KR100726971B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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이상헌
전성란
김광철
이승재
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백종협
유영문
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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 관통전위를 줄이기 위해 많은 방법의 하나로 기판상에 꼭지점을 갖는 요철 구조를 형성하여 줌으로써 그 꼭지점 주위로 관통 전위를 집중시킨 후에 여러 가지 방법을 통하여 전위가 성장하는 것을 막아주어 관통전위가 적은 질화물을 이용한 발광소자에 관한 것이다. 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 꼭지점을 구비하도록 패터닝 된 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 기판상에 요철을 가지는 결함이 적은 질화물 박막을 사용하여 발광소자를 구현함으로써 기판상의 산란 회절 효과를 증대 시켜 광 추출효율을 증대 시킬 수 있으며 결함이 적어짐으로 인해 고신뢰성, 고휘도의 질화물계 발광 소자를 제공할 수 있다.
발광소자, 미세구조, 꼭지점, 관통전위, 측면성장, 질화물계

Description

질화물 반도체 발광소자{Low defect density III-nitride Light Emitting Diode}
도 1은 꼭지점을 갖도록 패터닝된 기판 위에 1차 질화물 반도체층이 성장하는 모습
도 2는 결함들이 꼭지점 주위에 형성되는 실제 실시 예
도 3은 결함이 집중된 상부를 유전막으로 패터닝을 하여 이 부분의 성장을 억제하여 측면 성장을 유도하는 방법
도 4는 결함이 집중된 부위의 1차 질화물 반도체층을 식각하는 방법
도 5는 결함이 집중된 부위의 1차 질화물 반도체와 기판의 일부까지를 식각하여 기판과 질화물 반도체 상의 2차 질화물 반도체의 성장 속도 차이에 의하여 측면 성장을 촉진시키는 방법이 대한 도면
{도면의 주요부분의 부호에 대한 설명}
201 : 기판 202 : 제 1질화물 반도체 층
203 : 결함밀도 204 : n형 도핑층
205 : 유전체막 206 : 활성층
207 : p형 도핑층
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 관통전위를 줄이기 위해 많은 방법의 하나로 기판상에 꼭지점을 갖는 요철 구조를 형성하여 줌으로써 그 꼭지점 주위로 관통 전위를 집중시킨 후에 여러 가지 방법을 통하여 전위가 성장하는 것을 막아주어 관통전위가 적은 질화물을 이용한 발광소자에 관한 것이다.
종래의 발광 다이오드의 개발은 빛의 삼원색에 해당하는 청색 발광 다이오드를 고출력화, 고효율화 하려는 노력이 계속되어 왔으며, 기존의 청색 발광 다이오드를 제작하는 기술은 질화물 반도체 에피를 성장시키기 위하여 사파이어(Al2O3)나 실리콘카바이드(SiC) 기판을 사용하였다. 절연체인 사파이어를 기판으로 사용하는 발광다이오드 제작의 전형적인 예는 IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, vol.8. No.2. March/April, 2002, p.271에 발표되어 있다.
종래의 질화물 반도체 발광다이오드의 제조 공정은, 도 1에 도시된 바와 같으며, 이하, 도면을 참조하여 종래의 기술을 설명한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(101) 위에 n-GaN 질화물반도체 층인 제 1클래드 층(102)을 성장시킨 후, 전자와 정공이 결합하여 광을 방출할 수 있 는 InGaN/GaN 질화물 다양자우물(103) 구조의 활성층을 형성하고, 다시 p-GaN 질화물반도체 층인 제 2클래드 층(104)을 성장시킨다.
다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이, 제 1클래드 층(102)의 일부를 노출시켜 전극을 형성하기 위하여 사진 석판술을 이용한 메사 식각을 행한다.
그리고 도 1c에 도시된 바와 같이 메사 식각을 한 영역의 n-GaN 질화물반도체 층인 제 1클래드 층(102)의 상부에 n-형 전극(105)을 형성하고, p-GaN 질화물반도체 층인 제 2클래드 층(104)위에 빛이 투과할 수 있는 얇은 p-형 금속 막(106)을 입히고, 다시 그 p-형 금속 막(106)의 상부에 두꺼운 p-형 전극(107)을 증착한다.
그러나 기존의 사파이어 기판을 이용하여 제작되는 질화물 박막은 사파이어 기판과의 열팽창계수와 격자 상수에 큰 차이를 갖기 때문에 관통전위 등의 결함이 많이 발생한다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 기판에 꼭지점을 갖는 요철 구조를 적용하여 관통전위를 줄이기 위한 것으로 관통전위가 적은 고품위 질화물계 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 꼭지점을 구비하도록 패터닝 된 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기판은 실리콘, 실리콘카바이드 및 사파이어 중 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 꼭지점을 가지는 패턴의 평면은 원형, 삼각형, 사각형 및 다각형 중 선택되는 1종의 형상을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 