KR100699057B1 - Light emitting device and method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 발광소자의 일부를 도시한 도면,1 is a view showing a part of a light emitting device according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 전위확산방지층을 도시한 도면,2 is a view showing a potential diffusion prevention layer according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 발광소자의 일실시예를 도시한 도면,3 is a view showing an embodiment of a light emitting device according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 발광소자의 제조방법을 도시한 도면이다.4 is a view showing a method of manufacturing a light emitting device according to the present invention.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 ><Brief Description of Major Codes in Drawings>
100 : 발광셀 110 : 기판100: light emitting cell 110: substrate
120 : 버퍼층 130 : 제1반도체층120: buffer layer 130: first semiconductor layer
140 : 전위확산방지층 150 : 활성층140: potential diffusion prevention layer 150: active layer
160 : 제2반도체층160: second semiconductor layer
본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발광 효율을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting device, and more particularly, to a light emitting device having a structure capable of improving the luminous efficiency and a manufacturing method thereof.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다. In general, nitrides of Group III elements, such as gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN), have excellent thermal stability and have a direct transition energy band structure. As a lot of attention. In particular, blue and green light emitting devices using gallium nitride (GaN) have been used in various applications such as large-scale color flat panel display devices, traffic lights, indoor lighting, high density light sources, high resolution output systems, and optical communications.
이러한 Ⅲ족 원소의 질화물 반도체층은 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 그러나, Ⅲ족 원소의 질화물 반도체층이 이종기판 상에 형성될 경우, 반도체층과 기판 사이의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여 반도체층 내에 크랙(crack) 또는 뒤틀림(warpage)이 발생하고, 전위(dislocation)가 생성된다. 반도체층 내의 크랙, 뒤틀림 및 전위는 발광소자의 특성을 악화시킨다. The nitride semiconductor layer of the group III element is a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam deposition (MBE) on a heterogeneous substrate such as sapphire or silicon carbide (SiC) having a hexagonal structure Grown through the process. However, when a nitride semiconductor layer of a group III element is formed on a dissimilar substrate, cracks or warpage occur in the semiconductor layer due to a difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the semiconductor layer and the substrate, Dislocations are created. Cracks, distortions and dislocations in the semiconductor layer deteriorate the characteristics of the light emitting element.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 반도체층을 래터럴 방향으로 성장시키는 LEO(Lateral Epitaxial Overgrowth)기법이 사용되고 있다. 이 방법에 있어서는, 기판상에 질화갈륨을 MOCVD(유기금속 화학증착)법 등으로 성장시킨 후, 포토 공정을 통해 성장저해층을 스트라이프형으로 형성한다. 그 후 다시 질화갈륨을 성장시키면, 질화갈륨은 포토공정에 의해 오픈된 기판상에서부터 수직 성장됨과 동시에 측방향으로도 성장된다. 그러나, 이러한 스트라이프형의 성장저해층이 성장저해층이 형성된 부분에만 전위밀도가 감소되는 문제점이 있다.In order to solve this problem, conventionally, a technique of Lateral Epitaxial Overgrowth (LEO), in which a semiconductor layer is grown in a lateral direction, has been used. In this method, gallium nitride is grown on a substrate by MOCVD (organic metal chemical vapor deposition) or the like, and then the growth inhibition layer is formed into a stripe through a photo process. Then, when gallium nitride is grown again, gallium nitride grows vertically from the substrate opened by the photo process and also grows laterally. However, there is a problem that the dislocation density decreases only in the portion where the growth inhibition layer of the stripe type is formed.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반도체층의 결정결함 밀도를 감소시키기 위해 전위확산방지층을 구비하는 발광소자를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a light emitting device having a dislocation diffusion prevention layer in order to reduce the crystal defect density of a semiconductor layer.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 반도체층의 결정결함 밀도를 감소시키기 위해 전위확산방지층을 구비하는 발광소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a light emitting device having a dislocation diffusion prevention layer in order to reduce the crystal defect density of a semiconductor layer.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층에 형성된 제1반도체층과, 상기 제1반도체층 상에 형성된 활성층;In order to achieve the above technical problem, the present invention is a buffer layer formed on a substrate, a first semiconductor layer formed on the buffer layer, and an active layer formed on the first semiconductor layer;
상기 활성층 상에 형성된 제2반도체층 및 상기 반도체층들 중 어느 하나의 층에 일부가 되도록 형성된 전위확산방지층을 포함하되, 상기 전위확산방지층이 형성된 층은 상기 전위확산방지층을 사이에 두고 상기 전위확산방지층 아래에 형성된 제1층과, 상기 전위확산방지층 위에 형성된 제2층을 가지는 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공한다.And a potential diffusion prevention layer formed to be part of any one of the semiconductor layers and the second semiconductor layer formed on the active layer, wherein the potential diffusion prevention layer is formed with the potential diffusion prevention layer interposed therebetween. Provided is a light emitting element having a first layer formed under the prevention layer and a second layer formed over the potential diffusion prevention layer.
