KR100339518B1 - 질화물 반도체 백색 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한 것으로서 특히, 활성층 내부에 적색, 녹색 및 청색의 삼원색 발광 영역을 도입하여 발광소자 칩 내부에서 직접 발광하는 형식으로 발광 효율을 증대시킬 수 있는 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 기판 상에 n형 접촉층, n형 클래드층, InGaN 활성층, p형 클래드층 및 p형 접촉층이 순차적으로 적층되어 형성되는 질화물 반도체소자에 있어서, 상기 n형 클래드층의 상층부에 다수의 V자형 홈을 형성하여 상기 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 형성되는 활성층의 In 조성이 국소적 변화영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 활성층 내부에 삼원색 발광영역을 도입하여 직접 발광하는 형식으로 기존의 형광체나 기타 이차 천이 물질을 사용하지 않아 발광 효율이 높고 소자 제조 공정이 간단하며, 작은 크기의 고출력, 고품위 단일 칩 형태의 백색 발광소자의 제작이 가능한 이점이 있다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한 것으로서 특히, 활성층 내부에 적색, 녹색 및 청색의 삼원색 발광 영역을 도입하여 발광소자 칩 내부에서 직접 발광하는 형식으로 발광 효율을 증대시킬 수 있는 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한것이다.
질화물 반도체소자는 청색 발광다이오드(light emitting diode : 이하, LED라 칭함), 청색 레이저 다이오드(laser diode : 이하, LD라 칭함) 또는 태양 전지 등의 재료로써 최근 크게 주목받고 있다.
그 중 800∼830 ㎚ 영역의 AlGaAs LED 및 LD에 대해 400 ㎚대의 단 파장 청색 LED는 정보 기록밀도를 4배 이상 증가시키는 것을 가능하게 하여 DVD(digital video disc) 시대의 도래를 예고하고 있다.
특히, 청색 LED의 개발로 인해 적색 및 녹색과 더불어 빛의 삼원색이 달성되어 모든 자연색의 구현이 용이하게 된다.도 1은 종래 기술에 의한 질화물 반도체 백색 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1과 같이 종래에는 사파이어 또는 SiC와 같은 절연기판(100) 상에 다층의 질화물 반도체 박막 적층으로 형성된 소자(110)와, 상기 소자(110)가 형성되지 않은 상기 기판(100)의 하부 면에 빛이 다이 본딩용 합성수지에 입사되는 것을 방지하기 위해 In, Cu, Pd, Rh, W, Mo, Ti, Ni, Al 및 Ag 등의 금속 또는 TiO2, SiO2및 BaF2등의 도전성재료를 코팅하여 형성된 반사층 및 칩과 리드 프레임 사이의 열전도도를 높이기 위해 Au, Ag, Al 및 Cu 등이 함유된 에폭시(epoxy) 수지, 실리콘(silicon) 수지 등을 사용하여 형성한 다이 본딩용 합성수지층(130)과, 상기 소자를 +, - 리드프레임(135)(145)에 연결하기 위한 각각의 와이어(120)(125)와,젤(gel)형태의 실리콘(silicon)수지, 아몰퍼스(amorphous) 불소 수지 또는 투광성 폴리마이드(polymide) 수지를 사용한 색 변환재료 및 Y3Al5O2로 구성된 형광물질층(150)이 상기 소자(110)를 덮도록 형성된다.
