KR100932500B1

KR100932500B1 - Gallium nitride device with improved light extraction efficiency and manufacturing method thereof

Info

Publication number: KR100932500B1
Application number: KR1020040072632A
Authority: KR
Inventors: 박형수
Original assignee: 갤럭시아포토닉스 주식회사
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2009-12-17
Also published as: KR20060023776A

Abstract

본 발명의 GaN 소자 제작방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 SiOx 막을 증착하는 단계; 상기 SiOx 막을 에칭하여 다수 개의 SiOx 아일랜드로 변환하는 단계; 상기 SiOx 아일랜드상에 p-GaN, 활성층, n-GaN을 포함하는 GaN 소자를 형성하는 단계; 를 포함한다.GaN device manufacturing method of the present invention, providing a substrate; Depositing a SiOx film on the substrate; Etching the SiOx film to convert a plurality of SiOx islands; Forming a GaN device including p-GaN, an active layer, and n-GaN on the SiOx island; It includes.

Description

Gallium nitride device with improved light extraction efficiency and manufacturing method thereof {A GAN DEVICE HAVING IMPROVED LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 대한 공정 순서도.1 is a process flow diagram for a first embodiment of the present invention.

도 2는 상기 도 1의 공정에서 제조된 GaN 소자 내부의 광 경로를 모식적으로 도시한 도면.FIG. 2 is a view schematically showing an optical path inside a GaN device manufactured in the process of FIG. 1. FIG.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 대한 공정 순서도.3 is a process flow diagram for a second embodiment of the present invention.

도 4는 상기 도 3의 공정에서 제조된 GaN 소자 내부의 광 경로를 모식적으로 도시한 도면.4 is a view schematically showing an optical path inside a GaN device manufactured in the process of FIG. 3.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 대한 공정 순서도.5 is a process flow diagram for a third embodiment of the present invention.

본 발명은 발광소자의 구조에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 발광소자에서 발광된 빛이 칩 내부에서 전반사되지 않고 외부로 효율적인 광 추출이 가능토록 설계된 새로운 발광소자의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a light emitting device, and more particularly, to a structure and a manufacturing method of a new light emitting device designed so that light emitted from the light emitting device can be efficiently extracted to the outside without total reflection inside the chip. .

기존의 GaN 발광소자의 구조는 기판인 사파이어 위에 n-GaN, 양자우물구조의 활성층 및 p-GaN과 전류를 공급하는 전극 및 전극패드 등으로 구성되어 있다. The conventional GaN light emitting device has a structure including n-GaN, an active layer of a quantum well structure, an electrode and an electrode pad for supplying current with p-GaN on a sapphire substrate.

이러한 종래 구조에서 가장 문제가 되는 것은 발광한 빛이 칩 외부로 못 빠져나가고 그 내부에서 계속 전반사되다가 소멸한다는 것이다. 신뢰할만한 측정에 의하면 발광한 및의 약 70%가 이렇게 소멸되는 것으로 보고되었으므로 GaN 발광소자의 휘도 향상이 문제가 되는 요즈음의 추세에 대비해 볼 때, 이 문제는 반드시 극복되어야 할 상황이다. The most problematic in this conventional structure is that the emitted light cannot escape to the outside of the chip, and is totally reflected inside and then disappears. Reliable measurements have reported that about 70% of the luminous intensity and sniffer are thus dissipated. Thus, this problem must be overcome in light of the current trend in which the luminance improvement of GaN light emitting devices is a problem.

종래에 이러한 문제점을 해결하고자 하는 노력의 하나로서 칩 표면이나 내부에 반사 또는 산란 센터(scattring center)를 두어 전반사되는 빛의 경로를 꺾는 방법이 제시되었다. Conventionally, as one of the efforts to solve this problem, a method of cutting the totally reflected light path by providing a reflection or scattering center on a chip surface or inside has been proposed.

