KR101045949B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 상측에 p형 질화물층을 형성하는 단계, 상기 p형 질화물층의 상측에 적어도 하나의 양자 우물 구조가 구비되는 활성층을 형성하는 단계 그리고, 상기 활성층 상측에 n형 질화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 p형 질화물층을 형성하는 단계는 상기 n형 질화물층을 형성하는 단계보다 고온에서 진행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 의할 경우, p형 질화물층이 성장되는 환경을 개선하여 고품질의 결정구조를 갖는 p형 질화물층을 획득할 수 있다. 이에 따라, 발광시 정공을 원활하게 제공하여 발광 효율을 개선시킬 수 있다.
본 발명에 의할 경우, p형 질화물층이 성장되는 환경을 개선하여 고품질의 결정구조를 갖는 p형 질화물층을 획득할 수 있다. 이에 따라, 발광시 정공을 원활하게 제공하여 발광 효율을 개선시킬 수 있다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화물층이 적층된 구조로 형성되는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자(Light Emitting Diode, LED)는 전류 인가시 p형 및 n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공이 재결합하여 다양한 색상의 빛을 발생시키는 반도체 장치이다.
이러한 반도체 발광소자는 긴 수명, 낮은 전력 소모, 우수한 초기 구동 특성 및 높은 진동 저항 등의 다양한 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 최근에는 청색 계열을 단파장 영역에서 발광이 가능한 질화물 반도체 발광소자가 크게 각광을 받고 있다.
종래의 질화물 반도체 발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이 기판(10), 버퍼층(20), n형 질화물층(30), 다중양자우물 구조를 갖는 활성층(40) 및 p형 질화물층(50)이 순차적으로 성장된 구조로 이루어진다. 그리고, n형 질화물층(30)에서 제공되는 전자와 p형 질화물층(50)에서 제공되는 정공이 활성층에서 재결합되면서 발광이 일어난다. 이러한 반도체 발광소자의 발광효율은 내부 양자효율 및 광추출 효율에 의해 결정되며, 이 가운데 내부 양자효율은 활성층 내에서 전자와 정공이 재결합되는 비율에 의해 결정된다.
여기서, p형 질화물층의 성장은 일반적으로 n형 질화물층의 성장에 비해 난이도가 요구된다. 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등의 금속 재질로 구성되는 p형 도펀트(dopant)는 n형 도펀트 대비 입자의 크기가 크기 때문에, p형 도펀트가 질화물 사이에서 정확한 위치에 성장하지 못하여 전위(dislocation) 등의 결정 결함을 일으킬 가능성이 높기 때문이다. 또한, p형 도펀트는 수소와 결합하는 성질이 강하여 질화물층 성장을 위해 공급되는 암모니아(NH3)의 수소 이온과 결합하여 Mg-H 복합체를 형성함으로서, 질화물층에 제대로 도핑되지 않는 경우가 발생하기 쉽다. 이러한 이유로 인해 p형 질화물층은 결정성이 상대적으로 떨어지게 되고, 이 경우 활성층으로 정공을 원활하게 제공할 수 없어 발광 소자의 발광 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
더욱이, 종래의 반도체 발광소자 구조에서는 p형 질화물층을 성장하는 단계가 활성층 성장 단계 이후에 진행되기 때문에, 활성층의 재질에 따라 p형 질화물층의 성장 온도 및 성장 두께를 결정하는데 제약이 따를 수 밖에 없었다. 따라서, 고품질의 p형 질화물층을 획득하는 것이 어려워 발광 효율을 개선하는데 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, p형 질화물층이 성장되는 환경의 제한 요소를 최소화 시켜 고품질의 p형 질화물층을 구비하는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법을 제공하기 위함이다.
상기한 본 발명의 목적은, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 상측에 p형 질화물층을 형성하는 단계, 상기 p형 질화물층의 상측에 적어도 하나의 양자 우물 구조가 구비되는 활성층을 형성하는 단계 그리고, 상기 활성층 상측에 n형 질화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 p형 질화물층을 형성하는 단계는 상기 n형 질화물층을 형성하는 단계보다 고온에서 진행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
이때, 상기 p형 질화물층은 1000∼1200℃의 온도에서 형성되고, 상기 n형 질화물층은 900∼1100℃의 온도에서 형성된다.
