KR100836455B1 - 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 반도체 발광소자는 표면에 그레인(Grain)이 형성된 제1 반도체층; 상기 그레인을 기준으로 하여 상기 제1 반도체층 위에 형성된 미세요철(Roughness)층; 상기 미세요철층 위에 형성된 반사층; 및 상기 반사층 위에 형성된 제2 반도체층을 포함한다.
본 발명에 의하면, 단순화된 공정을 통하여 미세요철의 크기 및 밀도, 그리고 반사층의 형성 영역을 제어할 수 있으므로 발광소자의 특성 제어가 용이해지는 장점이 있고, 외부광자효율 및 동작 신뢰성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 반도체층의 성장 모드를 웨이퍼 상태에서의 단위칩 영역 별로 제어할 수 있으므로, 웨이퍼 균일도를 맞추기가 용이해지는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법{Semiconductor light emitting device and manufacturing method of semiconductor light emitting device}
도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구성 요소를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 구성 요소를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 반도체층의 일부를 확대도시한 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100: 본 발명에 의한 반도체 발광소자 110: 기판
120: 버퍼층 130: 제1 반도체층
132: 그레인 140: 제2 반도체층
142: 미세요철층 144: 반사층
150: n형 반도체층 160: 활성층
170: p형 반도체층 180: p형 전극
190: n형 전극
본 발명은 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용되는 소자이다.
LED의 사용 범위는 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 종류는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나뉘어 진다.
LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등 요구되는 휘도가 갈수록 높아져서, 최근에는 고출력 발광 다이오드에 대한 개발이 활발히 진행 중이다.
특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 반도체광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있다. 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭을 가지므로, 이를 이용하여 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
최근, 질화물 반도체를 이용한 청색 및 녹색 발광소자의 개발은 광디스플레이 시장에 일대 혁명을 몰고 왔으며, 앞으로도 고부가가치를 창출할 수 있는 유망 산업의 한 분야로 여겨지고 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 이러한 질화물 반도체광소자에 있어서 보다 많은 산업상의 이용을 추구하려면 역시 발광휘도를 증가시키는 것이 선결되어야 할 과제이다.
도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구성 요소를 개략적으로 도시한 측단면도이며, 도 1에 의하면, 일반적인 반도체 발광소자(10)는 기판(11), 버퍼층(12), 언도프 반도체층(13), n형 반도체층(14), 활성층(15) 및 P형 반도체층(16)을 포함한다.
상기 기판(11)은 사파이어 또는 SiC로 이루어지며, 기판(11) 위에 저온의 성장 온도에서 다결정 박막 구조인 버퍼층(12)이 성장된다. 상기 버퍼층(12)이 성장되면, 그 위로 언도프 반도체층(Undoped-GaN층으로 형성 가능함)(13)이 성장되어 격자 일치도를 높이고, Si(실리콘)이 도핑된 n형 반도체층(GaN층)(14)이 형성된다.
상기 n형 반도체층(14) 위로 활성층(15)이 적층되고, 활성층(15) 위로 Mg(마그네슘)이 도핑된 p형 반도체층(GaN층)(16)이 형성되는데, 활성층(15)은 양자우물(MQW; Multiple Quantum Well) 구조로서, P형 반도체층(16)을 통하여 흐르는 정공과 N형 반도체층(14)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광을 발생시킨다. 이때, 양자 우물의 여기 준위 또는 에너지 밴드갭 차이에 해당되는 에너지의 빛이 발광된다.
이러한 반도체 발광소자 또는 레이저와 같은 광 디바이스를 구현하기 위해 서, 버퍼층(12)은 기판(11)과 그 위에 성장되는 층 사이의 스트레스를 완충시키기 위한 역할을 하는데, 사파이어, SiC, 및 Si 등의 기판의 종류에 따라 GaN, AlGaN 등의 재질을 이용한 버퍼층 성장 기술을 적용하고 있다.
