KR101008286B1 - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

3족 질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 그리고 기판 위에 성장되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 질화물 반도체층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 복수개의 질화물 반도체층은 기판과 활성층 사이에서, 복수개의 질화물 반도체층의 측면으로부터 제거되어 형성되는 거친 표면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
외부양자효율, 거친 표면 영역, 광전화학적 식각, 선택적 식각, 발광소자

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{Ⅲ-NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자 박막의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자를 제작하기 위한 마스킹막과 금속막을 형성한 후 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자 제작을 위해 소자를 식각액에 넣고 자외선을 조사하는 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 단면도.
본 발명은 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 특히 외부양자효율을 높이기 위해 복수개의 반도체층이 기판과 활성층 사이에서, 측면으로부터 제거되어 형성되는 거친 표면 영역을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자 를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소로 된 물질이나 이러한 물질로 된 반도체층이 포함되는 것을 배제하지 않는다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 단면도로서, 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 에피성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 에피성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(301) 위에 형성되는 n측 전극(800)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사피이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다.
기판(100) 위에 에피성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/053042 호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 개시되어 있다.
n형 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 개시되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다. 국제공개공보 WO/02/021121호에는 복수개의 양자우물층들과 장벽층들의 일부에만 도핑을 하는 기술이 개시되어 있다.
p형 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/022655호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 개시되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하 기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 질화물 반도체층과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극에 관한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 개시되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 p측 전극(600)을 사용하는 발광소자를 플립칩(flip chip)이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 개시되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극(800)을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,652,434호에는 투광성 전극의 일부가 제거되어 p측 본딩 패드가 p형 질화물 반도체층에 직접 접하는 기술이 개시되어 있다.
3족 질화물 반도체 발광소자의 큰 단점 중에 하나는 소자와 주변의 공기와의 굴절률(Refractive Index) 차이로 인하여 활성층(400)에서 발생한 빛의 많은 부분이 소자의 내부 및 기판(100)에 갇히는 현상이 발생하게 된다.
이런 광갇힘 현상이 심한 소자 즉, 외부양자효율이 낮은 소자는 많은 빛이 내부에 갇혀 열로 소멸하게 되므로 소자의 온도를 증가시켜 소자의 수명 및 특성에 좋지 않은 영향을 준다.
외부양자효율을 개선하는 방법으로는 발광소자의 칩(Chip) 모양을 기계적으로 가공하여 개선하기도 하고, 화학적 식각(Chemical Etching)이나 건식 식각(Dry Etching) 기법을 이용하여 반도체층의 표면을 거칠게 만들어 외부양자효율을 개선하기도 한다. 또한 최근 들어서는 p형 질화물 반도체층(500)의 성장시 압력이나 온도 및 가스 유량(Flow) 등의 성장 조건을 이용하여 박막 품질을 저하시키면서 표면을 거칠게 만들기도 한다.
앞에서 언급한 기계적인 가공일 경우 실리콘카바이드(SiC)와 같은 강도가 약한 기판에서는 용이하나 강도가 큰 사파이어 기판은 어려움이 따른다. 또한 화학적 식각이나 건식 식각 기법을 이용하여 반도체층의 표면을 거칠게 하는 경우에는 거칠게 만들 수 있는 면적에 있어서 제한이 있으며, 그 재현성 및 균일성에 문제가 있다.