한편, 상기 활성층과 상기 n형 질화물층 사이에 개재되는 질화물 캡층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 질화물 캡층을 형성하는 공정은 n형 질화물 반도체 발광소자를 성장시키는 온도보다 낮은 온도에서 진행된다.
또한, 상기 본 발명의 목적은, p형 도펀트가 도핑된 p형 질화물층, 상기 p형 질화물층의 상측에 증착 형성되고 적어도 하나의 양자 우물 구조를 갖는 활성층, 상기 활성층의 상측에 증착 형성되고 n형 도펀트가 도핑된 n형 질화물층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 의해서도 달성될 수 있다.
나아가, 상기 본 발명의 목적은 도전성 기판, 상기 도전성 기판상에 구비되고, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 포함하는 질화물층 그리고, 상기 p형 질화물층의 상측에 형성되는 전극 패드를 포함하고, 상기 p형 질화물층은 상기 n형 질화물층보다 고온에서 성장된 것을 특징으로 하는 수직형 질화물 반도체 발광소자에 의해 달성되는 것 또한 가능하다.
본 발명에 의할 경우, p형 질화물층이 성장되는 환경을 개선하여 고품질의 결정구조를 갖는 p형 질화물층을 획득할 수 있다. 이에 따라, 발광시 정공을 원활하게 제공하여 발광 효율을 개선시킬 수 있다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도시한 순서도,
도 4는 본 발명에 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이고,
도 5 내지 도 7은 도 4의 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도시한 순서도,
도 4는 본 발명에 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이고,
도 5 내지 도 7은 도 4의 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 구체적으로 설명한다. 다만, 이하에서 설명하는 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형 사용 가능하며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110)상에 형성되는 버퍼층(120), p형 질화물층(130), 활성층(150) 및 n형 질화물층(160)을 포함하여 구성된다.
기판(110)은 상측에 질화물 반도체 결정을 성장시킬 수 있는 적합한 재질로 이루어진다. 구체적으로, 사파이어 또는 스피넬(MgAlO4)과 같은 절연성 기판을 이용할 수 있고, 이 이외에도 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 비화갈륨(GaAs), 질화갈륨(GaN) 등의 기판을 이용하는 것도 가능하다. 본 실시예에서는 내열성 및 절연성이 뛰어난 기판으로서 사파이어 기판을 이용한다.
버퍼층(120)은 기판(110)과 버퍼층 상측으로 성장되는 질화물층과의 격자 정합을 향상시킬 목적으로 형성된다. 이때, 도핑이 이루어지지 않은 질화물을 이용하는 것이 일반적이며, GaN 또는 AlN 등의 질화물 재질로 형성된다. 그리고, 기판(110)의 종류 및 성장 방법에 따라 버퍼층(120)을 생략하는 것도 가능하다.
한편, 버퍼층(120)의 상측에는 p형 질화물층(130) 및 n형 질화물층(160)이 형성된다. 그리고, p형 질화물층(130)과 n형 질화물층(160) 사이에는 발광이 일어나는 활성층(150)이 형성된다.
p형 질화물층(130)은 p형 도펀트(dopant)로 도핑된 GaN 또는 AlGaN 등의 질화물층으로 형성된다. 이때, p형 도펀트로는 일반적으로 마그네슘(Mg)이 이용되며, 이 이외에도 아연(Zn) 또는 베릴륨(Be) 등을 이용할 수 있다.
마찬가지로, n형 질화물층은 n형 도펀트(dopant)로 도핑된 GaN 또는 AlGaN 등의 질화물층으로 형성된다. n형 도펀트로는 일반적으로 실리콘(Si)이 이용되며, 이 이외에도 게르마늄(Ge) 또는 주석(Sn) 등이 이용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 활성층(150)은 p형 질화물층(130)과 n형 질화물층(160) 사이에서 다수의 양자우물층(152)과 다수의 양자장벽층(151)이 교대로 적층된 구조로 형성된다. 여기서, 양자우물층(152)은 n형 질화물층(160) 및 p형 질화물층(130)의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 InGaN, AlInGaN 등의 물질로 구성된다. 그리고, 양자장벽층(151)은 양자우물층(152)보다 큰 에너지 밴드 갭을 형성하도록, GaN로 이루어지거나, 양자우물층에 대비하여 적은 인듐(In) 성분비를 갖는 InGaN 또는 AlInGaN 등을 이용하여 구성된다.