이러한 산란 센터는 일반적으로 칩 표면에 다수 개의 딤플이나 요철 형태의 거칠기 (roughness or irregularity)를 두는 것이 많이 사용되어 왔는데, 최근 이러한 형상적인 거칠기를 칩 내부, 특히발광소자가 증착되는 기판 상에 만들어 두면, 발광층에서 발광한 빛이 직하에 위치한 사파이어상에 반사되거나 굴절되므로 추출 효율을 극대화시킬 수 있는 것으로 알려져 기판을 식각하고자 하는 연구들이 활발하게 진행중이다.In general, such scattering centers have been commonly used to have a plurality of dimples or roughnesses or irregularities on the surface of a chip. As light emitted from the light emitting layer is reflected or refracted on the sapphire positioned directly below, research is being actively conducted to etch the substrate because the extraction efficiency is maximized.

좀 더 상세하게 설명하면, GaN 소자는 양질의 에피택시층 성장을 위해 사파이어 기판을 사용하는데 이 사파이어 기판을 미세한 패턴으로 식각하면 미세한 단차를 가진 수많은 표면 거칠기가 만들어져 후에 이것들이 반사또는 산란 센터로 사용되는 것이다.In more detail, GaN devices use sapphire substrates for high-quality epitaxy layer growth, and etching these sapphire substrates into fine patterns creates numerous surface roughnesses with fine steps, which are then used as reflection or scattering centers. Will be.

하지만 사파이어는 결정구조적으로 매우 단단한 물질이므로 그 식각이 용이하지 않다. 심지어 에칭 공정에 전문적으로 사용되는 ICP 반응로를 이용한 RIE 에 칭을 사용한다 하더라도 사파이어는 그 식각이 용이하지 않는 것으로 판단되었다.However, sapphire is very hard to crystallize, so its etching is not easy. Even if the RIE etching using the ICP reactor, which is used for the etching process, is used, it was judged that the sapphire was not easily etched.

따라서 이러한 사파이어 표면에 거칠기를 만들기 위한 새로운 공법이 요구되는 상황이다. Therefore, a new method for making roughness on such sapphire surface is required.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 기판에 표면 거칠기를 손쉽게 형성할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, to provide a method that can easily form the surface roughness on the substrate.

본 발명은 기판을 식각하는 방법 대신에 기판위에 SiOx로 만든 굴절용 아일랜드를 제작하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a method of fabricating a refractive island made of SiOx on a substrate instead of etching the substrate.

본 발명은 기판위에 산화물 또는 질화물으로 만든 아일랜드를 형성하여 광 추출 효율이 향상된 GaN 소자의 구조 및 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a structure and manufacturing method of a GaN device having improved light extraction efficiency by forming an island made of oxide or nitride on a substrate.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GaN 소자 제작방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 SiOx 막을 증착하는 단계; 상기 SiOx 막을 에칭하여 다수 개의 SiOx 아일랜드로 변환하는 단계; 상기 SiOx 아일랜드상에 p-GaN, 활성층, n-GaN을 포함하는 GaN 소자를 형성하는 단계; 를 포함한다.The GaN device fabrication method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of providing a substrate; Depositing a SiOx film on the substrate; Etching the SiOx film to convert a plurality of SiOx islands; Forming a GaN device including p-GaN, an active layer, and n-GaN on the SiOx island; It includes.

