KR20130078343A

KR20130078343A - Producing method of nitride based light emitting device with high free hole density

Info

Publication number: KR20130078343A
Application number: KR1020110147240A
Authority: KR
Inventors: 이성학; 권태완
Original assignee: 일진엘이디(주)
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-10

Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a nitride based semiconductor light emitting device is provided to increase light efficiency by doping p-type dopant and carbon at the same time. CONSTITUTION: An n-type nitride layer (130) is formed on a substrate. An active layer (140) is formed on the n-type nitride layer. The p-type nitride layer (150) is formed on an active layer. P-dopant and carbon are doped into the p-type nitride layer. The p-type nitride layer includes Al.

Description

TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION A method for manufacturing a nitride-based light emitting device having a high free hole concentration {PRODUCING METHOD OF NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE WITH HIGH FREE HOLE DENSITY}

본 발명은 p형 질화물층에서의 자유 정공 농도가 증가된 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 p형 도판트와 탄소(C)가 함께 도핑(co-doping)되어 있는 질화물로 형성된 p형 질화물층이 포함된 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다. 상기 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 BLUE LED, UV LED 등에 적용될 수 있다.
The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device having an increased free hole concentration in a p-type nitride layer, and more particularly, a nitride in which a p-type dopant and carbon (C) are co-doped together. It relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device comprising a p-type nitride layer formed by. The nitride semiconductor light emitting device of the present invention may be applied to a BLUE LED, UV LED and the like.

종래의 질화물 반도체 소자에는 예를 들어 GaN계 질화물 반도체 소자를 들 수 있고, 이 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용분야에 있어서 청색 또는 녹색 LED의 발광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다.Conventional nitride semiconductor devices include, for example, GaN-based nitride semiconductor devices, which include high-speed switching and high-output devices such as blue or green LED light emitting devices, MESFETs and HEMTs, etc. It is applied to the back.

이와 같은 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 다중양자우물구조의 활성층을 가진 질화물 반도체 발광 소자를 예로 들 수 있다. 종래의 질화물 반도체 발광 소자는 사파이어 기판, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 포함한다. p형 질화물층의 상부면에는 투명 전극층과 p측 전극이 순차적으로 형성되며, n형 질화물 반도체층의 노출된 면에는 n측 전극이 차례로 형성된다.Such a conventional GaN-based nitride semiconductor light emitting device may be a nitride semiconductor light emitting device having an active layer of a multi-quantum well structure. Conventional nitride semiconductor light emitting devices include a sapphire substrate, an n-type nitride layer, an active layer and a p-type nitride layer. The transparent electrode layer and the p-side electrode are sequentially formed on the upper surface of the p-type nitride layer, and the n-side electrode is sequentially formed on the exposed surface of the n-type nitride semiconductor layer.

이러한 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 활성층에 전자와 정공을 주입하고 이 전자와 정공들의 결합으로 발광하게 되는데, 이러한 활성층의 발광효율을 향상시키기 위해서 국내공개특허공보 제 2010-0027410(2010.03.11)호에 기재된 바와 같이 n형 질화물층의 n형 도판트 또는 p형 질화물층의 p형 도판트의 함유량을 높여 활성층으로 전자 또는 정공의 유입량을 높이는 방안이 실행되고 있다.Such a conventional GaN-based nitride semiconductor light emitting device injects electrons and holes into the active layer and emits light by the combination of the electrons and holes, in order to improve the luminous efficiency of the active layer, Korean Patent Publication No. 2010-0027410 (2010.03.11) As described in the above), a method of increasing the content of the n-type dopant of the n-type nitride layer or the p-type dopant of the p-type nitride layer to increase the inflow of electrons or holes into the active layer has been implemented.

그러나, 이렇게 n형 질화물층의 n형 도판트 또는 p형 질화물층의 p형 도판트의 함유량을 높인 종래의 질화물 반도체 소자는 균일하지 못한 전류 확산(current spreading)에 의해 발광 효율이 크게 저하된다.However, in the conventional nitride semiconductor device in which the content of the n-type dopant of the n-type nitride layer or the p-type dopant of the p-type nitride layer is thus increased, the luminous efficiency is greatly reduced by uneven current spreading.

특히 p형 도판트로서 마그네슘(Mg)을 사용하는 것이 일반적이며, Mg 준위에 있는 정공이 열에너지를 받아 가전자대(Valence band)로 올라가 자유 정공으로 활동하면서 전기 전도를 하게 된다. 이 때, Mg의 활성화 에너지를 0.17 eV로 산정할 수 있으며, 정공이 활성화되어 자유 정공으로 활동하는 원리를 도 1에 나타내었다. In particular, it is common to use magnesium (Mg) as the p-type dopant, the hole in the Mg level receives the heat energy to go up to the valence band (Valence band) to act as a free hole to conduct electrical conduction. At this time, the activation energy of Mg can be calculated as 0.17 eV, the hole is activated is shown in Figure 1 the principle of acting as a free hole.

p형 도판트의 함유량을 증가시키는 경우 이상적으로는 도 2에서의 점선에서와 같이 자유 정공 농도가 증가하여 p-GaN의 저항이 줄어들어야 한다. 그러나 실제로는 실선과 같이 Mg 도핑량이 일정 수준 이상이 되면 자유 정공 농도가 감소하기 시작하여 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 질소 공공(Nitrogen vacancy), Mg과 질소 공공 복합체에 의하여 생성된 전자들에 의한 self-compensation로 인한 것으로 판단된다. In the case of increasing the content of the p-type dopant, ideally, as shown in the dotted line in FIG. 2, the free hole concentration should be increased to decrease the resistance of p-GaN. However, in reality, when the Mg doping amount is above a certain level as in the solid line, the free hole concentration starts to decrease and the resistance increases. This is thought to be due to self-compensation by the nitrogen vacancy, electrons generated by the Mg and nitrogen vacancy complex.