기판 상부에는 제 1질화물 박막이 성장되고, 상기 제 1질화물 박막 중 하부에 기판에 형성된 꼭지점이 위치한 부분은 선택적으로 식각되거나, 상기 제 1질화물 박막 중 하부에 기판에 형성된 꼭지점이 위치한 부분은 하부에 위치한 꼭지점의 일부와 동시에 선택적으로 식각되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 기판에 형성된 꼭지점 주위에 유전체막을 패터닝 하고, 상기 유전체막은 단일층 또는 복층으로 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 꼭지점을 갖도록 패터닝된 기판위에 제 1질화물이 성장하는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 발광소자는 기판(201)위에 포토리쏘 그래피를 통하여 변을 갖는 패턴닝을 한다. 건식이나 습식 방법을 통하여 기판의 일부분을 식각하여 꼭지점을 갖는 기판(201)을 형성한다. 이때, 요철 구조는 밑변이 원형, 삼각형이나 사각형 등의 다각형 등 여러 모양을 가질 수 있으며 윗부분은 꼭지점을 가지도록 형성된다. 꼭지점을 갖는 요철 구조를 형성하면 제1질화물 반도체 층의 두께가 얇은 상태에서도 평평한 면을 얻을 수 있다. 또한, 요철 형성을 위한 식각 방법에 따라서 요철 옆면의 각도를 조절할 수 있다. 상기 패턴의 크기는 다양하게 구현이 가능하나 발광층에서 생성된 빛이 회절, 산란되어 광 추출 효율을 향상시키기 위해서는
Figure 112006010482803-pat00001
에서 수십 ㎛의 크기를 가지는 것이 바람직하다.
요철이 형성된 기판(201) 위에 제 1질화물 반도체 층(202)을 성장한다. 성장된 구조의 단면을 살펴보면 도 3에서와 같이 꼭지점 주위로 결함 밀도가 높은 것을 알 수 있다. 제 1질화물 반도체 층(202)의 두께는 표면이 평평해질 정도가 바람직하다.
제 1 질화물 반도체 층(202)이 성장된 후에 여러 가지 방법을 통하여 결함밀도가 높은 영역을 블록함으로써 측면 성장을 촉진하는 방법을 이용한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 결함이 집중된 상부를 유전막(205)으로 패터닝하여 이 부분의 성장을 억제함으로써 측면성장을 유도하는 방법을 나타낸 단면도이다. 이때 사용되는 유전체 막(205)은 단일층 일 수도 있고 활성층에서 형성된 광을 반사하기 위하여 복층이 사용될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 성장된 제 1질화물 반도체 층 중에서 꼭 지점 주위의 부분을 선택식각 하여 관통전위가 위층으로 전달되는 것을 막는다.
도 5를 참조하면, 결함이 집중된 꼭지점 부위의 선택 식각 시에 기판에 형성된 요철의 일부분(208)을 같이 식각하여 주는 방법에 대한 것이다. 이렇게 하면 제2질화물 반도체층 성장시에 기판과 제1질화물 반도체 층과의 성장 속도의 차이에 의하여 측면 성장이 유도되어 결함밀도가 적은 질화물 박막을 얻을 수 있다. 이렇게 제 1질화물 반도체 성장 후에 식각과 패터닝을 실시한 후에 결함이 적은 n형 도핑층(205), 활성층(206), p형 도핑층(207)을 성장하여 발광소자 구조를 성장한다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면 기판상에 요철을 가지는 결함이 적은 질화물 박막을 사용하여 발광소자를 구현함으로써 기판상의 산란 회절 효과를 증대 시켜 광 추출효율을 증대 시킬 수 있으며 결함이 적어짐으로 인해 고신뢰성, 고휘도의 질화물계 발광 소자를 제공할 수 있다.
또한, 기판상에 요철 구조를 가짐으로 인해 광의 산란, 회절 효과 등에 의하여 광 추출 효율이 증가하는 장점도 있다.

Claims (10)

  1. 발광소자에 있어서,
    꼭지점을 구비하도록 패터닝된 기판;
    상기 기판 상부에 형성된 제 1질화물 박막; 및
    상기 제 1질화물 박막 중 꼭지점의 상부에 해당되는 부위 상에 패터닝된 유전체막을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 실리콘카바이드 및 사파이어 중 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 꼭지점을 가지는 패턴의 평면은 원형, 삼각형, 사각형 및 다각형 중 선택되는 1종의 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1질화물 박막 중 하부에 기판에 형성된 꼭지점이 위치한 부분은 선택적으로 식각되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1질화물 박막 중 하부에 기판에 형성된 꼭지점이 위치한 부분은 하부에 위치한 꼭지점의 일부와 동시에 선택적으로 식각되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 유전체막은 단일층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 유전체막은 복층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 기판의 패턴 크기는
    Figure 112006010482803-pat00002
    에서 수십 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20050060171A (ko) * 2003-12-16 2005-06-22 엘지전자 주식회사 고휘도 질화물 반도체 발광 다이오드의 제조 방법

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