KR20140099693A - Non-polar nitride-based light emitting device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 무분극 질화물계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, a-면 또는 m-면 질화물계 반도체를 포함하는 제 1전도성의 제 1반도체층; 상기 제 1반도체층 상에 위치하고, 도핑되지 않은 질화물계 반도체를 포함하는 제 2반도체층; 상기 제 2반도체층 상에 위치하고, 제 1발광 파장의 빛을 방출하도록 인듐을 포함하는 제 1두께의 질화물계 반도체를 가지고, 상기 제 1두께는 상기 제 1발광 파장을 방출하기 위한 c-면 질화물계 반도체보다 두꺼운 활성층; 상기 활성층 상에 위치하고, 도핑되지 않은 질화물계 반도체를 포함하는 제 3반도체층; 및 상기 제 3반도체층 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하는 제 2전도성의 제 4반도체층을 포함하여 구성될 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting device, and more particularly, to a non-polarization nitride based light emitting device and a manufacturing method thereof. The present invention provides a semiconductor device comprising: a first semiconductor layer of a first conductivity type including an a-plane or m-plane nitride-based semiconductor; A second semiconductor layer located on the first semiconductor layer and including a non-doped nitride based semiconductor; And a nitride based semiconductor having a first thickness and comprising indium to emit light of a first emission wavelength, the first thickness being located on the second semiconductor layer, wherein the first thickness is a c-plane nitride for emitting the first emission wavelength An active layer thicker than the semiconductor; A third semiconductor layer located on the active layer and including an undoped nitride-based semiconductor; And a second conductive fourth semiconductor layer located on the third semiconductor layer and including a nitride based semiconductor.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 무분극 질화물계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
청색 발광 다이오드와 같은 반도체 소자의 재료로 사용되는 질화 갈륨은 육방정계(Wurzite) 결정 구조를 가지는 재료로서, 주로 c-면의 결정 방향으로 박막을 성장하게 된다. 그 이유는 c-면의 결정 방향으로 성장하는 경우가 수평 성장이 용이하여 전위 등의 결함이 적은 고 품질의 박막을 얻을 수 있기 때문이다. Gallium nitride used as a material of a semiconductor device such as a blue light-emitting diode is a material having a hexagonal crystal structure, and a thin film is grown mainly in the crystal direction of the c-plane. This is because the case of growing in the crystal direction of the c-plane facilitates horizontal growth, and a thin film of high quality with few defects such as dislocations can be obtained.
이때, 성장 방향을 기준으로 할 때 동일 평면 상에 질소층과 갈륨층이 교차하여 반복되는 결정 구조를 가지게 된다. 질소와 갈륨 사이에 강한 내부 필드가 존재하게 되고 이에 기인하여 분극 현상이 발생하게 된다. At this time, when the growth direction is taken as a reference, the nitride layer and the gallium layer are crossed and repeated on the same plane. There is a strong internal field between nitrogen and gallium, which causes polarization.
형성된 내부 필드는 자발 분극(spontaneous polarization) 및 압전 분극(piezo-electric field)의 두 가지 성분으로 나누어지고, InAlGaN 재료와 같은 서로 다른 격자 상수를 가지는 층이 삽입되는 경우, 분극 효과는 증가하여 양자 가둠 스타크 효과(quantum confined Stark effect)가 발생할 수 있다.The inner field formed is divided into two components, spontaneous polarization and piezo-electric field. When a layer having different lattice constants such as an InAlGaN material is inserted, the polarization effect increases, A quantum confined Stark effect may occur.
예를 들어, 청색 발광 다이오드에서처럼 p-형 및 n-형 질화 갈륨(GaN) 층 사이에 알루미늄 인듐 질화 갈륨(InAlGaN) 활성층이 삽입된 구조에서 격자 상수 차이에 의해 층 사이에 변형이 발생하고, 이는 내부 필드를 생성시켜 활성층 에너지 밴드 구조의 구부러짐을 야기시킬 수 있다. For example, in a structure in which a gallium aluminum indium gallium nitride (InAlGaN) active layer is inserted between p-type and n-type gallium nitride (GaN) layers as in a blue light emitting diode, deformation occurs between layers due to difference in lattice constant, An internal field may be generated to cause bending of the active layer energy band structure.
결과적으로 활성층 내부에서 전자 및 정공의 파동 함수가 공간적으로 분리되어 에너지 간극의 크기도 감소하게 된다. 이러한 현상은 주입된 전자와 정공간의 재결합 효율이 저하되는 주요 원인이 될 수 있다. As a result, the wave function of electrons and holes in the active layer is spatially separated and the size of the energy gap is also reduced. This phenomenon can be a major cause of deterioration of recombination efficiency of injected electrons and positive space.
따라서, c-축 방향으로 성장된 질화 갈륨계 재료를 사용하는 발광 다이오드에서는 이종 박막에 의한 응력이 소자의 성능을 저하시키지 않도록 하기 위하여 InAlGaN 이종 박막 층의 두께를 약 3 nm가 넘지 않도록 설계하는 것이 일반적이다. Therefore, in a light emitting diode using a gallium nitride-based material grown in the c-axis direction, in order to prevent the stress caused by the heteroepitent film from deteriorating the performance of the device, the thickness of the InAlGaN heteroepitent thin film layer is designed not to exceed about 3 nm It is common.
또한, 질화 갈륨계 발광 다이오드에서는 인가 전류를 증가시킴에 따라 광 효율 감소하는 현상(efficiency-droop)이 존재하는데, 이는 얇은 활성층 두께가 주요 원인인 것으로 알려져 있다.In addition, in the gallium nitride-based light emitting diode, there is an efficiency-droop phenomenon as the applied current is increased, which is known to be caused by the thin thickness of the active layer.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 무분극 질화물계 발광 소자에 있어서, 활성층의 결정 품질을 향상시킬 수 있는 무분극 질화물계 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a non-polarization nitride based light emitting device capable of improving crystal quality of an active layer in a non-polarization nitride based light emitting device and a method of manufacturing the same.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 1관점으로서, 본 발명은, a-면 또는 m-면 질화물계 반도체를 포함하는 제 1전도성의 제 1반도체층; 상기 제 1반도체층 상에 위치하고, 도핑되지 않은 질화물계 반도체를 포함하는 제 2반도체층; 상기 제 2반도체층 상에 위치하고, 제 1발광 파장의 빛을 방출하도록 인듐을 포함하는 제 1두께의 질화물계 반도체를 가지고, 상기 제 1두께는 상기 제 1발광 파장을 방출하기 위한 c-면 질화물계 반도체보다 두꺼운 활성층; 상기 활성층 상에 위치하고, 도핑되지 않은 질화물계 반도체를 포함하는 제 3반도체층; 및 상기 제 3반도체층 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하는 제 2전도성의 제 4반도체층을 포함하여 구성될 수 있다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a first semiconductor layer of a first conductivity type including an a-plane or m-plane nitride-based semiconductor; A second semiconductor layer located on the first semiconductor layer and including a non-doped nitride based semiconductor; And a nitride based semiconductor having a first thickness and comprising indium to emit light of a first emission wavelength, the first thickness being located on the second semiconductor layer, wherein the first thickness is a c-plane nitride for emitting the first emission wavelength An active layer thicker than the semiconductor; A third semiconductor layer located on the active layer and including an undoped nitride-based semiconductor; And a second conductive fourth semiconductor layer located on the third semiconductor layer and including a nitride based semiconductor.
