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KR100638818B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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KR100638818B1
KR100638818B1 KR1020050042090A KR20050042090A KR100638818B1 KR 100638818 B1 KR100638818 B1 KR 100638818B1 KR 1020050042090 A KR1020050042090 A KR 1020050042090A KR 20050042090 A KR20050042090 A KR 20050042090A KR 100638818 B1 KR100638818 B1 KR 100638818B1
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KR
South Korea
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nitride semiconductor
light emitting
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이재훈
최희석
오정탁
이수열
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자와 그 제조방법에 관한 것으로서, 기판 상에 형성된 n형 및 p형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함한 질화물 발광소자에 있어서, 상기 n형 질화물 반도체층은, 상기 활성층으로부터 먼 순서로 위치한 제1 및 제2 n형 GaN층을 포함하며, 상기 제1 및 제2 n형 GaN층 사이에 위치하여 각 계면에서 2차원 전자가스층을 형성하는 AlxGa1-xN(0<x<1)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
질화물 반도체(nitride semiconductor) 발광소자(light emitting diode; LED), 2차원 전자가스(2DEG)층

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
도1은 종래의 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도3은 본 발명에서 채용되는 GaN/AlGaN/AlN/GaN 이종접합구조를 나타내는 밴드다이어그램이다.
도4는 본 발명의 다른 실시형태에 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
21: 사파이어 기판 22: 버퍼층
23: Al도프된 GaN층 24a,24b: 제1 및 제2 n형 GaN층
25: AlN층 26: AlGaN층
27: 활성층 28: p형 GaN층
29a, 29b: n측 및 p측 전극
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 새로운 이종접합구조를 도입하여 전류분산효과를 향상시킨 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 결정성장을 위한 격자정합조건을 만족하는 사파이어기판이나 SiC기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, 통상적으로 p 및 n 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 플래너(planar)구조를 갖는다.
플래너구조 질화물 발광소자는, 2개의 전극이 발광구조물 상하면에 각각 배치된 버티컬(vertical)구조 발광소자에 비해 전류흐름이 전체 발광영역에 균일하게 분포하지 못하므로, 발광에 가담하는 유효면적이 크지 못하고, 발광면적당 발광효율도 낮다는 문제가 있다. 이러한 플래너구조 발광소자와 그로 인한 발광효율의 제한성을 도1을 참조하여 설명한다.
도1은 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)의 일형태를 예시한다.
도1에 도시된 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(12), n형 질화물 반도체층(14), 활성층(17) 및 p형 질화물 반도체층(18)을 포함한 구조를 갖는다. p측 전극(19b)은 p형 질화물 반도체층(18) 상에 형성되며, n측 전극(19a)은 일반적으로 메사에칭을 통해 p형 질화물 반도체층(18)과 활성층(17) 일부를 제거한 후에, 상기 n형 질화물 반도체층(14)의 노출된 상면영역에 형성된다.
이러한 플래너구조 반도체 발광소자(10)에서, 두 전극 사이의 전류흐름은 최단거리인 경로에서 집중되므로, 전류밀도가 집중되는 영역(A)이 발생한다. 또한, 수평방향의 전류흐름을 가지므로 큰 직렬저항으로 인해 비교적 높은 구동전압을 갖는다. 이러한 문제로 인해 실질적으로 발광에 참여하는 면적이 작아진다.
