KR101045950B1 - A nitride-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A nitride semiconductor light emitting diode and a manufacturing method thereof are provided to install an optical extraction structure whose productivity is improved. CONSTITUTION: A lower nitride layer is formed on a substrate(110). The lower nitride layer includes an upper side consisting of the uneven faces. An upper nitride layer is formed in an upper side of the lower nitride layer. The upper nitride layer includes an active layer and a p-type nitride layer(160). An optical path conversion layer is included between the upper nitride layer and the lower nitride layer. The optical path conversion layer is made of a material with a refractive index different from that of the upper nitride layer and the lower nitride layer.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 {A Nitride-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same}Nitride-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광추출 효율이 개선된 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device and improved manufacturing method of light extraction efficiency.

질화물 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.Since the nitride semiconductor light emitting device has various advantages such as long life, low power consumption, excellent initial driving characteristics, and high vibration resistance, the demand is continuously increasing.

이러한 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. As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor light emitting device includes a substrate 10, a buffer layer 20, an n-type nitride layer 30, an active layer 40 having a multi-quantum well structure, and a p-type nitride layer 50. It consists of a sequentially grown structure. Then, light is emitted as electrons provided from the n-type nitride layer 30 and holes provided from the p-type nitride layer 50 are recombined in the active layer.

이때, 활성층에서 상향으로 방출되는 빛은 발광 소자의 상부 표면을 통해 방출되지만, 하향으로 방출되는 빛은 기판 또는 질화물층에 흡수되면서 발광효율이 저하되고, 내부 발열을 야기하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 표면이 미세 가공된 사파이어 기판(patterned sapphire substrate)을 사용하여 난반사를 유도하거나, 사파이어 기판 하면에 반사층을 형성하여 빛을 상측으로 유도하는 기술 등이 제안되고 있다. 그러나, 이러한 기술은 실리콘(silicon) 기판과 같이 불투명한 기판을 이용하는 발광소자에는 적용할 수 없고, 사파이어 기판의 표면 가공시 식각률이 50~60 nm/sec 에 불과하여 생산성이 떨어지는 문제가 있었다.In this case, the light emitted upward from the active layer is emitted through the upper surface of the light emitting device, but the light emitted downward is absorbed by the substrate or the nitride layer, thereby lowering the luminous efficiency and causing internal heat generation. In order to solve this problem, a technique of inducing diffuse reflection by using a patterned sapphire substrate having a finely processed surface or forming a reflective layer on the lower surface of the sapphire substrate has been proposed. However, this technique is not applicable to a light emitting device using an opaque substrate such as a silicon (silicon) substrate, there is a problem that the etch rate during surface processing of the sapphire substrate is only 50 ~ 60 nm / sec, productivity is reduced.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 불투명한 기판을 사용하는 경우에도 적용 가능하고, 생산성이 개선된 광 추출구조를 구비한 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법을 제공하기 위함이다.The present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, which is applicable to the case of using an opaque substrate, and has an improved light extraction structure in order to solve the above problems.

상기한 본 발명의 목적은, 기판 상에 형성되며 요철면으로 이루어진 상면을 구비하는 하부 질화물층, 상기 하부 질화물층의 상측에 형성되며, 활성층 및 p형 질화물층을 포함하는 상부 질화물층 그리고, 상기 상부 질화물층 및 하부 질화물층 사이에 구비되며, 상기 상부 질화물층 및 하부 질화물층과 상이한 굴절률을 갖는 물질로 형성되는 광경로 변환층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 의해 달성될 수 있다.An object of the present invention described above, the lower nitride layer formed on the substrate and having an upper surface of the concave-convex surface, the upper nitride layer formed on the upper side of the lower nitride layer, the active layer and a p-type nitride layer, and It is provided between the upper nitride layer and the lower nitride layer, it can be achieved by a nitride semiconductor light emitting device including a light path conversion layer formed of a material having a refractive index different from the upper nitride layer and the lower nitride layer.