이러한 다수의 양자장벽층(151)과 양자우물층(152)의 구조는 활성층(150) 내에 다중 우물구조를 형성한다. 따라서, n형 질화물층(160)에서 제공되는 전자와 p형 질화물층(130)에서 제공되는 정공이 활성층(150)의 각 우물구조에 포획된 상태에서 재결합하여 발광이 일어난다. 이처럼, 본 실시예에 따른 활성층(150)은 발광 효율을 개선하기 위해 다수개의 우물구조를 구비하고 있으나, 단일 우물구조를 구비하는 활성층을 적용하는 것도 가능하다.
한편, 앞서 배경 기술에서 설명한 바와 같이, p형 질화물층(130)은 p형 도펀트의 입자가 크고(참고로, 대표적인 p형 도펀트인 마그네슘의 크기는 150pm이고, 대표적인 n형 도펀트인 실리콘의 크기는 110pm 임), 수소와 결합하는 성질이 강하기 때문에, n형 질화물층에 비해 결정 품질이 떨어지는 경향이 있다. 따라서, 활성층으로 제공되는 전자에 비해, 정공이 원활하게 공급되지 않아 발광소자의 발광 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 최적의 결정 성장 조건에서 고품질의 p형 질화물층을 성장시킬 수 있도록, p형 질화물층(130)을 성장시킨 후, p형 질화물층(130) 상측으로 활성층(150) 및 n형 질화물층(160)을 순차적으로 성장시킨다. 즉, 종래의 반도체 발광소자가 기판 상에 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층이 순차적으로 성장된 구조임에 비해(도 1 참조), 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 종래와 비교하여 역전된 적층 구조를 형성하는 것이다.
이러한 적층 구조를 형성하는 경우, p형 질화물층(130)을 고온 환경에서 성장시키는 것이 가능하다. 일반적으로 활성층에 포함되는 인듐(In) 성분은 900℃ 이상의 고온에서는 증발하거나 상호 결합이 발생하는 등 열적으로 불안정한 특성을 갖기 때문에, 종래에는 활성층 상측으로 p형 질화물층을 성장시킬 때 성장 온도에 제약이 따를 수 밖에 없었다. 이에 비해, 본 발명에서는 활성층(150)을 성장시키기에 앞서 p형 질화물층(130)을 먼저 성장시키므로, 질화물층 성장의 최적 온도에 해당하는 1000∼1200℃의 온도에서 p형 질화물층(130)을 성장시킬 수 있다.
또한, p형 질화물층(130) 성장시 충분한 두께로 성장시키는 것이 가능하다. 일반적으로 결정 성장 구조는 성장 두께가 두꺼울수록 전위(dislocation) 등의 결함이 완화되면서 결정 품질이 좋아진다. 그러나, 종래의 반도체 발광소자 구조에서는 활성층에 무리가 가지 않도록 p형 질화물층의 두께가 대략 50∼150㎚ 범위로 제한될 수 밖에 없었다. 이에 비해, 본 발명은 이러한 제한을 받지 않기 때문에, p형 질화물층(130)을 수 ㎛ 이상의 두께로 충분히 성장시켜 결정 품질을 개선시킬 수 있다. 다만, p형 질화물층이 지나치게 두껍게 형성되는 경우, 전류 인가시 p형 질화물층이 저항으로써 작용할 우려가 있는 바, 이를 고려하여 적정한 두께로 성장시킨다.
이와 같이, 본 발명은 질화물 반도체 발광소자(100)의 구조를 전환시킴으로서, p형 질화물층(130)의 성장 환경을 최적화 시킬 수 있다. 따라서, 발광시 원활하게 정공을 제공할 수 있도록 p형 질화물층(130)의 결정 품질이 개선되어 발광 효율이 개선된다.