또한, 전류밀도의 집중현상(current crowding)은 순간적인 스파크나 과부하시에 많은 전류를 인가하여 그 열로 인해 소자가 파괴되기 쉬우므로, 정전기방전(ESD)의 내성이 취약하다는 문제가 있다. 특히, n형 질화물층영역은 Si와 같은 불순물이 비교적 높은 농도로 도핑되므로, 결정성이 낮을 뿐만 아니라, 전류가 집중되는 영역(A) 중 n형 질화물층영역은 ESD 내성이 극히 취약하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 n형 질화물층영역에 적절한 2차원 전자가스층(2DEG)을 형성함으로써 시트캐리어(sheet carrier)농도를 높히고 전자이동도를 향상시켜 전류분산이 우수한 고효율 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은
기판 상에 형성된 n형 및 p형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함한 질화물 발광소자에 있어서, 상기 n형 질화물 반도체층은, 활성층으로부터 먼 순서로 위치한 제1 및 제2 n형 GaN층과, 상기 제1 및 제2 n형 GaN층 사이에 위치하여 각 계면에서 2차원 전자가스(2DEG)층을 형성하는 AlxGa1-xN(0<x<1)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
이로써, AlxGa1-xN(0<x<1)층의 양면에 2DEG가 분화되어, 높은 전자이동도를 기반으로 하는 균일한 전류분산효과를 가져올 수 있다.
원하는 2차원 전자가스층을 형성하기 위해서, 상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층은 적절한 두께와 Al함량을 갖도록 설계될 필요가 있다. 상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층은 약 100∼500Å의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층의 x범위는 약 0.05∼0.5인 것이 바람직하다. 이러한 AlxGa1-xN(0<x<1)층은 고의적으로 불순물이 도프되지 않은 언도프층일 수 있다.
추가적으로, 상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층과 상기 제1 또는 제2 n형 GaN층 사이에 AlN층을 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 채용되는 AlN층은 2DEG의 전자농도를 증가시킬 수 있는 유익한 압전효과를 유발하며, 절연층으로서 전위를 차폐시키는 동시에 전류분산효과를 보다 강화시킬 수 있다. 이러한 효과를 적절히 얻기 위해서, 상기 AlN층은 약 5∼30Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 기판과 상기 제1 n형 GaN층 사이에 Al이 1%미만으로 도프된 GaN층을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 전류분산효과가 저하되는 플래너구조 발광소자에 유익하게 채용될 수 있다. 이러한 플래너구조 발광소자는 상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 n형 질화물층의 일부영역이 노출되도록 메사에칭된 구조를 갖는다.
이 경우에, 상기 메사에칭된 n형 질화물 반도체층의 노출면은 상기 2차원전자가스(2DEG)층이 형성되는 상기 제1 n형 GaN층의 계면과 거의 동일한 평면을 이루도록 형성될 수 있다. 또는, 상기 메사에칭된 n형 질화물 반도체층의 노출면은 상기 2차원전자가스층이 형성되는 상기 제1 n형 GaN층의 계면보다 낮게 위치하도록 형성될 수도 있다.
본 발명의 특정 실시형태에서는, 상기 제1 n형 GaN층과 상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층 사이에 형성되며, 고의적으로 불순물이 도프되지 않은 고저항 GaN층을 더 포함하며, 일측의 2차원전자가스(2DEG)층은 상기 고저항 GaN층 계면에서 형성될 수 있다. 이 경우에, 고저항 GaN층에 의해 전류분산효과가 추가적으로 증대될 수 있다. 본 발명에 채용되는 고저항 GaN층은 80∼200Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
본 실시형태를 플래너구조 발광소자에 적용할 때에는, 상기 고저항 GaN층은 상기 메사에칭된 n형 질화물 반도체층의 노출면으로 제공되도록 메사에칭을 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명은 수직구조 질화물 발광소자에서도 유익하게 적용될 수 있다. 이러한 수직구조 발광소자의 경우에, 상기 기판은 전도성 기판이며, 상기 질화물 반도체 발광소자는 대향하는 양면에 전극이 마련된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
우선, 도2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(20)는 도1과 유사하게 상면에 버퍼층(22)이 마련된 사파이어기판(21)과 n형 질화물 반도체층(24a,24b), 활성층(27) 및 p형 질화물 반도체층(28)을 포함한다. 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층에 접속되도록 n측 전극(29a) 및 p측 전극(29b)이 제공된다.
