KR100616694B1 - 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

외부 광자 효율을 개선시킬 뿐만 아니라 동작 전압 특성의 열화를 방지할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 기판 상에 n형 GaN계 반도체층 및 활성층을 순차적으로 성장시키는 단계와; 1000℃를 넘는 온도에서, 운반 가스로서 질소 또는 아르곤을 포함하는 가스를 사용하여 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시킴으로써, 상기 활성층 상에 p형 GaN계 러프층을 형성하는 단계를 포함한다.

갈륨 질화물, 발광 소자, LED, 외부 광자 효율

Description

질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법{Method for Manufacturing Nitride Semiconductor Light Emitting Device}

도 1은 종래 방법에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.

도 2는 종래의 방법에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자의 p형 GaN계 러프층 (p type GaN-based rough layer)의 표면을 나타내는 사진이다.

도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자의 p형 GaN계 러프층의 표면을 나타내는 사진이다.

도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자의 파장에 따른 휘도를 나타내는 그래프이다.

도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 동작 전압(Vf) 특성을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 기판 103: 버퍼층

105: n형 GaN계 반도체층 106: 활성층

107: p형 GaN계 스무드층 108: p형 GaN계 러프층

100: 질화물 반도체 발광 소자 110: 요철면

본 발명은 질화물 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 개선된 광 추출 효율과 동작 전압 특성을 갖는 질화물 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

3족 질화물 반도체(간단히, 질화물 반도체라고 함)를 포함하는 LED 등의 발광 소자가 개발된 후, LCD 백라이트(LCD backlight), 휴대폰의 키패드 및 조명용 광원 등 다양한 분야에서 질화물 반도체 발광 소자가 광원으로 사용되고 있다. 질화물 반도체 LED를 개발하는 데에 있어서, LED의 발광 효율이 중요한 문제로 대두되고 있다. LED의 발광 효율은 빛의 생성효율과 빛의 외부 광자 효율에 의해 결정되는데, 그 중에서 가장 큰 문제는 외부 광자 효율, 즉 활성층(active layer)에서 생성된 빛이 외부로 추출되는 효율이 낮다는 것이다.

질화물 반도체 LED의 외부 광자 효율을 저감시키는 결정적인 요인은, LED 소자의 경계면에서의 반사 특성, 특히 내부 전반사(total internal reflection) 현상 이다. 즉, LED 소자 경계면에서 큰 굴절율 차이로 인해, 생성된 빛의 일부만이 소자 경계면 밖으로 추출되고, 계면을 빠져나가지 못한 빛은 계면에서 전반사하여 소자 내부를 진행(traveling)하다가 열로 감쇠되어 버린다. 결과적으로 LED 소자 경계면에서의 내부 전반사에 의해 LED 소자의 발열량은 증가되고 소자의 외부 추출 효율은 감소된다.

외부 광자 효율 개선하기 위해, 표면에 도달한 광자가 랜덤하게 산란되도록 LED 소자의 표면을 러프닝(roughening)시켜 요철 형상을 만들어줄 수 있다. 예를 들어, 에피택셜 결정 성장후(예컨대, p형 GaN계 반도체층 성장 후) 습식 에칭이나 선택적 건식 에칭을 통해 결정층 표면에 요철 형상을 만들어 줄 수 있다. 한국특허공개공보 제2005-0003671호에는, LED 소자의 발광부 가장자리에 요철 패턴 또는 표면 텍스쳐를 형성하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 방법은, 결정 성장 후 별도의 러프닝 가공을 필요로 하므로, 공정의 시간 및 비용을 상승시킨다.

다른 방안으로서, 에피택셜 결정층(예컨대, p형 GaN계 반도체층) 성장시 성장 온도의 조절에 의해, 성장된 결정층의 표면에 피트(pits)을 발생시킬 수 있다. 결정층 표면에 생긴 피트(pits)에 의해 그 표면에는 거칠거칠한 요철 형상이 만들어지게 된다. 이 방법은 결정 성장 후 별도의 후 가공이 필요 없다는 장점을 가진다. 그러나, 성장 온도의 조절에 의한 피트 발생은, 동작 전압 증가라는 문제를 야기시킬 수 있다.

도 1은 종래 방법에 따라 제조된 질화물 반도체 LED 소자를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, LED 소자(10)는 사파이어 기판(12) 상에 순차 형성된 버퍼층(13), n형 GaN계 반도체층(14), 활성층(15) 및 p형 GaN계 반도체층(16)을 포함한다. p형 GaN계 반도체층(16)의 상면은 거칠거칠한 요철면으로 되어 있다. p형 GaN계 반도체층(16) 상에는 p측 전극(17)이 형성되어 있고, 메사 식각에 의해 노출된 n형 GaN계 반도체층(14) 상에는 n측 전극(18)이 형성되어 있다.