이때, n형 질화물층(160)은 활성층(150)이 성장된 후에 성장이 이루어지므로, 종래의 p형 질화물층과 같이 성장 온도 및 성장 두께면에서 제약이 따를 수 있다. 그러나, n형 도펀트는 p형 도펀트에 비해 크기가 작고 p형 도펀트와 같이 불리한 성질을 갖고 있지 않기 때문에, 질화물층에 도핑되어 결정 성장하기에 유리하다. 따라서, n형 질화물층(160)은 상대적으로 낮은 온도 및 얇은 두께로 성장되더라도, 양호한 품질의 결정을 형성하여 발광시 충분한 전자를 제공할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 전자차단층(140)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 이러한, 전자차단층(140)은 활성층(150)과 p형 질화물층(130) 사이에 개재되도록 활성층(150)의 기판 방향 일면과 접하도록 형성된다. 여기서, 전자차단층은 AlGaN 또는 AlInGaN과 같이, 양자장벽층(151)의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 구성된다. 따라서, 정공에 비해 이동도(mobility)가 높은 전자가 활성층(150)을 거쳐 p형 질화물(130)층으로 오버플로우(overflow)되는 것을 차단한다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 본 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 활성층(150)과 n형 질화물층(160) 사이에 형성되는 별도의 질화물 캡(cap)층을 더 구비할 수도 있다. 캡층은 GaN 또는 AlGaN 등의 질화물층으로 이루어지며, 활성층(150)의 상측에 성장되어 후발적으로 진행되는 공정(예를 들어, n형 질화물층의 성장)의 고온 환경으로부터 활성층(150)을 열적으로 보호할 수 있다.
이와 같은 구조로 에피텍셜 성장(epitaxial growth)이 완료되면 에칭 공정 등의 후공정을 진행한 후 전극을 설치한다. 이때, n형 질화물층(160) 상측으로는 투명 전극층(170)과 n측 전극(180b)이 형성되며, 노출된 p형 질화물층(130) 상면에는 p측 전극(180a)이 형성된다.
도 3는 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도시한 순서도이다. 이하에서는 본 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
우선, 사파이어 기판을 수소 분위기에서 소정 시간동안 열처리하여 기판 클리닝을 실시한다(S10).
그리고, 클리닝된 기판 상에 공정 가스를 공급하여 버퍼층을 형성한다(S20). 버퍼층은 트릴메틸갈륨(TMGa) 및 암모니아(NH3)의 공정 가스를 이용하여 GaN 재질로 형성될 수 있다. 버퍼층의 성장은 800℃ 이하의 온도에서 이루어지며, 바람직하게는 500~600℃의 온도에서 이루어진다.
버퍼층이 형성되면, p형 질화물층을 성장시키기 전에 도핑되지 않은 질화물층을 추가적으로 성장시킬 수 있다(S30). 이는 도 2에 도시되지는 않았으나, 버퍼층과 마찬가지로 기판과 p형 질화물층 사이에서 전위(dislocation)와 같은 결정 결함을 완화시켜 격자 정합을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 본 실시예에서는 1000℃ 이상의 고온 환경에서 트릴메틸갈륨(TMGa) 및 암모니아(NH3) 공정 가스를 공급하여 도핑되지 않은 GaN(u-GaN)층을 형성한다.
그리고, u-GaN층의 상측으로 p형 질화물층을 성장시킨다(S40). 이때, 질화물층 성장을 위한 트리메틸갈륨(TMGa) 및 암모니아(NH3) 가스와 p형 도펀트인 마그네슘을 포함하는 공정가스(예를 들어, Mg(C5H5)2)를 공급하여 마그네슘(Mg)이 도핑된 GaN 재질의 p형 질화물층을 3∼5㎛의 두께로 성장시킨다. 본 단계는 1000∼1200℃의 온도에서 진행되며, 바람직하게는 1150℃의 온도에서 진행된다.
그리고, p형 질화물층 상측으로 전자 차단층이 형성된다(S50). 본 실시예에서는 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl) 및 암모니아(NH3)를 공급하여 AlGaN 재질의 전자 차단층을 형성한다. 또는 트리메틸인듐(TMIn)을 추가적으로 공급하여 AlInGaN 재질의 전자차단층을 형성할 수도 있다.
이후, 다수개의 양자 장벽층 및 다수개의 양자 우물층으로 이루어지는 활성층을 성장시킨다(S60). 이때, 양자 장벽층은 트리메틸갈륨(TMGa) 및 암모니아(NH3)를 공급하여 GaN층으로 성장시키고, 양자 우물층은 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸인듐(TMIn) 및 암모니아(NH3)를 공급하여 InGaN층으로 성장시킨다. 본 단계에서는 양자 장벽층과 양자 우물층을 다수회에 걸쳐 반복 성장시켜 다중 우물 구조를 형성한다.
