KR100531073B1 - 나노 바늘을 가지는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

나노 바늘을 가지는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.
이 개시된 반도체 발광 소자는, 광자의 적출 효율을 향상시키기 위한 반도체 발광 소자에 있어서, GaN계 다층 박막; 상기 GaN계 다층 박막 상에 성장 형성된 나노 바늘;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해 본 발명에서는 GaN계 다층 박막 상에 나노 바늘을 성장 형성시켜 광자의 적출 효율을 크게 향상시킨다.

Description

나노 바늘을 가지는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{Semiconductor light emitting device having nano-needle and method for manufacturing the same}
본 발명은 갈륨나이트라이드계 다층 박막 위에 나노 바늘을 성장시켜 발광 효율을 증대시킨 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 발광 소자의 발광 성능을 판별하는 기준 요소로는 발광효율이 있다. 이 발광효율은 내부 양자 효율(internal quantum efficiency), 적출 효율(extraction efficiency), 동작 전압(operation voltage)의 세 가지 요소에 의해 주로 결정된다. 이 중 적출 효율은 발광 소자를 통해 생성된 광자에 대한 소자 밖으로 빠져 나오는 광자 양의 비율을 나타낸다.
반도체 발광 소자의 재료로 많이 사용되는 갈륨나이트라이드계 반도체는 청색 발광소자 및 레이저 다이오드와 같은 광전 소자에 사용하기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔다.
반도체 발광 소자는 도 1에 도시된 바와 같이 전자가 도핑된 n형 클래드층(110)과, 정공이 도핑된 p형 클래드층(112)과 이 층들 사이에 형성되고, 상기 n형 및 p형 클래드층(110)(112)으로부터 공급된 전자와 정공의 결합에 의해 광자들이 발생되는 활성층(111)과, 상기 활성층(111)으로부터 튀어나오는 광자들이 통과되는 윈도우 층(113)을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자의 상부면 및 하부면에 각각 제1 및 제2 전극층(114)(115)이 구비된다. 상기 제1 전극층(114)은 발광 소자의 상부면(117)의 일부에 형성되고 상기 상부면(117)을 통해 광자가 적출된다.
상기 제1 및 제2 전극층(114)(115)에 각각 플러스와 마이너스 전압을 순방향으로 가하면 상기 n형 및 p형 클래드층(110)(112)에서 상기 활성층(111)으로 전자와 정공이 이동되고, 이 전자와 정공의 결합을 통하여 에너지 밴드 갭에 해당하는 에너지를 갖는 광자가 발생하게 된다. 상기 활성층(111)에서 발생된 광자들은 랜덤한 방향으로 발산되는 성질이 있으므로 여러 번의 반사 끝에 결국 칩 외부로 방출되지 못하고 칩 내부에서 흡수되거나 칩의 상부 면이 아닌 다른 방향으로 나가는 경우가 많다. 이와 같이 광자가 칩 내부에서 흡수되는 것을 방지하여 칩 외부로 가능한 많은 수의 광자들을 탈출시킴으로써 적출 효율을 향상시키기 위한 방법들이 여러 가지로 모색되고 있다.
예를 들어 LED 다층 박막은 사파이어 기판에 적층되는데 이 사파이어 기판은 유전체 재질로 형성된 것으로서 전기적 특성 및 열적 특성이 불량하기 때문에 적출 효율을 저감시키는 일요인으로 작용한다. 또한, 사파이어 기판은 갈륨나이트라이드계 다층 박막과 결정 구조가 다르기 때문에 박막 성장에 어려움이 따른다. 또한, LED 칩의 패키징시 사파이어 기판이 열방출을 방해하기 때문에 LED 칩의 손상을 초래하고 휘도를 저하시킨다. 따라서, 사파이어 기판 위에 다층 박막을 성장시킨 후 상기 사파이어 기판을 분리시킴으로써 적출 효율을 증대시키려는 연구가 진행되고 있다.
사파이어 기판이 분리된 후 다층 박막의 영역에 있는 질화갈륨은 갈륨(Ga)과 질소(N2)로 열분해되어 질소는 기화되고, 갈륨은 다층 박막에 잔존한다. 다층 박막에 남은 갈륨은 다층 박막을 오염시켜 발광 효율에 악영향을 미치므로 갈륨을 제거할 필요가 있다. 다층 박막에 남아있는 갈륨을 제거하기 위해 HCl을 이용하여 세척작업을 수행하여 제거한다. 하지만, HCl을 이용하여 화학적으로 에칭시 다층 박막을 손상시키는 문제점이 있다.
