KR100580276B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 갈륨나이트라이드(GaN)를 기본으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 나노 구조(거친 표면)를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1)로 된 질화물 반도체층을 이용한 높은 외부 양자 효율을 가지는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 나노 구조를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1)로 된 질화물 반도체층은 활성층에서 발생하는 빛을 산란, 굴절시켜, 빛의 외부 탈출각도를 바꾸어주는 역할을 하여 외부양자효율을 증가시킨다.

같륨나이트라이드, 발광소자, 나노 구조, 외부양자효율

Description

질화물 반도체 발광소자{GAN-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

제 1 도 기존의 발광소자에서의 빛의 경로에 따른 흡수 묘사도

제 2 도 나노구조를 가지고 있는 소자의 개략 단면도

제 3 도 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)의 에너지 밴드갭에 따른 굴절계수와 흡수계수표

제 4 도 나노 구조 형성 과정의 예시도

제 5 도 나노 구조 형성의 또 다른 예시도

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일반적으로 반도체 발광소자인 경우에는 p-n 접합 구조를 기본으로 하는데, 이것은 정공을 공급하는 p형 반도체와 전자를 공급하는 n형 반도체, 전자와 정공이 만나(재결합하여) 빛을 생성하는 활성층으로 이루어진다. 일반적인 반도체 발광소자를 구성하는 반도체는 외부 환경(기판, 에폭시 혹은 공기층)에 비해 높은 굴절계수를 가짐으로 해서 전자와 정공의 재결합으로 인해 생기는 대다수의 광자는 소자 내부에 머물기 때문에, 외부양자효율은 그 소자가 가지는 구조적인 형태와 그 소자를 구성하는 물질들의 광적 특성에 따라 많은 영향을 받게 된다. 특히, 사파이어 기판 위에 성장된 질화물 반도체 소자의 경우, 질화막(질화물 반도체층)의 굴절계수(refractive index)가 질화막(질화물 반도체층) 아래에 있는 사파이어 기판의 굴절계수(refractive index)나 질화막(질화물 반도체층) 위에 존재하는 물질(에폭시 혹은 공기층)의 굴절계수(refractive index)보다 크기 때문에, 질화막(질화물 반도체층)에서 생성된 광자는 질화막(질화물 반도체층) 표면과 기판 사이에 갇혀 진행하면서, 외부로 탈출하기 전에 박막, 기판, 전극 등 여러 경로를 거치게 되는데 이에 따른 흡수가 일어나면서 외부양자효율을 감소시키게 된다. 이와 같은 이유로 하여 외부양자효율의 증가를 위해서 여러가지 방법들이 사용되고 있다.

소자의 모양을 가공하여 소자 내부에서 생성된 광자들이 임계각도 이상의 각도를 가지고 표면에 입사될 수 있도록 하는 방법이 있다. 이때, 소자의 모양을 반구 형태나 절단된 피라미드(truncated pyramide)로 가공하게 되면, 탈출되는 광자의 양이 증가하게 되나, 공정이 복잡하며, 고비용 구조를 가지게 되는 단점이 있다.

전통적으로 높은 외부양자효율을 위해서 사용되는 방법으로는 표면을 거칠게 하는 방법이 있다. 이것은 표면에 입사되는 광자를 굴절, 산란시키는 방법이다. 그러나, 특히 질화물 반도체 광소자의 경우에는 상대적으로 얇은 p형 반도체로 인하여 건식이나 습식 방식으로 표면을 거칠게 했을 때, p형 반도체 바로 아래에 있는 활성층에 결함을 야기할 수 있으며, p형 반도체 특성이 변하여 접촉저항이 켜질 수 있는 단점을 가지게 된다.

그래서, 질화물 반도체의 경우에 박막 성장 후에 표면을 거칠게 하는 방법이 가지는 한계가 있기 때문에, 박막 증착 과정에서 표면을 거칠게 하는 방법을 채택하기도 한다. 기판에서부터 마지막 박막 전까지는 평탄하게 성장을 시키고, 마지막 박막 성장시에 성장조건(V/III비율, 온도, 증착속도 등)을 변화시켜 표면에 구멍(pit)을 고밀도로 형성시켜 기존 대비 휘도 증가를 많이 시키는 경우가 있다.