여기서, 광경로 변환층은 알루미늄(Al)으로 이용하여 구성할 수 있으며, 광경로 변환층은 2nm 이내의 두께로 형성되며, 구체적으로 10 원자층 이내의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.Here, the light path conversion layer can be configured using aluminum (Al), the light path conversion layer is formed to a thickness of less than 2nm, specifically, it is preferably formed to a thickness of less than 10 atomic layer.

이러한 광경로 변환층은 상기 기판의 상면으로부터 1~3㎛ 상측에 위치할 수 있다.The optical path conversion layer may be located 1 to 3 μm above the upper surface of the substrate.

한편, 상기한 본 발명의 목적은 전기판의 상면으로 하부 질화물층을 성장시키는 단계, 상기 하부 질화물층의 상면을 식각하여 요철면을 형성하는 단계, 상기 요철면의 상측으로 광경로 변환층을 형성하는 단계 그리고, 상기 광경로 변환층 상측으로 활성층 및 p형 질화물층을 포함하는 상부 질화물층을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 광경로 변환층은 상기 상부 질화물층과 상기 하부 질화물층과 상이한 굴절률을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의해서도 달성될 수 있다.On the other hand, an object of the present invention is to grow a lower nitride layer on the upper surface of the electroplating step, forming an uneven surface by etching the upper surface of the lower nitride layer, forming a light path conversion layer on the upper side of the uneven surface And growing an upper nitride layer including an active layer and a p-type nitride layer above the light path conversion layer, wherein the light path conversion layer has a refractive index different from that of the upper nitride layer and the lower nitride layer. It can also be achieved by a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that formed of a material having.

여기서, 광경로 변환층은 2nm 이하의 두께로 성장되며, 구체적으로는 10 원자층 이내의 두께로 성장되는 것이 바람직하다.Here, the light path conversion layer is grown to a thickness of 2 nm or less, specifically, it is preferable to grow to a thickness of less than 10 atomic layers.

또한, 광경로 변환층은 알루미늄(Al) 재질을 이용하여 성장되는 것이 바람직하다.In addition, the light path conversion layer is preferably grown using an aluminum (Al) material.

본 발명은 광경로 변환층을 구비하여, 하측으로 진행하는 빛의 경로를 전환하여 발광소자 외부로 광을 효과적으로 방출할 수 있다. 그리고, 본 발명에 구비되는 광경로 변환층은 불투명한 기판을 사용하는 경우에도 적용 가능하며, 사파이어 기판을 가공하는 것에 비해 작업이 용이한 장점이 있다.The present invention is provided with a light path conversion layer, it is possible to effectively emit light to the outside of the light emitting device by switching the path of the light traveling downward. In addition, the optical path conversion layer provided in the present invention can be applied even when an opaque substrate is used, and there is an advantage in that the operation is easy compared to processing a sapphire substrate.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도,
도 4는 도 2의 광경로 변환층을 형성하는 과정의 일 예를 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 5는 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도시한 순서도이다.1 is a cross-sectional view showing a cross section of a conventional nitride semiconductor light emitting device;
2 is a perspective view showing a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention;
3 is a cross-sectional view illustrating a cross section of the nitride semiconductor light emitting device of FIG. 2;
4 is a schematic diagram schematically showing an example of a process of forming the light path conversion layer of FIG. 2,
FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device of FIG. 2.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 아래에서 설명하는 실시예 이외에도 여러가지 다른 형태로 변형 사용이 가능하며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 한정되는 것은 아님을 앞서 밝혀둔다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in addition to the embodiments described below, it is possible to use a variety of other forms of modifications, and the scope of the present invention is not limited to the following examples will be apparent.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이다.2 is a perspective view illustrating a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a cross section of the nitride semiconductor light emitting device of FIG. 2.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), 언도핑 질화물층(130), n형 질화물층(140), 양자 우물구조를 갖는 활성층(150), p형 질화물층(160)을 포함할 수 있다. 그리고, 언도핑 질화물층(130)과 n형 질화물층(140) 사이에는 요철 구조를 갖는 광경로 변화층(200)이 형성된다. 나아가, p형 질화물층(160) 상에는 투명 전극(170) 및 p측 전극(182)이 위치하고, n형 질화물층(140) 상에는 n측 전극(181)이 위치할 수 있다.As shown in FIG. 2, the nitride semiconductor light emitting device according to the present embodiment includes an active layer having a substrate 110, a buffer layer 120, an undoped nitride layer 130, an n-type nitride layer 140, and a quantum well structure. 150, the p-type nitride layer 160 may be included. In addition, an optical path change layer 200 having an uneven structure is formed between the undoped nitride layer 130 and the n-type nitride layer 140. Furthermore, the transparent electrode 170 and the p-side electrode 182 may be positioned on the p-type nitride layer 160, and the n-side electrode 181 may be positioned on the n-type nitride layer 140.