또한 Mg이 도핑된 p-AlGaN의 경우에는 자유 정공 농도가 약 5 X 10¹⁶ /cm³ 에 불과하여 부도체에 가까운 성질을 나타내고, 원치 않은 불순물의 오염으로 인하여 n형 특성을 나타내기도 한다. In the case of p-AlGaN doped with Mg, the free hole concentration is only about 5 X 10 ¹⁶ / cm ³ , which is close to an insulator, and has n-type characteristics due to contamination of unwanted impurities.

따라서, 종래의 Mg 도핑을 통하여는 일정 수준 이상의 자유 정공 농도를 얻을 수 없으며, 자유 정공 농도를 반도체 발광 소자의 저항을 낮출 수 있는 기술의 개발이 요구되는 실정이다.
Therefore, conventional Mg doping cannot obtain a free hole concentration above a certain level, and there is a need for development of a technology capable of lowering the resistance of the semiconductor light emitting device with the free hole concentration.

이에 본 발명자들은, 자유 정공 농도를 보다 개선하여 저항을 감소시키고 광효율을 높인 질화물 반도체 발광소자를 개발하기 위하여 연구, 노력한 결과 p형 도판트와 탄소를 특정 조건에서 같이 도핑(co-doping)하는 경우, 자유 정공 농도를 크게 높일 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have conducted research and efforts to develop a nitride semiconductor light emitting device having a lower resistance and a higher light efficiency by further improving the free hole concentration, and as a result, when co-doping p-type dopant and carbon under specific conditions, The present invention was completed by confirming that the free hole concentration can be greatly increased.

따라서, 본 발명의 목적은 높은 자유 정공 농도를 가지는 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device having a high free hole concentration.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질화물 발광소자는 n형 질화물층; 상기 n형 질화물층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물층을 포함하고, 상기 p형 질화물층은 p형 도판트와 탄소(C)가 함께 도핑(co-doping)되어 있는 질화물로 형성되는 것을 특징으로 한다. The nitride light emitting device of the present invention for achieving the above object is an n-type nitride layer; An active layer formed on the n-type nitride layer; And a p-type nitride layer formed on the active layer, wherein the p-type nitride layer is formed of a nitride in which a p-type dopant and carbon (C) are co-doped together.

또한 본 발명의 질화물 발광소자의 제조방법은 기판 상에 n형 질화물층을 형성하는 단계; 상기 n형 질화물층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 p형 질화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 p형 질화물층은 p형 도펀트와 탄소(C)가 함께 도핑(co-doping)된 것을 특징으로 한다.
In addition, the method of manufacturing a nitride light emitting device of the present invention comprises the steps of forming an n-type nitride layer on the substrate; Forming an active layer on the n-type nitride layer; And forming a p-type nitride layer on the active layer, wherein the p-type nitride layer is co-doped with a p-type dopant and carbon (C).

본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 종래 단일 p형 도펀트로서는 구현하기 어려운 높은 자유 정공 농도를 이끌어낼 수 있는 바, 발광소자의 저항을 낮추고 광효율을 높일 수 있다. The nitride semiconductor light emitting device of the present invention can lead to a high free hole concentration, which is difficult to achieve with a conventional single p-type dopant, and thus can lower the resistance of the light emitting device and increase light efficiency.

특히 본 발명의 발광소자에서 3족 내 Al의 몰 비율이 20% 이상인 질화물로 이루어진 p형 질화물층의 경우 자유 정공 농도가 1 X 10¹⁸ /cm³를 초과하는 것으로 나타나는 바, 우수한 발광 특성을 나타내는 것으로 확인되었다.
In particular, the p-type nitride layer made of nitride having a molar ratio of Al in Group 3 of 20% or more in the light emitting device of the present invention shows that the free hole concentration exceeds 1 X 10 ¹⁸ / cm ³ , indicating excellent light emission characteristics. It was confirmed.

도 1은 Mg 도핑된 GaN 층에서 Mg 억셉터 준위에 있는 정공이 활성화되어 자유 정공으로 활동하는 것을 나타낸 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 2는 Mg 도핑량에 따른 자유 정공 농도의 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 4는 Mg와 탄소가 도핑된 GaN 층에서 정공들의 활성화 경로를 나타낸 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직형 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다. FIG. 1 is an energy band diagram showing that holes in the Mg acceptor level are activated and act as free holes in the Mg doped GaN layer.
2 is a graph showing the amount of change in free hole concentration according to the amount of Mg doping.
3 is a cross-sectional view of a horizontal nitride semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an energy band diagram showing the activation path of holes in a Mg and carbon doped GaN layer.
5 is a cross-sectional view of a vertical nitride semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention.
6A through 6D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the horizontal nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자유 정공 농도가 증가된 질화물계 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a nitride based light emitting device having increased free hole concentration according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

질화물계 발광소자Nitride-based light emitting device

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110)의 상부 방향으로 버퍼층(120), n형 질화물층(130), 활성층(140), p형 질화물층(150), 투명 전극층(160), p측　전극(170) 및 n측 전극(180)을 포함한다.As shown in FIG. 3, the horizontal nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first exemplary embodiment of the present invention has a buffer layer 120, an n-type nitride layer 130, and an active layer in an upper direction of the substrate 110. 140), a p-type nitride layer 150, a transparent electrode layer 160, a p-side electrode 170, and an n-side electrode 180.