그리고, 성장조건을 왜곡하여 p형 질화물 반도체층(500)의 표면을 거칠게 만드는 경우 소자의 외부양자효율을 증가시킬 수는 있어도, 소자의 신뢰성에는 치명적인 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제를 감안하여, 복수개의 반도체층이 기판과 활성층 사이에서, 측면으로부터 제거되어 형성된 거친 표면 영역을 적용하여 외부양자효율을 향상시킨 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명은 기판 그리고 기판 위에 성장되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 질화물 반도체층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 복수개의 질화물 반도체층은 기판과 활성층 사이에서, 복수개의 질화물 반도체층의 측면으로부터 제거되어 형성되는 거친 표면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 복수개의 질화물 반도체층이 순차로 적층된 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층, 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층 및 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층을 포함하고, 거친 표면 영역은 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층이 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층의 측면으로부터 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층이 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층 및 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층 보다 인듐의 함량이 많은 것(b〉y,f)을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층 및 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층이 n형 전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 거친 표면 영역이 광전화학적 식각방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층이 광전화학적 식각방법에 의하여 식각되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층이 n형 전도성을 가지며 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층 위에 p형 AlhIniGajN(h+i+j=1)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 복수개의 질화물 반도체층이 활성층과 거친 표면 영역 사이에 p형 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 복수개의 질화물 반도체층이 활성층과 기판 사이에 n형 질화물 반도체층을 더 포함하며, 거친 표면 영역이 n형 질화물 반도체층이 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 복수개의 질화물 반도체층이 p형 질화물 반도체층과 기판 사이에 n형 질화물 반도체층을 더 포함하며, 거친 표면 영역이 n형 질화물 반도체층이 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 n형 질화물 반도체층이 인듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 복수개의 질화물 반도체층이 인듐을 함유하는 n형 질화물 반도체층에 접하며 이보다 인듐의 함량이 적은 추가의 n형 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
이하 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자 박막의 단면도로서, 기 판(10) 위에 저온 성장된 버퍼층(11), 비도핑된 GaN층(12), n형 전도성을 가지는 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층(13), n형 전도성을 가지는 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층(14), n형 전도성을 가지는 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층(15), p형 AlhIniGajN(h+i+j=1)층(16), n측 전극이 형성되는 n형 질화물 반도체층(17), 활성층(18), p측 전극이 형성되는 p형 질화물 반도체층(19)을 차례로 적층하여 3족 질화물 반도체 발광소자를 구성한다.
제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층(14)은 광전화학적 식각시 선택적 식각이 이루어져 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층(13) 및 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층(15) 보다 식각이 빨리 횡방향으로 진행되어 결과적으로 거친 표면 영역을 형성하게 된다.
여기서 광전화학적 식각은 식각액에 식각하고자 하는 시료를 넣고 일정 바이어스를 걸어 전류를 공급하면서, 빛을 조사하면 빛이 조사된 부분만 식각이 되는 것이다. 또한 선택적 식각은 성분에 따른 질화물층의 식각 속도가 틀린 것을 이용하여 특정층만을 식각하는 것이다.
선택적 식각의 경우 인듐의 함량이 많을수록 그리고, n형 도핑 농도가 클수록 식각이 빨리되어 본 발명의 기술 적용이 용이하다. 그러나 인듐이 너무 많이 포함되면 이후에 성장되는 박막의 품질을 나쁘게 할 수 있으며 특히 활성층(18)에서 생성되는 빛이 인듐 함량이 많은 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층(14)에 흡수되어 소자의 발광효율을 오히려 저하시킬 수 있다.
그리고, 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층(13)은 외부에서 가해지는 바이어스를 균일하게 제공하는 역할을 하고, 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층(15)은 소자의 아래 부분에 거친 표면 영역을 형성하기 위한 층이며 p형 AlhIniGajN(h+i+j=1)층(16)은 마그네슘 도핑되어 식각이 활성층(18) 쪽으로 진행되는 것을 확실히 막아주는 역할을 한다.
도 3은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자를 제작하기 위한 마스킹막과 금속막을 형성한 후 단면도로서, n측 전극을 형성하기 위한 1차 식각 공정과 금속막(21) 형성을 위한 2차 식각 공정후 마스킹막(20)과 금속막(21)을 형성한 후 소자의 단면을 보여준다. 2차 식각 공정은 적어도 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층(13)까지 식각하여야 하며, 금속막(21)을 통하여 인가된 바이어스에 의하여 균일한 식각과 선택적 식각이 빨리 진행될 수 있게 도와 준다. 그리고, 활성층(18)을 포함한 부분에 식각액이 침투하지 못하도록 하기 위한 마스킹막(20)은 메탈, 유전체, 유기물 등을 이용하여 마스킹하며, 기판쪽에서 빛을 조사하는 경우에는 마스킹막(20)이 꼭 투명할 필요는 없다.