기판(110)은 질화물 반도체 결정을 성장시킬 수 있는 적합한 재질로 이루어진다. 본 실시예에서는 대면적의 기판을 구현할 수 있는 실리콘(Si) 기판을 이용한다. 물론, 이 이외에 사파이어(Al2O3), 스피넬(MgAlO4), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 비화갈륨(Ga), 질화갈륨(GaN) 등의 재질로 구성된 기판을 이용하는 것도 가능하다.The substrate 110 is made of a suitable material capable of growing nitride semiconductor crystals. In this embodiment, a silicon (Si) substrate capable of realizing a large area substrate is used. Of course, other substrates made of materials such as sapphire (Al2O3), spinel (MgAlO4), silicon carbide (SiC), silicon (Si), zinc oxide (ZnO), gallium arsenide (Ga), and gallium nitride (GaN) may be used. It is also possible.

버퍼층(120)은 기판(110)과 버퍼층(120) 상측으로 성장되는 질화물층과의 격자 정합을 향상시킬 목적으로 형성된다. 버퍼층(120)은 도핑이 이루어지지 않은 질화물층으로 이루어지는 것이 일반적이며, AlN 또는 GaN 등의 질화물을 이용할 수 있다. 그리고, 기판(110)의 종류 및 성장 방법에 따라 버퍼층(120)을 생략하는 것도 가능하다.The buffer layer 120 is formed for the purpose of improving lattice matching between the substrate 110 and the nitride layer grown above the buffer layer 120. The buffer layer 120 is generally formed of a nitride layer that is not doped, and may use nitride such as AlN or GaN. In addition, the buffer layer 120 may be omitted depending on the type and growth method of the substrate 110.

버퍼층(120)의 상측으로는 별도의 언도핑 질화물층(130)을 형성할 수 있다. 언도핑 질화물층(130)은 기판(110)과 n형 질화물층(140) 사이에서 전위(dislocation)와 같은 결정 결함을 완화하기 위한 층으로서, 버퍼층(120)과 비교하여 상대적으로 고온에서 성장된다. 본 실시예에서는 일 예로서 언도핑된 GaN(u-GaN)층을 이용하며, 이 이외에도 버퍼층(120) 및 n형 질화물층(140)의 재질에 따라 다른 질화물을 이용하는 것도 가능하다.An additional undoped nitride layer 130 may be formed on the buffer layer 120. The undoped nitride layer 130 is a layer for alleviating crystal defects such as dislocations between the substrate 110 and the n-type nitride layer 140, and is grown at a relatively high temperature compared with the buffer layer 120. . In this embodiment, as an example, an undoped GaN (u-GaN) layer is used, and other nitrides may be used depending on the material of the buffer layer 120 and the n-type nitride layer 140.

