KR100774214B1 - 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 표면에 다수의 돌기가 형성된 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 위에 위치하며, 상기 돌기 상에 3차원 구조를 이루는 활성층과; 상기 활성층 위에 위치하는 제2전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

발광 소자, 돌기, 활성층, 3차원, LED.

Description

질화물계 발광 소자 및 그 제조방법{Nitride based LED and method of manufacturing the same}

도 1은 일반적인 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 발광 소자의 제조를 위한 박막 성장 과정을 나타내는 단면도로서,

도 2는 개구부를 가지는 마스크층을 형성한 단계를 나타내는 단면도이다.

도 3은 마스크층 위에 돌기를 형성한 단계를 나타내는 단면도이다.

도 4는 마스크층 위에 돌기가 형성된 상태를 나타내는 이미지이다.

도 5는 활성층과 제2전도성 반도체층을 형성한 단계를 나타내는 단면도이다.

도 6은 본 발명의 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 수직형 발광 소자를 이루기 위한 박막 구조를 나타내는 단면도이다.

도 8은 본 발명의 발광 소자의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 기판 11 : 버퍼층

20 : 제1전도성 반도체층 30 : 마스크층

31 : 개구부 40 : 돌기

50 : 활성층 60 : 제2전도성 반도체층

70 : 지지층

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

이러한 GaN 계열 물질의 LED의 기본 구조는 도 1에서 도시하는 바와 같이, 기판(1) 위에, 전자주입층으로서 n-형 반도체층(2)과 정공주입층으로서 p-형 반도체층(3) 사이에는 양자우물구조(quantum well)를 가지는 활성층(4)이 위치한다.

이러한 n-형 반도체층(2)과 p-형 반도체층(3)에는 각각 n-형 전극(5)과 p-형 전극(6)이 형성되어, 이들 전극(5, 6)에 의한 전하의 주입에 의하여 발광이 이루어진다.

일반적으로 빛을 발생시키는 상기 활성층(4)은 질화물 반도체 다중 양자우물구조(multi-quantum well: MQW)를 갖는다.

이와 같은 GaN 계열 발광 소자 제작에 있어 GaN 결정성장은 대부분 평탄화된 기판에 2차원 막의 형태로 성장된다. 따라서 광출력이 발생되는 활성층(4) 영역에 그 한계가 있다.

즉, 도 1은 2차원적인 면의 형태로 GaN 결정을 성장시킨 형태로서, 도시하는 바와 같이, 이러한 구조는 2차원적인 결정구조와 활성층 영역을 갖기 때문에 발광 면적에 한계가 있고, 따라서 발광 효율이 제한될 수 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 활성층의 영역을 증가시킴으로써 발광 소자의 발광 효율을 증가시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위해, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 표면에 다수의 돌기가 형성된 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 위에 위치하는 활성층과; 상기 활성층 위에 위치하는 제2전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 돌기가 형성된 제1전도성 반도체층 위에 형성되는 활성층은 상기 돌기 위에서 3차원 구조를 가지게 된다.

이때, 상기 제1전도성 반도체층과 돌기는 n-형 반도체층으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 돌기는, 상기 제1전도성 반도체층 위에 위치하는 마스크층 위에 형성되며, 이러한 마스크층에는 다수의 개구부가 형성되어, 이러한 개구부 상측으로 돌기 가 위치한다.

이때, 상기 마스크층은, MgN으로 형성하는 것이 바람직하며, Ga, In, Al, 및 Si 중 적어도 어느 하나가 첨가될 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 다른 관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서, 기판 상측에 형성된 제1전도성 반도체층에 마스크층을 형성하는 단계와; 상기 마스크층 위에 전도성의 돌기를 형성하는 단계와; 상기 돌기가 형성된 제1전도성 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계와; 상기 활성층 위에 제2전도성 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 마스크층은, 상기 제1전도성 반도체층 위에 Mg 처리를 함으로써 형성될 수 있다.

또한, 이러한 Mg 처리 과정에서 Ga, In, Al, 및 Si 중 적어도 어느 하나가 첨가될 수 있다.

한편, 상기 돌기를 형성하는 단계는, 상기 마스크층 위에 제1전도성 반도체층을 성장함으로써 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 먼저, 기판(10) 위에 제1전도성 반도체층(20)이 형성된다.

상기 제1전도성 반도체층(20)은 GaN과 같은 동종 기판(10)에 형성될 수 있 고, 사파이어(Al₂O₃), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판(10) 위에 형성될 수도 있다.

이러한 이종 기판(10) 위에 형성되는 경우에는 기판(10)과 제1전도성 반도체층(20) 사이에 버퍼층(11)이 위치할 수 있다.