또한, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 GaN 소자 제작방법은, (a) 기판을 제공하는 단계; (b) 앞에서 형성된 층의 상부에 SiOx 막을 증착하는 단계; (c) 상기 SiOx 막을 에칭하여 다수 개의 SiOx 아일랜드로 변환하는 단계; (d) 상기 SiOx 아일랜드상에 u-GaN층을 증착하는 단계; (e) 상기 단계(b) 내지 단 계(d)를 상기 u-GaN층 상에서 반복 수행하는 단계; (f) 앞에서 형성된 층의 상부에 p-GaN, 활성층, n-GaN을 포함하는 GaN 소자를 형성하는 단계; 를 포함한다. 여기서 상기 SiOx 아일랜드는 사각기둥, 삼각기둥, 반구형 중 어느 한 형상을 가질 수 있다. In addition, another GaN device manufacturing method of the present invention for achieving the above object, (a) providing a substrate; (b) depositing a SiO x film on top of the previously formed layer; (c) etching the SiOx film to convert a plurality of SiOx islands; (d) depositing a u-GaN layer on the SiOx island; (e) repeating steps (b) through (d) on the u-GaN layer; (f) forming a GaN device including p-GaN, an active layer, and n-GaN on top of the previously formed layer; It includes. In this case, the SiOx island may have any one of a rectangular pillar, a triangular pillar, and a hemispherical shape.

또한, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 GaN 소자 제작방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 질화막을 증착하는 단계; 상기 질화막을 에칭하여 다수 개의 질화물 아일랜드로 변환하는 단계; 상기 질화물 아일랜드상에 p-GaN, 활성층, n-GaN을 포함하는 GaN 소자를 형성하는 단계; 를 포함한다.In addition, another GaN device manufacturing method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of providing a substrate; Depositing a nitride film on the substrate; Etching the nitride film to convert the plurality of nitride islands; Forming a GaN device comprising p-GaN, an active layer, and n-GaN on the nitride island; It includes.

또한, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 GaN 소자 제작방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 산화막을 증착하는 단계; 상기 산화막을 에칭하여 다수 개의 산화물 아일랜드로 변환하는 단계; 상기 산화물 아일랜드상에 p-GaN, 활성층, n-GaN을 포함하는 GaN 소자를 형성하는 단계; 를 포함한다.In addition, another GaN device manufacturing method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of providing a substrate; Depositing an oxide film on the substrate; Etching the oxide film to convert the oxide film into a plurality of oxide islands; Forming a GaN device including p-GaN, an active layer, and n-GaN on the oxide island; It includes.

상기 질화물은 AlN을 포함하는 질화물일 수 있다.The nitride may be a nitride including AlN.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GaN 소자는, p-GaN, 활성층, n-GaN을 포함하는 GaN 소자가 기판상에 형성되고, 상기 기판과 상기 GaN 소자간에는 질화물 및 산화물 중 어느 하나로 이루어진 다수 개의 아일랜드가 형성된 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 산화물은 SiOx를 포함하고, 상기 질화물은 AlN를 포함할 수 있다.GaN device of the present invention for achieving the above object, a GaN device containing p-GaN, an active layer, n-GaN is formed on a substrate, and a plurality of GaN device made of any one of nitride and oxide between the substrate and the GaN device It characterized in that the four islands are formed. Here, the oxide may include SiOx, and the nitride may include AlN.

이하, 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해서 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 한 실시예의 공정을 순서대로 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating processes of an embodiment of the present invention in order.

우선, 사파이어 기판상에 SiOx 막을 증착한다. 이 SiOx 막 증착은 silane(SiH4) 이나 TEOS 등의 실리콘 원료물질을 반응로내에 공급하고 열을 가하면 반응로내에 잔존하는 산소 등과 결합하여 자연스럽게 형성된다. 이 공정은 잘 알려진 공정이므로 상세 설명은 생략한다. First, a SiOx film is deposited on a sapphire substrate. This SiOx film deposition is naturally formed by supplying a silicon raw material such as silane (SiH4) or TEOS into the reactor and applying heat to the oxygen remaining in the reactor. Since this process is well known, the detailed description is omitted.

상기 성장된 SiOx는 일반적으로 두께 1 ㎛ 정도인 SiO2 를 사용할 수 있지만, 이 두께는 변화될 수 있으며 결합되는 산소의 량(stoichiometry) x도 증착조건에 따라 2보다 조금 부족하거나 조금 많을 수 있다. The grown SiOx may generally use SiO2 having a thickness of about 1 μm, but the thickness may be changed, and the amount of oxygen x combined may also be slightly shorter or slightly higher than 2 depending on deposition conditions.