그러나, 무엇보다도 버퍼층(12)과 기판(11)과의 결정격자 상수의 차이가 크기 때문에, 기판(11) 및 버퍼층(12) 위에 성장되는 반도체층 사이에 전위(dislocation) 또는 공격자점(vacancy) 등의 결정결함(면결함, 점결함, 선결함)이 발생한다.
이렇게 다량의 결정결함이 발생되면 양질의 결정층을 얻기 어려우므로 도 1에 도시된 것처럼 기판(11) 표면에 패턴(11a)을 형성하여 결함의 발생 및 전위를 감소시키는 기술이 제안된 바 있으나, 기판(11)의 전처리에 따른 공정수가 증가되고 패턴(11a)의 종류에 따라 에피 성장 방법이 상이해지므로 반도체층의 성장 모드를 조절하기가 어려워지는 문제점이 있다. 또한, 기판(11)에 규칙적인 형상의 패턴(11a)을 형성하기 위해서는 고도의 기술이 요구된다.
그리고, 활성층(15)에서 발생된 광의 일부가 기판(패턴이 형성된 기판의 경우도 포함됨)(11)에 흡수되어 외부광자효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 외부광자효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명은 단순한 공정을 통하여, 격자결함이 없이 우수한 결정 격자 결합 특성을 구현할 수 있는 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자는 표면에 그레인(Grain)이 형성된 제1 반도체층; 상기 그레인을 기준으로 하여 상기 제1 반도체층 위에 형성된 미세요철(Roughness)층; 상기 미세요철층 위에 형성된 반사층; 및 상기 반사층 위에 형성된 제2 반도체층을 포함한다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자의 제조 방법은 기판 위에 제1 반도체층이 형성되는 단계; 상기 제1 반도체층 표면에 그레인이 형성되는 단계; 상기 그레인을 기준으로 하여 상기 제1 반도체층 위에 미세요철층이 형성되는 단계; 상기 미세요철층 위에 반사층이 형성되는 단계; 및 상기 반사층 위에 제2 반도체층이 형성되는 단계를 포함한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하는데, 이해의 편의를 위하여 반도체 발광소자의 구성 및 그 제조 방법을 함께 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 구성 요소를 개략적으로 도시한 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 제1 반도체층(130), 미세요철(Roughness)층(142), 반사층(144), 제2 반도체층(140), n형 반도체층(150), 활성층(160), p형 반도체층(170), p형 전극(180) 및 n형 전극(190)을 포함하여 이루어진다.
상기 기판(110)은 사파이어, 실리콘(Si) 등의 재질로 이루어지는데, 일반적 으로 기판은, 첫째, 반도체층과의 격자 불일치(High lattice mismatch), 둘째, 고온 환경에서 저하되는 열적 내구성(확산성이 증가됨), 셋째, 반도체층과 상이한 결정 구조(hexagonal/cubic) 등의 문제점을 가지는데, 본 발명에 의한 반도체 발광소자(100)는 이러한 문제점을 해소한다.
상기 버퍼층(120)은 기판(110)과 반도체층의 격자상수 차이에 따른 스트레스를 완화시키고, 반도체층이 용이하게 성장될 수 있도록 하며, 내부 양자 효율을 좋게 한다.
상기 버퍼층(120)은 멀티버퍼층으로 형성될 수 있으며, AlInN/GaN, InxGa1-xN/GaN, AlxInyGa1-x-yN/InxGa1-xN/GaN 등의 적층 구조로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(120) 위로는 제1 반도체층(130), 미세요철층(142), 반사층(144) 및 제2 반도체층(140)이 순차적으로 형성되는데, 도 2 및 도 4를 함께 참조하여 이들 층구조에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 반도체층(130, 140)의 일부를 확대도시한 도면이다.