활성층의 성장이 종료되면, 활성층 상측으로 n형 질화물층을 성장시킨다(S70). 본 단계에서는 질화물층 성장을 위한 트리메틸갈륨(TMGa) 및 암모니아(NH3)와 n형 도펀트인 실리콘(Si)을 포함하는 실란가스(SiH4)를 공급하여, 실리콘(Si)이 도핑된 GaN 재질의 n형 질화물층을 10∼500nm의 두께로 성장시킨다. 이때, n형 질화물층의 성장은 p형 질화물층의 성장 온도보다 상대적으로 낮은 900∼1100℃의 온도에서 이루진다.
도면에 도시되지는 않았으나 n형 질화물층 성장시 고온 환경에 의해 활성층의 인듐이 불안정해지는 것을 방지하기 위해, n형 질화물층을 성장하기 이전에 별도의 캡(cap)층을 활성층의 상측에 성장시키는 단계를 추가적으로 진행할 수도 있다. 이때, 캡(cap) 층의 성장은 n형 질화물층의 성장 온도보다 낮은 온도에서 진행되는 것이 바람직하다.
전술한 단계를 거쳐 에피텍셜 성장이 완료되면, 에칭 공정을 거쳐 p측 전극과 n측 전극을 p형 질화물층 및 n형 질화물층에 각각 설치하여 질화물 반도체 발광소자를 제조할 수 있다(S80).
이와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 고온의 환경에서 충분한 두께를 갖는 고품질의 p형 질화물층을 성장시키는 것이 가능하다. 따라서, 발광소자 동작시 활성층으로 정공을 원활하게 제공하여 발광효율을 개선할 수 있다.
도 4는 본 발명에 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이고, 도 5 내지 도 7은 도 4의 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하에서는, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 설명의 중복을 피하기 위하여 이전 실시예와 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭을 부여하며, 동일하거나 극히 유사한 내용에 대한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 실시예에서는 n측 전극과 p측 전극이 수평하게 형성되는 수평형 질화물 반도체 발광소자를 이용하여 설명하였으나, 본 발명은 본 실시예와 같이 수직형 질화물 반도체 발광소자에도 적용할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(200)는 내측에 p형 질화물층(230), 활성층(240), n형 질화물층(250)을 포함하여 구성된다. 여기서, 각각의 질화물층은 전술한 실시예와 마찬가지로 모기판(210, 도 5 참조) 상에 p형 질화물층(230), 활성층(240), n형 질화물층(250)이 순차적으로 적층 성장된다. 따라서, p형 질화물층(230)의 성장이 활성층(240) 성장 이전 단계에서 진행되므로, 성장 환경에 별도의 제약 없이 고온의 환경에서 양호한 결정구조를 갖는 p형 질화물층(230)을 성장시킬 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 전술한 실시예와 마찬가지로, p형 질화물층(230)과 활성층(240) 사이에 별도의 전자 차단층을 구비하는 것도 가능하고, 활성층(240)과 n형 질화물층(250) 사이에 별도의 질화물 캡(cap)층을 구비할 수 있다.
한편, n형 질화물층(250)의 하측에는 도전성 기판(270)이 설치되어 n측 전극을 형성한다. 이때, n형 질화물층(250)과 도전성 기판(270)의 사이에는 도전성 접착층(260)이 구비될 수 있다. 그리고, 도전성 접착층(260)은 도전성 기판(270)의 접착력을 향상시켜, 도전성 기판(270)이 n형 질화물층(250)으로부터 분리되는 것을 방지한다. 나아가, 도면에는 도시되지 않았으나, 광추출 효율을 개선하기 위해 n형 질화물층(250)과 도전성 접착층(260) 사이에 별도의 반사층을 구비하는 것도 가능하다.
그리고, p형 질화물층(230)의 상측에는 전극 패드(280)가 설치되어, p측 전극을 형성한다. 여기서, 전극 패드(280)는 p형 질화물층(230), 활성층(240), n형 질화물층(250)의 성장 공정에서 이용된 모기판(210)을 제거한 후, 상기 모기판(210)이 제거된 위치에 형성된다.