상기 요철면을 갖는 p형 GaN계 반도체층(16)은 성장 온도의 조절에 의해 형성된 것이다. 즉, 요철 표면을 갖도록 p형 GaN계 반도체층(16) 표면을 러프닝시키기 위해 1000℃이하의 온도에서 p형 GaN계 반도체층(16)을 성장시킨다. 통상적으로는 p형 GaN계 결정을 성장시키기 위해서는 1000℃를 넘는 온도에서 결정 성장 공정을 실시하지만, 특별히 결정 표면에 요철 형상을 만들어주기 위해서는 1000℃이하의 저온에서 결정 성장 공정을 실시한다. 1000℃ 이하 온도에서 GaN계 결정을 성장시키면 그 결정 표면에 피트가 형성되기 때문이다.

도 2는 상기한 바와 같이 1000℃ 이하의 온도에서 성장된 p형 GaN계 반도체층의 표면을 나타내는 사진이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 표면에는 6각형 형상의 헥사고날(hexagonal) 피트가 분포되어 있다. 이러한 피트는 반도체층 표면을 요철면으로 만들어줌으로써, LED 소자의 외부 광자 효율이 높아지게 된다.

그러나, 이와 같이 1000℃이하의 저온에서 p형 GaN계 반도체층(16)을 성장시키게 되면, p형 GaN계 반도체층(16) 성장을 위한 질소 전구체(예컨대, NH₃)가 잘 분해되지 않게 된다. 이와 같이 질소 전구체가 잘 분해되지 않으면, p형 GaN계 반도체층 성장시 N 원자가 부족하게 되어 p형 GaN계 반도체층(16)에 n형 특성이 부가되게 된다. 이에 따라, p형 GaN계 반도체층(16)의 p형 특성이 상쇄되고 p형 GaN계 반도체층(16)의 정공 농도가 감소하게 된다. 이러한 원인에 의해 동작 전압(Vf)이 증가하여, 소자(10)의 Vf 특성이 열화된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 동작 전압 특성의 열화를 방지하고 외부 광자 효율을 개선시키는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 기판 상에 n형 GaN계 반도체층 및 활성층을 순차적으로 성장시키는 단계와; 1000℃를 넘는 온도에서, 운반 가스로서 질소 또는 아르곤을 포함하는 가스를 사용하여 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시킴으로써, 상기 활성층 상에 p형 GaN계 러프층 (p type GaN-based rough layer)을 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, p형 GaN계 러프층은, MOCVD(유기금속 CVD)법을 사용하여 형성된다.

본 명세서에서, 'GaN계 러프층' 이란, 표면에 형성된 피트(pits)에 의해 거칠거칠한 요철 표면을 갖는 GaN계 반도체층을 말한다. 또한, 'GaN계 스무드층(GaN-based smooth layer)' 이란, 피트(pits)에 의한 요철 표면을 갖지 않은 매끈한 GaN계 반도체층을 말한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 p형 GaN계 러프층의 성장 단계에서, 상기 p형 GaN계 러프층의 성장 온도는, 1000℃초과이고 1200℃미만이다. 이와 같이, 질소 또는 아르곤을 포함하는 운반 가스를 사용하여 1000℃를 넘는 온도에서 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시키면, 요철 표면을 갖는 GaN계 러프층을 얻을 수 있다.

본 발명에 일 실시형태에 따르면, 상기 운반 가스는 질소 가스일 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 운반 가스는 질소 및 수소의 혼합 가스일 수 있다. 또 다른 방안으로서, 상기 운반 가스로는 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 또한, 상기 운반 가스로는 아르곤과 수소의 혼합 가스를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 운반 가스로는 질소와 아르곤의 혼합가스를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 운반 가스로는 질소와 아르곤과 수소의 혼합 가스를 사용할 수도 있다.

