KR100491967B1 - 반사 억제층을 구비한 갈륨 나이트라이드계 광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

갈륨 나이트라이드계 광소자 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명은 기판 상에 형성된 n-GaN막과, 상기 n-GaN막 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p-GaN막과, 상기 p-GaN막, 활성층 및 n-GaN막을 선택적으로 식각하여 상기 n-GaN막을 노출하도록 마련된 트랜치 내에 형성된 n형 전극과, 상기 p-GaN막 상에 형성된 p형 전극과, 상기 n형 전극 및 p형 전극의 표면 일부에 형성된 본딩 금속 패턴과, 상기 p형 전극의 표면, 트랜치의 측벽 및 n형 전극 상에, 상기 활성층에서 발산된 빛이 반사되지 못하게 함과 아울러 금 와이어 본딩시 금 와이어 본딩 금속과 상기 트랜치의 측벽이 단락되는 것을 방지하도록 Si₃N₄층 또는 SiO_xN_y층으로 형성된 반사 억제층을 구비하여 이루어진다. 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자는 반사 억제층을 형성하여 광출력을 증가시키고 제조 공정시는 금 와이어 본딩시 일어날 수 있는 단락에 의한 소자 수율 저하를 방지할 수 있다.

Description

반사 억제층을 구비한 갈륨 나이트라이드계 광소자 및 그 제조방법{Gallium nitride based optical device having anti-reflection layer and fabrication method thereof}

본 발명은 갈륨 나이트라이드계 광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반사 억제층을 구비한 갈륨 나이트라이드계 광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

갈륨 나이트라이드(GaN)는 3.4eV의 밴드갭(band gap)을 가지며, 그 위에 기판과 정합성이 양호한 InGaN와 AlGaN의 성장이 용이하여 광소자의 재료로 활발히 연구되고 있다. GaN, InGaN 또는 AlGaN의 화합물 반도체를 이용한 갈륨 나이트라이드계 광소자, 예컨대 갈륨 나이트라이드계 발광 소자는 청색빛 파장 영역의 빛을 효과적으로 발하고 기존의 광소자에 비해 매우 큰 광출력을 나타내는 이점을 지니고 있다. 특히, 청색빛은 적색빛 보다 파장이 짧기 때문에 보다 더 큰 파장의 빛으로 쉽게 전환될 수 있어 갈륨 나이트라이드계 발광소자는 백색 발광소자로서 큰 기대를 모으고 있다.

갈륨 나이트라이드계 발광소자의 에피층은 사파이어 기판 위에 성장되기 때문에, 갈륨 나이트라이드(GaN) 발광소자는 GaAs 및 InP 발광소자에서처럼 양쪽 측면에 각각 n형과 p형 접합이 따로 존재하는 수직 구조와는 달리 n형과 p형 금속 접합이 갈륨 나이트라이드층의 윗면에 함께 존재하는 수평적인 구조를 가지고 있다.

따라서, 빛이 나오는 p형 전극 영역의 면적을 가능한 늘리면서 빛을 가리는 n형 전극 영역은 가능한 작게 하여 광출력을 최대한 늘리도록 하는 것이 필요하다. 다시 말해, 갈륨 나이트라이드계 발광소자는 구조상 p형 갈륨 나이트라이드(p-GaN) 영역에서만 빛이 발산하도록 되어있기 때문에 제작시 소자의 성능을 저하시키지 않는 한도 내에서 p형 갈륨 나이트라이드(p-GaN) 영역을 가능한 크게 하면서 동시에 빛의 발산을 최대로 늘리는 것이 필수적이다.

그런데, 갈륨 나이트라이드계 발광소자는 빛을 발산하는 p형 갈륨 나이트라이드(p-GaN) 영역 상에 대개 10nm 정도의 두께를 가지는 p형 전극(p형 투명 금속 전극)이 코팅되어 있다. 따라서, 갈륨 나이트라이드계 발광소자는 소자의 내부 활성층에서 발산된 빛이 공기중으로 투과되어 나올 때 상기 p형 전극으로 인해 빛의 일부는 투과되지 못하고 공기와의 계면에서 반사되어 내부에 갇혀 버리게 된다. 이러한 반사로 인한 빛의 손실은 30% 이상으로 이에 따라 광출력이 감소된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 빛 손실 문제를 해결하여 빛 발산이 향상된 갈륨 나이트라이드계 광소자를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 빛 발산이 향상되고 공정 수율을 증대시킬 수 있는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자는 기판 상에 형성된 n-GaN막과, 상기 n-GaN막 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p-GaN막과, 상기 p-GaN막, 활성층 및 n-GaN막을 선택적으로 식각하여 상기 n-GaN막을 노출하도록 마련된 트랜치 내에 형성된 n형 전극과, 상기 p-GaN막 상에 형성된 p형 전극과, 상기 n형 전극 및 p형 전극의 표면 일부에 형성된 본딩 금속 패턴과, 상기 p형 전극의 표면, 트랜치의 측벽 및 n형 전극 상에, 상기 활성층에서 발산된 빛이 반사되지 못하게 함과 아울러 금 와이어 본딩시 금 와이어 본딩 금속과 상기 트랜치의 측벽이 단락되는 것을 방지하도록 Si₃N₄층 또는 SiO_xN_y층으로 형성된 반사 억제층을 구비하여 이루어진다.