상기 n형 질화물 반도체층은 상기 활성층(27)으로부터 먼 순서로 제1 n형 GaN층(24a)과 제2 n형 GaN층(24b)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 n형 GaN층(24a,24b) 사이에는 AlxGa1-xN(0<x<1)층(26, 이하, "AlGaN층"이라 함)이 형성된다. 상기 AlGaN층(26)은 상기 제1 및 제2 n형 GaN층(24a,24b)의 계면에서 2차원 전자가스(2DEG)층을 형성한다.
일반적으로, GaN 위에 성장되는 AlGaN은 격자부정합으로 인해 인장응력을 받게 되고, 그 결과 비교적 강한 압전효과에 의한 분극이 발생된다. 자발분극(spontaneous polarization)에 의해 전계의 도움으로 접합계면에 높은 2차원전자가스를 갖는다. 이러한 2차원 전자가스층은 높은 전자이동도와 포화전자속도를 나타내므로, n형 질화물층에서 결정성에 악영향을 주는 Si와 같은 불순물 도핑농도를 감소시키더라도 시트 캐리어 밀도를 높혀 충분한 전류분산효과를 기대할 수 있다.또한, 본 발명은 AlGaN층(26)의 양측에 n형 GaN층(24a,24b)을 배치하여 유익한 2DEG를 분화시킴으로써 보다 향상된 전류분산효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 전류분산효과를 개선하기 위한 AlGaN/GaN의 이종접합구조를 형성하기 위해서, AlGaN층(26)의 두께(t1)와, AlGaN층(26)과 n형 GaN층(24a,24b)의 밴 드갭 차이가 중요한 결정인자가 된다. 여기서, 밴드갭 차이는 AlGaN층(26)의 Al함량으로 조절될 수 있다. 2DEG를 형성하기 위한 두 주요결정인자는 반비례하는 상관관계를 갖지만, 본 발명에서는 바람직한 범위로서, AlGaN층(26)의 두께(t1)의 경우에 100∼500Å범위이며, 상기 AlGaN층(26)의 Al함량은 AlxGa1-xN(0<x<1)조성식에서 x가 약 0.05∼0.5이라 할 수 있다. 여기서, AlGaN층(26)은 고의적으로 불순물이 도프되지 않은 언도프층일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 n형 GaN층(24a,24b)은 약 80Å두께이상으로 형성할 경우에, 2DEG형성조건을 갖추므로, 일반적인 n형 질화물층의 두께를 고려하여 적절한 두께로 형성할 수 있다.
본 실시형태와 같이, 보다 바람직하게는 AlGaN층(26)와 제1 n형 GaN층(24a) 사이에 AlN층(25)을 포함할 수 있다. 본 발명에서 채용되는 AlN층(25)은 추가적인 압전효과를 통해 2DEG의 전자농도를 크게 증가시킬 수 있다(도3 참조). 또한, AlN층(25)은 절연성을 가지므로, 박막으로 형성하는 경우에, 전위를 차폐시키는 동시에 전류분산효과를 보다 강화시킬 수 있다. 상기 AlN층(25)의 두께(t2)가 5Å미만인 경우에는 충분한 효과를 얻기 어려우며, 30Å을 초과하는 경우에는 절연성 결정층으로서 오히려 소자에 악영향을 줄 수 있다. 따라서, 이러한 전위차폐효과 및 전류분산효과를 적절히 얻기 위해서, 상기 AlN층(25)은 약 5∼30Å의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 약 10Å이 가장 바람직하다. 본 실시형태에서는 AlN층(25)이 AlGaN층(26)와 제1 n형 GaN층(24a)인 것으로 예시되어 있으나, 이와 달리 AlGaN층(26)와 제2 n형 GaN층(24b) 사이에 위치할 수도 있다.