상기에서 형광물질 Y3Al5O2를 이용하여 파장 450 ㎚의 청색 발광소자를 여기 광으로 사용하여 530 ∼ 580 ㎚의 가시광 영역의 광을 얻을 수 있다. 또한, Al을 Ga으로 치환하여 발광파장을 단 파장화, Y를 Gd로 치환하여 장 파장화 하는 것이 가능하다.백색발광소자는 소자에서 발광하는 광의 스펙트럼이 특정영역의 파장 단독으로 다량 발생하는 특성스펙트럼이 아닌 전체 영역의 발광이 퍼져서 발광할 필요성이 있고, 태양의 자연광 또한 가시광 영역의 파장이 전체적으로 포함되어 있기 때문에 보다 태양광에 근접한 백색발광소자를 제작하기 위해서는 전 파장 영역의 고른 발광이 필요하다. 그림 4는 백색발광소자의 파장별 발광정도가 요구되는 개략도를 나타내고 있다.상술한 바와 같이 종래의 질화물 반도체 백색 발광소자는 종래의 청색광을 여기 광원으로 사용하여 제작한 백색 발광소자는 발광효율이 낮고, 이차 천이 물질을 사용하기 때문에 전체적인 소자의 크기가 커져서 패키지 된 백색 발광소자의 소형화에 한계가 있고, 단가 또한 높아지는 문제가 있다. 또한, 기존 방식의 백색 발광소자의 개발을 위해 고출력 및 300 ㎚ 이하의 초 단 파장 광원이 필요하지만 아직 초 단 파장 발광소자 개발은 연구 개발 단계로 실용화에는 다소 시간이 소요되는 문제가 있다. 그리고, 종래의 기술로 반도체를 이용한 발광소자로 청색의 영역발광은 달성이 되어 있지만, 청색발광과 동시에 가시광선 영역의 빛을 발산하는 소자는 개발되지 않았으므로 현재는 각각의 청색, 녹색, 적색의 발광을 하는 발광소자를 개별적으로 조합하여 백색광을 구현되어야 하므로 공정이 복잡해지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 청색 발광소자에 형광물질을 이용한 천이방식 대신에 삼원계 질화물 반도체인 InGaN 활성층의 상분리 특성을 이용한 백색 발광소자를 제작하여 백색발광소자를 단일 반도체 발광소자에서 동시에 구현하고자 하며, 이 경우 다수의 소자를 조립하거나, 다수의 소자에 전력을 인가하여 전력소모를 증가시킬 필요가 없어 공정효율을 증대시키고, 저가격의 고출력 질화물 반도체 백색 발광소자를 제공함에 있다.상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 기판 상에 순차적으로 n형 접촉층, n형 클래드층, InGaN 활성층, p형 클래드층 및 접촉층이 적층되어 형성되는 질화물 반도체소자에 있어서, 상기 n형 클래드층의 상층부에 다수의 V자형 홈을 형성하여 상기 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 형성되는 활성층의 In 조성이 국소적 변화영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 도시하는 단면도.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도.도 4는 백색발광소자의 발광파장 개략도.도 5는 V구조에 성장된 InGaN/GaN MQWs 의 전자투과 현미경 사진.도 6은 스크라이버에 의한 V구조의 형성방법.도 7은 건식식각률의 제어에 의한 V구조의 형성방법.도 8은 선택적 에피택시 방법에 의한 V구조의 형성방법.도 9는 V구조를 이용한 백색발광소자의 포토루미네센스 스펙트럼.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 상세한 설명>
200 : 기판 210 : 버퍼층
220 : n형 접촉층 230 : V자형 홈이 형성된 n형 클래드층
240 : 활성층 250 : 저온 결정 성장층
260 : p형 클래드층 270 : p형 접촉층
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 도시한 단면도이고, 도 3은 상기 도 2의 A 부분을 확대한 것으로서 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 성장되는 InGaN를 도시하는 단면도이며, 도 4는 백색발광소자의 발광파장 개략도이고, 도 5는 V구조에 성장된 InGaN/GaN MQWs 의 전자투과 현미경 사진.도 6은 스크라이버에 의한 V구조의 형성방법이며, 도 7은 건식식각률의 제어에 의한 V구조의 형성방법이고, 도 8은 선택적 에피택시 방법에 의한 V구조의 형성방법이고, 도 9는 V구조를 이용한 백색발광소자의 포토루미네센스 스펙트럼이다.
삼원계 화합물 반도체인 InGaN는 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 1.9 eV 인 InN와, 3.4 eV인 GaN의 혼합에 의해 형성되는 직접천이형 고용체이다. 따라서, In의 조성에 의해 그 에너지 밴드 갭이 1.9 eV에서 3.4 eV까지 변화할 수 있다.
그러나, InN와 GaN는 격자 상수 차이가 약 11 %로 매우 크기 때문에 GaN와 InN의 혼합에는 일정범위의 혼합 갭(miscibility gap)이 존재한다. 이러한 혼합 갭 영역에서 InGaN 고용체는 열역학적으로 불안정하여 열역학적으로 안정한 두 개의 상으로 자발적인 분해를 일으키게 된다. 이러한 상분리는 In 함량이 적은 모재 속에 In 함량이 많은 상이 공간적으로 무질서하게 분포하게 된다.
GaN-In 상태 변화도로부터 성장온도 760 ℃에서 분리되는 두 상의 조성은 대략 함량이 22 %와 80 % 정도가 된다. 이와 같은 조성의 상들은 에너지 간격으로 볼 때각각 자주색과 적색영역의 빛을 발광할 수 있다.
상태도로부터 예측되는 또 하나의 조성은 인듐(In) 함량이 44 % 정도의 상태로 이러한 조성은 열역학적으로 준 안정상태에 있는 중간상에 해당하며, 이때 녹색 영역의 빛을 발광할 수 있다.
그러므로, InGaN 성장시 성장 조건을 제어함으로써 분리된 상들의 In 조성비를 조절하여 청색, 녹색 및 적색의 기본 삼원색의 색조합에 의한 백색 발광소자를 제작할 수 있다.