그 다음, 상기 SiOx층 상에 포토 레지스트(PR)를 코팅한 후 도시되지 않은 마스크 및 광원을 이용하여 상기 PR을 노광하고 현상하면, 도시된 것처럼 PR막의 일부만 남고 나머지는 제거되는 형태가 된다. Next, after the photoresist (PR) is coated on the SiOx layer, the PR is exposed and developed using a mask and a light source (not shown). As shown, only a part of the PR film remains and the rest is removed.

그 다음 상기 SiOx를 식각시키는 공정을 행한다. 식각은 RIE 에칭, 습식 에칭 및 건식 에칭이 모두 가능하다. Then, the step of etching the SiOx is performed. Etching can be both RIE etching, wet etching and dry etching.

상기 SiOx 막 에칭 후 상부의 잔존 PR을 리프트 오프(lift-off)하면 사파이어 기판상에는 서로 연결되지 않고 분리된 아일랜드 형상의 SiOx가 만들어진다. After the SiOx film is etched, the remaining PR of the upper portion is lifted off to form island-type SiOx separated on the sapphire substrate without being connected to each other.

그 후, 그 상부에 u-GaN 층,n-GaN층, 활성층 및 p-GaN층 등을 형성하여 GaN 소자츨 완성한다.Thereafter, a u-GaN layer, an n-GaN layer, an active layer, a p-GaN layer, and the like are formed thereon to complete GaN devices.

이렇게 만들어진 GaN 소자에서 발생한 빛의 모식적인 경로가 도 2에 나타나 있다. 도 2에서 보듯이, 기존에는 내부 전반사에 의해 휘도에 기여하지 못하던 빛(경로 A)이 상기 SiOx 아일랜드에 의해 반사, 또는 굴절되면서 칩을 탈출할 수 있는 것(경로 B)을 볼 수 있다. 이를 간단하게 말하면, 전반사각도로만 칩 내부를 돌아다니던 빛들의 경로상에 이러한 굴절 요인들을 주어 이와 부딪치고 굴절되는 확률을 향상시킴으로써 광 추출 효율을 향상시키는 것이다. A typical path of light generated in the GaN device thus produced is shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, it can be seen that light (path A), which has not previously contributed to luminance due to total internal reflection, may escape the chip while being reflected or refracted by the SiOx island (path B). In simple terms, the light extraction efficiency is improved by giving these refraction factors on the path of the light that has only traveled inside the chip only at the total angle of angle, thereby improving the probability of hitting and refraction.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, SIOx에칭 시 PR 두께나 모양, 에칭 시간, 또는 습식 에칭시 사용되는 불산(HF) 등으로 이루어진 에칭용액의 농도를 조절하여 PR 하부의 SiOx가 오버 에칭되도록 하는 것이다. 그러면 도시된 바와 같이 반구형 혹은 원뿔형의 SiOx 아일랜드가 만들어질 수 있다.3 is a view showing another embodiment of the present invention, by adjusting the concentration of the etching solution consisting of hydrofluoric acid (HF), etc., which is used for PR thickness or shape, etching time, or wet etching during SIOx etching. Is to be over etched. Then hemispherical or conical SiOx islands can be made as shown.

이러한 반구형을 만드는 이유는 SiOx 아일랜드가 광의 반사 수단으로 사용될 경우 그 반사된 빛이 될 수 있는 한 칩의 상부면으로 향하게 하기 위해서이다. 도 4는 그 반사 경로를 도시하고 있는데, 입사각이 커지므로 종전보다 칩의 상부로 향하는 광량이 증가함을 볼 수 있다. The reason for making this hemispherical shape is to direct the SiOx island to the top surface of the chip as long as it can be the reflected light when used as a reflecting means. 4 shows the reflection path, and as the incident angle becomes larger, it can be seen that the amount of light directed toward the upper portion of the chip increases.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, 이번에도 종전처럼 SiOx 아일랜드를 1차적으로 성장시킨 후, 그 상부에 u-GaN 층 등의 제1 GaN 층을 성장시킨다. 그 다음, 그 상부에 다시 전술한 방식대로 SiOx 아일랜드를 형성하고 그 상부에 비로소 QW 층 등의 GaN 소자층을 형성시키는 것이다. FIG. 5 illustrates another embodiment of the present invention, in which a SiOx island is first grown as before, followed by a first GaN layer such as a u-GaN layer. Then, a SiOx island is formed on the top again in the above-described manner, and a GaN device layer such as a QW layer is formed on the top.