질소 또는 아르곤을 포함하는 운반 가스를 사용하여, 1000℃를 넘는 온도에서 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시킴으로써, 비헥사고날(non-hexagonal)형의 피트를 p형 GaN계 러프층 상에 형성시킬 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 p형 GaN계 러프층을 형성하는 단계 전에, 상기 활성층 상에 p형 GaN계 스무드층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 p형 GaN계 스무드층을 형성하는 단계는, 1000℃를 넘는 온도에서 운반 가스로서 수소 가스를 사용하여 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 1000℃를 넘는 온도에서 p형 GaN계 반도체층을 형성함으로써, p형 GaN계 반도체층의 정공 농도가 저하되는 것을 방지한다. 이에 따라, 동작 전압 특성의 열화를 억제할 수 있다. 또한, 운반 가스로서 질소 또는 아르곤을 포함하는 가스를 사용함으로써, p형 GaN계 반도체층 상에 피트를 발생시킨다. 이 피트에 의해 p형 GaN계 반도체층 표면은 거칠게 된다. 이에 따라, p형 GaN계 러프층을 얻게되고 소자의 외부 광자 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

본 명세서에서, '질화물 반도체' 또는 'GaN계 반도체'란, Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 사파이어 기판(101) 상에 GaN계 반도체로 이루어진 버퍼층(103)을 형성한다. 버퍼층(103)은 예를 들어 500 내지 600℃의 온도에서 성장된 GaN층으로 형성될 수 있다. 실시형태에 따라서는, 사파이어 기판(101) 대신에 실리콘 카바이드(SiC) 기판 또는 GaAs 기판을 사용할 수도 있다.

그 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 버퍼층(103) 상에 n형 GaN계 반도체층(105) 및 활성층(106)을 순차적으로 형성한다. n형 GaN계 반도체층(105) 형성시 n형 도펀트로는 Si, Ge 또는 Tn을 사용할 수 있다. 활성층(106)은 단일 양자우물 구 조 또는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, InGaN/GaN의 다중 양자우물 구조를 갖도록 활성층(106)을 형성할 수 있다. 이 반도체층들(105, 10)은 MOCVD법을 사용하여 성장될 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 활성층(106) 상에, 1000℃를 넘는 온도에서, 운반 가스로 질소 또는 아르곤을 포함하는 가스를 사용하여 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시킨다. 바람직하게는 p형 반도체 결정 성장 온도는 1000초과이고 1200℃미만이다. 운반 가스로는, 예를 들어 질소 가스, 아르곤 가스, 질소 및 수소의 혼합 가스, 아르곤 및 수소의 혼합 가스, 질소 및 아르곤의 혼합 가스, 또는 질소와 아르곤과 수소의 혼합 가스를 사용할 수 있다. 사용되는 p형 도펀트로는, 예컨대 Mg, Zn, Cd, Ca 또는 Ba 등을 사용할 수 있다.

이와 같이 1000℃를 넘는 온도에서 운반 가스로서 질소 또는 아르곤을 포함하는 가스를 사용하여 p형 GaN계 결정을 성장시키면, 표면에 피트(pits)가 분포하는 요철면(110)을 얻을 수 있게 된다. 예컨대, MOCVD법으로 결정 성장을 실시할 경우, TMGa 또는 TMAl 등의 MO(유기금속) 소스의 운반 가스로서 질소 가스를 사용하여 p형 GaN계 결정을 성장시킬 수 있다. 이러한 운반 가스 및 성장 온도 조건에 의하여, 도 5에 도시된 바와 같은 요철면(110)을 갖는 p형 GaN계 러프층 (p type GaN-based rough layer; 108)을 얻게 된다.

p형 GaN계 반도체 결정 성장시 수소 가스는 p형 GaN계 반도체 결정 박막을 구성하는 원자의 이동도를 높이는 역할을 한다. 따라서, 운반 가스로서 수소 가스만을 사용하면, 1000℃를 넘는 온도에서는 p형 GaN계 반도체 결정층 표면에 피트를 형성시키지 못하게 된다. 그러나, 본 발명과 같이 질소 가스 또는 아르곤 가스 (또는 이들 가스와 수소의 혼합물)를 운반 가스로 사용하면 원자의 이동도가 낮아지게 되어 성장층 표면에 피트(pits)를 형성하게 된다. 따라서, 성장된 p형 GaN계 반도체 결정의 표면은 평평하지 못하고 거칠거칠하게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는, p형 GaN계 반도체층 표면을 러프닝시키기 위해, 성장 온도를 1000℃이하로 낮추는 대신에, 운반 가스를 조절하는 방법을 사용하고 있다. 이에 따라, 성장 온도의 감소에 따른 질소 소스(NH₃)의 분해 저감 현상 (이에 따른 성장층 내부의 질소 부족 현상)을 억제할 수 있게 된다. 따라서, 제조된 발광 소자의 동작 전압 특성의 열화를 방지할 수 있다.

다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 일부 영역의 n형 GaN계 반도체층(105)을 노출시키도록 메사 식각한다. 그 후, 도 7에 도시된 바와 같이, p형 GaN계 러프층(108) 및 n형 GaN계 반도체층(105) 상에 각각 p측 전극(112) 및 n측 전극(114)을 형성한다. 이에 따라 질화물 반도체 발광 소자(100)를 얻게 된다.