여기서, 활성층의 제 1두께는, 5 nm 내지 15 nm일 수 있다.Here, the first thickness of the active layer may be 5 nm to 15 nm.
이러한 활성층의 제 1두께는, 상기 제 1발광 파장을 방출하기 위한 c-면 질화물 반도체보다 2배 내지 10배 두꺼울 수 있다.The first thickness of the active layer may be two to ten times as thick as the c-plane nitride semiconductor for emitting the first emission wavelength.
여기서, 활성층과 제 3반도체층 사이에는, 상기 활성층에서 인듐의 휘발을 방지하기 위한 질화물계 반도체를 포함하는 캡층을 더 포함할 수 있다.
Here, between the active layer and the third semiconductor layer, a cap layer including a nitride-based semiconductor for preventing the volatilization of indium in the active layer may be further included.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 2관점으로서, 본 발명은, 기판 상에, 제 1형 도펀트를 포함하는 제 1전도성의 질화물계 반도체를 포함하는 제 1반도체층을 성장시키는 단계; 상기 제 1반도체층 상에 도펀트를 포함하지 않는 질화물계 반도체를 포함하는 제 2반도체층을 제 1온도에서 성장시키는 단계; 상기 제 2반도체층 상에 상기 제 1온도보다 낮은 제 2온도에서 인듐을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 활성층을 성장시키는 단계; 상기 제 2온도보다 높은 제 3온도에서 상기 활성층을 열처리하는 단계; 상기 활성층 상에 도펀트를 포함하지 않는 질화물계 반도체를 포함하는 제 3반도체층을 성장시키는 단계; 및 상기 제 3반도체층 상에 제 2형 도펀트를 포함하는 제 2전도성의 질화물계 반도체를 포함하는 제 4반도체층을 성장시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: growing a first semiconductor layer including a first conductive nitride-based semiconductor including a first type dopant on a substrate; Growing a second semiconductor layer on the first semiconductor layer including a nitride-based semiconductor that does not include a dopant at a first temperature; Growing an active layer on the second semiconductor layer including a nitride-based semiconductor containing indium at a second temperature lower than the first temperature; Annealing the active layer at a third temperature higher than the second temperature; Growing a third semiconductor layer including a nitride-based semiconductor that does not include a dopant on the active layer; And growing a fourth semiconductor layer including a second conductive nitride-based semiconductor including a second-type dopant on the third semiconductor layer.
여기서, 제 1반도체층, 제 3반도체층 및 제 4반도체층 적어도 어느 하나는 상기 제 1온도에서 성장시킬 수 있다.Here, at least one of the first semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer may be grown at the first temperature.
여기서, 제 3온도는 상기 제 2온도와 제 1온도의 사이일 수 있다.Here, the third temperature may be between the second temperature and the first temperature.
여기서, 활성층 성장 이후에는, 상기 활성층 상에 질화물계 반도체를 포함하는 캡층을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, after the active layer is grown, a step of growing a cap layer including a nitride-based semiconductor on the active layer may be further included.
또한, 상기 캡층을 성장시키는 단계는, 상기 제 2온도에서 성장시킬 수 있다.The step of growing the cap layer may be grown at the second temperature.
이때, 캡층은, 상기 인듐의 휘발을 방지하기 위함일 수 있다.At this time, the cap layer may be for preventing the volatilization of the indium.
여기서, 활성층은, 제 1발광 파장의 빛을 방출하도록 인듐을 포함하는 제 1두께의 질화물계 반도체를 가지고, 상기 제 1두께는 상기 제 1발광 파장을 방출하기 위한 c-면 질화물계 반도체보다 두꺼울 수 있다.Here, the active layer has a nitride-based semiconductor having a first thickness including indium so as to emit light having a first emission wavelength, and the first thickness is thicker than the c-plane nitride-based semiconductor for emitting the first emission wavelength .
이때, 활성층의 제 1두께는, 5 nm 내지 15 nm일 수 있다.At this time, the first thickness of the active layer may be 5 nm to 15 nm.
한편, 제 3온도는, 상기 제 2온도보다 20 ℃ 내지 400 ℃ 높을 수 있다.On the other hand, the third temperature may be higher than the second temperature by 20 ° C to 400 ° C.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.The present invention has the following effects.
먼저, 동종 혹은 이종 기판을 사용하는 무분극 질화물계 반도체 발광 소자에서, 인듐 질화 갈륨(InGaN)을 포함하는 활성층 성장 후에 열처리 공정을 채용하여, InGaN 박막의 성장 과정에서 생성되는 결정 결함 크게 감소시켜 활성층의 발광 재결합 효율 성능을 향상시킬 수 있다.First, in a non-polarization nitride based semiconductor light emitting device using a homogenous or heterogeneous substrate, a heat treatment process after growth of an active layer including indium gallium nitride (InGaN) is employed to significantly reduce crystal defects generated in the growth process of the InGaN thin film, It is possible to improve the light emitting recombination efficiency performance.
특히, c-면 질화 갈륨계 반도체와 비교하여 인듐(In)의 인입 특성이 떨어지는 a-면 및 m-면 등의 무분극 질화 갈륨계 반도체에서, InGaN 박막 성장 후 열처리 공정을 통해 In 조성을 효과적으로 제어할 수 있다.Particularly, the In composition is effectively controlled through the heat treatment process after the growth of the InGaN thin film in the nonpolarized gallium nitride semiconductor such as the a-plane and the m-plane in which the draw-in property of indium (In) is lower than that of the c- can do.
이와 같이, InGaN 박막의 두께 증가에 의한 응력 발생 등의 문제점을 InGaN 박막 성장 후의 열처리 공정을 통해 완화할 수 있어, 발광 소자의 성능 개선에 기여할 수 있다.Thus, problems such as generation of stress due to an increase in the thickness of the InGaN thin film can be alleviated through the heat treatment process after the growth of the InGaN thin film, thereby contributing to the improvement of the performance of the light emitting device.
