높은 농도를 갖도록 형성할 수도 있다.
예를 들어, 헤비 도핑은 3KeV ~ 500KeV의 에너지로 p형 도펀트를 1E11~1E14 atoms/cm2의 도즈량으로 p형 질화물층(150)의 최종 제 2 층에 이온 주입(Implantation)하고, 900 ~ 1700℃의 온도에서 임의로 10초 ~ 100초 동안 급속 열처리(RTP: Rapid Thermal Processing)를 수행할 수 있다.
이렇게 헤비 도핑에 따라 급속 열처리를 수행하면, 제 2 층으로 이온 주입된 p형 도펀트가 p형 질화물층(150)의 방사 방향으로 확산(diffusion)하되, 열처리 시간에 따라 p형 도핑 영역(155)의 원하는 두께와 범위로 p형 도펀트가 확산될 수 있다.
또한, 급속 열처리에 따라, p형 도핑 영역(155)은 갈륨(Ga) 원자들이 질소(N2)와의 본딩 결합을 끊고 확산(out-diffusion)되어 p형 도펀트와 결합하는 열화학 반응(thermochemical reaction)이 발생하게 된다.
따라서, 이러한 열화학 반응의 결과, p형 도핑 영역(155)에는 결정학적 점결함(crystalline point defect)인 다량의 갈륨 빈격자점(Ga-vacancy)이 생성된다. 특히, p형 GaN로 이루어진 최종 제 2 층에 형성된 p형 도핑 영역(155)은 이러한 열화학 반응이 더욱 활발하게 이루어져, 갈륨 빈격자점이 더 많이 생성된다.
이때, 생성된 갈륨 빈격자점은 전기적으로 p형 도핑 영역(155)에서 다수 캐리어인 정공(hole) 역할을 하기 때문에, p형 도펀트와 갈륨 빈격자점이 다량 존재하는 급속 열처리 후의 p형 도핑 영역(155)은 유효 정공 농도의 측면에서 처음 p형 도핑 영역(155)의 유효 정공 농도에 비해 월등히 증가하게 된다.
이후, 도 3c에 도시된 바와 같이, p측 전극(162)이 p형 도핑 영역(155)의 상부면에 형성되고, n측 전극(161)이 노출된 n형 질화물층(130)의 영역에 형성된다.
이렇게 형성된 발광소자(100)는, p형 도핑 영역(155)과 p측 전극(182) 사이에 양자역학적 전도현상인 터널링 메카니즘에 의해서, p형 도핑 영역(155)과 p측 전극(182) 사이에 낮은 저항값의 오믹 컨택을 가지게 된다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 발광 소자 110: 기판
120: 버퍼층 130: n형 질화물층
140: 활성층 150: p형 질화물층
155: p형 도핑 영역 161: n측 전극
162: p측 전극

Claims (10)

  1. 기판 상에 형성된 n형 질화물층;
    상기 n형 질화물층의 상부면에 형성된 활성층;
    상기 활성층의 상부면에 형성된 p형 질화물층;
    상기 p형 질화물층의 상부면에 형성된 p측 전극; 및
    상기 n형 질화물층의 노출 영역에 형성된 n측 전극을 포함하고,
    상기 p형 질화물층은 상기 p측 전극과 접하고, 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높은 p형 도펀트 농도를 갖는 오믹 컨택의 p형 도핑 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 n형 질화물층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 p형 도핑 영역은 헤비 도핑(Heavy doping)에 의해 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 p형 도핑 영역의 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Be, B, In, Sn, Ni, Ga, Pd, Ag, Al, Pt 및 Au로 구성된 군 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  5. 기판의 상부 방향에 n형 질화물층을 형성하는 단계;
    상기 n형 질화물층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층의 상부면에 p형 질화물층을 형성하는 단계;
    n측 전극을 위해 상기 n형 질화물층의 일 영역을 노출하는 단계;
    상기 p형 질화물층의 상부 영역 일측에 상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높은 p형 도펀트 농도를 갖는 오믹 컨택의 p형 도핑 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 p형 도핑 영역의 상부면에 p측 전극을 형성하고, 상기 노출된 n형 질화물층 영역에 n측 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 발광소자의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 n형 질화물층을 형성하는 단계에서
    상기 기판과 상기 n형 질화물층 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 p형 도핑 영역을 형성하는 단계는
    상기 p형 질화물층의 p형 도펀트 농도보다 높은 p형 도펀트 농도로 상기 p형 도핑 영역에 헤비 도핑(Heavy doping)하는 단계; 및
    상기 p형 도핑 영역을 포함한 상기 p형 질화물층에 대해 급속 열처리(RTP: Rapid Thermal Processing)를 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 헤비 도핑하는 단계는
    상기 p형 도펀트를 상기 p형 도핑 영역에 이온 주입(Implantation)하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Be, B, In, Sn, Ni, Ga, Pd, Ag, Al, Pt 및 Au로 구성된 군 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 p형 질화물층을 형성하는 단계에서
    상기 p형 질화물층은 분자선 에피택시 성장방법, 유기금속 기상 성장방법 및 원자층 에피택시 성장 방법 중 어느 하나의 결정성장 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116504896A (zh) * 2023-06-29 2023-07-28 江西兆驰半导体有限公司 一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管

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