한편, n형 질화물층(140)은 u-GaN층 상측에 형성되며, n형 도펀트(dopant)로 도핑된 GaN 또는 AlGaN 등의 질화물층으로 이루어진다. 그리고, n형 질화물층(140)에는 결정 성장이 완료된 후 후공정 단계에서 n측 전극(181)이 설치되며, 전류 인가시 활성층(150)으로 전자를 제공한다. n형 도펀트로는 일반적으로 실리콘(Si)이 이용되며, 이 이외에도 게르마늄(Ge) 또는 주석(Sn) 등이 이용될 수 있다. 본 실시예에서는 실리콘(Si) 도핑된 GaN을 이용하여 n형 질화물층(140)을 형성한다.Meanwhile, the n-type nitride layer 140 is formed on the u-GaN layer and is formed of a nitride layer such as GaN or AlGaN doped with an n-type dopant. In addition, the n-type nitride layer 140 is provided with an n-side electrode 181 in a post-process step after crystal growth is completed, and provides electrons to the active layer 150 when a current is applied. Silicon (Si) is generally used as the n-type dopant, and germanium (Ge) or tin (Sn) may be used in addition to the n-type dopant. In this embodiment, the n-type nitride layer 140 is formed using silicon (Si) doped GaN.

그리고, p형 질화물층(160)은 p형 도펀트로 도핑된 GaN 또는 AlGaN 등의 질화물층으로 이루어진다. p형 질화물층(160) 상측으로는 결정 성장 공정이 완료된 후 후공정 단계에서 투명 전극(170) 및 p측 전극(182)이 설치되며, 전류 인가시 활성층(150)으로 정공을 제공한다. 본 실시예에서는 p형 도펀트로서 마그네슘(Mg)이 도핑된 GaN을 이용하여 질화물층을 형성하며, 이 이외에도 아연(Zn) 또는 베릴륨(Be) 등을 p형 도펀트로서 이용할 수 있다.The p-type nitride layer 160 is formed of a nitride layer such as GaN or AlGaN doped with a p-type dopant. After the crystal growth process is completed, the transparent electrode 170 and the p-side electrode 182 are installed above the p-type nitride layer 160 and provide holes to the active layer 150 when a current is applied. In this embodiment, a nitride layer is formed using GaN doped with magnesium (Mg) as the p-type dopant. In addition, zinc (Zn) or beryllium (Be) may be used as the p-type dopant.

한편, 활성층(150)은 n형 질화물층(140) 및 p형 질화물층(160) 사이에 형성되며, 양자장벽층(미도시)과 양자우물층(미도시)이 교대로 적층되는 우물구조를 형성한다. 여기서, 활성층(150)은 다수개의 양자우물층 및 양자장벽층이 적층되는 다중 우물구조를 형성하는 것이 일반적이나, 하나의 양자우물층을 구비하는 단일 우물구조로 형성되는 것도 가능하다. Meanwhile, the active layer 150 is formed between the n-type nitride layer 140 and the p-type nitride layer 160, and has a well structure in which quantum barrier layers (not shown) and quantum well layers (not shown) are alternately stacked. Form. Here, the active layer 150 generally forms a multi-well structure in which a plurality of quantum well layers and quantum barrier layers are stacked, but may be formed in a single well structure having one quantum well layer.

양자우물층은 가시광 빛을 발산할 수 있도록, 인듐(In) 성분을 포함하는 질화물로 이루어지며, 구체적으로, AlxInyGa1-x-yN (0≤x<1, 0<y<1, x+y=1) 형태의 삼원계 또는 사원계 질화물층으로 이루어질 수 있다. 그리고, 양자장벽층은 GaN, AlInGaN 또는 InGaN층을 이용하되 양자우물층에 비해 큰 에너지 밴드갭을 갖도록 구성된다.The quantum well layer is formed of a nitride including an indium (In) component to emit visible light, and specifically, Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 <y <1, x + y = 1) may be formed of a ternary or quaternary nitride layer. The quantum barrier layer uses a GaN, AlInGaN or InGaN layer, but is configured to have a larger energy band gap than the quantum well layer.