도 1은 무분극 질화물계 발광 소자를 제작하는 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 2는 무분극 질화물계 발광 소자의 제조 공정을 성장 온도와 함께 표시한 개략도이다.
도 3은 무분극 질화물계 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4는 질화 갈륨의 결정 방향별로 성장 온도에 따른 활성층의 발광 파장을 도시하는 그래프이다.
도 5는 종래의 방법으로 제 2반도체층 상에 성장된 무분극 a-면 InGaN 활성층(231)의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지이다.
도 6은 종래의 방법으로 제작된 무분극 a-면 발광 다이오드의 EL(Electro-Luminescence) 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의한 제 2반도체층 상에 성장된 무분극 a-면 InGaN 활성층(231)의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지이다.
도 8은 본 발명에 의하여 제작된 무분극 a-면 발광 다이오드의 EL(Electro-Luminescence) 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 열처리 공정 전후의 InGaN 박막의 단면 TEM 이미지와 시뮬레이션 도이다.
도 11은 서로 다른 InGaN 활성층 열처리 조건에서의 PL(Photo-Luminescence) 특성을 비교한 그래프이다.
도 12 및 도 13은 활성층 열처리 공정의 유무에 따른 무분극 a-면 발광 다이오드의 커패시턴스-전압 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14 및 도 15는 무분극 질화물계 발광 소자를 제작하는 과정의 다른 예들을 나타내는 순서도이다.
도 16은 극성 질화물계 발광 소자의 전류 인가에 따른 외부 양자 효율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 무분극 질화물계 발광 소자의 전류 인가에 따른 외부 양자 효율 특성을 나타내는 그래프이다.1 is a flow chart showing an example of a process for manufacturing a polarization-free nitride-based light emitting device.
2 is a schematic view showing a manufacturing process of a non-polarization nitride based light emitting device together with a growth temperature.
3 is a cross-sectional view showing an example of a non-polarization nitride based light emitting device.
4 is a graph showing the emission wavelength of the active layer according to the growth temperature for each crystal direction of gallium nitride.
FIG. 5 is a transmission electron microscopy (TEM) image of the non-polarization a-plane InGaN
6 is a graph showing EL (Electro-Luminescence) measurement results of a non-polarized a-plane light emitting diode manufactured by a conventional method.
7 is a TEM (Transmission Electron Microscopy) image of the non-polarization a-plane InGaN
FIG. 8 is a graph showing EL (Electro-Luminescence) measurement results of a non-polarized a-plane light emitting diode fabricated according to the present invention.
9 and 10 are cross-sectional TEM images and simulation diagrams of the InGaN thin films before and after the heat treatment process.
11 is a graph comparing PL (Photo-Luminescence) characteristics in different InGaN active layer heat treatment conditions.
12 and 13 are graphs showing capacitance-voltage measurement results of a non-polarized a-plane light emitting diode according to the presence or absence of the active layer heat treatment process.
FIGS. 14 and 15 are flowcharts showing other examples of a process for manufacturing a polarization-free nitride-based light emitting device.
16 is a graph showing the external quantum efficiency characteristic according to the application of current to the polarized-nitride light emitting device.
17 is a graph showing the external quantum efficiency characteristic according to the current application of the non-polarization nitride based light emitting device.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.
무분극 질화물계 반도체는 성장 방향으로의 분극 현상이 존재하지 않은 결정 재료를 의미하는데, c-면과 90°방향으로 회전시킨 방향으로 성장하여 구현할 수 있다. 여기서 질화물계 반도체는, 질화 갈륨(GaN), 인듐 질화 갈륨(InGaN), 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN), 알루미늄 인듐 질화 갈륨(AlInGaN), 질화 인듐(InN) 및 질화 알루미늄(AlN) 등의 반도체를 모두 의미할 수 있다.The non-polarization nitride-based semiconductor means a crystal material having no polarization phenomenon in the growth direction, and can be realized by growing in a direction rotated in the 90 ° direction with the c-plane. Here, the nitride-based semiconductor is formed of a semiconductor such as gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), aluminum indium gallium nitride (AlInGaN), indium nitride (InN) It can mean.
이 경우 성장 방향을 기준으로 할 때, 질화 갈륨의 예를 들면, 질소층과 갈륨층이 평면 내에서 동일한 수를 가지기 때문에 성장 방향으로의 내부 필드가 상쇄되어 분극 특성이 나타나지 않는다. 따라서 통상의 c-면 질화 갈륨의 압전 분극에 의한 에너지 밴드의 왜곡 현상이 발생하지 않게 되고, 활성층에서의 전자와 정공의 재결합 효율 감소와 같은 문제점을 개선할 수 있다는 장점을 가진다. In this case, when the growth direction is taken as a reference, for example, since the nitrogen layer and the gallium layer have the same number in the plane, the internal field in the growth direction is canceled and the polarization characteristic does not appear. Therefore, distortion of the energy band due to the piezoelectric polarization of the conventional c-plane gallium nitride does not occur, and the problems such as reduction of recombination efficiency of electrons and holes in the active layer can be improved.
또한 일정 두께 이하로 활성층 설계가 제한되는 c-면 질화 갈륨계 재료와는 달리, 두께의 제한을 크게 완화시킬 수 있어 대전류 구동에 적합한 활성층 설계가 가능할 수 있다. 현재까지, 이러한 무분극 질화 갈륨의 박막 성장에 있어서는 이종 기판이 이용될 수 있으며, 일례로, r-면의 사파이어 기판 상에 a-면 또는 m-면 질화 갈륨을 성장하는 기술이 활용된다.Unlike the c-plane gallium nitride-based material, which is limited in the active layer design to a certain thickness or less, the thickness limitation can be largely mitigated and the active layer design suitable for high current driving can be realized. Until now, a heterogeneous substrate can be used for growing the thin film of the non-polarized gallium nitride. For example, a technique of growing an a-plane or m-plane gallium nitride on an r-plane sapphire substrate is utilized.
발광 다이오드의 광전 효율은 크게 세 가지 종류의 효율로 구성된다. 활성층 외부에서 주입된 전자가 어느 정도 발광 재결합에 의해 광자(photon)으로 변환하는지를 나타내는 내부 양자 효율(internal quantum efficiency), 생성된 광자가 내부 결함 등에 의한 광 손실 없이 발광 다이오드 외부로 방출되는 정도를 나타내는 광 추출 효율(light extraction efficiency), 마지막으로 직렬 저항 성분에 의한 전압 강하를 표현하는 주입 효율(injection efficiency) 등으로 구분할 수 있다. The photovoltaic efficiency of a light emitting diode is roughly composed of three kinds of efficiencies. An internal quantum efficiency indicating how much electrons injected from the outside of the active layer are converted into photons by light emission recombination and a degree of emission of the generated photons to the outside of the light emitting diode Light extraction efficiency, and injection efficiency, which represents the voltage drop due to the series resistance component.