또한, 평탄한 기판을 쓰는 대신에 일정하거나 불규칙적인 홈을 가지는 기판을 이용하여 그 위에 질화물 반도체 박막을 성장시켜서, 질화막(질화물 반도체층)을 통해서 진행하는 빛들이 기판의 홈에 의해서 빛의 진행경로가 바뀌어 외부로 탈출하게 해서 광자의 양을 증가시키는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 고밀도의 홈을 만들기 어려우며, 특히 사파이에 기판을 이용하는 경우에는 식각 방법이 어려워 기판에 많은 결함을 야기할 수 있는 단점이 있다.

본 발명은 갈륨나이트라이드(GaN)를 기본으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 나노 구조(거친 표면)를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1) 로 된 질화물 반도체층을 이용한 높은 외부양자효율을 가지는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 나노 구조(거친 표면)를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1)로 된 질화물 반도체층은 활성층에서 발생하는 빛을 산란, 굴절시켜, 빛의 외부 탈출각도를 바꾸어 주는 역할을 하여 외부양자효율을 증가시킨다.

가장 보편적인 발광소자 구조에서의 빛의 진행경로와 이에 따른 외부양자효율의 감소를 제 1 도를 통해서 설명하고자 한다. 정공을 공급하는 p형 반도체층(17), 전자를 공급하는 n형 반도체층(12), 그리고 정공과 전자가 만나서 빛을 생성하는 활성층(14)으로 구성되어지며, 이 구조는 기판(11) 위에 다양한 증착 방식에 의해서 성장된다. 활성층(11)에서 생성된 빛들은 모든 방향에 대해서 방사되게 되는데, 이 중에서 일부만이 소자 바깥으로 탈출되어지며 나머지 빛들은 갈륨나이트라이드 내에 갇히게 된다. 이것은 갈륨나이트라이드 물질의 굴절계수(refractive index)가 기판(11)의 굴절계수(refractive index)와 그 주변의 굴절계수보다 크기 때문에 상당수의 빛은 갈륨나이트라이드 물질에 갇혀서 여러 경로를 통해서 진행되면서 전극(13,15), 기판(11), 활성층(14)과 만나서 내부에서 사라지게 된다. 만약에 갈륨나이트라이드의 표면이나 아래에 접하는 기판에 빛의 진행경로를 바꾸어주는 구조를 가지게 된다면 빛은 진행경로를 바꾸어 외부로 용이하게 빠져나갈 수 있을 것이다.

본 발명은 갈륨나이트이드 내에서 갇혀 결국에는 사라지게 될 빛을 효과적으로 외부로 탈출시키기 위한 구조를 포함하는 발광소자에 관한 것이다. 이에 본 발명에 대한 자세한 설명을 예시도를 통해서 하고자 한다.

제 2 도에 예시되어 있는 것과 같이 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 LED 소자의 특징은, 기판(21) 위에 버퍼층(22), 활성층(26)에서 생성된 빛을 굴절, 산란시켜주는 나노 구조(거친 구조)를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1)로 된 질화물 반도체층(23), 그 위에 재성장된 빛이 생성되는 p-n 접합층을 가지는 반도체 구조에 있어서, 최상층에 접하여 전면 또는 일부에 투광성 전극(28)이 존재하고, p-n 접합구조 중에서 p형 반도체층(27), 활성층(26)을 지나, n형 반도체층(24)의 일부를 제거하여 노출된 n형 반도체층(24)에 접하여 n형 오믹 전극층(25)을 형성하고, 투광성 전극층(28)에 p형 본딩 패드(29)를 형성한 후에, 소자 표면의 전부 또는 일부에 절연성 보호막(도시 생략)이 형성된 반도체 소자이다. 이 소자에 있어서 중요한 것은 나노 구조(거친 표면)를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1)로 된 질화물 반도체층(23)으로, 이 층(23)은 활성층(26)에서 생성된 빛이 이 부분을 만나게 되면 그 빛은 나노 구조(거친 표면)에 의해서 산란 혹은 굴절되면서 효과적으로 탈출하게 된다. 이때 나노 구조(거친 표면)를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1)로 된 질화물 반도체층(23)은 고밀도를 가질수록 좋으며, 굴절계수가 그 주변의 그것과 차이가 나야 많은 효과를 볼 수 가 있으며, 활성층(26)에서 생성되는 빛의 파장대역에서의 흡수가 없는 물질을 선택해야 한다. 예를 들어, Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)의 굴절계수와 흡수계수에 대한 도표가 제 3 도에 표시되어 있다. 각 물질의 조성과 파장에 따라서 각 물질들은 각각 고유의 굴절계수(refractive index)를 가지게 되기 때문에, 나노 구조(거친 표면)를 형성하게 될 물질의 조성비와 그 주변을 감싸게 될 물질들의 조성비가 최적화되어야 한다. 구체적인 실시예를 제 4 도를 통해서 보여주려 한다. 사파이어 기판(41) 위에 버퍼층(42), 그 위에 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1) 층(43)을 일정 두께로 성장하고 나서 일반적인 습식식각 방식이나, 포토케미칼 식각 방법, 유도결합형 플라즈마 식각(ICP), 반응이온 식각(RIE), 이온 밀링(Ion Milling)과 같은 건식식각 방식을 이용하여 나노 구조(거친 표면)를 형성한 다음에 그 위에 GaN층(44)을 재성장하고 그 위에 발광부에 해당되는 p-n 접합구조를 성장하게 된다. 재성장시에 적절한 버퍼층이 포함될 수도 있다. 사파이어 기판의 굴절계수는 1.8, GaN의 굴절계수는 2.5정도를 가지게 되며, Al_xGa_1-xN(0≤x≤1) 층의 굴절계수는 조성비에 따라 다르기는 하지만, 사파이어와 GaN의 굴절계수의 사이값을 가지게 된다. 이 때, p-n 접합구조에서 생성된 빛은 중간에 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1) 층(43)의 굴절계수에 의해서 빛이 입사되는 각도와는 다른 각도를 가지도록 굴절되며, 또한 나노 구조(거친 표면)의 형태에 의해서 산란되어 빛이 효과적으로 외부로 탈출될 수 있는 것이다. 본 발명에 있어서 나노 구조(거친 표면)의 모양, 위치, 조성물질 등이 제 2 도에서 보여지는 것에 한정하는 것은 아니라, 이 나노 구조물이 빛을 효과적으로 굴절 또는 산란 시킬 수 있도록 위치와 고밀도, 주변의 물질과의 굴절계수의 차이를 이용하고 있다는 점이 중요하다.