상기 기판은 사파이어(sapphire), MgO, ZnO, LiGaO₂, Si 또는 GaAs로 구성될 수 있다. 상기 활성층은 InGaN막으로 구성될 수 있다. 상기 n-GaN막과 활성층 사이에는 n-AlGaN막으로 이루어진 제1 배리어막이 형성될 수 있다. 상기 활성층과 p-GaN막 사이에는 p-AlGaN막으로 이루어진 제2 배리어막이 형성될 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자의 제조방법은 기판 상에 n-GaN막을 형성한 후, 상기 n-GaN막 상에 활성층을 형성한다. 상기 활성층 상에 p-GaN막을 형성한 후 상기 p-GaN막, 활성층 및 n-GaN막을 식각하여 상기 n-GaN막을 노출하는 트랜치를 형성한다. 상기 노출된 n-GaN막과 p-GaN막 상에 각각 n형 전극 및 p형 전극을 형성한 후, 상기 n형 전극 및 p형 전극의 표면 일부에 본딩 금속 패턴을 형성한다. 상기 p형 전극의 표면, 트랜치의 측벽 및 n형 전극 상에, 상기 활성층에서 발산된 빛이 반사되지 못하게 함과 아울러 금 와이어 본딩시 금 와이어 본딩 금속과 상기 트랜치의 측벽이 단락되는 것을 방지하도록 Si₃N₄층 또는 SiO_xN_y층으로 반사 억제층을 형성한다.

상기 활성층은 InGaN막으로 형성할 수 있다. 상기 반사 억제층은 상기 트랜치의 측벽에 형성될 수 있다. 상기 n-GaN막 상에 n-AlGaN막으로 이루어진 제1 배리어막을 더 형성할 수 있다. 상기 활성층 상에 p-AlGaN막으로 이루어진 제2 배리어막을 더 형성할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자는 반사 억제층을 형성하여 광출력을 증가시키고 제조 공정시는 금 와이어 본딩시 일어날 수 있는 단락에 의한 소자 수율 저하를 방지할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위(상)"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 의한 갈륨 나이트라이드계 광소자 및 그의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.

도 1a를 참조하면, 기판(11) 상에 GaN막으로 이루어진 버퍼막(buffer layer, 13)을 약 500Å의 두께로 형성한다. 상기 기판(11)은 사파이어(sapphire), MgO, ZnO, LiGaO₂, Si, GaAs 등을 이용한다. 상기 버퍼막(13) 상에 n-GaN막(15)을 2 μm의 두께로 형성한다. 상기 n-GaN막(15) 상에 n-AlGaN막으로 이루어진 제1 배리어막(17)을 형성한다. 상기 제1 배리어막(17) 상에는 InGaN막으로 이루어진 활성층(19)을 200Å의 두께로 형성한다. 상기 활성층(19)에는 p-AlGaN막으로 이루어진 제2 배리어막(21)을 1000Å의 두께로 형성한다. 상기 제2 배리어막(21) 상에는 p-GaN막(23)을 5000Å의 두께로 형성한다. 상기 버퍼막(13), n-GaN막(15), 제1 배리어막(17), 활성층(19), 제2 배리어막(21) 및 p-GaN막(23)은 금속유기화학기상증착법(MOCVD법)을 이용하여 형성한다.

도 1b를 참조하면, p-GaN막(23), 제2 배리어막(21), 활성층(19), 제1 배리어막(17) 및 n-GaN막(15)을 메사식각하여 n-GaN막(15)을 노출시키는 트랜치(24)를 형성한다. 상기 메사식각은 유도결합 플라즈마(ICP: induced coupled plasma)를 이용하여 수행한다.

도 1c를 참조하면, 노출된 n-GaN막(15) 상에 n형 전극(25)을 형성한다. 상기 n형 전극(25)은 금속막을 패터닝하여 금속막 패턴으로 형성한다. 예컨대, n형 전극(25)은 리소그래피 공정, 금속막 증착 공정 및 리프트 오프 공정을 진행하여 형성한다.