이하, 위에서 언급한 이종 기판을 이용한 무분극 질화물계 반도체의 박막 성장에 있어서는 r-면의 사파이어 기판 상에 a-면 또는 m-면 질화 갈륨과 같은 질화물계 반도체 재료를 성장시켜 제작할 수 있다. 이와 같은 과정으로 제작하는 무분극 질화물계 발광 소자의 제조 공정을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, in the thin film growth of the non-polarization nitride based semiconductor using the above-mentioned heterogeneous substrate, a nitride-based semiconductor material such as an a-plane or m-plane gallium nitride may be grown on a r-plane sapphire substrate. The manufacturing process of the non-polarization nitride based light emitting device manufactured by the above process will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 무분극 질화물계 발광 소자를 제작하는 과정의 일례를 나타내는 순서도이고, 도 2는 무분극 질화물계 발광 소자의 제조 공정을 성장 온도와 함께 표시한 개략도이다. 또한, 도 3은 이와 같은 과정에 의하여 제작된 무분극 질화물계 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 무분극 질화물계 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명한다.FIG. 1 is a flow chart showing an example of a process of manufacturing a non-polarization nitride based light emitting device, and FIG. 2 is a schematic view showing a manufacturing process of a non-polarization nitride based light emitting device together with a growth temperature. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a nonpolar nitride-based light emitting device manufactured by such a process. Hereinafter, a non-polarization nitride based light emitting device and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG.
위에서 설명한 바와 같이, 무분극 질화물계 발광 소자는 사파이어와 같은 이종 기판을 포함하는 기판(100) 상에 제작될 수 있다.As described above, the non-polarization nitride based light emitting device can be fabricated on the
이러한 기판(100)은 무분극(non-polar) 질화물계 반도체의 성장이 가능한 결정면을 가지는 기판(100)을 이용하며, r-면([1-102] 면) 사파이어 기판이 이용될 수 있다. Such a
그 외의 무분극을 가지는 다양한 기판이 이용될 수 있음은 물론이다. 즉, a-면 실리콘 카바이드(SiC), m-면 SiC, 스피넬(spinel) 등의 기판이 이용될 수도 있고, 질화 갈륨 동종 기판이 이용될 수도 있다.It goes without saying that various substrates having other non-polarization can be used. That is, a substrate such as a-plane silicon carbide (SiC), m-plane SiC, spinel or the like may be used, or a gallium nitride homogeneous substrate may be used.
또한, 이러한 기판(100)은 질화물계 반도체를 포함하는 버퍼층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.Further, such a
이와 같은 무분극 질화물계 발광 소자는 a-면 또는 m-면의 결정 방향을 가지는 다층의 질화물계 반도체층(200)을 포함한다. 이러한 질화물계 반도체층(200)은 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법으로 성장할 수 있으며, 본 예에서는 MOCVD 방법을 통해 제작하였다. Such a non-polarization nitride based light emitting device includes a multi-layered nitride-based
우선, 이와 같은 기판(100) 상에 제 1형 도펀트를 포함하는 제 1전도성의 질화물계 반도체를 포함하는 제 1반도체층(210)을 성장시킨다(S10). 이러한 제 1반도체층(210)은 질화 갈륨(GaN)을 포함할 수 있다.First, a
여기서, 제 1전도성은 n-형일 수 있고, 이때, 제 1형 도펀트는 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)이 이용될 수 있다.Here, the first conductivity may be n-type, and silicon (Si) or germanium (Ge) may be used as the first type dopant.
이러한 제 1반도체층(210)을 포함하는 질화물계 반도체 박막은 TMG(Tri-Methyl Gallium) 혹은 TEG(Tri-Ethyl Gallium) 등의 유기 금속 소스(Metal-Organic Source)와 NH3의 화학 반응에 의해 성장된다. 이러한 박막의 성장은 질소(N2) 또는 수소(H2) 분위기에서 이루어질 수 있다.The nitride-based semiconductor thin film including the
이후, 제 1반도체층(210) 상에, 도펀트를 포함하지 않는 질화물계 반도체를 포함하는 제 2반도체층(220)을 제 1온도에서 성장시킨다(S20). 즉, 제 2반도체층(220)은 의도적으로 도핑되지 않은 질화물계 반도체를 포함한다. 이러한 제 2반도체층(220)은 질화 갈륨(GaN)을 포함할 수 있다.Then, a
다음에, 제 2반도체층(220) 상에 제 1온도보다 낮은 제 2온도로 성장 온도를 낮추어 인듐(In)을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 활성층(230)을 성장시킨다(S30). 즉, 활성층(230)은 인듐 질화 갈륨(InGaN)을 포함할 수 있다. 이때, 인듐 소스는 TMI(Tri-Methyl Indium)가 이용될 수 있다.Next, the
여기서, 활성층(230)은, 제 1발광 파장의 빛을 방출하도록 인듐을 포함하는 제 1두께의 질화물계 반도체를 포함한다. 이러한 활성층(230)은 단일 양자 우물로 이루어질 수 있으며, 제 1두께는 단일 양자 우물의 두께를 나타낸다.Here, the
활성층(230)은 보통 440 nm의 발광 파장을 가지도록 형성될 수 있다. 이를 위하여, 위에서 언급한 바와 같이, 활성층(230)은 제 1두께를 가지는 InGaN으로 형성될 수 있다.The
이때, 제 1두께는 제 1발광 파장을 방출하기 위한 극성 질화물계 반도체보다 두꺼울 수 있다. 즉, c-면 질화물계 반도체를 포함하는 활성층(230)보다 두껍게 제작하는 것이 가능하다.At this time, the first thickness may be thicker than the polar nitride semiconductor for emitting the first emission wavelength. That is, it can be made thicker than the
예를 들어, 이러한 활성층(230)의 제 1두께는, 5 nm 내지 15 nm일 수 있다. 이와 같이, 두꺼운 두께로 활성층(230)을 성장할 수 있어, 극성 질화물계 반도체가 가지는 전류량에 따른 효율 감소 현상(efficiency droop)과 같은 현상이 개선될 수 있다. 이에 대하여는 아래에서 자세히 설명한다.For example, the first thickness of the
이후에, 성장 장비 내의 온도를 제 2온도보다 높은 제 3온도로 높여서 활성층(230)을 열처리하는 과정(S40)이 이루어진다.Thereafter, a process (S40) of heat-treating the