또한, 광전기 화학적 에칭방법을 이용하여 발광 소자의 상부 표면을 거칠게 함으로써 광자 추출 효율을 증가시키는 방법이 연구되고 있다. 그러나 이러한 방법은 다층 박막 적층 후 다시 광전기화학적 에칭을 통해서 다층 박막 표면을 거칠게 하는 공정이 추가적으로 필요하고, 후공정에서 질화갈륨층을 손상시킬 염려가 있는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 다층 박막 상부에 나노 바늘을 성장시켜 광자 적출 효율을 크게 증대시킨 반도체 발광 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다층 박막 상부에 나노 바늘을 성장시키는데 있어서 다층 박막에 잔존하는 갈륨을 촉매로 이용함으로써 다층 박막을 손상시키지 않으면서 공정을 단순화한 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는, 광자의 적출 효율을 향상시키기 위한 반도체 발광 소자에 있어서,
GaN계 다층 박막; 상기 GaN계 다층 박막 상에 성장 형성된 나노 바늘;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 GaN계 다층 박막은 n형 GaN계 반도체층, 활성층, 및 p형 GaN계 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 바늘은 콘형으로 형성된 것이 바람직하다.
상기 나노 바늘은 n형 GaN계 반도체층 상에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 나노 바늘이 형성되지 않은 상기 다층 박막의 다른 면에 전도성 기판이 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 사파이어 기판 상에 GaN계 다층 박막을 성장시키는 단계; 상기 사파이어 기판을 상기 GaN계 다층 박막으로부터 분리하는 단계; 및 상기 GaN계 다층 박막 상에 나노 바늘을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 사파이어 기판을 상기 다층 박막으로부터 분리한 후 상기 다층 박막에 남은 갈륨을 촉매로 하여 상기 나노 바늘을 성장시키는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 바늘을 성장시키는 단계에서 수평 전기로에 상기 GaN계 다층 박막을 위치시키고, 상기 수평 전기로에 운반 가스로 암모니아를 공급하여 상기 다층 박막에 남은 갈륨과 상기 암모니아 가스의 질소가 반응하도록 한다.
상기 나노 바늘을 성장시키는 단계에서, 상기 수평 전기로 내의 진공도, 온도, 상기 암모니아 가스의 유량 및 반응 시간 중 적어도 하나를 조절하여 나노 바늘의 성장 방향, 성장 각도 및 성장 길이를 조절한다.
상기 나노 바늘의 성장 시간은 10-30분 범위로 한다.
상기 수평 전기로 내의 진공도는 200-400(torr)범위로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 나노 바늘을 성장시키는 단계에서 400∼700℃ 범위 내의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제조 방법은, 상기 GaN계 다층 박막으로부터 사파이어 기판을 분리하기 전 또는 후에 상기 다층 박막 상에 전도성 기판을 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 바늘을 가지는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 도 2를 참조하면, 다층 박막(10) 상부에 나노 바늘(15)이 형성되어 있고, 상기 다층 박막(10) 하부에 전도성 기판(14)이 구비되어 있다.
상기 다층 박막(10)은 갈륨나이트라이드(GaN)계 재질로 형성되며, 발광 다이오드(LED;;Light Emitting Diode) 또는 레이저 다이오드를 구성하는 박막일 수 있다. 상기 다층 박막(10)은 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이 p형 GaN계 반도체층(11), 활성층(12) 및 n형 GaN계 반도체층(13)을 구비한다. 상기 활성층(12)은 예를 들어 InGaN을 이용하여 형성될 수 있으며, In의 조성에 따라 밴드갭 에너지가 결정되어 자외선에서 적색까지의 파장을 얻을 수 있다.
상기 나노 바늘(15)은 n형 GaN계 반도체층(13) 쪽에 형성되며, 상기 전도성 기판(14)은 상기 p형 GaN계 반도체층(11) 쪽에 형성된다.
상기 전도성 기판(14)은 열적 및 전기적 특성이 우수한 금속 또는 Si 기판으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 전도성 기판(14)은 전도성이 우수하므로 전류 공급이 원활하게 이루어져 정공의 공급률을 향상시킴과 아울러 열적 특성이 우수하므로 열 방출이 원활하게 이루어져 발광 효율을 향상시키고 발광 소자 칩의 손상을 방지하는 역할을 한다.
상기 p형 GaN계 반도체층(11)으로부터의 정공과 n형 GaN계 반도체층(13)으로부터의 전자가 활성층(12)에서 반응하여 생성된 광자가 다층 박막(10) 상부의 나노 바늘(15)을 통해 추출된다. 상기 나노 바늘(15)은 광자의 적출 효율을 크게 증대시키는 역할을 한다. 상기 나노 바늘(15)은 GaN계로 형성되며, 콘형으로 형성되는 것이 바람직하다.
