KR100661714B1 - 나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 로드(Nano-rod)를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 소자 외부로 광이 방출되는 방출면에 복수개의 나노 로드들을 형성함으로써, 전반사되는 광량을 줄여 광출력을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 나노 로드(Nano-rod)를 갖는 발광 소자는 상, 하부에 전극이 형성된 수직형 구조를 가지므로, 소자의 구조를 단순화시킬 수 있고, 전류 흐름을 소자 전면으로 균일하게 할 수 있어 동작전압을 낮출 수 있게 된다.

또한, 나노 로드들 상부에서 소자의 에피층을 성장시킴으로써, 성장되는 화합물 반도체와 이종기판과의 격자 불일치 및 열팽창 계수 차이로 인한 관통전위(Threading dislocation)의 발생을 저하시켜, 결국, 결함이 줄어드는 소자를 제조할 수 있다.

나노, 로드, 발광소자, 광출력, 결함, 수직

Description

나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법 { Light emitting device with nano-rod and method for fabricating the same }

도 1a와 1b는 종래 기술에 따른 LLO(Laser Lift Off) 방법으로 사파이어 기판을 이탈시키는 공정을 설명하기 위한 개략적인 단면도

도 2는 본 발명에 적용된 나노 로드(Nano-rod)형 버퍼층의 개략적인 단면도

도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따라 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 공정 단면도

도 4는 도 3b의 전자 현미경 사진도

도 5는 본 발명에 따라 나노 로드를 갖는 발광 소자의 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100,200 : 기판 110,210 : 나노 로드

220 : 버퍼층 230 : N-화합물 반도체층

240 : 활성층 250 : P-화합물 반도체층

260 : 본딩 수단 270 : 지지용 부재

310 : N-금속층

본 발명은 나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소자 외부로 광이 방출면에 복수개의 나노 로드들이 형성시켜 광출력을 향상시키고, 수직형 구조로 동작전압을 낮출 수 있는 나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화갈륨(GaN)계의 소자 제조에 있어 대부분 사용되어지고 있는 사파이어 기판은 비전도성과 낮은 열전도도로 인해, 소자 제조시 공정상의 어려움과 소자구동상의 신뢰성에 문제점을 지니고 있다.

또한, 질화갈륨계 소자는 이종기판인 사파이어 기판에서 성장됨으로, 사파이어 기판과 성장되는 질화갈륨의 격자불일치와 열팽창계수의 차이로 인해 관통전위(Threading dislocation)가 발생되어 소자의 특성에 악영향을 미치게 된다.

도 1a와 1b는 종래 기술에 따른 LLO(Laser Lift Off) 방법으로 사파이어 기판을 이탈시키는 공정을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(10) 상부에 질화갈륨계 소자 적층막(20)이 형성된 후, 사파이어 기판(10) 하부면으로 레이저광을 조사하면, 밴드 갭 에너지(Band Gap Energy) 차이에 의하여, 조사된 레이저 광이 사파이어 기판 통과하고 사파이어와 질화갈륨의 계면에 도달되어, 질화갈륨이 레이저광에 의해 열분해되어 질화갈륨계 소자 적층막과 사파이어 기판은 분리된다.

한편, 최근에 LLO(Laser Lift Off)방법을 이용하여 수직구조의 질화갈륨계 발광 소자를 제작하는 방법이 크게 이슈화 되고 있다.

즉, 수직 구조의 질화갈륨계 발광 소자에서 사파이어기판을 제거함으로써, 기판 하부에 전극을 형성하여 소자를 수직구조로 단순화시킬 수 있다는 것이다.

이러한, 수직구조의 소자의 경우, 전류의 흐름을 원활하게 하여 구동전압을 낮출 뿐만 아니라, 사파이어 기판 대신 열전도도가 높은 물질을 이용하여 질화갈륨계 소자를 지지함으로써 열적인 안정성을 높여 소자의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.