상기 반도체층(20)은 질화갈륨(GaN) 계열 반도체가 이용될 수 있다. 또한, 상기 제1전도성 반도체층(20)은 n-형 GaN 반도체층이 이용될 수 있다.

이러한 제1전도성 반도체층(20) 위에는 마스크층(30)이 형성된다.

본 실시예에서, 이러한 마스크층(30)은 제1전도성 반도체층(20) 위에 다수의 개구부(31)를 가지는 MgN 층을 형성함으로써 이루어진다.

이러한 MgN 층을 형성하는 방법에는 여러 방법이 있을 수 있으나, 그중 하나의 방법은 상기 제1전도성 반도체층(20)이 성장된 후에 Mg 처리(treatment)를 수행함으로써 형성할 수 있다.

한편, 상기 마스크층(30)은 MgN 층 이외에 다수의 개구부(31)를 갖는 산화물, 질화물, 유전체, 및 반도체 등으로 형성될 수 있다.

이와 같이, 다수의 개구부(31)를 갖는 마스크층(30)이 형성된 후에는, 이 마스크층(30) 위에 질화물 반도체층을 성장시켜 도 3과 같은 다수의 돌기(40)를 형성한다.

즉, 상기 마스크층(30)에는 질화물 반도체층이 성장되지 않고, 개구부(31)에서만 질화물 반도체층이 아일랜드 형상으로 성장하여 다수의 돌기(40)를 형성하게 된다.

도 4에서는 이와 같은 과정에 의하여 형성된 마스크층(30)과 돌기(40)의 이미지를 나타내고 있다.

이때, 이러한 질화물 반도체층은 상기 제1전도성 반도체층(20)과 같은 전도성을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 이 경우에는 n-형 반도체층을 이용하여 돌기(40)를 형성할 수 있다.

이때, 마스크층(30)을 형성함에 있어서, 상술한 바와 같은 Mg 처리 과정에서 Ga, In, Al, 및 Si 중 적어도 어느 하나를 첨가함으로써, MgN이 형성되는 영역이 조절될 수 있다.

즉, 이와 같이 MgN이 형성되는 영역을 감소시킬 수 있고, 따라서 표면에 돌기(40)가 형성되는 밀도를 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 돌기(40)의 밀도가 증가되면, 이러한 전도성 반도체로 형성되는 돌기(40)의 상측에 형성되는 3차원 활성층(50: 도 5 참고)의 밀도 또한 증가될 수 있다.

한편, 이와 같은 마스크층(30)과 돌기(40)는 하측에서 형성된 결정 결함을 차단할 수 있다. 즉, 이종 기판(10) 위에 형성된 버퍼층(11)과 제1전도성 반도체층(20)을 통하여 이어지는 관통전위(threading dislocation) 또는 격자부정합에 의한 전위(misfit dislocation)와 같은 결정 결함이 차단될 수 있는 것이다.

따라서, 이와 같은 결정 결함이 차단된 상태에서 새로이 성장되는 박막에는 이러한 결정 결함이 크게 감소될 수 있다.

이렇게 돌기(40)가 형성된 마스크층(30) 상측에는 활성층(50)이 형성된다.

이때, 상기 활성층(50)은 InGaN/GaN 양자우물(quantum well: QW) 구조를 이룰 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층(50)으로 이용될 수 있음은 물론이다.

이러한 활성층(50)에서는 추후 형성될 전극을 통하여 전계를 인가하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다.

또한, 이러한 활성층(50)은 휘도 향상을 위하여 상술한 양자우물 구조(QW)가 복수로 형성되어 다중 양자우물(multi quantum well: MQW) 구조를 이룰 수 있다.

도 5에서 도시하는 바와 같이, 다수의 돌기(40) 상측에 형성되는 활성층(50)은 평면 구조가 아닌 3차원 구조를 형성하게 된다.

따라서, 활성층(50)의 표면적이 크게 증가될 수 있으며, 이는 발광면의 증가를 의미하므로, 발광 효율 및 휘도가 크게 증가할 수 있다.

이러한 3차원 구조의 활성층(50)은 다중 양자우물 구조가 형성되는 동안 유지될 수 있다.

이와 같은 과정에 의하여 성장된 활성층(50) 위에는 제2전도성 반도체층(60)이 형성된다. 본 실시예의 경우에는 이러한 제2전도성 반도체층(60)은 p-형 GaN 반도체층일 수 있다.

이러한 제2전도성 반도체층(60)은 상기 활성층(50)보다 두께가 두꺼우므로 성장되는 동안 평탄화되어 도 5와 같은 구조를 이룰 수 있다.