다음은 본 발명에 따른 나노 바늘을 가지는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(5) 상에 GaN계 다층 박막(10)을 성장 형성시키고, 칩 단위로 스크라이빙한다. 상기 GaN계 다층 박막(10)은 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 구조로 형성될 수 있다. 상기 사파이어 기판(5) 상에 n형 GaN계 반도체층(13), 활성층(12) 및 p형 GaN계 반도체층(11)을 순차로 성장시킨다. 그런 다음, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 다층 박막(10)의 p형 GaN계 반도체층에 전도성 기판(14)을 적층한다. 이어서, 레이저 리프트오프(Laser Lift-Off)법을 이용하여 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 다층 박막(10)으로부터 사파이어 기판(5)을 분리시킨다.
상기 사파이어 기판(5)을 분리시킬 때, 상기 다층 박막(10)의 광학적 특성 및 전기적 특성에 영향을 미치지 않는 특정 파장, 예를 들어 248nm∼355nm 파장의 레이저를 사파이어 기판(5)에 조사함으로써 열분해 공정을 거쳐 다층 박막(10)으로부터 사파이어 기판(5)을 분리한다.
한편, 상기 전도성 기판(14)은 예를 들어 금속 또는 Si 기판으로 형성되는데, 상기 사파이어 기판(5)을 다층 박막(10)으로부터 분리시키기 전에 적층하는 것뿐만 아니라 사파이어 기판(5)을 분리시킨 후에 적층하는 것도 가능하다. 즉, 전도성 기판(14)을 상기 다층 박막(10)에 적층하지 않은 상태에서 도 3a에서와 같이 다층 박막(10)을 칩 단위로 스크라이빙 한 후, 레이저를 이용하여 사파이어 기판(5)을 다층 박막(10)으로부터 분리한 후 free-standing 상태의 각각의 박막 상에 전도성 기판(14)을 적층할 수도 있다.
다음, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 다층 박막(10) 상에 GaN계 나노 바늘(15)을 성장시킨다. 나노 바늘의 성장 과정을 좀더 구체적으로 설명하면, 수평전기로의 중앙에 Ga과 GaN계 분말을 일정한 비율로 혼합하여 투입하고, 레이저 리프트오프(Laser Lift-Off)시킨 다층 박막(10)을 수평 전기로의 배기구에 위치시킨다. 그런 다음, 400-700℃의 온도에서 운반 가스로서 암모니아 가스를 흘려주면 갈륨과 암모니아 가스의 질소가 반응하여 GaN 나노 바늘(15)이 형성된다.
여기서, 상기 GaN 다층 박막(10)으로부터 사파이어 기판(5)이 레이저 리프트오프(Laser Lift-Off)된 후 상기 다층 박막(10)에는 갈륨이 잔존하게 되는데, 이 잔존하는 갈륨을 촉매로 하여 GaN 나노바늘을 성장시킨다. 나노 바늘은 상기 다층 박막(10)의 n형 GaN계 반도체층상에 성장시키는 것이 바람직하다. 이때 수평전기로 내의 진공도, 온도, 암모니아 가스의 유량 및 반응 시간 등을 적절히 조절하면 나노 바늘(15)의 성장 방향, 성장 각도 및 성장 길이를 조절할 수 있다. 나노 바늘의 성장시간은 10-30분 범위로 하는 것이 바람직하며, 수평전기로 내의 진공도는 200-400(torr) 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 도 4a는 나노 바늘(15)이 경사지게 성장된 경우를 도시한 것이고, 도 4b는 나노 바늘(15)의 성장 방향, 성장 각도 및 성장 길이를 조절하여 나노 바늘이 곧게 성장된 경우를 도시한 것이다. 이와 같이 나노 바늘이 곧게 성장될 때 광자의 적출 효율이 최대화된다.