그러나, 전술된 LLO 방법은 그 장비 자체가 고가이고, 사파이어와 질화갈륨의 계면에서의 레이저를 이용한 열분해 현상을 이용하기 때문에, 질화갈륨 에피막의 열화를 초래할 수 있다.

또한, 질화갈륨이 열적인 분해를 일으키면서 N₂가스가 방출되고, 이렇게 발생한 N₂가스의 급격한 팽창으로 인해 질화갈륨막의 크랙이 발생할 수 있는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 소자 외부로 방출되는 광 방출면에 복수개의 나노 로드들이 형성되어 있어, 전반사되는 광량을 줄여 광출력을 향상시킬 수 있는 나노 로드를 갖는 발광 소자를 제공하는 데 목적이 있 다.

본 발명의 다른 목적은 상, 하부에 전극이 형성된 수직형 구조로 구성하여, 소자의 구조를 단순화시킬 수 있고, 전류 흐름을 소자 전면으로 균일하게 할 수 있어 동작전압을 낮출 수 있는 나노 로드를 갖는 발광 소자를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노 로드들 상부에서 소자의 에피층을 성장시킴으로써, 성장되는 화합물 반도체와 이종기판과의 격자 불일치 및 열팽창 계수 차이로 인한 관통전위(Threading dislocation)의 발생을 저하시켜, 결국, 결함이 줄어드는 소자를 제조할 수 있는 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 지지용 부재와;

상기 지지용 부재 상부에 형성된 P-화합물 반도체층과;

상기 P-화합물 반도체층 상부에 형성된 활성층과;

상기 활성층 상부에 형성된 N-화합물 반도체층과;

상기 N-화합물 반도체층 상부에 형성된 버퍼층과;

상기 버퍼층 일부 상부에 형성된 복수개의 나노 로드들과;

상기 나노 로드들이 형성되어 있지 않은 버퍼층 나머지 상부에 형성된 N-전극층을 포함하여 이루어진 나노 로드를 갖는 발광 소자가 제공된다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 기판 상부에 상호 이격되고 상기 화합물 반도체로 이루어진 복수개의 나노 로드들을 성장시키는 단계와;

상기 복수개의 나노 로드들 상부에 버퍼층을 성장시키는 단계와;

상기 버퍼층 상부에 N-화합물 반도체층, 활성층과 P-화합물 반도체층을 순차적으로 성장시키는 단계와;

상기 P-화합물 반도체층 상부에 지지용 부재를 고정시키는 단계와;

상기 나노 로드들에 끊어서(Cutting) 상기 기판을 이탈시키는 단계와;

상기 나노 로드들 중 일부를 제거하고, 상기 나노 로드들이 제거된 영역에 N-금속층을 형성하는 단계를 포함하여 구성된 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 적용된 나노 로드(Nano-rod)형 버퍼층의 개략적인 단면도로서, 기판(100) 상부에 박막 성장온도보다 낮은 온도로 화합물 반도체를 성장시키면, 상호 이격되고 상기 화합물 반도체로 이루어진 복수개의 나노 로드들(110)을 형성할 수 있다.

예를 들어, 사파이어 기판 상부에 질화갈륨 박막의 성장온도(1000℃)보다 낮은 온도인 500 ~ 800℃에서 질화갈륨을 성장시키면, 사파이어 기판 상부에 질화갈륨으로 이루어진 복수개의 나노 로드들이 성장된다.

즉, 질화갈륨 박막은 사파이어 기판 상부에 1000℃ 이상의 온도로 승온시켜 성장시는데, 500 ~ 800℃에서는 시드(Seed) 형태의 로드들이 형성되면서, 1000℃에서 측면성장되어 박막 형태로 된다.