또한, 상기 기판(21)(본 실시형태에서는 버퍼층(22))과 상기 제1 n형 GaN층(24) 사이에 Al이 1%미만으로 도프된 GaN층(23)을 더 포함할 수 있다. 3족 원소인 Al을 소량 도핑하여 활성층에 결함으로서 존재하는 갈륨공격자(Ga vacancy)를 페시베이션함으로써, 2차원 또는 3차원의 전위로서의 성장을 억제시킬 뿐만 아니라, 포획된 전자가 이동가능하게 한다. 이로써, Al이 소량 도핑된 GaN층(23)은 결정성을 향상시키고 전자농도를 증가될 수 있다. 이러한 Al의 미량 도핑된 방법 및 효과는 본 출원인에 의해 출원된 대한민국특허출원 제2004-039101호가 참조될 수 있다.
본 실시형태와 같이 메사에칭된 플래너구조의 발광소자에서는, 메사에칭깊이를 2DEG이 형성되는 계면과 관련하여 적절히 설정하는 것이 전류분산효과의 개선을 증대시키기 위해서 바람직하다. 2차원전자가스층이 형성되는 상기 제1 n형 GaN층(24a)의 계면이 메사에칭된 n형 질화물층의 노출면, 즉 n측 전극(29a)이 형성될 면과 동일하거나 다소 높게 형성되는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 도2에 도시된 형태와 같이, 메사에칭된 n형 질화물층의 노출면이 상기 2차원전자가스층이 형성되는 상기 제1 n형 GaN층(24a)의 계면과 거의 동일한 평면을 갖도록 형성될 때에, 2DEG가 보다 효과적으로 활용되어 전류분산효과를 보다 향상시킬 수 있다.
도3은 본 발명에서 바람직하게 채용될 수 있는 GaN/AlGaN/AlN/GaN 이종접합구조를 나타내는 밴드다이어그램이다.
도3의 밴드다이어그램은 도2에 예시된 바와 같이, n형 GaN층과 n형 GaN층 사이에 AlGaN층 및 AlN층이 개재된 형태에 대한 것으로 이해될 수 있다.
AlGaN층 양측에 n형 GaN이 배치되므로, 양 계면에는 격자부정합으로 인해 압전효과가 발생된다. 이러한 AlGaN/GaN 이종접합구조의 압전효과는 AlGaAs/GaAs에 비해 3배이상 강하며, 자발분극에 의해 접합계면에 약 2∼5 ×1013/㎠의 높은 2차원전자가스층이 형성된다. 이러한 2차원 전자분포는 상온에서 1900㎠/Vㆍs의 높은 전자이동도와 2.2 ×107㎝/s의 포화전자속도를 가질 수 있다.
또한, AlN층의 추가로 인해 압전효과를 향상시켜 양계면으로 분화되는 2DEG농도를 향상시킬 수 있다. 또한, AlN층은 절연물질이지만, 두께를 적절히 조절함으로써 성장방향으로 전파되는 전위를 차단하여 결정성을 향상시키는 동시에, 전류차단층으로서 추가적인 전류분산효과를 기대할 수 있다. 이를 위해서, AlN층의 적절한 두께는 약 5∼30Å범위이다.
도4는 본 발명의 다른 실시형태에 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태는, 고의적으로 도프되지 않은 언도프된 고저항 GaN층을 전류분산효과 개선을 위해 추가한 형태이다.
도4를 참조하면, 상기 질화물 반도체 발광소자(40)는 상면에 버퍼층(42)이 마련된 사파이어기판(41)과 n형 질화물 반도체층(44a,44b), 활성층(47) 및 p형 질화물 반도체층(48)을 포함한다. 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층에 접속되도록 n측 전극(49a) 및 p측 전극(49b)이 제공된다.
상기 n형 질화물 반도체층은 도2와 유사하게, 상기 활성층(47)으로부터 먼 순서로 제1 n형 GaN층(44a)과 제2 n형 GaN층(44b)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 n형 GaN층(44a,44b) 사이에는 AlxGa1-xN(0<x<1)조성식을 갖는 AlGaN층(46)과 AlN층(45)이 형성된다. 상기 AlGaN층(46)에 의해 상기 제1 및 제2 n형 GaN층(44a,44b)의 계면에서 2차원 전자가스층이 형성되며, AlN층(45)에 의해 2DEG 농도가 증가된다.