이때, TMG 혹은 TEG, TMI 등의 Ⅲ족 소스는 공급이 중단되고, Ⅴ족 소스인 NH3는 계속해서 반응실로 공급되도록 한다. 이러한 열처리를 위한 제 3온도는 활성층(230)의 성장 온도보다 20 ℃ 내지 400 ℃ 정도 높은 온도 범위에서 진행될 수 있다.At this time, the supply of Group III source such as TMG or TEG or TMI is stopped, and NH 3, which is a source of Group V, is continuously supplied to the reaction chamber. The third temperature for the heat treatment may be in a temperature range higher than the growth temperature of the
한편, 이러한 열처리 과정(S40)에 앞서, 활성층(230) 성장 이후에, 활성층(230) 상에 질화물계 반도체를 포함하는 캡층(260)을 성장시킬 수 있다(S31).The
이러한 캡층(260)을 성장시키는 과정(S31)은, 활성층(230) 성장 온도인 제 2온도에서 성장시킬 수 있다.The step S31 of growing the
이때, 캡층(260)은, 인듐의 휘발을 방지하기 위함일 수 있다. 즉, 활성층(230) 성장 후 온도 증가에 의하여 활성층(230)에서 인듐의 휘발을 방지하기 위하여 캡층(260)인 질화 갈륨(GaN) 층으로 마감되도록 할 수 있다.At this time, the
다음에는, 활성층(230) 상에 도펀트를 포함하지 않는 질화물계 반도체를 포함하는 제 3반도체층(240)을 성장시킨다(S50). 즉, 제 3반도체층(220)은 의도적으로 도핑되지 않은 질화물계 반도체를 포함한다. 이러한 제 3반도체층(220)은 질화 갈륨(GaN)을 포함할 수 있다.Next, a
이러한 제 3반도체층(240)은 제 2반도체층(220)과 같은 제 1온도에서 성장될 수 있다. 도 2에서와 같이, 이러한 제 1온도는 활성층(230)을 열처리하는 과정인 제 3온도보다 높을 수 있다.The
그러나, 열처리를 위한 제 3온도는 제 1온도와 같을 수 있고, 경우에 따라, 제 3온도가 제 1온도보다 높을 수도 있다.However, the third temperature for the heat treatment may be equal to the first temperature, and in some cases, the third temperature may be higher than the first temperature.
이후, 제 3반도체층(240) 상에 제 2형 도펀트를 포함하는 제 2전도성의 질화물계 반도체를 포함하는 제 4반도체층(250)을 성장시킨다(S60).Thereafter, a
이러한 제 1반도체층(210)은 질화 갈륨(GaN)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 2전도성은 p-형일 수 있고, 이때, 제 2형 도펀트는 마그네슘(Mg)과 같은 물질이 이용될 수 있다.The
이상과 같이, 동종 기판 혹은 이종 기판을 이용하는 기판(100) 상에 n-형 질화물계 반도체를 포함하는 제 1반도체층(210), 제 2반도체층(220), 활성층(230), p-형 질화물계 반도체를 포함하는 제 3반도체층(240), 제 4반도체층(250)의 순서로 성장하여 발광 다이오드를 위한 질화물계 반도체층(200)이 제작될 수 있다.As described above, the
이와 같은 구조에 의하여 제작되는 무분극 질화물계 발광 소자는 제 1반도체층(210)에 전기적으로 연결되는 제 1전극(도시되지 않음) 및 제 4반도체층(250)에 전기적으로 연결되는 제 2전극(도시되지 않음)으로부터 전하가 주입되어 발광이 일어나게 된다.The non-polarization nitride based light emitting device manufactured by such a structure includes a first electrode (not shown) electrically connected to the
따라서, n-형의 제 1반도체층(210) 및 p-형의 제 4반도체층(250)으로부터 각각 전자 및 정공이 주입되어, 활성층(230) 영역에서 캐리어(carrier) 간의 발광 재결합에 의해 외부로 광을 방출하게 된다. Electrons and holes are injected from the
따라서 활성층(230)의 발광 재결합 효율은 소자의 성능을 결정하게 되어 우수한 활성층(230)의 결정 품질과 우수한 캐리어 주입 특성을 가지도록 설계를 최적화하는 것이 요구된다.Therefore, the light emitting recombination efficiency of the
일반적으로 a-면 또는 m-면의 무분극 질화 갈륨계 재료는 c-면에 비해 낮은 In 인입 특성을 가지고 있다. 가시광 영역의 발광 소자에서는 활성층(230)으로서 In이 포함된 질화 갈륨(GaN)과 같은 질화물계 반도체 재료를 사용하는데, 특정한 파장의 광이 방출될 수 있도록 In 조성을 제어하여 박막 성장이 수행된다. In general, the a-plane or m-plane nonpolarized gallium nitride-based material has a lower In draw-in characteristic than the c-plane. In the light emitting device of the visible light region, a nitride based semiconductor material such as gallium nitride (GaN) containing In is used as the
도 4는 질화 갈륨의 결정 방향별로 성장 온도에 따른 활성층의 발광 파장을 도시한 것으로서, 동일 성장 온도를 기준으로 할 때 m-면 등의 무분극 질화 갈륨계 재료는 c-면 결정 방향의 분극(극성) 질화 갈륨 반도체나 반분극 재료와 비교하여 낮은 발광 파장을 나타낸다. FIG. 4 shows the emission wavelength of the active layer depending on the growth temperature of each gallium nitride crystal. When the same growth temperature is used as a reference, the nonpolarized gallium nitride based material such as m-plane exhibits polarization in the c- Polarity) exhibits a low emission wavelength as compared with a gallium nitride semiconductor or a semi-polarizing material.
이는 무분극 질화 갈륨계 반도체의 낮은 In의 인입과 타 구조에서 발생하는 압전 분극에 의한 에너지 간극의 감소 현상이 발생하지 않기 때문이다. 즉 동일한 파장의 발광 다이오드를 제작하기 위해서는, In이 포함된 질화 갈륨층의 박막 성장 온도를 낮추는 등 상대적으로 박막 성장에 있어서 어려움이 존재한다. This is because there is no reduction in the energy gap due to the low In introduction of the nonpolarized gallium nitride semiconductor and the piezoelectric polarization occurring in other structures. That is, in order to fabricate a light emitting diode having the same wavelength, there is a relatively difficulty in thin film growth, such as lowering the growth temperature of the thin film of gallium nitride layer containing In.
그러나 박막 성장 온도에서는 결함 생성 등의 결정 품질 문제가 발생할 가능성이 높아져 c-면 발광 다이오드에 비교하여 열등한 성능이 나타날 수 있다.However, at the thin film growth temperature, there is a high possibility of crystal quality problems such as defect generation, which may result in inferior performance compared to c-plane light emitting diodes.