버퍼층(120)은 기판(110)과 n형 질화물층(130) 사이의 격자 부정합을 해소하기 위해 선택적으로 형성될 수 있고, 예컨대 AlN 또는 GaN으로 형성할 수 있다.The buffer layer 120 may be selectively formed to solve the lattice mismatch between the substrate 110 and the n-type nitride layer 130, and may be formed of, for example, AlN or GaN.

n형 질화물층(130)은 기판(110) 또는 버퍼층(120)의 상부면에 형성되고, n형 도펀트가 도핑되어 있는 질화물로 형성된다. 상기 n형 도펀트로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 등이 될 수 있다. 여기서, n형 질화물층(130)은 Si을 도핑한 n형 AlGaN 또는 언도우프 AlGaN으로 이루어진 제 1 층, 및 언도우프 또는 Si을 도핑한 n형 GaN로 이루어진 제 2 층이 번갈아가며 형성된 적층 구조일 수 있다. 물론, n형 질화물층(130)은 단층의 n형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하나, 제 1 층과 제 2 층의 적층 구조로 형성하여 크랙이 없는 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.The n-type nitride layer 130 is formed on the upper surface of the substrate 110 or the buffer layer 120 and is formed of a nitride doped with the n-type dopant. The n-type dopant may be silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or the like. Here, the n-type nitride layer 130 is a laminated structure in which a first layer made of n-type AlGaN or undoped AlGaN doped with Si and a second layer made of n-type GaN doped with undoped or Si are formed. Can be. Of course, the n-type nitride layer 130 may be grown as a single n-type nitride layer, but may be formed as a laminated structure of the first layer and the second layer to act as a carrier limiting layer having good crystallinity without cracks. .

활성층(140)은 n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이에서 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조로　이루어질 수 있으며, n형 질화물층(130)을 통하여 흐르는 전자와, p형 질화물층(150)을 통하여 흐르는 정공이 재결합(re-combination)되면서, 광이 발생된다. 여기서, 활성층(140)은 다중양자우물구조로서, 양자장벽층과 양자우물층은 각각 Al_xGa_yIn_zN(이 때, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. 이러한 양자장벽층과 양자우물층이 반복되어 형성된 구조의 활성층(140)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.The active layer 140 may be formed of a single quantum well structure or a multi-quantum well structure between the n-type nitride layer 130 and the p-type nitride layer 150, and electrons flowing through the n-type nitride layer 130, p As holes flowing through the nitride layer 150 are re-combined, light is generated. Here, the active layer 140 has a multi-quantum well structure, wherein the quantum barrier layer and the quantum well layer are each Al _x Ga _y In _z N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1). The active layer 140 having a structure in which the quantum barrier layer and the quantum well layer are repeatedly formed may suppress spontaneous polarization due to stress and deformation generated.

p형 질화물층(150)은 p형 도펀트와 탄소(C)가 함께 도핑(co-doping)되어 있는 질화물로 이루어지며, GaN 또는 AlGaN 층이 사용될 수 있으나 그 종류는 제한되지 않으며, 제 1 층과 제 2 층의 적층 구조로 형성될 수도 있다. The p-type nitride layer 150 is formed of a nitride in which a p-type dopant and carbon (C) are co-doped together. A GaN or AlGaN layer may be used, but the type thereof is not limited. It may be formed in a laminated structure of the second layer.

상기 p형 도펀트는 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 카드뮴(Cd) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 될 수 있으나, 바람직하게는 마그네슘(Mg)을 사용하는 것이 좋다. The p-type dopant may be one or two or more selected from magnesium (Mg), zinc (Zn), and cadmium (Cd), but preferably magnesium (Mg) is used.

한편 질화물 내 마그네슘과 같은 p형 도펀트의 함량이 증가하면 질소 공공(Nitrogen vacancy)의 농도가 증가하게 되는데 이 때, 함께 도핑되는 탄소가 질소 공공의 자리에 치환되어 질소 공공의 농도를 낮추게 된다. 도 4는 p형 도펀트로서 마그네슘과 탄소를 함께 도핑(co-doping)한 경우의 GaN 박막 내 에너지 밴드 다이어그램과 정공들의 활성화 경로를 나타낸 것이다. 상기 도 4 에서 보는 바와 같이 정공은 3가지 경로에 따라 활성화가 가능하며, 마그네슘(Mg) 준위는 탄소 준위에 있는 정공의 이온화를 촉진하여 높은 자유 정공 농도를 가지는 p형 질화물층의 구현이 가능하다. On the other hand, when the content of p-type dopant such as magnesium in the nitride increases the concentration of nitrogen vacancy (Nitrogen vacancy), at this time, the carbon doped together is replaced by the nitrogen vacancies to lower the concentration of nitrogen vacancies. FIG. 4 shows an energy band diagram and an activation path of holes in a GaN thin film when co-doping magnesium and carbon as a p-type dopant. As shown in FIG. 4, the hole can be activated according to three paths, and the magnesium (Mg) level promotes ionization of holes in the carbon level, thereby realizing a p-type nitride layer having a high free hole concentration. .