이와 같이 형성된 발광 소자의 구조에서 상기 제2전도성 반도체층(60)의 상 측에는 전류 퍼짐이 우수하도록 전도성 산화물층(61)이 추가로 형성될 수 있다.

이후, 이러한 박막 성장 구조에서 일측이 제1전도성 반도체층(20)이 드러날 때까지 식각된 후, 이와 같이 드러난 제1전도성 반도체층(20)에는 n-형 전극(21)이 형성되고, 상기 전도성 산화물층(61)에는 p-형 전극(62)이 형성되어 수평형 발광 소자의 구조를 이루게 된다.

상술한 바와 같이, 3차원 구조의 활성층(50)을 갖는 발광 소자는 광출역 영역이 확장되어 광출력이 향상될 수 있다.

한편, 이러한 3차원 구조의 활성층(50)을 갖는 수직형 발광 소자의 제작 또한 가능하다.

즉, 도 5의 상태에서 제2전도성 반도체층(60) 위에, 도 7에서 도시하는 바와 같이, 오믹전극(63)을 형성하고, 이러한 오믹전극(63) 위에는 반사전극(64)을 형성한다.

이때, 이러한 오믹전극(30)은 p-형 전극이며, ITO(indium tin oxide)와 같은 투명 금속 산화물을 이용하여 형성할 수 있다.

이러한 투명 금속 산화물을 이용한 오믹전극(30)은 빛의 방출을 방해하지 않으며, 전류 인가시, 인가된 전류가 제2전도성 반도체층(60)에서 고르게 퍼질 수 있도록 함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.

상기 반사전극(64)은 활성층(50)에서 발생되는 빛을 반사하여 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 반사전극(64) 위에는 지지층(70)이 형성될 수 있다. 이러한 지지층(70) 은 Cu, Al, Ag와 같은 금속이나, 전도성 반도체층을 이용하여 형성할 수 있고, 기판(10)을 제거하는 과정에서 발광 소자 구조를 지지할 수 있다.

이때, 이러한 지지층(70)과 반사전극(64) 사이에는 확산방지층과 결합금속(도시되지 않음)이 형성될 수도 있다.

이와 같이 지지층(70)이 형성된 발광 소자 박막구조는 이후에 기판(10)과 버퍼층(11)이 제거되고, 이와 같이, 기판(10)에 제거되어 드러난 제1전도성 반도체층(20) 면에는 n-형 전극(21)이 형성되어, 도 8과 같은 수직형 발광 소자가 이루어질 수 있다.

이러한 수직형 발광 소자는 3차원 구조의 활성층(50)의 면적이 더욱 극대화되어 광출력이 더욱 향상될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 3차원적인 결정구조에 활성층(50)을 성장시켜 광출력 영역을 넓혀 그 출력을 향상시키고, 수직구조의 광소자를 제작함으로써 구조적인 단순화 및 신뢰성 향상을 실현할 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 발광 소자에 있어서, 빛이 발생되는 활성층의 면적을 용이하게 증대시 킬 수 있다.

둘째, 이와 같이 활성층의 면적을 극대화시킬 수 있어, 광 출력을 크게 개선할 수 있다.

셋째, 박막 성장시 발생되는 격자 결함을 크게 감소시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 질화물계 발광 소자에 있어서,

   표면에 다수의 돌기가 형성된 제1전도성 반도체층과;

   상기 제1전도성 반도체층 위에 위치하며, 상기 돌기 상에 3차원 구조를 이루는 활성층과;

   상기 활성층 위에 위치하는 제2전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1전도성 반도체층 또는 돌기는 n-형 반도체층으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 돌기는, 상기 제1전도성 반도체층 위에 위치하는 마스크층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
4. 제 3항에 있어서, 상기 돌기는, 상기 마스크층에 형성된 다수의 개구부에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
5. 제 3항에 있어서, 상기 마스크층은, MgN 또는 MgN에 Ga, In, Al, 및 Si 중 적어도 어느 하나가 첨가되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
6. 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서,

   기판 상측에 형성된 제1전도성 반도체층에 마스크층을 형성하는 단계와;

   상기 마스크층 위에 전도성의 돌기를 형성하는 단계와;

   상기 돌기가 형성된 제1전도성 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계와;

   상기 활성층 위에 제2전도성 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 제1전도성 반도체층은 n-형 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 마스크층은, MgN으로 형성되거나, MgN에 Ga, In, Al, 및 Si 중 적어도 어느 하나가 첨가되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
9. 제 6항에 있어서, 상기 마스크층은, 상기 제1전도성 반도체층 위에 Mg 처리를 함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
10. 제 6항에 있어서, 상기 돌기를 형성하는 단계는, 상기 마스크층 위에 제1전도성 반도체층을 성장함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.

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