KR20140010587A - 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자가 개시된다. 개시된 반도체 발광 소자는 AlN으로 형성된 버퍼층 내부에 도펀트를 포함하는 도핑층을 형성함으로써, 버퍼층 내부의 결정 결함을 방지 및 기판 내 균일 성장을 유도할 수 있으며, 그 상부에 형성되는 질화물 반도체층의 결정성을 증가시킬 수 있다.
Description
개시된 실시예는 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 구체적으로 질화물 반도체층 성장을 위한 버퍼층에 도펀트를 포함하는 질화물계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광 소자는 기판 상에 순차적으로 형성된 다수의 질화물 반도체층을 포함하며, 특히 GaN 등의 질화물을 이용한 질화물계 반도체는 우수한 특성으로 인하여 광전 재료 및 전자 소자에 널리 사용되며 관련 기술분야에서 크게 각광을 받고 있다.
일반적인 질화물계 반도체 발광 소자는 기판 상에 다층 구조로 형성된 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 구조를 지니며, 활성층에서 발생하는 광을 외부로 추출하여 광원으로 사용하고 있다.
이러한 질화물계 반도체 발광소자에서 다양한 파장대의 광을 얻기 위하여, 원하는 조성식을 지닌 질화물 반도체를 사용할 수 있다. 질화물 반도체는 반도체 단결정으로 성장시키는 것이 바람직하며, 따라서 질화물 반도체 내에 크랙이나 전위(dislocation) 등의 결함 발생을 억제해야 한다. 이를 위하여 초격자 구조 등을 삽입하거나 저온 성장된 버퍼층을 형성하는 등 다양한 방법이 시도되고 있다.
본 발명의 일측면에서는 질화물 반도체층 성장을 위한 버퍼층에 도펀트를 포함하는 질화물계 발광 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 측면에서는 질화물 반도체층 성장을 위해 버퍼층에 도펀트를 도핑하는 공정을 포함하는 질화물계 발광 소자의 제조 방법을 제공하고자 한다.
반도체 발광 소자에 있어서,
기판;
상기 기판 상에 형성된 것으로, 도핑층을 포함하며 AlN으로 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층; 및
상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 전극;을 포함하는 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.
상기 버퍼층 내에 상기 도핑층이 둘 이상의 다층 구조로 형성된 것일 수 있다.
상기 도핑층의 도핑 농도는 1017/cm3 내지 1019/cm3일 수 있다.
상기 도핑층의 도핑 농도는 1017/cm3 내지 1019/cm3 범위에서 두께 방향으로 도핑 농도가 변화할 수 있다.
상기 버퍼층은 수백 내지 수천 nm의 두께로 형성된 것일 수 있다.
상기 도펀트는 Al과 원자 반지름이 다른 도펀트일 수 있다.
상기 도펀트는 Si, Ge, In, Sb, Ga, P 또는 As일 수 있다.
상기 n형 질화물 반도체층은 AlGaN을 포함하여 형성된 것일 수 있다.