이러한 질화물 반도체 발광소자(100)에서, 전자 및 정공은 각각 n형 질화물층(140) 및 p형 질화물층(160)으로부터 활성층(150)으로 진입하여 양자장벽층을 통과하면서 각각의 양자우물층에 배치된다. 그리고, 양자우물층에서 전자와 정공간의 재결합이 이루어지면서, 양자우물층의 에너지 밴드갭에 해당하는 파장의 빛을 조사한다.In the nitride semiconductor light emitting device 100, electrons and holes enter the active layer 150 from the n-type nitride layer 140 and the p-type nitride layer 160, respectively, and pass through the quantum barrier layer to each quantum well layer. Is placed. Then, the recombination of the electrons and the positive space in the quantum well layer is irradiated with light having a wavelength corresponding to the energy band gap of the quantum well layer.

이와 같이 활성층(150)에서 발광이 진행되면, 활성층(150)의 상측으로 조사되는 빛은 대부분이 상측 표면을 통과하여 외부로 방출된다. 그러나, 활성층(150)의 하측으로 조사되는 빛은 외부로 방출되지 못하고 기판(110) 또는 질화물층에 흡수되어 손실되는 경우가 많다. 특히, 본 실시예의 실리콘(Si) 기판(110)과 같이 불투명한 기판을 이용하는 경우, 빛이 기판 방향으로 빠져나가지 못하고 기판(110)에 흡수됨으로서, 광추출 효율이 저하되고, 내부 발열을 야기하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 활성층(150)의 하측에 별도의 광추출 구조를 구비하여 기판으로 흡수되는 빛의 양을 최소화시킬 수 있다.As the light emission progresses in the active layer 150 as described above, most of the light irradiated to the upper side of the active layer 150 is emitted through the upper surface. However, the light irradiated to the lower side of the active layer 150 is not emitted to the outside and is often absorbed and lost by the substrate 110 or the nitride layer. In particular, when using an opaque substrate such as the silicon (Si) substrate 110 of the present embodiment, the light does not escape in the direction of the substrate and is absorbed by the substrate 110, whereby the light extraction efficiency is lowered and causes internal heat generation. Problems may arise. Therefore, in the present invention, a separate light extraction structure may be provided under the active layer 150 to minimize the amount of light absorbed by the substrate.

구체적으로 본 실시예에서는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 언도핑 질화물층(130)과, n형 질화물층 사이에 형성되는 광경로 변환층(200)을 구비할 수 있다. 여기서, 광경로 변환층(200)은 인접한 질화물층과 굴절률이 상이한 재질로 구성된다. 이러한 광경로 변환층(200)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni) 등 반사율이 우수한 재질로 이루어질 수도 있고, 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 인듐(In)과 같이 다른 질화물층 성장시 사용되는 물질을 이용하여 형성될 수도 있다. 이때, 활성층(150)으로부터 하측으로 조사되는 빛은 광경로 변환층(200)에 의해 상측으로 반사가 이루어지거나 그 경로가 변환되면서 외부로 방출될 수 있는 바, 발광소자(100)의 광추출 효율이 개선되고, 광 흡수로 인한 내부 발열을 최소화시킬 수 있다.Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the undoped nitride layer 130 and the light path conversion layer 200 formed between the n-type nitride layer may be provided. Here, the light path conversion layer 200 is made of a material having a refractive index different from that of the adjacent nitride layer. The light path conversion layer 200 may be made of a material having excellent reflectivity such as aluminum (Al), silver (Ag), nickel (Ni), or other materials such as silicon (Si), magnesium (Mg), and indium (In). It may be formed using a material used for growing the nitride layer. At this time, the light irradiated downward from the active layer 150 can be emitted to the outside while the light path conversion layer 200 is reflected upward or the path is converted, the light extraction efficiency of the light emitting device 100 This can be improved, and internal heat generation due to light absorption can be minimized.