그러므로, 500 ~ 800℃에서는 사파이어 기판 상부에 질화갈륨으로 이루어진 시드(Seed) 형태의 나노 로드들을 형성할 수 있게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상부에 형성된 나노 로드들(110)은 폭(W)이 10 ~ 300㎚인 것을 지칭하고, 그 높이는 대략 500 ~ 1500㎚이다.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따라 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 공정 단면도로서, 기판(200) 상부에 상호 이격되고 상기 화합물 반도체로 이루어진 복수개의 나노 로드들(210)을 성장시킨다.(도 3a)

여기서, 상기 기판(200)의 물질은 GaN, Al₂O₃, Si, GaAs, SiC와 ZnO 중 어느 하나이고, 화합물 반도체는 GaN인 것이 바람직하다.

도 2의 설명에서와 같이, 상기 나노 로드들(210)은 상기 화합물 반도체 박막의 성장온도보다 낮은 온도에서 화합물 반도체를 성장시키는 것이다.

이 때, 상기 화합물 반도체가 GaN이면, 상기 나노 로드들의 성장온도는 500 ~ 800℃이다.

그 후, 상기 복수개의 나노 로드들(210) 상부에 버퍼층(220)을 성장시킨다.(도 3b)

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(200) 상부에 나노 로드들(210)이 형성되 어 있고, 이 나노 로드들(210) 상부에 버퍼층(220)이 형성되어 있다.

상기 버퍼층(220)은 상기 나노 로드들(210)의 화합물 반도체와 동일한 화합물 반도체로 이루어진 것이 바람직하다.

이 때, 상기 버퍼층(220)은 상기 나노 로드들(210)의 성장온도보다 높은 온도로 박막으로 성장시키는 것이며, 즉, 상기 화합물 반도체가 GaN이면, 상기 버퍼층(220)은 900 ~ 1200℃이다.

연이어, 상기 버퍼층(220) 상부에 N-화합물 반도체층(230), 활성층(240)과 P-화합물 반도체층(250)을 순차적으로 성장시킨다.(도 3c)

계속하여, 상기 P-화합물 반도체층(250) 상부에 지지용 부재(270)를 고정시킨다.(도 3d)

여기서, 상기 지지용 부재(270)가 기판 형태이면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 본딩수단(260)으로 상기 지지용 부재(270)를 P-화합물 반도체층(250)에 본딩한다.

이 때, 상기 지지용 부재(270)가 금속이면, 상기 본딩수단(260)은 도전성 물질로 이루어진다.

그리고, 상기 P-화합물 반도체층(250) 상부에서 막(膜) 형태로 성장시켜 상기 지지용 부재(270)를 형성할 수 있다.

게다가, 상기 지지용 부재(270)를 열전도도가 우수한 물질로 사용하게 되면 소자 구동시 열적 안정성을 높여 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

그 후, 상기 나노 로드들(210)에 끊어서(Cutting) 상기 기판(200)을 이탈시 킨다.(도 3e)

상기 나노 로드들(210)을 끊는 것은, 상기 나노 로드들(210)에 스트레스를 인가하거나 또는, 상기 나노 로드들(210)과 버퍼층의 열팽창 계수 차이로 도 3d 후에, 자연적으로 끊어지는 것을 의미한다.

그리고, 상기 나노 로드들(210)에 스트레스를 인가하는 것은, 급속 열처리 공정을 수행하는 것을 의미한다.

그 다음, 상기 나노 로드들(210) 중 일부를 제거하고(도 3f), 상기 나노 로드들(210)이 제거된 영역(300)에 N-금속층(310)을 형성한다.(도 3g)

상기 N-금속층(310)을 형성하기 전에, 상기 나노 로드들(210)이 제거된 영역(300)을 이온 밀링 또는 폴리싱으로 평탄화시키는 공정이 더 구비될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 나노 로드를 갖는 발광 소자의 단면도로서, 지지용 부재(270)와; 상기 지지용 부재(270) 상부에 형성된 P-화합물 반도체층(250)과; 상기 P-화합물 반도체층(250) 상부에 형성된 활성층(240)과; 상기 활성층(240) 상부에 형성된 N-화합물 반도체층(230)과; 상기 N-화합물 반도체층(230) 상부에 형성된 버퍼층(220)과; 상기 버퍼층(220) 일부 상부에 형성된 복수개의 나노 로드들(211)과; 상기 나노 로드들(211)이 형성되어 있지 않은 버퍼층(220) 나머지 상부에 형성된 N-전극층(310)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 지지용 부재(270)는 전도성 물질로 형성하는 것이 바람직하고, 이 때, 상기 지지용 부재(270)는 P-전극층이 된다.