도 5에서는 제 2반도체층(220) 상에 성장된 활성층(231), 즉, 무분극 a-면 InGaN 층의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지를 도시하고 있다.FIG. 5 shows TEM (Transmission Electron Microscopy) images of the
이는, a-면 GaN을 포함하는 제 2반도체층(220) 상에 약 11 nm 두께의 InGaN 박막을 포함하는 활성층(231)이 성장된 예로서, c-면 발광 다이오드에서 활성층으로 사용하는 약 3 nm의 두께보다는 3배 이상 두껍게 성장하였다. 도 5에서, 제 2반도체층(220)과 함께 제 1반도체층(210)도 존재할 수 있다.This is an example in which the
도 5에서 볼 수 있는 것처럼, InGaN 층 두께 증가에 의해 표면 거칠기는 크게 증가하고 국부적인 In의 분리(segregation) 현상이 발생할 수 있고, 매우 높은 밀도의 미스 핏 전위(misfit dislocation) 생성 등과 같은 현저한 결정 품질의 저하가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. As can be seen from FIG. 5, the surface roughness increases greatly due to the increase of the thickness of the InGaN layer, local segregation of In may occur, and a remarkable determination such as generation of misfit dislocation of very high density It can be seen that the quality deteriorates.
도 6은 종래의 방법으로 제작된 무분극 a-면 발광 다이오드의 EL(Electro-Luminescence) 측정 결과를 보여주고 있다. FIG. 6 shows EL (Electro-Luminescence) measurement results of a non-polarized a-plane light emitting diode manufactured by a conventional method.
도 6의 그래프에서 보면 두 개의 파장 영역에서 발광이 일어나고 있는 것을 알 수 있는데, 저전류 구동에서는 장파장의 발광이 우세하고, 전류 인가를 증가함에 따라 435 nm 근처 영역의 발광이 주도하고 있다. In the graph of FIG. 6, it can be seen that light emission occurs in two wavelength regions. In low-current driving, long-wavelength light emission dominates and light emission in a region near 435 nm is leading to increase of current application.
이러한 특성은 낮은 수준의 InGaN 활성층 박막의 결정 품질에 의한 것으로 볼 수 있다. 즉, In 분리(segregation) 혹은 뭉침(clustering) 현상 등에 기인한 In 국소화(localization)에 의해 낮은 전류에서의 구동 특성이 결정되기 때문인 것으로 추정할 수 있다. This characteristic can be attributed to the crystal quality of the low-level InGaN active layer thin film. That is, it can be assumed that the driving characteristic at low current is determined by In localization due to In segregation or clustering phenomenon.
반면, 도 7에서는 a-면 GaN을 포함하는 제 2반도체층(220) 상에 약 11 nm 두께의 InGaN 박막을 포함하는 활성층(230)이 성장된 예의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지를 도시하고 있다.On the other hand, FIG. 7 shows a TEM (Transmission Electron Microscopy) image in which an
이러한 박막은 위에서 설명한 바와 같이, 활성층(230) 성장 후에 열처리 공정을 거친 후의 상태를 나타내고 있으며, 이러한 활성층(230)의 조건은 위에서 설명한 바와 같다, As described above, this thin film shows a state after the heat treatment process is performed after the growth of the
즉, 활성층(230)은 약 11 nm의 두께를 가지므로, c-면 발광 다이오드에서 활성층으로 사용하는 약 3 nm의 두께보다는 3배 이상 두껍게 성장하였다. 그리고 열처리 과정은 활성층(230)의 성장 온도보다 20 ℃ 내지 400 ℃ 정도 높은 온도 범위에서 진행된 상태이다.That is, since the
도 5와 대비하여 보면, TEM 측정을 통해 표면의 거칠기와 In의 뭉침 현상 등이 열처리를 수행하지 않았던 박막과 비교하여 현저히 개선된 것을 확인할 수 있는데, 이것은 낮은 성장 온도, 박막 두께 증가에 따른 응력의 증가 등 무분극 InGaN 재료의 결정 품질 문제점을 성장 후 열처리 공정을 통해 상당히 해소할 수 있음을 의미한다. In comparison with FIG. 5, it can be seen that the roughness of the surface and the aggregation of In are significantly improved by the TEM measurement compared with the thin film which was not subjected to the heat treatment. This is because the low growth temperature, The crystal quality problem of the non-polarization InGaN material can be solved by post-growth annealing process.
또한, 도 8은 위에서 설명한 열처리 공정을 포함하는 제작 공정을 거쳐서 제작된 무분극 a-면 발광 다이오드의 EL(Electro-Luminescence) 측정 결과를 보여주고 있다. FIG. 8 shows EL (Electro-Luminescence) measurement results of a non-polarized a-plane light emitting diode fabricated through a manufacturing process including the above-described heat treatment process.
도 6과 대비하여 보면, 저전류 구동에서는 장파장의 발광이 사라지고, 오직 435 nm 근처 영역의 발광만이 나타나는 것을 볼 수 있다.Compared to FIG. 6, it can be seen that the long wavelength emission disappears in the low current drive, and only the emission in the region near 435 nm appears.
도 9 및 도 10은 열처리 공정 전후의 InGaN 박막의 단면 TEM 이미지와 시뮬레이션을 통해 얻어진 미스 핏 전위(misfit dislocation) 분포를 비교한 것이다. FIGS. 9 and 10 are cross-sectional TEM images of InGaN thin films before and after the heat treatment process and comparison of the misfit dislocation distributions obtained through simulation.
도 9(a)는 열처리 공정 전의 활성층을 이루는 InGaN 박막의 단면 TEM 이미지를 나타내고 있고, 도 9(b)는 도 9(a)의 A 부분에 대하여 미스 핏 전위의 시뮬레이션을 나타내고 있다. 또한, 도 10(a)은 열처리 공정 후의 전의 활성층을 이루는 InGaN 박막의 단면 TEM 이미지를 나타내고 있고, 도 10(b)은 도 10(a)의 B 부분에 대하여 미스 핏 전위의 시뮬레이션을 나타내고 있다.9A shows a cross-sectional TEM image of an InGaN thin film constituting an active layer before a heat treatment process, and FIG. 9B shows a simulation of a misfit dislocation with respect to a portion A in FIG. 9A. 10 (a) shows a cross-sectional TEM image of the InGaN thin film constituting the active layer before the heat treatment step, and FIG. 10 (b) shows a simulation of the mispit potential with respect to the portion B in FIG. 10 (a).
도시하는 바와 같이, 열처리 전의 박막과 비교하여, 표면의 거칠기가 크게 개선되었으며, 또한 In의 뭉침(clustering) 현상에 의해 기인한 응력의 불균일한 분포 등이 박막의 전체 영역에 걸쳐 크게 완화된 것을 확인할 수 있다. As shown in the drawing, the roughness of the surface is greatly improved as compared with the thin film before heat treatment, and it is confirmed that the uneven distribution of the stress caused by the clustering of In is greatly alleviated over the entire region of the thin film .