본 실시예에서는 버퍼층(120)과 언도핑 질화물층(130)이 광경로 변환층(200)의 하부 질화물층을 구성하고, n형 질화물층(140), 활성층(150) 및 p형 질화물층(160)이 광경로 변환층(200)의 상부 질화물층을 구성하는 구조를 이용하여 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이 이외에도, 광경로 변환층(200)이 언도핑 질화물층(130) 내부, 버퍼층(120)과 언도핑 질화물층(130)의 경계면 또는 n형 질화물층(140)의 내부 등을 비롯하여 활성층(150)과 기판(110) 사이의 다양한 위치에 형성되도록 구성할 수 있다. 다만, 활성층(150)에서 조사되는 빛의 10~25% 정도가 진행중 질화물층으로 흡수되는 것을 고려할 때, 질화물층을 진행하는 빛의 경로를 단축시킬 수 있도록 기판(110)의 상면으로부터 1~3㎛ 정도 이격된 위치에 형성하는 것이 바람직하다.In this embodiment, the buffer layer 120 and the undoped nitride layer 130 constitute a lower nitride layer of the light path conversion layer 200, and the n-type nitride layer 140, the active layer 150 and the p-type nitride layer ( Although 160 has been described using the structure constituting the upper nitride layer of the light path conversion layer 200, the present invention is not limited thereto. In addition, the light path conversion layer 200 may include an active layer 150 including an inside of the undoped nitride layer 130, an interface between the buffer layer 120 and the undoped nitride layer 130, or an inside of the n-type nitride layer 140. ) And the substrate 110 may be formed at various positions. However, considering that about 10 to 25% of the light irradiated from the active layer 150 is absorbed into the nitride layer during the process, 1 to 3 from the top surface of the substrate 110 to shorten the path of the light traveling through the nitride layer. It is preferable to form in the position spaced about 탆.

한편, 이러한 광경로 변환층(200)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 요철면을 형성하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 활성층(150)에서 조사되는 광이 다양한 경로를 형성하면서 난반사 또는 굴절되어 발광소자(100)의 외부로 방출될 수 있다. 따라서, 언도핑 질화물층(130)의 상면이 요철면을 구성하도록 패터닝을 한 후, 요철면 상면에 광경로 변환층(200)을 형성한다.Meanwhile, the optical path conversion layer 200 may be configured to form an uneven surface as illustrated in FIGS. 2 and 3. In this case, the light irradiated from the active layer 150 may be diffusely reflected or refracted to form various paths and emitted to the outside of the light emitting device 100. Accordingly, after the upper surface of the undoped nitride layer 130 is patterned to form the uneven surface, the light path conversion layer 200 is formed on the uneven surface.

여기서, 일반적으로 질화물층의 전위(dislocation)와 같은 결함은 수평 방향보다 수직 방향으로 쉽게 전파되는 경향이 있다. 따라서, 도 2 및 도 3과 같이 요철면이 형성된 광경로 변환층(200)에 상부 질화물층을 성장시킬 경우 수직 성장과 함께 수평 성장이 진행되면서 결함이 전파되는 것을 차단시키는 효과 또한 볼 수 있다.Here, defects such as dislocations of the nitride layer generally tend to propagate in the vertical direction rather than the horizontal direction. Therefore, when the upper nitride layer is grown in the light path conversion layer 200 having the uneven surface as shown in FIGS. 2 and 3, it is also possible to block the propagation of defects as the horizontal growth progresses along with the vertical growth.

도 4는 도 2의 광경로 변환층을 형성하는 과정의 일 예를 개략적으로 도시한 개략도이다. 이하에서는 도 4를 참조하여 광경로 변환층(200)을 형성하는 과정을 구체적으로 설명하도록 한다.4 is a schematic diagram schematically illustrating an example of a process of forming the light path conversion layer of FIG. 2. Hereinafter, a process of forming the light path conversion layer 200 will be described in detail with reference to FIG. 4.