이처럼 2 중으로 SiOx 아일랜드 층을 형성하면, 칩 내부에 좀 더 많은 반사 및 굴절 센터를 만들수 있으므로 좀 더 많은 굴절 및 광추출이 가능해진다. 그리고 본 실시예로부터 3 중 이상의 다층 아일랜드 형상도 손쉽게 만들어질 수 있음은 당연한 일이다.This double layer of SiOx islands allows for more reflection and refraction centers inside the chip, allowing for more refraction and light extraction. And it is a matter of course that three or more multilayer island shapes can be easily made from this embodiment.

도면에서는 반구형 아일랜드에 대해서만 도시하였으나 그 밖에도 사각기둥, 삼각기둥, 원뿔 형태를 가진 SiOx 아일랜드가 만들어질 수 있음은 당연한 일이다. 또한 본 발명 전체에 걸쳐 이러한 SiOx 아일랜드의 형태는 상기 사각기둥, 삼각기둥 또는 반구형 중 어느 한 형태일 수 있다.Although only a hemispherical island is shown in the drawing, it is natural that SiOx islands having a square pillar, a triangular pillar, and a cone shape can be made. In addition, throughout the present invention, the shape of the SiOx island may be any one of the square, triangular, and hemispherical shapes.

본 발명은 기판 또는 칩 내부에 다수 개의 SiOx 아일랜드로 만들어진 굴절 요인들을 가진 GaN 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a GaN device having refractive factors made of a plurality of SiOx islands inside a substrate or chip, and a method of manufacturing the same.

이러한 본 발명의 구조를 이용하면 종전보다 월등히 높은 광추출 효율을 가진 GaN 발광소자를 제작할 수 있게 된다.Using the structure of the present invention it is possible to manufacture a GaN light emitting device having a light extraction efficiency significantly higher than before.

이러한 본 발명의 기술적 사상을 이해한 당업자라면, 본 발명의 기술적 범주내에서 다양한 변형예를 생각해 낼 수 있을 것이다. 가령, 상기 SiOx 아일랜드 대신 유사한 SiNx 아일랜드나 , InN, AlN 아일랜드 등을 사용하는 것이다. GaN 소자의 결정성을 악화시키지 않는 대부분의 산화물 및 질화물 아일랜드 들은 이처럼 본 발명의 SiOx 아일랜드를 대체할 수 있는 것이다. Those skilled in the art having the technical idea of the present invention will come up with various modifications within the technical scope of the present invention. For example, similar SiNx islands, InN, AlN islands, or the like may be used instead of the SiOx islands. Most of the oxide and nitride islands that do not deteriorate the crystallinity of GaN devices can thus replace the SiOx islands of the present invention.

따라서 본 발명은 이러한 변형 예들을 포함하여 그 권리범위가 해석되어져야 하며 결코 전술한 실시 예들에 국한되는 것이 아니다.

Accordingly, the present invention should be construed as including the modifications thereof and is not limited to the above-described embodiments.

Claims

delete

In the GaN device manufacturing method,

Providing a substrate;

Depositing a nitride film on the substrate;

Etching the nitride film to form a plurality of separated hemispherical or conical nitride islands; And

Forming a GaN device comprising p-GaN, an active layer, and n-GaN on the nitride island;

Including but the substrate is a GaN device manufacturing method, characterized in that made of a material different from GaN.

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