도 9(a) 및 도 10(a)의 TEM 이미지에서 짙은 부분은 상대적으로 응력이 큰 영역으로서, 국부적인 In의 조성 차이에 기인한다.In the TEM image of Figs. 9 (a) and 10 (a), the dense portion is a region having a relatively large stress and is caused by a difference in the composition of the local In.
또한, 도 9(b) 및 도 10(b)의 시뮬레이션 결과에서 C 부분은 미스 핏 전위가 발생한 영역을 나타내고 있다. 이상에서 알 수 있듯이, 열처리 전의 박막은 다수의 미스 핏 전위가 존재하나 열처리 후는 현저히 전위의 밀도가 감소하게 됨을 알 수 있다.In the simulation results of Figs. 9 (b) and 10 (b), the C portion represents the region where the misfitted potential is generated. As can be seen from the above, it can be seen that the thin film before the heat treatment has a large number of misfit dislocations, but the density of the dislocations remarkably decreases after the heat treatment.
도 11은 서로 다른 InGaN 활성층 열처리 조건에서의 PL(Photo-Luminescence) 특성을 비교한 그래프이다. 이때 PL 세기의 차이는 각각의 공정 조건에 따른 활성층(230)의 발광 재결합 효율로 간주할 수 있으므로, 열처리 조건은 PL 세기가 최대의 크기가 되는 범위에서 설계되도록 한다.11 is a graph comparing PL (Photo-Luminescence) characteristics in different InGaN active layer heat treatment conditions. At this time, the difference in the PL intensity can be regarded as the light emitting recombination efficiency of the
도 12 및 도 13은 활성층 열처리 공정의 유무에 따른 무분극 a-면 발광 다이오드의 커패시턴스-전압(Capacitance-Voltage, 이하 C-V) 측정 결과를 보여주고 있다. 12 and 13 show capacitance-voltage (C-V) measurement results of a non-polarized a-plane light emitting diode with and without an active layer heat treatment process.
C-V 측정은 다양한 주파수에서 진행되었는데, 이때 측정된 커패시턴스는 주파수 의존성을 가지는 것을 볼 수 있다. C-V measurements were performed at various frequencies, where the measured capacitance is frequency dependent.
고주파 측정에서 커패시턴스가 감소하는 현상은 결함성 전하(defective charge)의 이동이 제한되기 때문이며, 이러한 주파수 의존성이 증가할수록 활성층 내부에 결정 결함이 많은 상태임을 알려준다. The decrease in capacitance in the high frequency measurement is due to the limitation of the transfer of the defective charge, and as the frequency dependency increases, the crystal defect in the active layer is in a state of many defects.
도 12 및 도 13에서 보이는 것처럼, 열처리 전후로 주파수 의존성이 큰 값으로 변화하며, 열처리 공정을 포함하는 발광 다이오드에서 현저히 주파수 의존성이 감소함을 알 수 있다. 이는 결정 결함이 크게 감소함을 의미한다.As shown in FIGS. 12 and 13, the frequency dependency changes to a large value before and after the heat treatment, and the frequency dependency is remarkably reduced in the light emitting diode including the heat treatment process. This means that crystal defects are greatly reduced.
도 14는 무분극 질화물계 발광 소자의 제조 공정의 다른 예로서, 제조 공정을 성장 온도와 함께 표시한 개략도이다. 이러한 제조 방법에 따라 제작되는 구조는 도 3에서 도시하는 바와 동일하다.Fig. 14 is a schematic view showing another example of a manufacturing process of a non-polarization nitride based light emitting device, in which a manufacturing process is shown together with a growth temperature. The structure manufactured according to this manufacturing method is the same as that shown in Fig.
본 예에서는, InGaN을 포함하는 활성층(230)에서, In 성분의 조성을 균일하게 유지하기 위하여 활성층(230)의 성장 온도를 조절할 수 있다.In this example, in the
보통, InGaN 층의 성장이 계속됨에 따라 박막 내부에서의 응력은 점점 증가하게 된다. Usually, as the growth of the InGaN layer continues, the stress in the thin film gradually increases.
이때, 활성층(230) 내에 In 인입량은 표면에서의 응력에 영향을 받게 되어, 박막 성장이 계속됨에 따라 In 조성이 증가하는 In 풀링(pulling) 효과가 발생한다. 즉, 박막의 전체 영역에서 균일한 In 조성을 유지하기 위해서는 초기 성장에서보다 In이 덜 인입되도록 하는 것이 유리하다.At this time, the amount of In drawn into the
따라서, 도 14에서 나타난 것과 같이, 다른 성장 조건은 그대로 유지한 채로 성장 온도를 점진적으로 증가시킴으로써 활성층(230) 성장 초기에 In이 덜 인입되도록 할 수 있는 것이다.Accordingly, as shown in FIG. 14, by gradually increasing the growth temperature while maintaining other growth conditions, In can be introduced less at the beginning of the growth of the
또한, 도 15에서 도시하는 바와 같이, 다른 성장 조건은 그대로 유지한 채로 In 소스인 TMI의 유량을 점진적으로 낮춰줌으로써 In 풀링 효과에 대응하도록 할 수 있다.Further, as shown in FIG. 15, the In pulling effect can be made to correspond to the In pulling effect by gradually decreasing the flow rate of TMI, which is an In source, while the other growth conditions remain unchanged.
그 외의 조건은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 사항과 동일하다.Other conditions are the same as those described with reference to Figs. 1 to 3.
이와 같은 방법을 이용하여, 두꺼운 활성층(230) 내부 영역에서의 In 조성의 불균일 정도를 최소화하여, 양자 우물의 에너지 장벽 구조를 구형(square) 형태로 제어할 수 있다.By using such a method, it is possible to control the energy barrier structure of the quantum well in a square shape by minimizing the degree of unevenness of the In composition in the region inside the thick
극성 또는 분극 질화물계 발광 소자는 앞서 설명한 바와 같이, 전류의 인가량이 증가하면서 일정 전류량 이상이 되면 효율이 점점 감소하는 현상(efficiency-droop)이 발생한다. 이는 얇은 활성층에 기인하는 것으로 알려져 있다.As described above, a polarity or polarization-type nitride-based light-emitting device has an efficiency-droop phenomenon in which the efficiency decreases gradually when the current application amount increases and becomes equal to or greater than a constant current amount. This is known to be due to a thin active layer.
즉, 도 16에서 도시하는 바와 같이, 전류가 증가함에 따라 광 출력(Light intensity; 사각형 도트)의 기울기가 점점 감소하는 경향을 보이며, 외부 양자 효율(원 도트)이 점점 감소하는 것을 알 수 있다.That is, as shown in FIG. 16, the slope of the light intensity (rectangular dot) tends to decrease gradually as the current increases, and the external quantum efficiency (one dot) gradually decreases.