도 4는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자 제작을 위해 소자를 식각액에 넣고 자외선을 조사하는 개략도로서, 식각액(23)은 KOH, H3PO4 등이 이용되며 금속막(21)을 통하여 바이어스를 인가하고 자외선 램프 또는 자외선 레이저를 이용하여 자외선(22)을 조사한다.
바람직하게는 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층 및 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층에 인장변형(Tensile Strain)이 형성되도록 설계하여, 식각이 되는 동안 식각된 부분이 약간 위로 휘어져 식각액(23)이 용이하게 소자 안으로 침투하여 더욱 효과적으로 식각을 진행할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 단면도로서, 활성층을 포함한 영역(25)은 마스킹막과 p형 AlhIniGajN(h+i+j=1)층(16)에 의하여 전류 주입이 차단되어 식각이 진행되는 동안 안전하게 보호되며, 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층(14)이 선택적으로 식각이 되면서 거친 표면 영역(24)이 형성된다.
거친 표면 영역(24)은 식각 시간이나 조건의 변화에 의하여 전부분을 식각할 수 있으며 필요에 따라 일부분만을 식각할 수 있다.
또한 소자의 특정 부분에 빛을 차단하는 마스킹막을 형성하여 특정 부분이 식각이 되지 않게 하여, 거친 표면 영역(24)을 선택적으로 형성할 수 있다.
형성된 거친 표면 영역(24)을 이용해 활성층으로부터 생성된 빛의 광경로를 임의적으로 변경함으로써, 소자 외부로 방출되는 빛의 양을 증대시켜 소자의 외부양자효율을 늘일 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 기판과 활성층 사이에 거친 표면 영역을 형성함으로써 외부양자효율을 향상할 수 있다.

Claims (14)

  1. 기판 그리고 기판 위에 성장되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 질화물 반도체층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
    복수개의 질화물 반도체층은 기판과 활성층 사이에서, 복수개의 질화물 반도체층의 측면으로부터 제거되어 형성되는 거친 표면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 복수개의 질화물 반도체층은 순차로 적층된 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층, 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층 및 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층을 포함하고, 거친 표면 영역은 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층이 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층의 측면으로부터 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층은 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층 및 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층 보다 인듐의 함량이 많은 것(b〉y,f)을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제 2 항에 있어서, 제1 AlxInyGazN(x+y+z=1)층 및 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층은 n형 전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 거친 표면 영역은 광전화학적 식각방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제 2 항에 있어서, 제2 AlaInbGacN(a+b+c=1)층은 광전화학적 식각방법에 의하여 식각되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제 2 항에 있어서, 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층은 n형 전도성을 가지며, 복수개의 질화물 반도체층은 제3 AleInfGagN(e+f+g=1)층 위에 p형 AlhIniGajN층(h+i+j=1)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 복수개의 질화물 반도체층은 활성층과 거친 표면 영역 사이에 p형 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 복수개의 질화물 반도체층은 활성층과 기판 사이에 n형 질화물 반도체층을 더 포함하며, 거친 표면 영역은 n형 질화물 반도체층이 제거되 어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제 9 항에 있어서, n형 질화물 반도체층은 인듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제 10 항에 있어서, 복수개의 질화물 반도체층은 인듐을 함유하는 n형 질화물 반도체층에 접하며 이보다 인듐의 함량이 적은 추가의 n형 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제 8 항에 있어서, 복수개의 질화물 반도체층은 p형 질화물 반도체층과 기판 사이에 n형 질화물 반도체층을 더 포함하며, 거친 표면 영역은 n형 질화물 반도체층이 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  13. 제 12 항에 있어서, n형 질화물 반도체층은 인듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  14. 제 13 항에 있어서, 복수개의 질화물 반도체층은 인듐을 함유하는 n형 질화물 반도체층에 접하며 이보다 인듐의 함량이 적은 추가의 n형 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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