우선, 도 4의 a 및 b에 도시된 바와 같이 기판(110)상에 버퍼층(120) 및 언도핑 질화물층(130)이 성장된 상태에서, 언도핑 질화물층(130)의 상면이 소정의 패턴으로 요철면을 형성하도록 식각하는 공정을 진행한다(도 4의 b 참조). 이때, 언도핑 질화물층(130)의 상면에 특정 패턴의 요철을 형성하도록 식각될 수도 있고, 불규칙한 크기 및 불규칙한 형태의 요철이 형성되도록 식각 공정을 진행할 수도 있다.First, as shown in FIGS. 4A and 4B, in a state in which the buffer layer 120 and the undoped nitride layer 130 are grown on the substrate 110, an upper surface of the undoped nitride layer 130 may have a predetermined pattern. The etching process is performed to form the uneven surface (see b of FIG. 4). In this case, the undoped nitride layer 130 may be etched to form irregularities of a specific pattern on the upper surface of the undoped nitride layer 130, or an etching process may be performed to form irregularities and irregularities of irregular shape.

그리고, 언도핑 질화물층(130)의 상면에 요철면이 형성되면, 상측으로 광경로 변환층(200)을 형성한다. 이때, 광경로 변환층(200)이 두텁게 형성되는 경우 광경로 변환층(200)의 상측에서 질화물층의 격자 성장이 연속적으로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 광경로 변환층(200)은 2nm 이하의 두께로 성장되는 것이 바람직하다. 실험 결과, 금속 원자를 증착하여 광경로 변환층(200)을 형성하는 경우에도 광경로 변환층(200)이 10 원자층 이내의 두께를 형성하는 경우, 이후에 상측으로 질화물층 격자 성장이 이루어지는 것을 확인하였다.In addition, when the uneven surface is formed on the upper surface of the undoped nitride layer 130, the light path conversion layer 200 is formed upward. In this case, when the light path conversion layer 200 is formed thick, lattice growth of the nitride layer may not be continuously performed on the upper side of the light path conversion layer 200. Therefore, the light path converting layer 200 is preferably grown to a thickness of 2 nm or less. As a result of the experiment, even when the light path conversion layer 200 is formed by depositing metal atoms, when the light path conversion layer 200 forms a thickness within 10 atomic layers, the nitride layer lattice growth is performed later. Confirmed.

따라서, 광경로 변환층(200)의 성장이 완료되면 광경로 변환층(200) 상측으로 n형 질화물층(140)이 성장된다. 이때, n형 질화물층(140)의 하면은 상기 요철면을 따라 수평 성장 및 수직 성장이 함께 진행되어 전위 결함이 감소된 질화물층을 성장시킬 수 있다.
Therefore, when the growth of the light path conversion layer 200 is completed, the n-type nitride layer 140 is grown above the light path conversion layer 200. In this case, the bottom surface of the n-type nitride layer 140 may grow along the concave and convex horizontal growth and vertical growth to grow a nitride layer having reduced dislocation defects.

도 5는 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도시한 순서도이다. 이하에서는 전술한 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 한편, 아래에서 설명할 질화물층의 성장 공정은 MOCVD 장치, MBE 장치, HVPE 장치 등 다양한 증착장치를 이용하여 진행하는 것이 가능하나, 본 실시예에서는 양호한 품질의 격자 성장이 가능한 MOCVD 장치를 이용하여 진행한다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device of FIG. 2. Hereinafter, a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device according to the above embodiment will be described in detail. Meanwhile, the growth process of the nitride layer to be described below may be performed using various deposition apparatuses such as a MOCVD apparatus, an MBE apparatus, and an HVPE apparatus, but in this embodiment, the MOCVD apparatus capable of lattice growth of good quality is performed. do.

우선, 실리콘 기판(110)을 MOCVD 장치에 투입하고, 수소 분위기를 형성한 상태에서 소정 시간 동안 열처리하여 기판 클리닝을 실시한다(S10).First, the silicon substrate 110 is placed in a MOCVD apparatus, and the substrate is cleaned by heat treatment for a predetermined time in a state of forming a hydrogen atmosphere (S10).