상기 버퍼층(120)이 형성되면, 그 위로 제1 반도체층(130)이 형성되며, 예를 들어 약 900℃ 내지 1100℃ 정도의 성장온도에서 NH3(가령, 4.0×10-2 몰/분)와 갈륨(Ga)(가령, 1.0×10-4 몰/분)을 공급하여 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 반도체층(130)은 실리콘 또는 마그네슘과 같은 도펀트를 사용하여 델타(Delta) 도핑됨으로써 표면에 그레인(Grain; "Seed"라고도 지칭됨)(132)이 형 성된다.
상기 그레인(132)이 형성되면 800℃ 내지 1000℃의 성장온도에서 Ga와 NH3 가스를 공급하여 미세요철층(142)을 성장시키는데, GaN이 그레인(132)을 기준으로 융합함에 따라 미세요철구조가 형성된다.
즉, 그레인(132) 주위 영역에 융합된 GaN은 미세요철층(142)의 볼록부(요부)를 이루고, 융합이 이루어지지 않은 영역은 미세요철층(142)의 오목부(철부)를 이루게 되며, 이때 Ga와 NH3 가스의 조성비에 의하여 미세요철의 수직방향과 수평방향의 비율이 조정될 수 있다.
상기 미세요철의 수직방향과 수평방향은 1:3 내지 1:1의 비율로 이루어지는 것이 좋으며, 본 발명의 실시예에서 상기 오목부의 깊이(수직방향의 길이)는 수백 nm 내지 수μm로 형성된다.
도 4를 참조하면, 다양한 형태의 미세요철들이 그레인(132)을 기준으로 형성된 모습을 볼 수 있는데, 800℃~1000℃의 성장온도 범위, Ga와 NH3 가스의 조성비, 성장 시간(성장 시간이 길수록 미세요철의 볼록부가 크게 형성될 수 있음) 등의 요인에 의하여 미세요철들의 크기와 밀도 제어가 가능하다.
이어서, 상기 미세요철층(142) 위로 반사층(144)이 형성된다.
상기 반사층(144)은 미세요철층(142)이 형성된 후 400℃ 내지 600℃(500℃가 적당함)로 저온 환경을 조성하고, 다량의 실란 가스와 NH3 가스를 공급하여 SixNy층으로 성장된다.
이후, 약 800℃ 내지 1000℃로 고온 환경을 조성하여 SixNy층의 형성 영역을 제어하는데, 고온 환경 조성시의 가열(Ramping) 속도를 조정함으로써 형성 영역을 선택적으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 가열 속도를 조정함으로써 반사층(144)인 SixNy층이 미세요철층(142)의 볼록부 및 오목부 모두에 형성되거나, 미세요철층(142)의 오목부에만 형성되도록 할 수 있다.
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다음으로, 제2 반도체층(140)이 형성된다.
상기 제2 반도체층(140)은 제1 반도체층(130)과 마찬가지로 언도핑된 질화갈륨층으로 이루어지며, 미세요철층(142)으로 인하여 거칠어진 면을 충분히 덮을 수 있도록 적어도 4μm 이상의 두꺼운 두께로 형성되는 것이 좋다.
이후, NH3(가령, 3.7×10-2 몰/분), TMGa(가령, 1.2×10-4 몰/분) 및 Si와 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스(6.3×10-9 몰/분)를 공급하여 상기 제2 반도체층(140) 위로 n형 반도체층(n-type GaN)(150)이 성장된다.
상기 n형 반도체층(150)이 성장되면, 가령 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공법을 이용하여 InGaN/GaN으로 구성된 활성층(160)이 형성되는데, 활성층(160)은 다중양자우물(Multi-Quantum Well : MQW) 구조로 형성될 수 있다.
상기 활성층(160)에 순방향의 전압이 인가되면, n형 반도체층(150)으로부터 공급되는 전자와, p형 반도체층(170)로부터 공급되는 정공이 재결합되어 발광하게 된다.