이처럼 본 실시예의 질화물 반도체 발광소자(200)는 p측 전극에 해당하는 전극 패드(280)가 발광소자의 상측에 설치되고, n측 전극에 해당하는 도전성 기판(270)이 발광소자의 하측에 설치되는 수직 구조를 형성한다. 따라서, 발광소자의 상측으로부터 전류가 인가되며, 전류 인가시 활성층(240)에서는 n형 질화물층(250)에서 제공되는 전자와 p형 질화물층에서 제공되는 정공이 재결합하여 발광이 일어난다.
이러한 수직형 발광소자(200)는 수평형 발광소자와 비교하여 전자 및 정공을 제공하는 질화물층이 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 이 경우, 종래와 같이 질화물층을 성장시키는 경우 p형 질화물층의 성장 두께가 얇아짐에 따라 결정 품질이 떨어질 우려가 있다. 그러나, 본 실시예에서는 p형 질화물층(230)을 활성층(240) 보다 앞서 성장시킴으로서 최적의 성장 환경을 제공할 수 있어, 얇으면서도 결정 품질이 우수한 p형 질화물층을 획득할 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
우선 도 5에 도시된 바와 같이, 모기판(210) 상에 버퍼층(220), p형 질화물층(230), 활성층(240) 및 n형 질화물층(250)을 순차적으로 적층 성장시킨다. 이러한 질화물층의 성장 단계는 전술한 실시예의 제조 방법과 동일한 방식으로 진행될 수 있으며(도 3 참조), 설명의 중복을 피하기 위해 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
각 질화물층이 성장되면, 도 6에 도시된 바와 같이 n형 질화물층(250)의 상측으로 도전성 기판(270)을 부착하는 단계를 진행한다. 여기서 도전성 기판(270)은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), GaAs, GaP, GaN 등의 기판에 불순물을 도핑하여 도전성을 띄도록 가공 사용하며, 이 이외에도 알루미늄(Al), 아연(Zn), 은(Ag) 등의 금속 기판 또는 이들의 합금 기판을 이용하는 것도 가능하다.
여기서, 도전성 기판(270)과 n형 질화물층(250) 사이의 접착력이 형성할 수 있도록 별도의 도전성 접착층(260)을 이용하여 도전성 기판(270)을 부착할 수 있다. 이때, 도전성 접착층(260)을 n형 질화물층(250) 상에 증착한 후 도전성 기판(270)을 부착할 수도 있고, 또는 도전성 기판(270)에 도전성 접착층(260)을 도포한 상태로 n형 질화물층(250) 상에 부착하는 것도 가능하다. 도전성 접착층(260)은 플립칩 본딩에 이용되는 합금을 이용하여 구성할 수 있고, 약 200∼300℃의 낮은 융점을 갖고, 저온에서 접착이 가능한 물질을 이용한다. 예를 들어, Au-Sn, Sn, In, Au-Ag, Pb-Sn 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질을 이용할 수 있다.
한편, 도전성 기판(270)의 설치가 이루어지면, 질화물층 성장시 이용된 모기판(210)을 제거하는 단계를 진행한다. 모기판(210)의 제거는 레이저 리프트 오프(laser lift off) 방식으로 진행되나, 이 이외에도 기계적 연마 방식이나 화학적 식각 방식을 이용할 수 있다.
모기판(210)이 제거되면, p형 질화물층(230)이 노출되도록 버퍼층(220)을 제거한다. 버퍼층(220)의 제거는 ICP(inductively coupled plasma) 방식, RIE(reactive ion etching) 방식 등의 건식 식각 장비를 이용할 수 있다. 이때, p형 질화물층(230)이 다소 두껍게 성장된 경우에는 버퍼층(220)과 함께 p형 질화물층(230)을 소정의 두께만큼 식각하는 것도 가능하다.
상기와 같은 공정에 의해 p형 질화물층(230)의 일면이 노출되면(도 7참조), p형 질화물층(230) 상측으로 p측 전극에 해당하는 전극 패드(280)를 형성할 수 있다(도 4 참조). 이때, 전극 패드(280)는 전류가 원활하게 진행할 수 있도록 은(Ag), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au) 등을 이용하여 오믹 컨택(ohmic contact) 구조를 형성한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자(200)는 p형 질화물층(230)을 최적의 고온 환경에서 성장시킴으로서, 고품질의 결정구조를 갖는 p형 질화물층을 구비한 수직형 발광소자를 제공할 수 있다.