본 발명에서는 상술한 In 상분리 현상을 이용하여 제작한 질화물 반도체 백색 발광소자를 도 2에 도시하였다.
도 2와 같이 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(buffer layer)(210) 및 n형 접촉층(220)과, 상기 n형 접촉층(220) 상의 소정 부분에 형성되며 상부에 다수개의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층(clad layer)(230)과, 상기 다수개의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층(230) 상에 순차적으로 형성된 활성층(240), 저온 결정 성장층(250), p형 클래드층(260) 및 p형 접촉층(270)으로 구성되는 더블 헤테로(double hetero) 구조를 가지며, 상기 n형 클래드층(230)이 형성되지 않은 n형 접촉층(220) 상의 소정 부분 및 상기 p형 접촉층(270) 상의 소정 부분에 각각 형성된 n형 및 p형 전극(280)(290)을 포함하여 이루어진다.
이후에 도시하지 않았지만 각각의 n형 및 p형 전극에 와이어 본딩하여 열 방출용 히트-신크(Heat-sink)를 접촉시켜, 상기 전극 부분에 전류를 흘려줌으로써 구동되는 질화물 반도체 백색 발광소자 칩을 제작한다.
상기에서 다수의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층은 기판 상에 버퍼층, n형 접촉층 및 n형 클래드층을 순차적으로 적층하여 형성하고, 상기 형성된 n형 클래드층을 건식 식각(dry etching) 방법 또는 스크라이버(scriber)를 이용하여 상기 n형 클래드층의 상층부에 다수의 V자형의 홈을 형성하였다.
상술한 구조의 질화물 반도체 백색 발광소자에서 기판으로는 사파이어, GaN, SiC, ZnO, GaAs 또는 Si 등이, 상기 버퍼층으로는 GaN, AlN, AlGaN 또는 InGaN 등이 이용되나, 일반적으로는 사파이어 절연 기판 상에 유기금속 화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용한 GaN를 증착하여 형성한 버퍼층을 이용한다.
또한, 상기에서 활성층은 상분리 현상을 일으키는 InGaN로 형성하며, 상기 활성층과 p형 클래드층 사이에 형성된 저온 결정 성장층은 상기 활성층과 상기 p형 클래드층의 격자부정합을 완충시킬 수 있도록 GaN로 형성한다.
상기 저온 결정 성장층은 상기 다수의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 형성된 활성층 내의 정확한 In 조성을 제어하기 위한 것으로써, 상기 활성층 상에 1000 ℃ 이상의 고온 결정 성장 과정인 p형 클래드층을 형성하면 활성층 내의 저융점 In이 증발하여 In 조성을 제어하기 어렵게된다. 그리고, 상기 저온 결정 성장층을 형성하면 상기 저온 결정 성장층이 활성층 상부에 형성되는 p형 결정 성장층의 격자 부정합을 최소화하여 격자부정합에 의해 야기되는 발광 효율의 저하를 방지할 수 있다.본 발명의 백색발광 소자를 제작하기 위해서 InGaN 층에서 청색을 발광하는 영역과 녹색과 적색을 포함하는 가시광선 영역의 광을 발광시키기 위해서는 In의 함량이 국소적으로 조성비를 달리 가지는 성장법을 발명하면 다음과 같다.n형 GaN 클래드층 상층부를 건식식각 또는 스크라이버등을 사용하여 V-구조의 굴곡을 형성한 후 그 위에 InGaN/GaN MQWs 활성층을 성장 할 경우 V-구조의 깊이나 넓이에 따라서 V-구조의 깊이가 깊은 영역에서는 결정 성장률이 V-깊이가 낮은 영역에서 보다 빠름으로 인해 V-구조 모양에 따라서 In의 조성비가 달라 졌다. 도 5는 V형구조에서의 InGaN 성장속도의 차이를 보여주고 있는 전자투과현미경 사진을 나타낸 것으로 V-구조를 가진 InGaN/GaN MQWs 에 대한 TEM 사진을 보여주고 있다. 상기 도 5에 도시된 바와 같이, V-모양이 아닌 영역에서는 QW이 성장되어 있음을 보여고 있으나 V-모양이 이루지는 근처에서는 QW층이 휘어져 있음을 보여주고 있으며 V-모양 골에서는 경사진 면에서 성장률이 다름을 보여주고 있다.즉, V-구조의 깊이가 깊은 영역이 낮은 영역보다 같은 시간 및 같은 온도의 결정 성장에도 상대적으로 높은 In조성을 가지므로, 이러한 특성을 이용하여 V-구조 모양의 내부로부터 적색 및 녹색 영역을 포함하는 다중 파장을 가진 가시발광을 유도하여 백색발광 소자 제작하였다.