또한, 기판 상에 AlN으로 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층 내에 Al과 원자 반지름이 다른 도펀트를 주입하여 도핑층을 형성하는 단계;를 포함하는 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 버퍼층 내에 도펀트를 포함하는 도핑층을 형성함으로써 버퍼층 내부의 격자 결함을 방지함으로써 그 상부에 형성되는 질화물 반도체층의 결함을 억제하고 결정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 도펀트에 의해 버퍼층의 격자 상수가 변형됨에 따라 기판의 응력 상태 또는 휨 정도가 달라지게 되고, 이를 이용하여 기판 내 균일한 박막 형성이 가능하다. 그리고, 별도의 AlGaN/AlN과 같은 초격자 구조를 형성하는 복잡한 공정을 거치지 않고도 안정된 특성을 지닌 반도체 발광소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 버퍼층에 다수의 도핑층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 3은 도펀트의 도핑 농도가 변하는 도핑 영역을 지닌 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 버퍼층에 다수의 도핑층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 3은 도펀트의 도핑 농도가 변하는 도핑 영역을 지닌 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자에 대해 상세히 설명하고자 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자는, 기판(10), 기판(10) 상에 형성된 버퍼층(11), 버퍼층(11) 상에 형성된 n형 질화물 반도체층(12), n형 질화물 반도체층(12) 상에 형성된 활성층(13) 및 활성층(13) 상에 형성된 p형 질화물 반도체층(14)을 포함할 수 있다. 그리고, n형 질화물 반도체층(12) 및 p형 질화물 반도체층(14) 상에 각각 형성된 전극(15, 16)을 포함할 수 있다. 여기서 버퍼층(11)은 그 상부에 형성되는 n형 질화물 반도체층(12)의 크랙이나 전위 등의 결함 발생을 효과적으로 방지하기 위하여, 도핑층(111)을 포함할 수 있다.
이하, 도면에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광 소자의 각 구성 물질에 대해 설명하고자 한다. 이와같은 설명은 도 1 뿐만 아니라 다른 도면의 동일한 명칭을 지닌 구성에 대해서도 적용될 수 있다.
기판(10)은 질화물 반도체 물질을 성장시기키 위해 일반적으로 사용되는 물질이면 제한없이 이용할 수 있다. 예를들어, 사파이어 기판 또는 실리콘 기판 등을 이용할 수 있다. 사파이어 기판은 비교적 질화물 반도체 물질의 성장이 용이하며 고온에서 안정한 특성을 지니기 때문에 질화물 반도체 물질 성장용 기판 재료로 사용될 수 있다. 또한 기판으로는 Si, SiC, Ga2O3, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 또는 GaN 기판을 사용할 수 있다.
버퍼층(11)은 그 상부에 형성되는 질화물 반도체 물질을 성장시키기 위해 기판(10)과 질화물 반도체 물질 사이의 격자 부정합을 완화시키기 위해 형성된다. 현재 사파이어를 비롯한 기판(10) 재료의 경우, 질화물 반도체 물질과 결정 구조가 완전히 동일한 기판을 사용하기 어렵기 때문에 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(12) 물질을 고려하여 버퍼층(11)의 물질을 선택할 수 있다. 버퍼층(11)은 AlN을 이용하여 수백 내지 수천 nm의 두께로 형성할 수 있으며, 예를 들어 100nm 내지 3000nm의 두께로 형성할 수 있다.
기판(10) 상에 AlN으로 형성된 버퍼층(11)을 형성한 경우, 기판(10)을 형성하는 사파이어 등과 AlN은 동일한 물질이 아니기 때문에 버퍼층(11) 내부에 크랙 또는 전위 등의 결함 영역이 발생할 수 있다. 이 경우 버퍼층(11) 내부의 결함이 표면으로 확장되어 버퍼층(11)의 표면 거칠기 및 결정성이 나빠질 수 있다. 따라서, 버퍼층(11) 상부에 형성되는 질화물 반도체 물질의 성장에 악영향을 미칠 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 실시예에 의한 질화물계 발광 소자는 버퍼층(11) 내부에 도핑층(111)을 포함할 수 있다. 도핑층(111)은 AlN 내에 Al보다 원자 반지름이 크거나 작은 도펀트를 도핑하여 형성할 수 있다. 구체적으로 도핑층(111)을 형성하는 도펀트로는 Al과 원자 반지름이 다른 Si, Ge, In, Sb, Ga, P 또는 As 중에서 선택될 수 있다.