이어서, p형 반도체층(170)이 형성되는데, 수소를 캐리어 가스로 하여 900℃ 내지 1100℃로 분위기 온도를 높여 TMGa(가령, 7×10-6 몰/분), 트리메틸알루미늄(TMAl)(가령, 2.6×10-5 몰/분), 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}(가령 5.2×10-7 몰/분), 및 NH3(가령2.2×10-1 몰/분)을 공급하여 수㎛ 이하의 두께로 성장된다.
상기 p형 반도체층(170)이 형성된 후, 400℃ 내지 800℃의 온도에서 예컨대, 1분 내지 10분 동안 열처리를 하여 p형 반도체층(170)의 정공 농도가 최대가 되도록 조정한다.
이와 같이 기판(110)부터 p형 반도체층(170) 까지의 기본 적층 구조가 구현되면, 표면으로부터 에칭을 실행하여, n형 반도체층(150)의 일부를 노출시킨다.
노출된 n형 반도체층(150) 위로 티탄(Ti) 등으로 이루어진 n형 전극(190)이 증착되고, p형 반도체층(170) 위로 니켈(Ni) 등으로 이루어진 p형 전극(180)이 증착되는데, p형 전극(180)은 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 하나로 이루어진 투명 전극으로 구현될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 단순화된 공정을 통하여 미세요철의 크기 및 밀도, 그리고 반사층의 형성 영역을 제어할 수 있으므로 발광소자의 특성 제어가 용이해지는 장점이 있다.
둘째, 우수한 결정 격자 결합 특성을 구현하여 양질의 반도체층을 성장시킬 수 있고 활성층에서 발생된 광의 반사율을 높일 수 있으므로 외부광자효율 및 동작 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
셋째, 반도체층의 성장 모드를 웨이퍼 상태에서의 단위칩 영역 별로 제어할 수 있으므로, 웨이퍼 균일도를 맞추기가 용이해지는 효과가 있다.

Claims (16)

  1. 표면에 그레인(Grain)이 형성된 제1 반도체층;
    상기 그레인을 기준으로 하여 상기 제1 반도체층 위에 형성된 미세요철(Roughness)층;
    상기 미세요철층 위에 형성된 반사층; 및
    상기 반사층 위에 형성된 제2 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판과 상기 제1 반도체층 사이에 형성된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1반도체층 및 상기 미세요철층 중 적어도 하나는 언도핑된 질화갈륨을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반사층은
    SixNy을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반사층은
    적어도 상기 미세요철층의 오목부를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 그레인은
    상기 제1 반도체층 표면이 도펀트로 도핑되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 도펀트는
    실리콘 및 마그네슘 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제2 반도체층의 두께는
    적어도 4μm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 미세요철층은
    오목부의 깊이가 100nm 내지 1μm로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 기판 위에 제1 반도체층이 형성되는 단계;
    상기 제1 반도체층 표면에 그레인이 형성되는 단계;
    상기 그레인을 기준으로 하여 상기 제1 반도체층 위에 미세요철층이 형성되는 단계;
    상기 미세요철층 위에 반사층이 형성되는 단계; 및
    상기 반사층 위에 제2 반도체층이 형성되는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제1 반도체층이 형성되는 단계는
    기판 위에 버퍼층이 형성되는 단계; 및
    상기 버퍼층 위에 상기 제1 반도체층이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 미세요철층이 형성되는 단계는
    미세요철의 수직방향과 수평방향은 1:3 내지 1:1의 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 그레인이 형성되는 단계는 상기 제 1반도체층 표면이 도펀트로 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 미세요철층이 형성되는 단계는
    상기 미세요철층이 800℃ 내지 1000℃의 온도에서 형성되는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
  15. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 반사층이 형성되는 단계는
    상기 미세요철층이 형성된 후 400℃ 내지 600℃의 성장 온도로 형성하는 단계;
    상기 반사층 형성 물질과 반응 가스가 주입되는 단계; 및
    800℃ 내지 1000℃의 성장 온도로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
  16. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 반사층은 적어도 상기 미세요철층의 오목부를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
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