상기 전위확산방지층은 제1반도체층의 일부층을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.The dislocation diffusion prevention layer is preferably formed to form a partial layer of the first semiconductor layer.
상기 전위확산방지층은 AlXGaYP (1-X-Y) N( 단, 0≤X,Y≤1)과, GaXP YN ( 단, 0≤X,Y≤1)의 혼합층으로 이루어지는 것이 바람직하다.The dislocation diffusion prevention layer is Al X Ga Y P (1-XY) N ( However, 0≤X, Y≤1) and Ga X P Y N ( However, it is preferable that it consists of a mixed layer of 0 <= X, Y <= 1).
상기 전위확산방지층은 AlXGaYAs(1-X-Y)N( 단, 0≤X,Y≤1)과, GaXAsYN ( 단, 0≤X,Y≤1)의 혼합층으로 이루어지는 것이 바람직하다.The dislocation diffusion prevention layer is Al X Ga Y As (1-XY) N ( However, 0≤X, Y≤1) and Ga X As Y N ( However, it is preferable that it consists of a mixed layer of 0 <= X, Y <= 1).
상기 버퍼층은 SiNX와 GaN계의 혼합으로 이루어지거나, AlN층으로 이루어지는 것이 바람직하다.The buffer layer is preferably made of a mixture of SiN X and GaN, or made of an AlN layer.
상기 제2반도체층 상에 형성된 투명전극과, 상기 제1반도체층과 상기 투명전극을 전기적으로 연결하는 연결전극 및 금속범프를 매개로 상기 제1,2반도체층에 플립본딩되는 서브마운트 기판을 더 포함하는 것이 바람직하다.The sub-mount substrate is flip-bonded to the first and second semiconductor layers through a transparent electrode formed on the second semiconductor layer, a connecting electrode electrically connecting the first semiconductor layer and the transparent electrode, and metal bumps. It is preferable to include.
또한, 본 발명은 기판상에 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 제1반도체층의 일부를 형성하고, 상기 제1반도체층의 일부상에 전위확산방지층을 형성하고, 상기 전위확산방지층 상에 상기 제1반도체층의 나머지를 형성하고, 상기 제1반도체층 상에 활성층을 형성하고, 상기 활성층에 제2반도체층을 형성하는 것을 포함하는 발광소자의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a buffer layer on a substrate, a portion of a first semiconductor layer formed on the buffer layer, a potential diffusion prevention layer formed on a portion of the first semiconductor layer, and on the potential diffusion prevention layer It provides a method of manufacturing a light emitting device comprising forming a remainder of the first semiconductor layer, forming an active layer on the first semiconductor layer, and forming a second semiconductor layer on the active layer.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.The following embodiments are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms. In the drawings, widths, lengths, thicknesses, and the like of components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명에 따른 발광소자의 일부를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 전위확산방지층을 도시한 도면이다. 1 is a view showing a part of the light emitting device according to the