제 5 도는 또 다른 실시예를 보여주는데, 사파이어 기판(51)위에 버퍼층(52), 그 위에 일정 두께의 GaN층(53)을 성장하고, 일반적인 습식식각 방식이나, 포토케미칼 식각 방법, 유도결합형 플라즈마 식각(ICP), 반응이온 식각(RIE), 이온 밀링(Ion Milling)과 같은 건식식각 방식을 이용하여 나노 구조(거친 표면)를 형성한 다음, 그 위에 GaN와는 다른 굴절계수를 가지는 AlGaN 층(54)을 성장하고, 그 위에 GaN 층(55)을 성장한 다음, 발광부에 해당되는 p-n 접합구조를 성장하게 된다. 이 역시 같은 원리를 가지며, 빛을 효과적으로 굴절 또는 산란 시킬 수 있다.

본 발명은 갈륨나이트라이드(GaN)를 기본으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 나노 구조(거친 표면)를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1)로 된 질화물 반도체층을 이용한 높은 외부양자효율을 가지는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 나노 구조(거친 표면)를 가지는 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1)로 된 질화물 반도체층은 활성층에서 발생하는 빛을 산란, 굴절시켜, 빛의 외부 탈출각도를 바꾸어주는 역할을 하여 외부양자효율을 증가시킨다. 또한 기판을 직접 가공하지 않아도 되며, 고밀도 나노 구조(거친 표면)의 형성이 가능하여 효과적 유효 탈출각도를 증가시키는 장점이 있다.

Claims (7)

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3. 기판; 기판 위에 성장되는 버퍼층; 그리고, 버퍼층 위쪽에 성장되며, 버퍼층측에 최하층으로 질화물 반도체층과, 최하층 질화물 반도체층 위쪽에 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,

   상기 버퍼층과 최하층 질화물 반도체층 사이에서 최하층 질화물 반도체층에 의해 덮혀서 상기 질화물 반도체 발광소자의 외부로 노출되지 않으며, 최하층 질화물 반도체층에 의해 덮히는 표면이 거친 표면으로 되어 있고, 활성층으로부터 생성되는 빛의 경로를 변경할 수 있도록 최하층 질화물 반도체층과 다른 굴절계수를 가지는 Al_xIn_yGa_ZN(0≤x≤1,0≤y≤,0≤z≤1, x+y+x=1)로 된 질화물 반도체층을 포함하며,

   상기 최하층 질화물 반도체층은 GaN으로 구성되며,

   상기 Al_xIn_yGa_ZN(0≤x≤1,0≤y≤,0≤z≤1, x+y+x=1)로 된 질화물 반도체층은 x〉0 이고, y=0 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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