상기 도핑된 탄소의 농도는 1 X 10¹⁸ ~ 1 X 10²¹ atoms/cm³ 인 것이 바람직하다. 상기 탄소의 농도가 한정된 범위 미만이면, 질소 공공 치환 정도가 미미하고 질화물층이 n형의 성격을 나타내는 문제가 있으며, 한정된 범위를 초과하여 사용되면 결정성이 저하되어 자유 정공의 농도가 감소하는 문제가 있다. The concentration of the doped carbon is preferably 1 X 10 ¹⁸ ~ 1 X 10 ²¹ atoms / cm ³ . If the concentration of carbon is less than the limited range, there is a problem that the degree of nitrogen vacancy substitution is insignificant and that the nitride layer exhibits the n-type character. There is.

그리고 본 발명은 p형 도펀트와 탄소(C)는 질화물의 c-평면 상에 도핑되는 것을 특징으로 한다. 대표적인 질화물인 GaN에 탄소가 도핑되어 억셉터(acceptor)로 작용하기 위해서는 질소 자리에 치환되어 들어가야 하나, GaN의 c-평면의 표면은 Ga 평면으로 끝나게 되는 바, 탄소가 질소 자리로 치환되기가 매우 어렵다. 결국 탄소는 Ga 자리에 더 잘 들어가게 되고, 이 경우 도너(donor)로서 작용하므로 탄소 억셉터(carbon acceptor)에 의한 정공을 없애며, 이에 따라 전도성이 사라지는 문제가 있다. 그러나 본 발명에서는 특정 조건에서의 탄소 도핑을 통하여 자유 정공 농도를 증가시키며, c-평면 상의 도핑이 가능하도록 조절하였다. 특히 Mg와 C를 동시에 도핑하면 Mg가 Ga 자리에 치환이 잘 되고, 이로 인하여 확률적으로 C도 N 자리에 치환될 가능성이 높아져 정공 농도를 높일 수 있게 된다. And the present invention is characterized in that the p-type dopant and carbon (C) is doped on the c-plane of the nitride. In order to act as an acceptor, carbon is doped into GaN, which is a typical nitride. However, the c-plane surface of GaN ends in the Ga plane, so carbon is replaced by nitrogen sites. it's difficult. Eventually, carbon enters the Ga site better and, in this case, acts as a donor, thus eliminating holes due to carbon acceptors, thereby causing a problem of disappearing conductivity. However, in the present invention, the free hole concentration is increased through carbon doping under specific conditions and controlled to allow doping on the c-plane. In particular, when doping Mg and C at the same time Mg is well substituted at the Ga site, thereby increasing the probability that C is also substituted at the N site can increase the hole concentration.

상기 탄소 도핑을 통하여 p형 질화물층의 자유 정공 농도는 크게 증가하며, 1 X 10¹⁸ ~ 1 X 10¹⁹ /cm³의 범위로 존재할 수 있다. The free hole concentration of the p-type nitride layer is greatly increased through the carbon doping, and may exist in the range of 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ .

한편 투명 전극층(160)은 p형 질화물층(150)의 상부면에 구비된 층으로, 이러한 투명 전극층(160)은 투명 전도성 산화물로 이루어지고, 그 재질은 In, Sn, Al, Zn, Ga 등의 원소를 포함하며, 예컨대 ITO, CIO, ZnO, NiO, In₂O₃ 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
On the other hand, the transparent electrode layer 160 is a layer provided on the upper surface of the p-type nitride layer 150, the transparent electrode layer 160 is made of a transparent conductive oxide, the material is In, Sn, Al, Zn, Ga, etc. It includes an element of, and may be formed of any one of, for example, ITO, CIO, ZnO, NiO, In ₂ O ₃ .

이하, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직형 질화물 반도체 발광 소자를 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직형 질화물 반도체 발광 소자의 단면을 나타낸 단면도이다. 여기서, 수직형 질화물 반도체 발광 소자의 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, a vertical nitride semiconductor light emitting device according to a second exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5. 5 is a cross-sectional view of a vertical nitride semiconductor light emitting device according to a second exemplary embodiment of the present invention. Here, in the case where it is determined that the detailed description of the related known configuration or function of the vertical nitride semiconductor light emitting device may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직형 질화물 발광 소자는 p측 전극 지지층(200)의 상부면 방향으로 반사층(210), 오믹 컨택층(220), p형 질화물층(230), 활성층(240), n형 질화물층(250) 및 n측 전극(260)을 포함한다.As shown in FIG. 5, the vertical nitride light emitting device according to the second exemplary embodiment of the present invention includes a reflective layer 210, an ohmic contact layer 220, and a p-type nitride in an upper surface direction of the p-side electrode support layer 200. The layer 230, the active layer 240, the n-type nitride layer 250, and the n-side electrode 260 are included.

p측 전극 지지층(200)은 전도성 지지부재로서 p측 전극의 역할을 하면서 발광 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시켜야 한다. 특히, p측 전극 지지층(280)은 기계적 강도를 가지고, 스크라이빙(scribing) 공정 또는 브레이킹(breaking) 공정을 포함한 제조 과정 중 상부면 방향의 층들을 지지해야 한다.The p-side electrode support layer 200 should serve as a p-side electrode as a conductive support member to sufficiently dissipate heat generated during operation of the light emitting device. In particular, the p-side electrode support layer 280 has mechanical strength and must support the layers in the top direction during the manufacturing process including the scribing process or the breaking process.