버퍼층(11) 내에 도핑층(111)이 형성되는 영역에는 제한이 없으며, 예를 들어 버퍼층(11) 내에 전체적으로 Si, Ge, In, Sb, Ga, P 또는 As을 도핑한 도핑층(111)을 형성할 수 있으며, 또한 일부 제한된 영역에 대해서 도핑층(111)을 단층 구조로 형성할 수 있다. 그리고, Si, Ge, In, Sb, Ga, P 또는 As을 도핑한 영역과 도핑하지 않은 영역을 교대로 형성하여 버퍼층(11) 내에 도핑층(111)을 다층 구조로 형성할 수 있다.
도핑층(111)의 도펀트의 도핑 농도는 1017/cm3 내지 1019/cm3의 범위에서 조절할 수 있다. 도펀트의 도핑 농도는 도핑층(111)의 전체를 통해 균일하도록 제어할 수 있으나, 두께 방향, 즉 버퍼층(11)의 성장 방향에 따라 도핑 농도를 변화시켜 도핑층(1111)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(11)의 성장 방향에 따라 도펀트의 도핑 농도를 점차 증가시켜 도핑층(111)을 형성할 수 있으며, 도펀트의 도핑 농도를 증가시킨 후 다시 감소시키는 형태로 도핑층(111)을 형성할 수 있다.
n형 질화물 반도체층(12)은 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 화학식을 지닌 물질에 n형 도펀트를 도핑하여 형성시킬 수 있다. 구체적으로, n형 질화물 반도체층(12)은 AlGaN, GaN, 또는 GaInN에 Si, Ge, Se, Te 또는 C와 같은 n형 도펀트를 도핑하여 형성시킬 수 있다.
활성층(13)은 다중양자우물구조(multi quantum well: MQW) 구조로 형성될 수 있으며, 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 다층 구조로 형성된 것일 수 있다. 예를 들어 양자우물층/양자장벽층의 예로서 청색 발광소자의 경우 InGaN/GaN 등의 다중 양자우물 구조가 사용될 수 있으며, 자외선 발광소자의 경우, GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN 및 InGaN/AlGaN 등의 다중 양자 우물 구조가 사용될 수 있다. 활성층(13)의 발광 효율을 향상시키 위해, 양자우물의 깊이, 양자우물층/양자장벽층의 적층 수, 두께 등을 변화시킬 수 있다.
p형 질화물 반도체층(14)은 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1,0≤x+y≤1)의 화학식을 지닌 물질에 p형 도펀트를 도핑하여 형성시킬 수 있다. 구체적으로, p형 질화물 반도체층(14)은 AlGaN, GaN, 또는 GaInN에 Mg, Zn 또는 Be와 같은 p형 도펀트를 도핑하여 형성시킬 수 있다.
전극(15, 16)은 n형 질화물 반도체층(12)의 상면에 형성된 n측 전극(16)과 p형 질화물 반도체층(14) 상면에 형성된 p측 전극(15)을 포함할 수 있다. 여기서 p측 전극(15)은 투명전극 및 본딩 전극을 포함할 수 있다. 투명전극은 Ni/Au, 산화인듐주석(ITO) 또는 산화카드뮴주석(CTO) 등으로 형성될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, p형 질화물 반도체층(14) 및 p측 전극(15) 사이에 p형 콘택층을 더 포함할 수 있다. p형 콘택층은 예를 들어 p형 GaN으로 형성된 것일 수 있다.
도 2는 버퍼층에 다수의 도핑층을 포함하는 반도체 발광 소자의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 기판(20), 기판(20) 상에 형성된 버퍼층(21), 버퍼층(21) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(22), 활성층(23) 및 p형 질화물 반도체층(24)을 포함할 수 있0다. 그리고, n형 질화물 반도체층(22) 및 p형 질화물 반도체층(24) 상에 각각 형성된 전극(25, 26)을 포함할 수 있다.