present invention, Figure 2 is a view showing a potential diffusion preventing layer according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 발광소자의 일실시예를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 발광소자의 제조방법을 도시한 도면이다.3 is a view showing an embodiment of a light emitting device according to the present invention, Figure 4 is a view showing a manufacturing method of a light emitting device according to the present invention.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광소자는 플립칩용으로서, 도 1을 참조하면, 발광 셀(100)은 기판(110) 상에 형성된 버퍼층(120)과, 버퍼층(120) 상에 형성된 제1반도체층(130)과, 제1반도체층(130)의 일부에 형성된 활성층(150) 그리고, 활성층(150) 상에 형성된 제2반도체층(160)을 포함한다. 여기서, 제1반도체층(130)은 N형 반도체층이고, 제2반도체층(160)은 P형 반도체층인 것이 바람직하다. 이와 같은 발광 셀(100)들은 기판(110) 상에 정렬되어 배치된다.As shown in these drawings, the light emitting device according to the present invention is for flip chip. Referring to FIG. 1, the
기판(110)은 발광 다이오드를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼로서, 기판(110)은 Al₂O₃, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl₂O₃, BN, AlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다. 기판(110)은 그 위에 형성될 반도체층의 격자상수를 고려하여 선택된다. 예컨대, 기판(110)상에 GaN 계열의 반도체층이 형성될 경우, 기판(110)은 사파이어로 제조될 수 있다. The
기판(110) 상에는 N형 반도체층(130) 형성시 완충역할을 하는 버퍼층(120)을 형성하였다. 버퍼층(120)은 결정 성장시에 기판(110)과 후속층들의 격자 부정합을 줄이기 위한 것으로서, SiNX와 GaN계가 혼합된 혼합층으로 이루어지거나, AlN층으로 이루어질 수 있다. 또한, 버퍼층(120)은 셀 단위로 서로 이격될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 버퍼층(120)이 절연 물질 또는 반절연(Semi-insulating) 물질로 형성된 경우 서로 연속적일 수 있다. 하지만, 버퍼층(120)은 형성되지 않을 수도 있으므로, 본 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니다.On the
제1 반도체층(130; 이하 'N형 반도체층'으로 칭함.)은 전자가 생성되는 층이다. N형 반도체 층(130)은 N형 화합물 반도체층과 N형 클래드층으로 형성된다. 이 때, N형 반도체층(130)은 N형 불순물이 주입된 GaN막을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다. 본 실시예에서는 N형 InxGayAl1 -x-y N(0≤x,y≤1)막을 포함하는 N형 반도체층(130)을 형성한다. The first semiconductor layer 130 (hereinafter referred to as an 'N-type semiconductor layer') is a layer in which electrons are generated. The N-
N형 반도체층(130)에는 전위확산방지층(140)이 포함된다. The N-
이하에서는 전위확산방지층이 도시된 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the potential diffusion prevention layer will be described in detail with reference to FIG. 2.
전위확산방지층(140)은 버퍼층(120)과 같이 후속층들의 격자부정합을 줄일 수 있도록 각 성분이 규칙적으로 배열된 결정격자로서 규칙격자로서, 아래 버퍼층(120)에서 부터 확장되는 전위결함의 추가확장을 막는 역할을 한다. 전위확산방지층(140)은 AlXGaYP (1-X-Y) N ( 단, 0≤X,Y≤1)과, GaXP YN( 단, 0≤X,Y≤1)으로 이루어진 각각의 층으로 이루어진다. 이때, 각각의 층은 반복되게 다수 적층되어 이루어진다. 또한, 전위확산방지층(140)은 AlXGaYAs(1-X-Y)N( 단, 0≤X,Y≤1)과, GaXAsYN( 단, 0≤X,Y≤1)으로 이루어진 각각의 층으로 이루어질 수 있다. 따라서, 후술될 제2반도체층(160)은 N형 반도체층(130)에 의해 P원자가 선택적으로 받아들여져 규칙적인 결정격자를 이룰 수 있다.The potential