따라서, p측 전극 지지층(200)은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag) 및 알루미늄(Al)등의 열전도도가 좋은 금속으로 형성할 수 있다. 또는, p측 전극 지지층(200)은 이런 금속들과 결정 구조 및 결정 격자 상수가 유사하여 합금시 내부 응력 발생을 최소화할 수 있으면서 기계적 강도가 있는 합금 재질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd) 등의 경금속을 포함한 합금으로 형성하는 것이 바람직하다.Therefore, the p-side electrode support layer 200 may be formed of a metal having good thermal conductivity such as gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), and aluminum (Al). Alternatively, the p-side electrode support layer 200 may be formed of an alloy material having mechanical strength while minimizing the generation of internal stress during alloying since the metals have similar crystal structures and crystal lattice constants. For example, it is preferable to form with the alloy containing light metals, such as nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), and palladium (Pd).

반사층(210)은 p측 전극 지지층(200)의 상부면에 선택적으로 형성될 수 있고, 활성층(240)으로부터 발산하는 광을 상부 방향으로 반사시키는 반사율이 높은 금속 재질로 형성될 수 있다.The reflective layer 210 may be selectively formed on the upper surface of the p-side electrode support layer 200, and may be formed of a metal material having a high reflectance for reflecting light emitted from the active layer 240 in an upward direction.

오믹 컨택층(220)은 반사층(210)의 상부면에 니켈(Ni) 또는 금(Au)의 금속, 또는 이런 금속을 함유한 질화물로 이루어진 층으로 형성되어, 낮은 저항을 갖는 오믹 컨택(Ohmic Contact)을 형성한다. 여기서, 니켈(Ni) 또는 금(Au)의 금속을 이용하여 오믹 컨택층(220)을 형성하는 경우, 오믹 컨택층(220)이 반사 기능을 수행할 수 있으므로 반사층(210)을 형성할 필요가 없다.The ohmic contact layer 220 is formed of a metal made of nickel (Ni) or gold (Au) or a nitride containing such a metal on the upper surface of the reflective layer 210, thereby making ohmic contact having a low resistance. ). Here, when the ohmic contact layer 220 is formed using a metal of nickel (Ni) or gold (Au), the ohmic contact layer 220 may perform a reflection function, and thus the reflective layer 210 needs to be formed. none.

다음 p형 질화물층(230), 활성층(240), n형 질화물층(250) 및 n측 전극(260)이 차례로 형성된다.
Next, the p-type nitride layer 230, the active layer 240, the n-type nitride layer 250, and the n-side electrode 260 are sequentially formed.

질화물계 발광소자의 제조방법Manufacturing method of nitride based light emitting device

이하, 구체적으로 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자(100)의 제조 방법을 도 6a 내지 6e를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. 6A to 6E.

도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)의 제조 방법은 먼저 기판(110)의 상부면에 버퍼층(120)과 n형 질화물층(130)을 순차적으로 형성시킨다. As shown in FIG. 6A, in the method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention, first, a buffer layer 120 and an n-type nitride layer 130 are formed on an upper surface of the substrate 110. Form sequentially.

버퍼층(120)은 기판(110)과 n형 질화물층(130) 사이에 격자 부정합을 해소하기 위해 기판(110)의 상부면에 선택적으로 형성될 수도 있다. 여기서, 버퍼층(120)은 예를 들어 AlN 또는 GaN을 이용하여 형성될 수도 있다.The buffer layer 120 may be selectively formed on the upper surface of the substrate 110 to eliminate the lattice mismatch between the substrate 110 and the n-type nitride layer 130. Here, the buffer layer 120 may be formed using, for example, AlN or GaN.

n형 질화물층(130)은 n-GaN층으로 형성될 수 있다. n형 질화물층(130)의 형성 방법은 예를 들어, NH₃, 트리메탈갈륨(TMG), 및 Si과 같은 n형 도펀트를 포함한 실란 가스를 공급하여, n-GaN층을 n형 질화물층으로 성장할 수 있다.The n-type nitride layer 130 may be formed of an n-GaN layer. For example, the n-type nitride layer 130 may be formed by supplying a silane gas containing an n-type dopant such as NH ₃ , trimetalgallium (TMG), and Si to convert the n-GaN layer into an n-type nitride layer. You can grow.

도 6b와 같이, 활성층(140)은 단일양자우물구조 또는 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물구조로　구비될 수 있다. 여기서, 활성층(150)은 다중양자우물구조로 이루어지되, 양자장벽층과 양자우물층은 각각 Al_xGa_yIn_zN(이 때, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. As shown in FIG. 6B, the active layer 140 may have a single quantum well structure or a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and a quantum barrier layer are alternately stacked. Here, the active layer 150 is made of a multi-quantum well structure, the quantum barrier layer and the quantum well layer is Al _x Ga _y In _z N (where x + y + z = 1, 0≤x≤1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1).