그러나 본 발명에 의한 무분극 질화물계 발광 소자는 상대적으로 두꺼운 활성층의 두께와 내부 필드가 해소되어 전류의 인가에 따라 발광이 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있다. However, in the non-polarization nitride based light emitting device according to the present invention, the thickness and the internal field of the relatively thick active layer are eliminated and the luminescence is continuously increased according to the application of the electric current.
도 17에서는 본 발명에 의한 무분극 질화물계 발광 소자의 특성을 나타내는 그래프로서, 도시하는 바와 같이, 외부 양자 효율(external quantum efficiency)의 전류 및 전력에 대한 의존성이 극성 질화물계 발광 소자에 비하여 크게 개선된 것을 알 수 있다. 도 17에서 사각형은 광 출력(power)이고 삼각형은 외부 양자 효율을 나타내고 있다.FIG. 17 is a graph showing the characteristics of the non-polarization nitride based light emitting device according to the present invention. As shown in FIG. 17, the dependency of the external quantum efficiency on the electric current and the electric power is greatly improved . In Fig. 17, the quadrangle represents the optical power and the triangle represents the external quantum efficiency.
도시하는 바와 같이, 광 출력이 전류에 대하여 선형적으로 기울기가 감소하지 않으며 증가하는 것을 볼 수 있고, 외부 양자 효율이 크게 감소되지 않고 일정 범위 내에서 일정한 경향성을 보이는 것을 알 수 있다.As shown in the figure, it can be seen that the optical output increases linearly with respect to the current without decreasing the slope, and the external quantum efficiency exhibits a constant tendency within a certain range without being greatly reduced.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 따르면, 동종 혹은 이종 기판을 사용하는 무분극 질화물계 반도체 발광 소자에서, InGaN을 포함하는 활성층 성장 후에 열처리 공정을 채용하여, InGaN 박막의 성장 과정에서 생성되는 결정 결함 크게 감소시켜 활성층의 발광 재결합 효율 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, in a non-polarized nitride based semiconductor light emitting device using the same or different substrates, a heat treatment process is performed after the growth of the active layer including InGaN, whereby crystal defects The efficiency of the light emitting recombination efficiency of the active layer can be improved.
특히, c-면 질화 갈륨계 반도체와 비교하여 In의 인입 특성이 떨어지는 a-면 및 m-면 등의 무분극 질화 갈륨계 반도체에서, InGaN 박막 성장 후 열처리 공정을 통해 In 조성을 효과적으로 제어할 수 있다.Particularly, the In composition can be effectively controlled through a heat treatment process after growth of an InGaN thin film in a nonpolarized gallium nitride semiconductor such as an a-plane and an m-plane, in which the draw-in characteristics of In are lower than those of a c-plane gallium nitride semiconductor .
이와 같이, InGaN 박막의 두께 증가에 의한 응력 발생 등의 문제점을 InGaN 박막 성장 후의 열처리 공정을 통해 완화할 수 있어, 발광 소자의 성능 개선에 기여할 수 있다.
As described above, problems such as generation of stress due to an increase in the thickness of the InGaN thin film can be alleviated through the heat treatment step after the growth of the InGaN thin film, thereby contributing to the improvement of the performance of the light emitting device.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
100: 기판 200: 질화물계 반도체층
210: 제 1반도체층 220: 제 2반도체층
230: 활성층 240: 제 3반도체층
250: 제 4반도체층 260: 캡층100: substrate 200: nitride-based semiconductor layer
210: first semiconductor layer 220: second semiconductor layer
230: active layer 240: third semiconductor layer
250: fourth semiconductor layer 260: cap layer
Claims (13)
상기 제 1반도체층 상에 위치하고, 도핑되지 않은 질화물계 반도체를 포함하는 제 2반도체층;
상기 제 2반도체층 상에 위치하고, 제 1발광 파장의 빛을 방출하도록 인듐을 포함하는 제 1두께의 질화물계 반도체를 가지고, 상기 제 1두께는 상기 제 1발광 파장을 방출하기 위한 c-면 질화물계 반도체보다 두꺼운 활성층;
상기 활성층 상에 위치하고, 도핑되지 않은 질화물계 반도체를 포함하는 제 3반도체층; 및
상기 제 3반도체층 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하는 제 2전도성의 제 4반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무분극 질화물계 발광 소자.a first conductive first semiconductor layer comprising an a-plane or m-plane nitride-based semiconductor;
A second semiconductor layer located on the first semiconductor layer and including a non-doped nitride based semiconductor;
And a nitride based semiconductor having a first thickness and comprising indium to emit light of a first emission wavelength, the first thickness being located on the second semiconductor layer, wherein the first thickness is a c-plane nitride for emitting the first emission wavelength An active layer thicker than the semiconductor;
A third semiconductor layer located on the active layer and including an undoped nitride-based semiconductor; And
And a second conductive fourth semiconductor layer located on the third semiconductor layer and including a nitride based semiconductor.
상기 제 1반도체층 상에 도펀트를 포함하지 않는 질화물계 반도체를 포함하는 제 2반도체층을 제 1온도에서 성장시키는 단계;
상기 제 2반도체층 상에 상기 제 1온도보다 낮은 제 2온도에서 인듐을 포함하는 질화물계 반도체를 포함하는 활성층을 성장시키는 단계;
상기 제 2온도보다 높은 제 3온도에서 상기 활성층을 열처리하는 단계;
상기 활성층 상에 도펀트를 포함하지 않는 질화물계 반도체를 포함하는 제 3반도체층을 성장시키는 단계; 및
상기 제 3반도체층 상에 제 2형 도펀트를 포함하는 제 2전도성의 질화물계 반도체를 포함하는 제 4반도체층을 성장시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무분극 질화물계 발광 소자의 제조 방법.Growing a first semiconductor layer comprising a first conductive nitride-based semiconductor comprising a first type dopant on a substrate;
Growing a second semiconductor layer on the first semiconductor layer including a nitride-based semiconductor that does not include a dopant at a first temperature;
Growing an active layer on the second semiconductor layer including a nitride-based semiconductor containing indium at a second temperature lower than the first temperature;
Annealing the active layer at a third temperature higher than the second temperature;
Growing a third semiconductor layer including a nitride-based semiconductor that does not include a dopant on the active layer; And
And growing a fourth semiconductor layer including a second conductive nitride-based semiconductor including a second-type dopant on the third semiconductor layer. The method for manufacturing a non-polarization nitride based light emitting device according to claim 1, .
6. The method of claim 5, wherein the third temperature is higher than the second temperature by 20 ° C to 400 ° C.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20130204 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |