KR100697666B1

KR100697666B1 - 이중버퍼층이 형성된 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100697666B1
Application number: KR1020050124638A
Authority: KR
Inventors: 이재호
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-03-20

Abstract

본 발명은 발광소자의 기판 및 버퍼층에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광소자는 탄화실리콘(SiC), 질화알루미늄(AlN), 실리콘(Si) 중 하나를 포함하는 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 질화알루미늄(AlN)층 및 질화갈륨(GaN)층을 포함하는 이중버퍼층; 및 상기 이중버퍼층 상에 형성된 질화물 반도체층을 포함한다. 본 발명은 발광소자를 구성 시 발광셀을 배열하고 각 발광셀을 전기적으로 독립시켜 고립시킨다. 하지만, 반도체 일광공정(Integration)을 적용하여 각 고립된 발광셀을 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결시킨다. 또한, 고전압을 사용하여 구동하므로 종래의 사파이어 기판 대신 열전도도가 우수한 기판을 사용하여 발광소자의 동작 시 발광칩에서 방출되는 열을 보다 빠르게 외부로 방출하고 높은 광효율 및 신뢰성을 갖는 고출력의 발광소자를 제공할 수 있는 특징이 있다.

발광소자, 기판, 이중버퍼층, 격자구조, 도핑

Description

이중버퍼층이 형성된 발광소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE WITH DUAL BUFFER LAYER FORMED AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 종래 기술에 따른 발광소자의 단면도.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 발광소자를 설명하기 위한 단면도.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

100: 기판 120: 이중버퍼층

140: N형 반도체층 140a: N-전극

160: 활성층 180: P형 반도체층

180a: P-전극 200: 배선

본 발명은 교류용 발광소자에 관한 것으로서, 자세하게는 기판 상에 이중버 퍼층이 형성된 발광소자에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 발광소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면 종래 기술에 따른 발광소자는, 사파이어 기판(1000)과, 상기 사파이어 기판(1000) 상에 형성된 버퍼층(1200)과, 상기 버퍼층(1200) 상에 형성된 N형 반도체층(1400)과, 상기 N형 반도체층(1400) 상의 일정 영역에 형성된 활성층(1600)과, 상기 활성층(1600) 상에 형성된 P형 반도체층(1800)과, 상기 N형 반도체층(1400) 및 P형 반도체층(1600) 상에 형성된 N-전극(1400a) 및 P-전극(1800a)과, 인접한 N형 반도체층과 P형 반도체층을 전기적으로 연결하는 배선(2000)을 포함하는 다수개의 발광셀을 포함하고, 상기 다수개의 발광셀은 동일 기판(1000) 내에 배열되어 있다.

발광소자의 밝기는 인가된 전류 및 배열된 발광셀의 숫자에 비례한다. 따라서, 고휘도의 발광소자를 제작하기 위해서는 보다 높은 전류를 발광소자에 인가하거나 많은 수의 발광셀을 집적해야 한다. 하지만, 상기와 같은 구조의 배열형 발광소자에 사용되는 사파이어 기판은 열전도도가 낮으므로 고출력조건에서 발광소자의 동작 시 발광칩에서 발산되는 열을 외부로 빠르게 방출하지 못해 광효율이 낮아지고 신뢰성이 저하되는 단점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 발광소자는 사파이어 기판 대신 열전도도가 우수한 기판을 사용하여 발광소자의 동작 시 발광칩에서 방출되는 열을 보다 빠르게 외부로 방출하여 신뢰성이 우수한 배열형 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 탄화실리콘(SiC), 질화알루미늄(AlN), 실리콘(Si) 중 하나를 포함하는 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 질화알루미늄(AlN)층 및 질화갈륨(GaN)층을 포함하는 이중버퍼층과, 상기 이중버퍼층 상에 형성된 질화물 반도체층을 포함하고, 상기 질화갈륨(GaN)층은 철(Fe) 또는 마그네슘(Mg)이 도핑된 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공한다.

삭제

이때, 상기 마그네슘은 1×10¹⁸/㎤이하의 농도로 도핑될 수 있다.

또한, 상기 이중버퍼층은 상기 기판 상에 복수개가 서로 이격 형성되고, 상기 이중버퍼층 상에 각각 형성된 질화물 반도체층을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 탄화실리콘(SiC), 질화알루미늄(AlN), 실리콘(Si) 중 하나를 포함하는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 질화알루미늄(AlN)층 및 질화갈륨(GaN)층을 순차적으로 형성하여 이중버퍼층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨(GaN)층에 철(Fe) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑하는 단계; 상기 이중버퍼층 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 기판의 일부를 노출시켜 다수개의 발광셀을 형성하는 단계; 일 발광셀과 그에 인접한 다른 발광셀을 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 마그네슘(Mg)은 1×10¹⁸/㎤이하의 농도로 도핑될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

기판 상에 반도체층을 형성하기 위한 반도체의 증착 및 성장 방법으로 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 화학 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition, PCVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE) 등을 포함한 다양한 방법이 있으나, 본 발명의 실시예에서는 유기금속 화학 증착법을 사용한다. 상기 유기금속 화학 증착법은 유기금속 원료물질을 사용하고, 화학 반응을 이용하여 기판 상에 금속 산화막을 형성하는 박막 형성법으로서, 진공으로 된 챔버 안에서 가열된 기판에 증기압이 높은 금속의 유기 화합물 증기를 보내어 그 금속의 막을 기판에 성장시킨다. 특정 조건에서는 화합물 반도체의 결정을 에피택셜(epitaxial)층으로 성장시킬 수 있다.

도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 발광소자를 설명하기 위한 도면이다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 발광소자는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 순차적으로 적층된 이중버퍼층(120), N형 반도체층(140), 활성층(160) 및 P형 반도체층(180)과, N형 반도체층(140) 상에 형성된 N-전극(140a)과, P 형 반도체층(180) 상에 형성된 P-전극(180a)을 포함하는 다수개의 발광셀과, 일 발광셀의 N-전극과 그에 인접한 발광셀의 P-전극을 전기적으로 연결하기 위한 배선(200)을 포함한다.

상기 N형 반도체층(140)은 전자가 생성되는 층으로서, N형 화합물 반도체층과 N형 클래드층으로 형성된다. 이때, N형 화합물 반도체층은 N형 불순물이 도핑된 질화갈륨(GaN)을 사용한다. 이때, N형 반도체층(140)과 이중버퍼층(120) 사이에는 도핑되지 않은 질화갈륨(GaN)층을 더 형성할 수 있다.

상기 P형 반도체층(180)은 정공이 생성되는 층으로서, P형 클래드층과 P형 화합물 반도체층으로 형성된다. 이때, P형 화합물 반도체층은 P형 불순물이 도핑된 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 사용한다.

상기 활성층(160)은 소정의 밴드갭과 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함하여 이루어진다. 또한, 활성층(160)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 정공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 조성이 제어된 반도체 재료를 활성층(160)으로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 N-전극(140a)과 P-전극(180a)은 발광셀을 외부의 배선(200)과 전기적으로 연결하기 위한 것으로서, 상기 N형 질화물반도체(140) 상에 형성되는 N-전극(140a)은 오믹성 금속으로서, 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 및 금(Au) 또는 이들의 합금을 도포하여 형성한다. 또한, 상기 P형 질화물반도체(180) 상에 형성되는 P-전극(180a)은 배선(200)을 통해 입력되는 전원을 P형 반도체층(180)에 균일하게 전달하 는 역할을 하는 것으로서, 투명 전도성 박막과 같은 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 투명 금속 전극 등으로 형성된다. 이때, 상기 투명 전도성 박막 상의 일정 위치에 크롬(Cr) 및 금(Au) 또는 이들의 합금을 도포하여 본딩패드용 전극물질을 형성할 수 있다.

상기 배선(200)은 금(Au) 등의 도전성 물질을 에어브리지(Air Bridge) 또는 스텝커버(Step Cover) 등의 방법을 통해 일 발광셀의 N-전극과 그에 인접한 발광셀의 P-전극을 서로 직렬 또는 직병렬로 연결한다.

상기 기판(100)은 발광소자를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, 탄화실리콘(SiC), 질화알루미늄(AlN), 실리콘(Si)과 같은 열전도성이 우수한 기판(100)을 사용한다. 발광소자의 밝기는 전류에 비례하므로 보다 고휘도의 발광소자를 제작하기 위해서는 발광소자에 높은 전류를 인가해야한다. 하지만, 전류를 높이면 발광소자의 온도 역시 증가하게 된다. 따라서, 상기와 같은 열전도성이 우수한 기판을 사용하여 발광소자 내부의 열을 외부로 빠르게 배출하여 보다 고휘도의 발광소자를 제작할 수 있다. 하지만, 이러한 기판 상에 질화물 반도체층을 형성하기 위해서는 종래의 사파이어 기판에서 사용하던 버퍼층과는 다른 버퍼층을 사용하여 기판과 질화물 반도체층의 격자부정합을 줄여야 한다.

상기 이중버퍼층(120)은 결정 성장시에 기판(100)과 후속층들의 격자 부정합을 줄이고 기판(100)과 질화물 반도체층을 절연하기 위한 층으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 버퍼층(120a)인 질화알루미늄(AlN)층과 제 2 버퍼층(120b)인 질화갈륨(GaN)층을 포함하여 이루어진다.

상기 제 1 버퍼층(120a)인 질화알루미늄(AlN)층은 상부의 질화물 반도체층과 기판(100)인 탄화실리콘(SiC), 질화알루미늄(AlN), 실리콘(Si)과의 격자 부정합 및 스트레스를 완화하기 위한 것이다. 상기 기판(100) 상에 성장되는 질화물 반도체층인 3족 질화물은 기판(100)인 탄화실리콘(SiC), 질화알루미늄(AlN), 실리콘(Si)과 유사한 격자 정수를 가지고 있다. 그러나, 상기 기판(100) 상에 에피택셜 성장한 질화물 반도체층에는 다수의 결정 결함이 포함되어 있다. 이는 격자정수가 유사함에도 불구하고 결함이 많은 이유는 3족 질화물과 상기 기판(100)의 결정 구조가 다르기 때문이다. 예를 들면, 3족 질화물이 2층 주기의 적층을 가지는데 비해 기판(100)인 탄화실리콘(SiC)은 4H나 6H로 불리는 4층, 6층 주기를 가진다. 따라서, 4층 주기의 탄화실리콘(SiC) 기판(100) 상에 3족 질화물인 질화갈륨(GaN)을 성장시키면 탄화실리콘(SiC)의 각 층 상으로 성장한 질화갈륨(GaN)의 적층이 서로 어긋나 적층 부정합 경계(Stacking Mismatch Boundary, SMB)라는 결함이 다수 형성된다. 따라서, 상기 기판(100)과 격자 구조가 유사한 질화알루미늄(AlN)을 제 1 버퍼층(120a)으로 사용하여 상기 격자 부정합을 완화할 수 있다.

상기 제 2 버퍼층(120b)인 질화갈륨(GaN)층은 N형에 가까운 질화갈륨(GaN)에 철(Fe)을 도핑하여 전자와 정공의 수가 동등한 진성 반도체로 형성된다. 따라서, 상기 제 2 버퍼층(120b)은 고저항률을 가지게 되며, 기판(100)과 질화물 반도체층 사이에 형성되어 절연층의 역할을 한다. 하지만, 이에 한정되지 않고 도 3에 도시된 것과 같이 질화갈륨층에 마그네슘(Mg)을 도핑할 수도 있다. 이때, 상기 제 2 버 퍼층(120b)은 1×10⁵/㎝의 고저항값을 갖게 되어 별도의 절연층을 형성하지 않아도 된다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

이하 상술한 발광소자의 제조 방법을 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 살펴보면 우선, 기판(100) 상에 제 1 버퍼층(120a)인 질화알루미늄(AlN)층을 50 ~ 100,000Å의 두께로 성장시킨다. 상기 질화알루미늄(AlN)층 상에 제 2 버퍼층(120b)인 질화갈륨(GaN)층을 성장하되 철(Fe)을 중심금속으로 하는 페로센(Fe(C₅H₅)₂))을 원료로 사용하여 철(Fe)를 도핑한다. 이때, 상기 제 1 버퍼층(120a) 및 제 2 버퍼층(120b)으로 구성된 이중버퍼층(120)은 30㎛이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 2 버퍼층(120b)인 질화갈륨(GaN)층에 페로센(Ferrocene) 대신 마그네슘(Mg)을 도핑할 수 있으며, 상기 마그네슘(Mg)은 CP2Mg(Cyclo-Pentyl Magnesium)을 원료로 하여 1×10¹⁸/㎤이하의 농도로 도핑하여 제 1 버퍼층(120a) 및 제 2 버퍼층(120b)으로 구성된 이중버퍼층(120)을 형성한다. 이후, (도시되지 않은) 도핑되지 않은 질화갈륨(GaN)층, N형 반도체층(140), 활성층(160) 및 P형 반도체층(180)을 순차적으로 결정 성장시킨다(도 4a). 이때, P형 반도체층(180) 상에 투명 전극층을 더 형성할 수도 있다. 각각의 층은 앞서 설명한 물질들을 증착하기 위한 다양한 증착 방법을 통해 형성시킨다.

이후, 마스크를 이용한 사진 식각공정을 실시하여 기판이 완전히 드러나도록 하여 각각의 셀들이 전기적으로 분리되도록 한다. 즉, 상기 마스크를 식각마스크로 하는 식각공정을 통해 P형 반도체층(180), 활성층(160), N형 반도체층(140), 이중버퍼층(120)의 일부를 제거하여 기판(100)을 노출시킨다(도 4b). 이때, 마스크는 감광막을 이용하여 형성한다. 식각 공정은 습식, 건식 식각공정을 실시할 수 있으며, 본 실시예에서는 플라즈마를 이용한 건식식각을 하는 것이 바람직하다.

상기 공정을 실시한 다음, 각 셀의 N형 반도체층(140)이 노출되도록 P형 반도체층(180) 및 활성층(160)을 식각한다(도 4c). 상술한 바와 같이 단일의 마스크를 이용하여 식각을 실시할 수도 있지만, 각기 서로 다른 마스크를 이용하여 식각을 실시할 수도 있다. 즉, 기판(100)을 노출시키는 제 1 마스크를 이용한 제 1 식각을 실시한 다음, N형 반도체층(140)을 노출시키기 위해 P형 반도체층(180) 및 활성층(160)의 소정 영역을 노출시키는 제 2 마스크를 이용한 제 2 식각을 실시할 수 있다.

상기 마스크를 제거한 다음, 노출된 N형 반도체층(140) 상에 N-전극(140a)을 형성하고, P형 반도체층(180) 상에 P-전극(180a)을 형성한다(도 4d).

이후, 전체 구조상에 감광막을 도포한 다음, 포토리소그라피 공정을 통해 인접한 일 발광셀의 N-전극의 일부 영역과 그에 인접한 타 발광셀의 P형 반도체층 일부를 노출시키는 (도시되지 않은) 제 1 감광막 패턴을 형성한다. 전체 구조상에 (도시되지 않은) 제 1 금속막을 형성하여 노출된 N-전극과 P-전극을 전기적으로 연결한다. 이후, 다시 전체 구조상에 금속배선과 동일한 패턴 형상을 갖는 (도시되지 않은) 제 2 감광막 패턴을 형성하고, 그 상부에 (도시되지 않은) 제 2 금속막을 형 성한다. 상기의 제 1 및 제 2 감광막 패턴을 제거하면 금속배선 영역을 제외한 영역의 금속막들이 제거되어 N-전극과 P-전극을 연결하는 배선이 형성된다.

하지만 이에 한정되지 않고, 상기 배선은 상기 구조물의 전체구조상에 SiO₂ 등의 절연막을 덮고 포토패터닝하여 인접한 전극만을 노출시키고 상기 전극 상에 금속막을 증착하거나 도포하여 서로 전기적으로 연결하여 형성할 수도 있다. 이와 같이 배선을 형성함으로써, 도 2 또는 도 3과 같은 본 발명에 따른 발광소자를 완성한다.

이때, 상기 P형 반도체층(180) 상에 P-전극(180a)이 투명전극으로 형성될 경우 투명전극의 일부를 포토공정으로 식각하여 P형 반도체층을(180) 노출시키고, (도시되지 않은) P형 본딩패드가 형성될 수 있다. 상기와 같이 제작된 교류형 발광소자 어레이 기판을 단위 발광소자로 분리하면 교류전원에서 동작 가능한 교류형 발광소자가 완성된다. 이때, 상기 전극(140a, 180b)을 형성한 상태에서 도 4d에 도시된 바와 같이 I-I'의 구간을 분리하여 하나의 발광셀 만으로 발광소자를 제작할 수도 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 발광소자는 사파이어 기판 대신 열전도도가 우 수한 기판을 사용하여 배열형 발광소자의 동작 시 발광칩에서 방출되는 열을 보다 빠르게 외부로 방출하여 높은 광효율 및 신뢰성을 갖는 고출력의 발광소자를 제공할 수 있다.

Claims

탄화실리콘(SiC), 질화알루미늄(AlN), 실리콘(Si) 중 하나를 포함하는 기판과,

상기 기판 상에 순차적으로 형성된 질화알루미늄(AlN)층 및 질화갈륨(GaN)층을 포함하는 이중버퍼층과,

상기 이중버퍼층 상에 형성된 질화물 반도체층을 포함하고,

상기 질화갈륨(GaN)층은 철(Fe) 또는 마그네슘(Mg)이 도핑된 것을 특징으로 하는 발광소자.
청구항 1에 있어서,

상기 마그네슘(Mg)은 1×10¹⁸/㎤이하의 농도로 도핑되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 이중버퍼층은 상기 기판 상에 복수개가 서로 이격 형성되고,

상기 이중버퍼층 상에 각각 형성된 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
탄화실리콘(SiC), 질화알루미늄(AlN), 실리콘(Si) 중 하나를 포함하는 기판을 준비하는 단계;

상기 기판 상에 질화알루미늄(AlN)층 및 질화갈륨(GaN)층을 순차적으로 형성하여 이중버퍼층을 형성하는 단계;

상기 질화갈륨(GaN)층에 철(Fe) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑하는 단계;

상기 이중버퍼층 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

상기 기판의 일부를 노출시켜 다수개의 발광셀을 형성하는 단계;

일 발광셀과 그에 인접한 다른 발광셀을 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
청구항 4에 있어서,

상기 마그네슘(Mg)은 1×10¹⁸/㎤이하의 농도로 도핑되는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.