다음 p형 질화물층(150)은 p형 도펀트와 탄소(C)가 함께 도핑(co-doping)되어 있는 질화물로서 형성된다. p형 도펀트와 탄소가 도핑된 질화물층은 ALE(atomic layer epitaxy), APCVD(atmospheric pressure chemical vapour deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), RTCVD(rapid thermal chemical vapor deposition), UHVCVD(ultrahigh vacuum chemical vapor deposition), LPCVD(low pressure chemical vapor deposition), MOCVD(Metal organic Chemical Vapor Deposition) 등의 기상 에피택시 성장 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어 MOCVD 방법으로 NH₃, 트리메틸갈륨(TMG), Bis(cyclopentadienyl)magnesium(Cp2Mg), CBr₄를 이용하여 Mg와 C가 도핑된 GaN 층을 제조할 수 있다. The p-type nitride layer 150 is formed as a nitride in which the p-type dopant and carbon (C) are co-doped together. The p-type dopant and the carbon-doped nitride layer include atomic layer epitaxy (ALE), atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD), and ultrahigh vacuum chemical (UHVCVD). vapor deposition (LPCVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and the like can be formed using a gas phase epitaxy growth method, for example, by MOCVD method NH ₃ , trimethylgallium (TMG) may be using a Bis (cyclopentadienyl) magnesium (Cp2Mg) , CBr 4 to produce a doped GaN layer and the Mg C.

상기 p형 질화물층은 Al을 포함하는 경우, 1,000 ~ 1,500 ℃의 성장온도, 10 ~ 200 mbar의 성장압력 및 100 ~ 1,000 의 V/III 비율의 공정 조건에서 성장되는 것이 바람직하다. 특히 3족 내 Al의 몰 비율이 20% 이상인 경우에는 1200 ~ 1400 ℃의 성장온도, 30 ~ 100 mbar의 성장압력 및 300 ~ 700 의 V/III 비율의 공정 조건에서 성장되는 것이 유리하다. 단, 상기 p형 질화물층이 Al을 포함하지 않는 경우에는 900 ~ 1,200 ℃의 성장온도, 100 ~ 1013 mbar의 성장압력 및 100 ~ 3,000 의 V/III 비율의 공정 조건에서 성장될 수 있다. When the p-type nitride layer includes Al, the p-type nitride layer is preferably grown at a growth temperature of 1,000 to 1,500 ° C., a growth pressure of 10 to 200 mbar, and process conditions of a V / III ratio of 100 to 1,000. Particularly, when the molar ratio of Al in Group 3 is 20% or more, it is advantageous to grow at a growth temperature of 1200 to 1400 ° C., a growth pressure of 30 to 100 mbar, and a process condition of a V / III ratio of 300 to 700. However, when the p-type nitride layer does not contain Al, the p-type nitride layer may be grown at a process temperature of 900 to 1,200 ° C., a growth pressure of 100 to 1013 mbar, and a V / III ratio of 100 to 3,000.

성장온도 및 성장압력이 상기 범위 미만이면, 결정성이 악화되어 정공 농도가 낮아지게 되며, 성장온도 및 성장압력이 상기 범위를 갈륨이 떨어져 나가게 되어 결정 품질이 낮아지는 문제가 있다. 또한 V/III 비율이 상기 범위 미만이면 암모니아와 같은 질소 소스가 부족하게 되어 결정성이 약화되며, 상기 범위를 초과하면 질소 소스가 과다 존재하게 되어 탄소의 도핑이 충분이 이루어지지 못하는 문제가 있다. If the growth temperature and the growth pressure is less than the above range, the crystallinity deteriorates and the hole concentration is lowered, and the growth temperature and the growth pressure cause gallium to fall out of the above range, thereby lowering the crystal quality. In addition, when the V / III ratio is less than the above range, there is a shortage of nitrogen sources such as ammonia, and the crystallinity is weakened.

또한, CBr₄, CCl₄ 또는 CH₄ 를 탄소 소스로 사용하여 도핑될 수 있으나, 바람직하게는 CBr₄를 사용하는 것이 좋다. CCl₄를 사용하는 경우 Cl에 의한 박막의 에칭이 일어나는 문제가 있으며, CH₄를 사용하는 경우 탄소 도핑이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있다. It may also be doped using CBr ₄ , CCl ₄ or CH ₄ as the carbon source, but preferably CBr ₄ is used. When using CCl ₄ there is a problem that the etching of the thin film by Cl, and when using CH ₄ there is a problem that carbon doping is not made smoothly.

그리고 Al을 포함하는 p형 질화물 층의 경우, 상기 탄소 소스는 상압에서 80 ~ 150 sccm으로 공급되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 90 ~ 120 sccm 의 양으로 공급되는 것이 유리하다. 또한 Al을 포함하지 않는 p형 질화물 층의 경우 상기 탄소 소스는 상압에서 160 ~ 300 sccm으로 공급되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 180 ~ 240 sccm으로 공급되는 것이 유리하다. 상기 한정된 범위 미만으로 탄소 소스가 공급되는 경우 질화물이 n형의 성격을 나타내는 문제가 있으며, 한정된 범위를 초과하여 공급되면 결정성이 저하되는 문제가 있다. And in the case of the p-type nitride layer containing Al, the carbon source is preferably supplied at 80 to 150 sccm at normal pressure, more preferably in an amount of 90 to 120 sccm. In addition, in the case of the p-type nitride layer containing no Al, the carbon source is preferably supplied at 160 to 300 sccm at normal pressure, more preferably at 180 to 240 sccm. When the carbon source is supplied below the limited range, there is a problem that the nitride exhibits the n-type character, and when the carbon source is supplied beyond the limited range, crystallinity is lowered.