도 2에서는 버퍼층(21) 내부에 제 1도핑층(211a) 및 제 2도핑층(211b)이 형성되어 있다. 도핑층(211a, 211b)은 AlN으로 형성된 버퍼층(21) 내에 Al과 원자 반지름이 다른 Si, Ge, In, Sb, Ga, P 또는 As 등의 도펀트를 도핑하여 형성한 것으로 버퍼층(21)내에 위치의 제한없이 형성될 수 있다. 여기서 도핑층(211a, 211b)은 버퍼층(21) 내에 두 층이 형성된 것을 나타내었으나, 그 이상으로 형성된 것일 수 있다. 제 1도핑층(211a) 및 제 2도핑층(211b)의 도핑 농도는 동일할 수 있으나, 서로 다른 도핑 농도를 지닐 수 있다.
도 3은 도펀트의 도핑 농도가 변하는 도핑 영역을 지닌 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 기판(30), 기판(30) 상에 형성된 버퍼층(31), 버퍼층(31) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(32), 활성층(33) 및 p형 질화물 반도체층(34)을 포함할 수 있다. 그리고, n형 질화물 반도체층(32) 및 p형 질화물 반도체층(34) 상에 각각 형성된 전극(35, 36)을 포함할 수 있다.
도 3에서는 버퍼층(31) 내부에 비교적 넓은 영역에 걸쳐 도핑층(311)이 형성된 것을 나타내었다. 다만, 도핑층(311)의 도핑 농도는 전체적으로 동일하게 형성된 것일 수 있으나, 버퍼층(31)의 형성 방향에 따라 도핑 농도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어 도핑층(311)의 도핑 농도는 두께 방향, 즉 버퍼층(31)의 형성 방향에 따라 점차적으로 증가시킬 수 있으며, 반대로 감소시킬 수 있다. 또한 도핑층(311)의 도핑 농도는 버퍼층(31)의 형성 방향에 따라 증가시켰다가 감소시킬 수 있다. 다만, 이 경우에도 도핑층(311)의 도핑 농도는 1017/cm3 내지 1019/cm3의 범위에서 조절할 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일실시예에 따른 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 기판(40) 상에 버퍼층(41)을 형성시킨다. 예를 들어 사파이어 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성시킬 수 있다. 버퍼층(41)은 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE)이나, 하이브리드 기상증착법(Hybride Vapor Phase Epitaxy : HVPE) 등을 사용하여 형성시킬 수 있으며, 제한은 없다.
도 4b를 참조하면, 버퍼층(41)에 Al과 원자 반지름이 다른 Si, Ga, In, Sb, Ga, P 또는 As 등의 도펀트를 도핑하여 제 1도핑층(411a)을 형성시킨다. 도핑층(411a)의 도핑 농도는 1017/cm3 내지 1019/cm3의 범위에서 조절할 수 있다. 버퍼층(41)을 형성한 후 도핑 공정을 실시하여 제 1도핑층(411a)을 형성시킬 수 있으나, 버퍼층(41)을 형성하면서 동시에 도펀트를 주입하여 제 1도핑층(411a)을 형성시킬 수 있다.
도 4c를 참조하면, 버퍼층(41) 내에 제 1도핑층(411a)을 형성한 후 추가적으로 제 2도핑층(411b)을 더 형성시킬 수 있다. 제 2도핑층(411b)은 제 1도핑층(411a)과 동일한 방법으로 형성할 수 있으며, 제 1도핑층(411a)의 도핑 농도와 같거나 다르게 형성할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 버퍼층(41) 상에 n형 질화물 반도체층(42)을 형성한다. 버퍼층(41) 내에 도핑층(411a, 411b)을 형성함으로써, 도핑층(411a, 411b)을 형성하지 않은 경우에 비교하여 결함 밀도가 감소한 버퍼층(41)을 형성시킬 수 있다. 따라서 그 상부에 형성되는 n형 질화물 반도체층(42)도 결함 밀도가 감소된 안정된 구조로 성장시킬 수 있다. 그리고, 도 4e를 참조하면, n형 질화물 반도체층(42)을 형성시킨 후 그 상부에 활성층(43), p형 질화물 반도체층(44)을 형성시킨다. 그리고, p형 질화물 반도체층(44), 활성층(43) 및 n형 질화물 반도체층(42)을 일부 제거하여 n형 질화물 반도체층(42)을 노출시킨 후 전극을 형성시킬 수 있으며, 이는 일반적인 반도체 공정으로 진행할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 약 1㎛의 두께로 성장시킨 AlN 버퍼층의 표면의 AFM(atomic force microscope) 이미지를 나타낸 도면이다. 도 5a는 AlN을 성장시킨 후 그 표면을 나타낸 AFM 이미지이며, 도 5b는 AlN 버퍼층에 대해 Si을 약 5*1017/cm3의 농도로 도핑한 뒤 그 표면을 나타낸 AFM 이미지이다. 표면 거칠기 측정 결과, Si을 도핑하지 않은 경우 중앙 부위의 표면 거칠기가 약 1.9nm였으며, Si을 도핑한 경우 중앙 부위의 표면 거칠기가 약 0.8nm로 개선되었다.
이와같이 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광 소자에서는 버퍼층 내에 Al과 원자 반지름이 다른 Si, Ge, In, Sb, Ga, P 또는 As 등의 도펀트를 도핑하여 도핑층을 형성함으로써 버퍼층 내부의 격자 결함을 방지하고 표면 거칠기를 향상시켜 그 상부에 형성되는 질화물 반도체층의 결함을 억제하고 결정성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 도펀트에 의해 버퍼층의 격자 상수가 변형됨에 따라 기판의 응력 상태 또는 휨 정도가 달라지게 되고, 이를 이용하여 기판 내 균일한 박막 성장이 가능하다. 또한, 별도의 AlGaN/AlN과 같은 초격자 구조를 형성하는 복잡한 공정을 거치지 않고도 안정된 특성을 지닌 질화물 반도체층을 형성시킬 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10, 20, 30, 40... 기판
11, 21, 31, 41... 버퍼층
12, 22, 32, 42... n형 질화물 반도체층
13, 23, 33, 43... 활성층
14, 24, 34, 44... p형 질화물 반도체층
111, 211a, 211b, 311, 411a, 411b... 도핑층
11, 21, 31, 41... 버퍼층
12, 22, 32, 42... n형 질화물 반도체층
13, 23, 33, 43... 활성층
14, 24, 34, 44... p형 질화물 반도체층
111, 211a, 211b, 311, 411a, 411b... 도핑층
Claims (14)
- 반도체 발광 소자에 있어서,
기판;
상기 기판 상에 형성된 것으로, 도핑층을 포함하며 AlN으로 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층; 및
상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 전극;을 포함하는 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 버퍼층 내에 상기 도핑층이 둘 이상의 다층 구조로 형성된 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 도핑층의 도핑 농도는 1017/cm3 내지 1019/cm3인 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자. - 제 3항에 있어서,
상기 도핑층은 두께 방향으로 도핑 농도가 변화하는 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 버퍼층은 100nm 내지 3000nm의 두께로 형성된 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 도펀트는 Al과 원자 반지름이 다른 도펀트인 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자. - 제 6항에 있어서,
상기 도펀트는 Si, Ge, In, Sb, Ga, P 또는 As인 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 n형 질화물 반도체층은 AlGaN을 포함하여 형성된 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자. - 기판 상에 AlN으로 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층 내에 Al보다 원자 반지름이 다른 도펀트를 주입하여 도핑층을 형성하는 단계;를 포함하는 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 도핑층은 다층으로 형성하는 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 도핑층의 도핑 농도는 1017/cm3 내지 1019/cm3인 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 도핑층은 도핑 농도 변화하도록 형성한 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 도핑층은 Si, Ge, In, Sb, Ga, P 또는 As를 도핑하여 형성하는 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 n형 질화물 반도체층은 AlGaN으로 형성하는 도핑된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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