제2반도체층(160; 이하 'P형 반도체층'으로 칭함.)은 정공이 생성되는 층이다. P형 반도체층(160)은 P형 클래드층과 P형 화합물 반도체층으로 형성된다. 이때, P형 반도체층(160)은 P형 불순물이 주입된 AlGaN을 사용한다. 본 실시예에서는 P형 AlxGa1 - xN(0≤x≤1)막을 포함하는 P형 반도체층(160)을 형성한다. 뿐만 아니라 P형 반도체층 막으로 InGaN막을 사용할 수 있다. The second semiconductor layer 160 (hereinafter referred to as a 'P-type semiconductor layer') is a layer in which holes are generated. The P-
활성층(150)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, N형 반도체층(130) 위에 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막이 사용될 수 있다. 장벽층와 우물층은 2원 화합물인 GaN, InN, Al 등을 사용할 수 있고, 3원 화합물 InxGa1 -xN(0≤x≤1), AlxGa1 - xN(0≤x≤1)등을 사용할 수 있고, 4원 화합물 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)을 사용할 수 있다. 물론, 상기의 2원 내지 4원 화합물에 소정의 불순물을 주입하여 N형 반도체층(130) 및 P형 반도체층(160)을 형성할 수도 있다. 여기서, 활성층(150)은 활성층(150)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 정공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 활성층(150)은 목표로 하는 파장에 따라 포함되는 물질을 조절하는 것이 바람직하다. The
이러한 활성층(150)은 N형 반도체층(130) 일부 상에 위치하며, P형 반도체층(160)은 활성층(150)상에 위치한다. 이에 따라, N형 반도체층(130)의 일부는 활성층(150) 및 P형 반도체층(160)에 의해 상부면이 덮히고, 나머지 일부는 노출된다. The
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 발광소자의 일실시예로서, P형 반도체층(160) 상에는 P형 반도체층(160)의 저항을 줄이기 위해 별도의 투명전극(161)을 더 형성한다. 투명전극(161)은 투명 전도체로서 ITO(인디움-틴 산화막)이거나 ITO산화물이 될 수 있다.Referring to FIG. 3, as an embodiment of the light emitting device according to the present invention, an additional
또한, N형 반도체층(130) 상에도 전극(131)을 더 포함할 수 있다. 그리고, N형 반도체층(130)과 P형 반도체층(160) 상에는 접합 저항을 줄여 전류의 공급을 원활하게 하기 위해 별도의 오믹 금속층을 더 형성할 수 있다. In addition, the
이하에서는 상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 발광소자의 제조 방법을 도 4를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a light emitting device according to the present invention having the above-described structure will be described with reference to FIG. 4.
기판(110)을 준비한다. (S200)The
기판(110) 상에 버퍼층(120)을 형성한다. 버퍼층(120)은 MOCVD 또는 MBE 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 버퍼층(120)은 챔버내에 소오스 가스로 TMA, TMI, TMG, TEA 및/또는 TEG를 공급하고, 반응가스로 암모니아 등을 공급하여 형성될 수 있다. 버퍼층(120)을 AlN으로 형성하는 경우, 소오스 가스로 TMA 또는 TEA가 사용될 수 있으며, 버퍼층(120)을 SiNX와 GaN계의 혼합으로 형성하는 경우, 소오스 가스로 TMG 또는 TEG가 사용될 수 있다. (S210)The
다음, 버퍼층(120) 상에 N형 반도체층(130)이 형성된다. 여기서, N형 반도체층(130)은 제1,2N형 반도체층(131,133)으로 분리되어 형성된다. 먼저, 버퍼층(120) 상에 제1N형 반도체층(131)이 형성된다. (S220) Next, the N-