도 8은 다른 실시형태에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이다. 이 실시형태에서도, p형 GaN계 러프층(108)은, 1000℃를 넘는 온도에서 질소 또는 아르곤을 포함하는 운반 가스를 사용하여 형성된다. 다만, 이 실시형태에서는, p형 GaN계 러프층(108)을 형성하기 전에, 활성층(106) 상에 p형 GaN계 스무드층(107)을 형성한다. 예컨대, 1000℃를 넘는 온도에서 수소 가스를 운반 가스로 사용하여 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시킴으로써, p형 GaN계 스무드층(107)을 형성할 수 있다. 이 스무드층(107)은 성장시 결정 표면에 피트를 포함하지 않고 매끈한 표면 상태를 유지한다.

도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 p형 GaN계 러프층의 표면을 나타내는 사진이다. 도 9에 도시된 바와 같이, p형 GaN계 러프층 표면에는 다수의 피트들이 분포되어 있다. 이 피트의 모양은 종래와 달리(도 2 참조) 비헥사고날형(non-hexagonal)으로 되어 있다. 이러한 피트들에 의해 p형 GaN계 러프층은 외부 광자 효율을 향상시키는 요철면을 갖게 된다.

도 10은 본 발명에 따른 표면 러프닝이 있는 p형 GaN계 러프층을 사용한 질화물 반도체 LED의 휘도와, 종래의 표면 러프닝이 없는 p형 GaN계 반도체층을 사용한 질화물 반도체 LED의 휘도를 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 표면 거칠기를 갖는 본 발명의 LED는, 종래의 매끈한 표면을 갖는 LED에 비하여 휘도가 훨씬 높다. 이는 표면 거칠기를 갖는 LED의 외부 광자 효율이 더 높기 때문이다.

도 11은 본 발명에 따라 제조된 LED의 동작 전압 특성을 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 종래 1000℃ 이하 온도에서 피트가 형성되도록 p형 GaN계 결정을 성장시킨 경우(실선)에 비하여, 본 발명(점선)의 동작 전압이 더 낮은 것으로 나타나 있다. 또한, 본 발명의 동작 전압은, 종래 1000℃ 이상의 온도에서 피트 없이 GaN계 결정 성장시킨 경우(일점쇄선)와 유사하거나 약간 더 낮은 것으로 나타나 있다.

도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 발광 소자는, 표면 거칠기에 의해 더 높은 외부 광자 효율을 나타낼 뿐만 아니라 동작 전압 특성도 양호한 상태를 유지한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 요철면 형성에 의한 동작 전압의 열화를 방지할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, p형 GaN계 반도체 결정 성장시 1000℃를 넘는 온도에서 질소 또는 아르곤 가스를 운반 가스로 사용함으로써, 외부 광자 효율이 개선될 뿐만 아니라, 동작 전압 특성의 열화를 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 고품질 고효율의 질화물 반도체 발광 소자를 얻을 수 있게 된다.

Claims (14)

1. 기판 상에 n형 GaN계 반도체층 및 활성층을 순차적으로 성장시키는 단계와;

   1000℃를 넘는 온도에서, 운반 가스로서 질소 또는 아르곤을 포함하는 가스를 사용하여 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시킴으로써, 상기 활성층 상에 p형 GaN계 러프층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 p형 GaN계 러프층은, MOCVD법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 p형 GaN계 러프층의 성장 단계에서, 상기 p형 GaN계 러프층의 성장 온도는, 1000℃초과이고 1200℃미만인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 운반 가스로서 질소 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 운반 가스로서 질소 및 수소의 혼합 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 운반 가스로서 아르곤 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 운반 가스로서 아르곤과 수소의 혼합 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 운반 가스로서 질소와 아르곤의 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 운반 가스로서 질소와 아르곤과 수소의 혼합 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 p형 GaN계 러프층 형성시, 상기 p형 GaN계 러프층의 표면 상에는 비헥사고날형의 피트가 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
11. 제1항에 있어서,

    상기 p형 GaN계 러프층을 형성하는 단계 전에, 상기 활성층 상에 p형 GaN계 스무드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 p형 GaN계 스무드층을 형성하는 단계는, 1000℃를 넘는 온도에서 운반 가스로서 수소 가스를 사용하여 p형 GaN계 반도체 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
13. 제1항에 있어서,

    상기 기판은 사파이어, 실리콘 카바이드 또는 GaAs로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
14. 제1항에 있어서,

    상기 기판 상에 n형 GaN계 반도체층을 형성하기 전에, 상기 기판 상에 GaN계 반도체로 이루어진 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.

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