상기 p형 질화물층은 인시츄(in-situ) 공정으로 도핑이 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 p형 도펀트와 탄소의 도핑은 먼저 p형 도펀트를 도핑한 후, 탄소를 도핑하는 것이 바람직하나, 그 순서가 제한되지는 아니하며, 동시에 도핑이 이루어지는 것도 가능하다.
The p-type nitride layer may be doped by an in-situ process, but is not limited thereto. In addition, the doping of the p-type dopant and carbon is preferably doped with a p-type dopant, and then doped with carbon, but the order is not limited, it is also possible to be doped at the same time.

그리고 투명 전극층(160)은 p형 질화물층(160)의 상부면에 형성시키며, 이러한 투명 전극층(160)은 투명 전도성 산화물로 이루어진다. The transparent electrode layer 160 is formed on the upper surface of the p-type nitride layer 160, and the transparent electrode layer 160 is made of a transparent conductive oxide.

이렇게 투명 전극층(160)까지 형성된 후, 도 6c에 도시된 바와 같이 투명 전극층(160)으로부터 n형 질화물층(130)의 일영역까지 노광 에칭(lithography etching)하여, n형 질화물층(130)의 일영역이 노출될 수 있다.After the formation of the transparent electrode layer 160, as shown in FIG. 6C, lithography etching is performed from the transparent electrode layer 160 to one region of the n-type nitride layer 130, thereby forming the n-type nitride layer 130. One area may be exposed.

n형 질화물층(130)의 일영역이 노출되면, 도 6d에 도시된 바와 같이 p측　전극(170)이 투명 전극층(160)의 상부면에 형성되고, n측 전극(180)이 노출된 n형 질화물층(130)의 일 영역에 형성된다.When one region of the n-type nitride layer 130 is exposed, as shown in FIG. 6D, a p-side electrode 170 is formed on an upper surface of the transparent electrode layer 160, and the n-side electrode 180 is exposed. It is formed in one region of the type nitride layer 130.

한편 상기 제 2 실시예의 수직형 질화물 반도체 발광소자는 일반적인 수직형 질화물 반도체 발광소자의 제조방법으로 제조될 수 있으나, 이 때 p형 질화물 층(230)은 상기 설명한 바와 같이 p형 도펀트와 탄소(C)가 함께 도핑(co-doping)되어 있는 질화물로서 형성된다.
Meanwhile, the vertical nitride semiconductor light emitting device of the second embodiment may be manufactured by a general method of manufacturing a vertical nitride semiconductor light emitting device. In this case, the p-type nitride layer 230 may be formed of p-type dopant and carbon (C) as described above. ) Is formed as a nitride that is co-doped together.

이하, 본 발명의 하기 실험예를 통하여 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be described in more detail with reference to the following experimental examples.

실험예 1 : GaN 층에서 Mg 및 C의 도핑에 따른 정공 농도의 확인Experimental Example 1 Identification of Hole Concentration According to Doping of Mg and C in GaN Layer

질화물계 발광소자를 구성하기 위한 각 층으로 GaN을 적용하였으며, 성장 압력은 40 mbar, 성장 온도는 1200 ℃, V/III ratio는 약 600, Cp2Mg 유량은 100 sccm의 조건으로 도핑한 후, CBr₄를 180 sccm 의 유량으로 도핑하였다(실시예 1). 그리고 CBr₄를 공급하지 아니한 경우(비교예 1)와 p-GaN 층에서 자유 정공의 농도를 비교하였으며, 이를 하기 표 1에 나타내었다. GaN was applied to each layer to form a nitride-based light emitting device. The growth pressure was 40 mbar, the growth temperature was 1200 ° C., the V / III ratio was about 600, and the Cp2Mg flow rate was doped at 100 sccm, followed by CBr ₄ Was doped at a flow rate of 180 sccm (Example 1). And when the CBr ₄ was not supplied (Comparative Example 1) and compared with the concentration of free holes in the p-GaN layer, it is shown in Table 1 below.

Mg 도핑량(atoms/cm³)Mg Doping Amount (atoms / cm ³ ) C 도핑량(atoms/cm³)C Doping Amount (atoms / cm ³ ) 자유 정공 농도(cm^-3)Free hole concentration (cm ^-3 ) 실시예 1Example 1 1 X 10²⁰ 1 X 10 ²⁰ 1 X 10¹⁹ 1 X 10 ¹⁹ 1.0 X 10¹⁸ 1.0 X 10 ¹⁸ 비교예 1Comparative Example 1 1 X 10²⁰ 1 X 10 ²⁰ -- 2.0 X 10¹⁷ 2.0 X 10 ¹⁷

상기 표 1의 비교예 1에서 보는 바와 같이 C를 도핑하지 않은 경우에는 Mg 농도가 1 X 10²⁰ atoms/cm³에 이르는 경우, self compensation에 의하여 오히려 자유 정공 농도가 급격히 감소하나, 탄소를 특정 농도로 같이 도핑한 실시예 1에서는 종래 마그네슘 만의 도핑으로는 얻기 어려운 1 X 10¹⁸ /cm³ 의 자유 정공 농도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
As shown in Comparative Example 1 of Table 1, when C is not doped, when the Mg concentration reaches 1 X 10 ²⁰ atoms / cm ³ , the free hole concentration decreases rapidly due to self compensation, but carbon has a specific concentration. In Example 1 doped as, it can be seen that a free hole concentration of 1 X 10 ¹⁸ / cm ³ , which is difficult to obtain by conventional doping only of magnesium, can be obtained.