도 1d를 참조하면, p-GaN막(23) 상에 p형 전극(27)을 형성한다. 상기 p형 전극(27)은 금속막을 패터닝하여 금속막 패턴으로 형성한다. 예컨대, p형 전극(27)은 리소그래피 공정, 금속막 증착 공정 및 리프트 오프 공정을 진행하여 형성한다.

도 1e를 참조하면, 상기 n형 전극(25) 및 p형 전극(27) 상에 본딩 금속 패턴(29)을 형성한다. 상기 본딩 금속 패턴(29)은 금속막을 패터닝하여 금속막 패턴으로 형성한다. 예컨대, 본딩 금속 패턴(29)은 리소그래피 공정, 금속막 증착 공정 및 리프트 오프 공정을 진행하여 형성한다.

도 1f를 참조하면, 상기 n형 전극(25) 및 p형 전극(27) 상에 형성된 본딩 금속 패턴(29) 사이를 절연하고, 활성층(19)에서 발산된 빛이 p형 전극(23)에서 반사되지 못하게 하는 반사 억제층(31)을 형성한다. 즉, 상기 반사 억제층(31)은 p형 전극(27)의 표면, 트랜치(24)의 측벽 및 n형 전극(21) 상에 형성된다.

상기 반사 억제층(31)은 SiO₂층, Si₃N₄층, 또는 SiO_xN_y층으로 형성한다. 상기 반사 억제층(31)은 플라즈마 화학 기상 증착법을 이용하여 형성한다. 상기 반사 억제층(31)을 구성하는 물질은 부도체이면서 투명하고 굴절률이 1.46 또는 2.0 이기 때문에 굴절률이 공기와 반도체 재료(또는 전극들)의 중간값이다. 따라서, 상기 반사 억제층(31)을 p형 전극(27) 상에 형성하여 p형 전극에서 반사되어 발현되지 못하는 광을 억제하여 발광소자의 광출력을 증가시킬 수 있다. 본 발명에서는 반사 억제층(31)의 형성을 통해 반사 억제층을 형성하지 않은 경우에 비해 최고 30%까지 광출력이 증가된다.

도 1g를 참조하면, 상기 n형 전극(25) 및 p형 전극(27) 상에 형성된 본딩 금속 패턴(29)에 금 와이어(33)를 본딩한다. 상기 금 와이어 본딩 공정에서 도 1g의 *로 표시한 부분은 금 와이어 본딩 금속과 트랜치(24)의 측벽이 단락 될 수 있는 부분으로서 수작업으로 이루어지는 금 와이어 본딩 공정의 수율을 감소시키는 가장 큰 원인이다. 그런데, 본 발명은 상기 반사 억제층(31)을 p형 전극(27)의 표면, 트랜치(24)의 측벽 및 n형 전극(21) 상에 형성된다. 따라서, 본 발명은 반사 억제층(31)을 통해 단락이 일어날 수 있는 가능성을 완전히 제거시켜 공정 소요 시간을 30% 정도 단축시킬 수 있고, 공정 수율 또한 거의 100%를 이룰 수 있다.

도 2는 본 발명의 반사 억제층으로 쓰이는 SiO₂막의 증착 온도에 따른 굴절률 변화를 도시한 그래프이다.

구체적으로, SiO₂막은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 장비를 이용하여 증착하였고, 증착에 쓰인 가스는 SiH₄, N₂, He 및 N₂O였으며, 증착 압력은 8 mTorr, RF파워는 30W, 그리고 증착 속도는 대략 200Å/min이였다. 증착 온도를 변화하여 800Å의 SiO₂막을 증착하여 엘립소미터(ellipsometry)로 굴절률을 측정한 결과 225^oC 및 250 ^oC에서 1.465로 동일하던 값이 그 아래 온도에서는 점차 증가하는 경향을 보였다. 증착 온도를 250^oC 이하로 설정한 이유는 갈륨 나이트라이드계 발광소자의 특성과 전극의 특성을 저하시키지 않는 최대 온도가 270^oC 이하이기 때문이다. 알려진 SiO₂막의 굴절률이 1.46이므로, 본 발명에 채용된 SiO₂막의 질은 매우 우수하며 특히 225 ^oC 또는 250 ^oC가 최적 증착 온도임을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자에서 SiO₂막의 증착온도에 따른 광출력 변화를 도시한 그래프이다.

구체적으로, 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자에 채용된 SiO₂막의 두께는 800Å이였다. 증착 온도를 달리하여 광출력을 측정한 결과 225^oC에서 증착된 SiO₂막의 질이 가장 우수하고 광출력 또한 최대값을 나타냄을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자에서 SiO₂막의 증착두께에 따른 광출력 변화를 도시한 그래프이다.