도 3은 다수의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 활성층을 형성하기 위한InGaN의 결정 성장 과정을 설명하기 위한 단면도로서, 도 2의 'A'부분을 확대하여 그 단면을 도시한 것이다.
도 3과 같이 다수 개의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층(230) 중에서 하나의 V자형 홈 상에 InGaN가 증착되는 것을 도시하는 것으로서, 상기 V자형 홈이 형성된 클래드층(230) 상에 활성층(240)를 증착하면 InGaN의 결정 성장률이 V자형 홈 가운데에서 상기 V자형 홈의 가장 자리로 갈수록 낮아져 도시된 바와 같이 제 1 InGaN층(240a), 제 2 InGaN층(240b), 제 3 InGaN층(240c)과 같은 형태 및 순서로 InGaN가 증착되고, 이때 증착된 InGaN 활성층(240)은 V자 홈의 가운데 부분과 양쪽 가장 자리 영역에서 부분적으로 In 조성이 다르게 형성된다.
즉, 상기 부분적으로 In 조성이 다르게 형성된 활성층은 V자형 홈 내부로부터 적색, 녹색 및 청색의 각기 다른 In 조성을 가지는 발광을 유도하여 삼원색의 색 조합 효과에 의한 백색 발광소자가 형성된다.본 발명의 V-구조를 갖는 소자를 제작하기 위해서, 우선 사파이어 기판위에 유기금속기상성장 장치를 이용하여, n형 클래드층을 대략 2 ~ 10 ㎛ 두께로 성장한 후 이 클래드층에 V형의 홈을 제작하였다. V형의 홈의 제작방법으로는 도 6에 도시된 바와 같이 끝이 뾰족한 스크라이버 팁을 이용하여, n형 클래드층에 긁어 클래드층 상부에 홈을 만든다. 그러나 이 경우는 V홈의 측면이 거칠고 불규칙하여 일정한 크기의 홈으로 제어하기가 힘든면이 있다.따라서 개선된 방법으로 도 7과 같이 n형 클래드층 위에 일정한 두께의 포토레지스트를 도포하고, 열처리 혹은 노광된 경화의 정도를 달리하면 포토레지스트는 도포된 면적에서 주변부에서 두께가 얇아지고, 이 상태로 질화물 반도체 건식식각장치 및 건식식각 공정을 이용하여 에칭하게 되면 클래드층의 보호두께에 따라서 에칭깊이가 달라져서 측면이 균일한 V구조 홈을 제작할 수 있다. 이때 포토레지스트의 두께 및 폭을 조절하면 각각의 모양을 갖는 V홈을 제작할 수 있다. 이때 건식식각 보호막으로는 포토레지스트 및 산화규소, 실리콘라이트라이드 등의 질화물반도체와 식각정도를 달리하는 물질이면 가능하다.또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 선택적 에피택시(ELOG) 공정을 이용하여 삼각형태의 성장을 갖도록 MOCVD법으로 재차 n형 GaN층을 성장하면 성장되지 않은 영역에서 V구조의 요철형태를 제작할수 있으며, 이 경우 연속적으로 InGaN 활성층을 성장하여 V구조를 갖는 백색발광소자를 제작할 수 있다.도 9는 n-GaN 에 스크라이버을 이용하여 V-구조의 모양을 낸 후 그 위에 다시 InGaN/GaN MQWs를 성장한 구조와 포토루미네센스 특성을 보여주고 있다. V-구조의 깊이는 약 1㎛ 이고 폭은 20㎛ 이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 발광 파장영역이 청색(446 nm), 녹색(530 nm), 황색(630 nm)영역의 다중 파장을 보여주고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 활성층 내부에 삼원색 발광영역을 도입하여 직접 발광하는 형식으로 기존의 형광체나 기타 이차 천이 물질을 사용하지 않아 발광 효율이 높고 소자 제조 공정이 간단하며, 작은 크기의 고출력, 고품위 단일 칩 형태의 백색 발광소자의 제작이 가능한 이점이 있다.
Claims (4)
- 기판 상에 순차적으로 n형 접촉층, n형 클래드층, InGaN 활성층, p형 클래드층 및 접촉층이 적층되어 형성되는 질화물 반도체 소자에 있어서,상기 n형 클래드층의 상층부에 다수의 V자형 홈을 형성하여 상기 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 형성되는 활성층의 In 조성이 국소적 변화영역을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 백색 발광소자.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서 상기 다수의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층은 건식 식각 방법 또는 스크라이버를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 백색 발광소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 다수의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층은 선택적 에피택시법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 백색 발광소자.
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