실험예 2 : AlGaN 층에서 Mg 및 C의 도핑에 따른 정공 농도의 확인Experimental Example 2 Identification of Hole Concentration According to Doping of Mg and C in AlGaN Layer

질화물계 발광소자를 구성하기 위한 각 층으로 AlGaN(20몰% 알루미늄 포함)을 적용하였으며, 성장 압력은 40mbar, 성장 온도는 1200 ℃, V/III ratio는 약 600, Cp2Mg 유량은 100 sccm의 조건으로 도핑한 후, CBr₄를 90 sccm 의 유량으로 도핑하였다(실시예 2). 그리고 CBr₄를 공급하지 아니한 경우(비교예 2)와 p-AlGaN 층에서 자유 정공의 농도를 비교하였으며, 이를 하기 표 2에 나타내었다. AlGaN (including 20 mol% aluminum) was applied to each layer to form a nitride-based light emitting device. The growth pressure was 40 mbar, the growth temperature was 1200 ° C., the V / III ratio was about 600, and the Cp2Mg flow rate was 100 sccm. After doping, CBr ₄ was doped at a flow rate of 90 sccm (Example 2). And when the CBr ₄ was not supplied (Comparative Example 2) and the concentration of free holes in the p-AlGaN layer was compared, this is shown in Table 2 below.

Mg 도핑량(atoms/cm³)Mg Doping Amount (atoms / cm ³ ) C 도핑량(atoms/cm³)C Doping Amount (atoms / cm ³ ) 자유 정공 농도(cm^-3)Free hole concentration (cm ^-3 ) 실시예 2Example 2 1 X 10²⁰ 1 X 10 ²⁰ 1 X 10¹⁹ 1 X 10 ¹⁹ 1.8 X 10¹⁸ 1.8 X 10 ¹⁸ 비교예 2Comparative Example 2 1 X 10²⁰ 1 X 10 ²⁰ -- 5.2 X 10¹⁵ 5.2 X 10 ¹⁵

p-AlGaN 층에서도 p-GaN 층을 포함하는 경우와 마찬가지로, 종래 마그네슘 만의 도핑으로는 얻기 어려운 1 X 10¹⁸ /cm³ 이상으로 나타났으며, 특히 탄소 도핑을 수행하지 않은 경우에 비하여 자유 정공 농도가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. As in the case of including the p-GaN layer, the p-AlGaN layer was found to be more than 1 X 10 ¹⁸ / cm ³ , which is difficult to obtain by conventional magnesium-only doping. Was found to increase significantly.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. . Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.

100 : 반도체 발광소자 110 : 기판
120 : 버퍼층 130 : n형 질화물층
140 : 활성층 150 : p형 질화물층
160 : 투명 전극층 170 : p측　전극
180 : n측 전극 200 : p측 전극 지지층
210 : 반사층 220 : 오믹 컨택층
230 : p형 질화물층 240 : 활성층
250 : n형 질화물층 260 : n측 전극100 semiconductor light emitting device 110 substrate
120: buffer layer 130: n-type nitride layer
140: active layer 150: p-type nitride layer
160: transparent electrode layer 170: p-side electrode
180: n-side electrode 200: p-side electrode support layer
210: reflective layer 220: ohmic contact layer
230: p-type nitride layer 240: active layer
250: n-type nitride layer 260: n-side electrode

Claims

Forming an n-type nitride layer on the substrate;
Forming an active layer on the n-type nitride layer; And
Forming a p-type nitride layer on the active layer;
And the p-type nitride layer is doped with a p-type dopant and carbon (C).

The method of claim 1,
The p-type nitride layer includes Al, and is grown under process conditions of a growth temperature of 1,000 to 1,500 ° C., a growth pressure of 10 to 200 mbar, and a V / III ratio of 100 to 1,000. Manufacturing method.

3. The method of claim 2,
The p-type nitride layer is a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that containing a nitride having a molar ratio of 20% or more in Group III Al.

The method of claim 1,
The p-type nitride layer does not contain Al, and is grown in the process conditions of the growth temperature of 900 ~ 1,200 ℃, growth pressure of 100 ~ 1013 mbar and V / III ratio of 100 ~ 3,000, characterized in that the nitride semiconductor light emitting device Manufacturing method.

The method of claim 1,
The carbon is a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that the doped using a carbon source of CBr ₄ , CCl ₄ or CH ₄ .

The method of claim 5, wherein
When doping the p-type nitride layer containing Al, the carbon source is a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that supplied at 80 ~ 150 sccm at normal pressure.

The method of claim 5, wherein
When doping the p-type nitride layer containing no Al, the carbon source is a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that supplied at 160 ~ 300 sccm at normal pressure.

The method of claim 1,
The p-type nitride layer is a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that the doping in-situ (in-situ) process.