도4에 도시된 바와 같이, 전류분산효과를 극대화하기 위해서, 고저항 GaN층(55)을 AlN층(45)과 제1 n형 GaN층(44a) 사이에 추가할 수 있다. 본 발명에서 채용되는 고저항 GaN층(55)은 고의적으로 불순물이 도프되지 않은 언도프된 GaN이다. 이 경우에, 상기 AlN층(45)과 인접한 계면에서 발생하는 2차원전자가스(2DEG)층은 상기 고저항 GaN층(55) 계면에서 형성될 수 있다. 본 실시형태에 채용되는 고저항 GaN층(55)의 두께(t0)는 80∼200Å인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태와 같이, 전류분산효과를 극대화하기 위해서, n측 전극(49a)이 형성될 노출면으로 제공되는 것이 바람직하다. 즉, 도4에 도시된 바와 같이 상기 고저항 GaN층(55)은 상기 메사에칭된 n형 질화물 반도체층의 노출면으로 제공되는 것이 바람직하다. 이는 적절한 깊이의 메사에칭으로 구현될 수 있다.
상술된 실시형태에서는 플래너구조 발광소자를 특정하여 본 발명을 설명하였으나, 전류분산효과가 요구되는 통상의 수직구조 질화물 반도체 발광소자에도 유사하게 적용될 수 있다. 이 경우에도 2DEG 제공을 통해 전류분산효과를 크게 향상시킬 수 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, n형 질화물층영역 사이에 AlxGa1-xN(0<x<1)층을 도입하여 양계면에 2차원 전자가스층(2DEG)을 형성함으로써 시트캐리어(sheet carrier)농도를 높히고 전자이동도를 향상시켜 전류분산이 우수한 고효율 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다. 특히, AlGaN층과 함께 소정의 두께를 갖는 절연성인 AlN층을 채용함으로써 2DEG를 강화하는 동시에, 결정성 및 추가적인 전류분산효과의 향상을 기대할 수 있다.

Claims (14)

  1. 기판 상에 형성된 n형 및 p형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함한 질화물 발광소자에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은,
    상기 활성층으로부터 먼 순서로 위치한 제1 및 제2 n형 GaN층과,
    상기 제1 및 제2 n형 GaN층 사이에 위치하여 각 계면에서 2차원 전자가스층을 형성하는 AlxGa1-xN(0<x<1)층과,
    상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층과 상기 제1 또는 제2 n형 GaN층 사이에 위치한 AlN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층은 100∼500Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층의 x범위는 0.05∼0.5인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층은 고의적으로 불순물이 도프되지 않은 언도프층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 AlN층은 5∼30Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1 n형 GaN층 사이에 Al이 1%미만으로 도프된 GaN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 n형 질화물층의 일부영역이 노출되도록 메사에칭된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 메사에칭된 n형 질화물 반도체층의 노출면은 상기 2차원전자가스층이 형성되는 상기 제1 n형 GaN층의 계면과 거의 동일한 평면을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 메사에칭된 n형 질화물 반도체층의 노출면은 상기 2차원전자가스층이 형성되는 상기 제1 n형 GaN층의 계면보다 낮게 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 n형 GaN층과 상기 AlxGa1-xN(0<x<1)층 사이에 형성되며, 고의적으로 불순물이 도프되지 않은 고저항 GaN층을 더 포함하며, 2차원전자가스층이 상기 고저항 GaN층 계면에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 n형 질화물층의 일부영역이 노출되도록 메사에칭되며, 상기 고저항 GaN층은 상기 메사에칭된 n형 질화물 반도체층의 노출면으로 제공되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서
    상기 고저항 GaN층은 80∼200Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 전도성 기판이며, 상기 질화물 반도체 발광소자는 대향하는 양면에 전극이 마련되는 수직구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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