구체적으로, 도 4는 도 3에서 최적 온도로 설정된 증착 온도 225^oC에서 증착 시간을 달리하여 SiO₂막의 두께를 변화시켜 광출력 변화를 나타낸다. 두께 1000Å에서 광출력이 30%정도까지 증가한 반면, 1200Å에서는 오히려 감소하였다. 이러한 두께에 따른 변화는 빛이 SiO₂막에서 공기중으로 발산될 때 일정한 파장을 가지는 빛의 투과는 박막 두께에 사인(sine) 함수 형태로 의존하기 때문이다. 도 4의 사인 곡선은 주기가 470nm인 곡선으로서 두께에 다른 변화에 잘 부합되어 있음을 보여준다.

도 5는 SiO₂막의 채용 유무에 따른 갈륨 나이트라이드계 광소자에서 발산되는 빛의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

구체적으로, 도 5는 최적 증착 온도인 225^oC에서 최적 두께인 1000Å의 SiO₂막 증착한 갈륨 나이트라이드계 광소자(점선으로 표시)와 SiO₂막을 증착하지 않은 갈륨 나이트라이드계 광소자(실선으로 표시)에서 발산되는 빛의 스펙트럼이다. 증착후 빛의 파장에는 거의 변화가 없었으나 스펙트럼의 면적을 계산하여 본 결과 SiO₂막을 채용한 본 발명에 따른 갈륨 나이트라이드계 광소자가 SiO₂막을 채용하지 않은 경우보다 발산되는 빛의 강도가 약 31% 증가하였음을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자는 p-GaN막 상의 p형 전극 위에 반사 억제층을 형성함으로써 광출력을 증가되고, 제조 공정시는 금 와이어 본딩시 일어날 수 있는 단락에 의한 소자 수율 저하를 방지할 수 있다.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 의한 갈륨 나이트라이드계 광소자 및 그의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.

도 2는 본 발명의 반사 억제층으로 쓰이는 SiO₂막의 증착 온도에 따른 굴절률 변화를 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자에서 SiO₂막의 증착온도에 따른 광출력 변화를 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자에서 SiO₂막의 증착두께에 따른 광출력 변화를 도시한 그래프이다.

도 5는 SiO₂막의 채용 유무에 따른 갈륨 나이트라이드계 광소자에서 발산되는 빛의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

Claims (12)

1. 기판 상에 형성된 n-GaN막;

   상기 n-GaN막 상에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성된 p-GaN막;

   상기 p-GaN막, 활성층 및 n-GaN막을 선택적으로 식각하여 상기 n-GaN막을 노출하도록 마련된 트랜치 내에 형성된 n형 전극;

   상기 p-GaN막 상에 형성된 p형 전극;

   상기 n형 전극 및 p형 전극의 표면 일부에 형성된 본딩 금속 패턴; 및

   상기 p형 전극의 표면, 트랜치의 측벽 및 n형 전극 상에, 상기 활성층에서 발산된 빛이 반사되지 못하게 함과 아울러 금 와이어 본딩시 금 와이어 본딩 금속과 상기 트랜치의 측벽이 단락되는 것을 방지하도록 Si₃N₄층 또는 SiO_xN_y층으로 형성된 반사 억제층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어(sapphire), MgO, ZnO, LiGaO₂, Si 또는 GaAs로 구성되는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 InGaN막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 n-GaN막과 활성층 사이에는 n-AlGaN막으로 이루어진 제1 배리어막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 활성층과 p-GaN막 사이에는 p-AlGaN막으로 이루어진 제2 배리어막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자.
7. 기판 상에 n-GaN막을 형성하는 단계;

   상기 n-GaN막 상에 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층 상에 p-GaN막을 형성하는 단계;

   상기 p-GaN막, 활성층 및 n-GaN막을 식각하여 상기 n-GaN막을 노출하는 트랜치를 형성하는 단계;

   상기 노출된 n-GaN막과 p-GaN막 상에 각각 n형 전극 및 p형 전극을 형성하는 단계;

   상기 n형 전극 및 p형 전극의 표면 일부에 본딩 금속 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 p형 전극의 표면, 트랜치의 측벽 및 n형 전극 상에, 상기 활성층에서 발산된 빛이 반사되지 못하게 함과 아울러 금 와이어 본딩시 금 와이어 본딩 금속과 상기 트랜치의 측벽이 단락되는 것을 방지하도록 Si₃N₄층 또는 SiO_xN_y층으로 반사 억제층을 형성하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 활성층은 InGaN막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 제조방법.
9. 삭제
10. 제7항에 있어서, 상기 반사 억제층은 상기 트랜치의 측벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 제조방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 n-GaN막 상에 n-AlGaN막으로 이루어진 제1 배리어막을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 제조방법.
12. 제7항에 있어서, 상기 활성층 상에 p-AlGaN막으로 이루어진 제2 배리어막을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 제조방법.