본 발명에서는 사파이어 기판의 레이저 리프트오프 후 박막에 남아있는 갈륨을 제거하지 않고 오히려 갈륨을 촉매로 이용하여 나노 바늘을 성장시키는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서, 박막에 잔존하는 갈륨을 제거하기 위한 공정이 불필요하며, 그럼으로써 갈륨을 제거하기 위한 공정시 초래될 수 있는 박막의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 잔존하는 갈륨을 이용하여 나노 바늘을 성장시킴으로써 광자 적출 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 열화학적 증착법을 이용하여 선택적으로 합성된 GaN 나노 바늘의 전자현미경 사진이고, 약 80nm 이하의 직경을 가지는 나노 바늘이 선택적이고 규칙적으로 성장되어 있음을 보여 주고 있다. 또한, 도 5c는 상기 나노 바늘을 에너지 분산형 X선 분광분석법에 의해 분석한 결과를 보여주는 것으로, 나노 바늘의 조성이 Ga과 N로 구성되어 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 설명에서는 다층 박막(10)으로부터 사파이어 기판(5)을 레이저 리프트오프시킨 후 다층 박막 상에 나노 바늘을 성장시키는 방법을 설명하였지만, 다층 박막으로부터 사파이어 기판을 분리시키지 않은 상태에서 사파이어 기판 상에 나노 바늘을 성장시키는 것도 가능하다. 이 경우 사파이어 기판을 분리시키고 나노 바늘을 성장시킨 경우에 비해 적출 효율이 떨어지기는 하지만 기존의 나노 바늘이 없는 구조의 발광 소자에 비해서는 적출 효율이 크게 향상된다.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 당업자가 변경 설계할 수 있는 범위를 포함함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 갈륨나이트라이드계 LED 다층 박막 또는 LD 다층 박막 상에 나노 바늘을 성장시킴으로써 광자 적출 효율을 크게 향상시킨다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 사파이어 기판을 갈륨나이트라이드계 다층 박막으로부터 리프트오프시킨 후 다층 박막에 잔존하는 갈륨을 촉매로 이용하여 다층 박막 상에 나노 바늘을 성장시킴으로써, 다층 박막에 잔존하는 갈륨을 제거하기 위한 별도의 공정이 불필요하도록 하였으며, 나노 바늘의 성장 조건을 적절히 조절하여 광자 적출 효율을 최대화할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자를 이용하여 자동차 헤드램프, 주거용 광원을 위한 백색 광원의 제작에 필요한 고효율의 백색 광원을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 바늘을 가지는 발광 소자의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 바늘을 가지는 발광 소자의 제조 공정을 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 소자의 제조 공정에 따라 나노 바늘이 성장된 상태를 나타낸 것이다.
도 5a는 도 4a의 나노 바늘의 전자현미경 사진이다.
도 5b는 도 4b의 나노 바늘의 전자현미경 사진다.
도 5c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 발광 소자의 나노 바늘을 에너지 분산형 X선 분광분석법에 의해 분석한 결과를 보여주는 것이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>
5...사파이어 기판, 10...GaN계 다층 박막
11...n형 GaN계 반도체층, 12...활성층
13...p형 GaN계 반도체층, 14...전도성 기판,
15...나노 바늘

Claims (20)

  1. 광자의 적출 효율을 향상시키기 위한 반도체 발광 소자에 있어서,
    n형 GaN계 반도체층, 활성층, 및 p형 GaN계 반도체층을 포함하는 GaN계 다층 박막;
    상기 다층 박막의 갈륨을 촉매로 하여 상기 GaN계 다층 박막 상에 성장 형성된 나노 바늘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 바늘은 콘형으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 바늘은 n형 GaN계 반도체층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 바늘이 형성되지 않은 상기 다층 박막의 다른 면에 전도성 기판이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전도성 기판은 금속 또는 Si 기판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 사파이어 기판 상에 n형 GaN계 반도체층, 활성층, 및 p형 GaN계 반도체층을 포함하는 GaN계 다층 박막을 성장시키는 단계;
    상기 사파이어 기판을 상기 GaN계 다층 박막으로부터 분리하는 단계;
    상기 사파이어 기판을 상기 다층 박막으로부터 분리한 후 상기 다층 박막에 남은 갈륨을 촉매로 하여 상기 GaN계 다층 박막 상에 나노 바늘을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 나노 바늘은 상기 n형 GaN계 반도체층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 나노 바늘을 성장시키는 단계에서 수평 전기로에 상기 GaN계 다층 박막을 위치시키고, 상기 수평 전기로에 운반 가스로 암모니아를 공급하여 상기 다층 박막에 남은 갈륨과 상기 암모니아 가스의 질소가 반응하도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 나노 바늘을 성장시키는 단계에서, 상기 수평 전기로 내의 진공도, 온도, 상기 암모니아 가스의 유량 및 반응 시간 중 적어도 하나를 조절하여 나노 바늘의 성장 방향, 성장 각도 및 성장 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 나노 바늘의 성장 시간은 10-30분 범위로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 수평 전기로 내의 진공도는 200-400(torr) 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 나노 바늘을 성장시키는 단계에서 400∼700℃ 범위 내의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제 7항에 있어서,
    상기 나노 바늘은 콘형인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제 7항에 있어서,
    상기 사파이어 기판을 다층 박막으로부터 분리하는 단계에서 레이저 리프트오프법을 통해 분리하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 레이저 리프트오프법에서 사용되는 레이저는 248nm∼355nm 범위의 파장을 가지는 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제 7항에 있어서,
    상기 GaN계 다층 박막으로부터 사파이어 기판을 분리하기 전 또는 후에 상기 다층 박막 상에 전도성 기판을 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  20. 삭제
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