제1N형 반도체층(131) 상에는 전위확산방지층(140)이 형성된다. (S230) 예를 들면, 제1N형 반도체층(131) 상에 AlXGaYP (1-X-Y) N( 단, 0≤X,Y≤1)의 층이 형성된 후 GaXP YN( 단, 0≤X,Y≤1)의 층이 적층될 수 있다. 이때, 상기 두 개의 층은 반복되어 적층되게 형성된다. 물론, AlXGaYAs(1-X-Y)N( 단, 0≤X,Y≤1)과, GaXAsYN ( 단, 0≤X,Y≤1)의 층이 상기와 같이 다수 적층되어 형성될 수 있다. 전위확산방지층(140)은 결정결함이 적은 표면을 가지므로 그 위에 형성될 반도체층의 결정구조 결정질 및 컬럼의 크기 분포 등에 영향을 미쳐 결정결함 밀도를 감소시킨다.The potential
다음, 전위확산방지층(140) 상에는 상기 제1N형 반도체층(131)과 같은 제2N형 반도체층(133)이 형성된다. (S240) 여기서, 제2N형 반도체층(133)은 전위확산방지층(140) 상에 형성되므로 제1N형 반도체층(131)보다 결정결함 밀도가 감소되게 형성된다. Next, a second N-
제2N형 반도체층(133) 상에 활성층(150)을 형성한다.(S250)The
활성층(150) 상에는 P형 반도체층(160)을 형성한다. (S260)The P-
다음, 상술한 것들이 적층된 기판(110)은 사진 및 식각 공정을 사용하여 식각함으로써 발광셀(100)들을 형성할 수 있다. 다시 설명하면, N형 반도체층(130), 전위확산방지층(140), 활성층(150), P형 반도체층(160) 그리고 버퍼층(120)의 일부를 제거하여 발광 셀(100) 간을 분리한다. 이를 위해 P형 반도체층(160) 상에는 마스크 패턴(미도시)을 형성한 후, 마스크 패턴에 의해 노출된 영역의 N형 반도체층(130), 활성층(150), P형 반도체층(160) 및 버퍼층(120)을 식각하여 다수의 발광 셀(100)을 전기적으로 분리한다. 이를 통해 기판(110) 상에는 다수의 패턴이 형성된 발광 셀(100)이 형성된다. 버퍼층(120)이 절연 또는 반절연 물질로 형성된 경우 버퍼층(120)의 식각을 생략할 수 있다.Next, the
다음, 식각공정을 통해 P형 반도체층(160)의 일부와 N형 반도체층(130) 및 활성층(150)의 일부를 제거하여 N형 반도체층(130)의 일부를 노출한다. 다시 설명하면, P형 반도체층(160) 상에는 식각 마스크 패턴을 형성한 후, 건식/습식 식각공정을 실시하여 노출된 영역의 P형 반도체층(160) 및 활성층(150)을 제거하여 N형 반도체층(130)을 노출시킨다. 그 후, 발광셀(100)의 N형 반도체층(130)과 P형 반도 체층(160) 상에는 전극(131)과 투명전극(161)을 형성한다. 전극(131)과 투명전극(161)은 리프트-오프(Lift-off) 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 여기서, N형 반도체층(130) 상의 전극(131)은 투명하게 형성되어도 무방하므로 투명 전극(161)이 형성될 때 동시에 형성되어 공정과정을 줄일 수 있다.Next, a portion of the N-
투명 전극(161)의 형성은 전체 구조상에 감광막을 도포한 다음, 마스크를 이용한 사진식각 공정을 실시하여 P형 반도체층(160)을 노출시킬 제1감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 그 후, 전체 구조상에 투명 전극(161)을 형성하고, 제1감광막 패턴을 제거하여 형성한다. 전극(131) 역시 이와 같은 방법으로 형성될 수 있다. The
다음, 상기와 같은 발광셀(100)은 도시되지 않은 연결 전극에 의해 전극(131)과 투명 전극(161)이 전기적으로 연결되고, 금속범프를 매개로 서브 마운트 기판에 플립본딩되어 완성된다.Next, the
여기서, 전위확산방지층(140)은 적층구조가 반복됨에 따라, 최상층 예컨대, 제2N형 반도체층(133)의 결함이 감소되며, 이에 따라 그 위에 형성될 P형 반도체층(160)의 결정결함밀도를 더욱 감소시킬 수 있다.Here, as the potential
본 발명의 실시예들에 따르면, 본 발명은 종래기술에 비해 결정결함이 적은 반도체층을 형성할 수 있으므로 그 위에 형성될 반도체층의 결정결함 밀도를 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서, 발광소자는 광효율이 증대될 수 있다.According to embodiments of the present invention, the present invention can form a semiconductor layer with fewer crystal defects than the prior art, thereby reducing the density of crystal defects of the semiconductor layer to be formed thereon. Therefore, the light emitting device can increase the light efficiency.
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