이렇게, 구성된 발광 소자는 활성층(240)에서 방출된 광이 소자 외부로 방출 되는 면에 복수개의 나노 로드들이 형성되어 있어, 전반사되는 광량을 줄여 광출력을 향상시킬 수 있다.

그리고, 상, 하부에 전극이 형성된 수직형 구조를 가지므로, 소자의 구조를 단순화시킬 수 있고, 전류 흐름을 소자 전면으로 균일하게 할 수 있어 동작전압을 낮출 수 있게 된다.

또한, 나노 로드들 상부에서 소자의 에피층을 성장시킴으로써, 성장되는 화합물 반도체와 이종기판과의 격자 불일치 및 열팽창 계수 차이로 인한 관통전위(Threading dislocation)의 발생을 저하시켜, 결국, 결함이 줄어드는 소자를 제조할 수 있는 것이다.

더불어, 분리된 기판은 재사용이 가능하다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 소자 외부로 광이 방출면에 복수개의 나노 로드들이 형성시켜 광출력을 향상시키고, 수직형 구조로 동작전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 나노 로드들 상부에서 소자의 에피층을 성장시킴으로써, 결함의 생성을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (12)

1. 지지용 부재와;

   상기 지지용 부재 상부에 형성된 P-화합물 반도체층과;

   상기 P-화합물 반도체층 상부에 형성된 활성층과;

   상기 활성층 상부에 형성된 N-화합물 반도체층과;

   상기 N-화합물 반도체층 상부에 형성된 버퍼층과;

   상기 버퍼층 일부 상부에 형성된 복수개의 나노 로드들과;

   상기 나노 로드들이 형성되어 있지 않은 버퍼층 나머지 상부에 형성된 N-전극층을 포함하여 이루어진 나노 로드를 갖는 발광 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지용 부재는 전도성 물질인 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판 물질은,

   GaN, Al₂O₃, Si, GaAs, SiC와 ZnO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 나노 로드들의 폭(W)은,

   10 ~ 300㎚인 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자.
5. 기판 상부에 상호 이격되고 상기 화합물 반도체로 이루어지고, 상기 화합물 반도체 박막의 성장온도보다 낮은 온도에서 복수개의 나노 로드들을 성장시키는 단계와;

   상기 복수개의 나노 로드들 상부에 버퍼층을 성장시키는 단계와;

   상기 버퍼층 상부에 N-화합물 반도체층, 활성층과 P-화합물 반도체층을 순차적으로 성장시키는 단계와;

   상기 P-화합물 반도체층 상부에 지지용 부재를 고정시키는 단계와;

   상기 나노 로드들에 끊어서(Cutting) 상기 기판을 이탈시키는 단계와;

   상기 나노 로드들 중 일부를 제거하고, 상기 나노 로드들이 제거된 영역에 N-금속층을 형성하는 단계를 포함하여 구성된 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
6. 삭제
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 기판 물질은,

   GaN, Al₂O₃, Si, GaAs, SiC와 ZnO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 화합물 반도체가 GaN이고,

   상기 나노 로드들의 성장온도는 500 ~ 800℃인 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 버퍼층은,

   상기 나노 로드들의 화합물 반도체와 동일한 화합물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 버퍼층은,

    상기 나노 로드들의 성장온도보다 높은 온도로 박막으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
11. 삭제
12. 제 5 항에 있어서,

    상기 나노 로드들을 끊는 것은,

    상기 나노 로드들에 스트레스를 인가하거나 또는, 상기 나노 로드들과 버퍼층의 열팽창 계수 차이로 자연적으로 끊어지는 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.

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