다만, 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능함을 밝혀 둔다.
100 : 질화물 반도체 발광소자 110 : 기판
120 : 버퍼층 130 : p형 질화물층
150 : 활성층 160 : n형 질화물층
200 : 질화물 반도체 발광소자 210 : 모기판
220 : 버퍼층 230 : p형 질화물층
240 : 활성층 250 : n형 질화물층
270 : 도전성 기판 280 : 전극 패드
120 : 버퍼층 130 : p형 질화물층
150 : 활성층 160 : n형 질화물층
200 : 질화물 반도체 발광소자 210 : 모기판
220 : 버퍼층 230 : p형 질화물층
240 : 활성층 250 : n형 질화물층
270 : 도전성 기판 280 : 전극 패드
Claims (12)
- 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 상측에 p형 질화물층을 형성하는 단계;
상기 p형 질화물층의 상측에 적어도 하나의 양자 우물 구조가 구비되는 활성층을 형성하는 단계; 그리고,
상기 활성층 상측에 n형 질화물층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 p형 질화물층을 형성하는 단계는 상기 n형 질화물층을 형성하는 단계보다 고온에서 진행되며,
상기 활성층과 상기 n형 질화물층 사이에 개재되는 질화물 캡층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 질화물 캡층을 형성하는 단계는 상기 n형 질화물 반도체 발광소자를 성장시키는 온도보다 낮은 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 p형 질화물층은 1000∼1200℃의 온도에서 형성되고, 상기 n형 질화물층은 900∼1100℃의 온도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 n형 질화물층 형성한 후에,
상기 기판을 제거하는 단계;
상기 p형 질화물층이 외부로 노출되도록 상기 버퍼층을 식각하는 단계; 및
상기 기판이 위치하던 방향으로 별도의 도전성 기판을 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 도전성 기판을 부착하는 단계는 상기 p형 질화물층의 노출된 면으로 금속 접착층을 도포하고 상기 도전성 기판을 부착하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - p형 도펀트가 도핑된 p형 질화물층;
상기 p형 질화물층의 상측으로 증착 형성되고, 적어도 하나의 양자 우물 구조를 갖는 활성층; 그리고
상기 활성층의 상측으로 증착 형성되고, n형 도펀트가 도핑된 n형 질화물층;을 포함하고,
상기 활성층과 상기 n형 질화물층 사이에 형성되고, 상기 n형 질화물층의 성장 온도보다 낮은 온도에서 성장되는 질화물 캡층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 제6항에 있어서,
상기 p형 질화물층은 상기 n형 질화물층보다 고온에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제7항에 있어서,
상기 p형 질화물층은 1000∼1200℃의 온도에서 형성되고, 상기 n형 질화물층은 900∼1100℃의 온도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 삭제
- 도전성 기판;
상기 도전성 기판상에 구비되고, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 포함하는 질화물층; 그리고,
상기 p형 질화물층의 상측에 형성되는 전극 패드를 포함하고,
상기 질화물층은 상기 p형 질화물층, 상기 활성층, 상기 n형 질화물층 순서로 성장되고,
상기 p형 질화물층은 상기 n형 질화물층보다 고온에서 성장되며,
상기 활성층과 상기 n형 질화물층 사이에 형성되고, 상기 n형 질 반도체 발광소자의 성장 온도보다 낮은 온도에서 성장되는 질화물 캡층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물 반도체 발광소자. - 제10항에 있어서,
상기 p형 질화물층은 1000∼1200℃의 온도에서 형성되고, 상기 n형 질화물층은 900∼1100℃의 온도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물 반도체 발광소자. - 삭제
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| IEEE Transaction on Electron Devices Vol.49, No.8, 1361-1366[InGaN/GaN Light Emitting Diodes With a p-Down Structure]* |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130008306A (ko) * | 2011-07-12 | 2013-01-22 | 삼성전자주식회사 | 나노구조의 발광소자 |
| KR101964890B1 (ko) * | 2011-07-12 | 2019-04-03 | 삼성전자주식회사 | 나노구조의 발광소자 |
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