그리고, 클리닝된 기판(110) 상에 공정 가스를 공급하여 버퍼층을 형성한다(S20). 버퍼층(120)은 트리메틸 알루미늄(TMAl) 및 암모니아(NH3)를 수소(H2) 분위기로 공급하여, AlN 재질로 형성될 수 있다. 버퍼층(120)의 성장은 800℃ 이하의 온도에서 이루어지며, 바람직하게는 500∼600℃의 온도에서 30∼50㎛의 두께로 성장된다.In operation S20, a buffer layer is formed by supplying a process gas onto the cleaned substrate 110. The buffer layer 120 may be formed of AlN by supplying trimethyl aluminum (TMAl) and ammonia (NH 3 ) in a hydrogen (H 2 ) atmosphere. The buffer layer 120 is grown at a temperature of 800 ° C. or less, preferably at a thickness of 30 to 50 μm at a temperature of 500 to 600 ° C.

버퍼층(120)이 형성되면, 언도핑 질화물층(130)을 추가적으로 성장시킬 수 있다(S30). 이는 버퍼층(120)과 마찬가지로 기판(110)과 n형 질화물층(140) 사이에서 전위(dislocation)와 같은 결정 결함을 완화시켜 격자 정합을 향상시킨다. 구체적으로, 본 실시예에서는 1000℃ 이상의 고온 환경에서 트리메틸갈륨(TMGa) 및 암모니아(NH3)를 수소(H2) 분위기로 공급하여 도핑되지 않은 GaN(u-GaN)층을 1∼3㎛의 두께로 성장시킨다.When the buffer layer 120 is formed, the undoped nitride layer 130 may be additionally grown (S30). As in the buffer layer 120, this mitigates crystal defects such as dislocations between the substrate 110 and the n-type nitride layer 140 to improve lattice matching. Specifically, in the present embodiment, trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are supplied to a hydrogen (H 2 ) atmosphere in a high temperature environment of 1000 ° C. or higher to provide an undoped GaN (u-GaN) layer having a thickness of 1 to 3 μm. Grow in thickness.

그리고, 언도핑 질화물층(130)의 상면을 식각하는 공정을 진행한다(S40). 이러한 식각 공정은 익스시츄(ex-situ) 방식으로 진행되며, 별도의 식각 장비를 이용한다. 본 실시예에서는 RIE(Reactive Ion Etching) 장치를 이용하여 언도핑 질화물층(130)의 상면을 메사(Mesa) 식각하여 요철면을 형성한다. 다만, 이 외에도 다른 건식 식각 장치들을 이용하여 본 단계를 진행할 수 있음은 물론이다.Then, the process of etching the upper surface of the undoped nitride layer 130 is performed (S40). This etching process is carried out in an ex-situ method, using a separate etching equipment. In the present exemplary embodiment, the top surface of the undoped nitride layer 130 is mesa-etched using a reactive ion etching (RIE) device to form an uneven surface. However, in addition to this, other steps of the dry etching apparatus can be used to proceed with this step.

이와 같이, 언도핑 질화물층(130) 상면에 요철면이 형성되면, 기판(110)을 다시 MOCVD 장치로 이동시킨 후 광경로 변환층을 증착하는 단계를 진행한다(S50). 이때, 광경로 변환층은 스퍼터링(sputtering) 장치, 전자빔 증착장치 등 다양한 증착장치를 이용하여 진행하는 것도 가능하나, 본 실시예에서는 광경로 변환층(200)과 이후 상부 질화물층들을 하나의 장치에서 연속적으로 진행할 수 있도록 MOCVD 장치를 이용한다.As such, when the uneven surface is formed on the upper surface of the undoped nitride layer 130, the substrate 110 is moved back to the MOCVD apparatus, and then the deposition of the light path conversion layer is performed (S50). In this case, the light path conversion layer may be performed using various deposition apparatuses such as a sputtering apparatus and an electron beam deposition apparatus, but in the present embodiment, the light path conversion layer 200 and later upper nitride layers may be formed in one device. The MOCVD apparatus is used to proceed continuously.

따라서, 식각 공정이 종료된 기판을 MOCVD 장치로 이동시킨 후, 광경로 변환층(200)의 성장 환경을 조성하기 위해, MOCVD 장치의 내부를 가열시킨다. 이때, 기판(110)상에 기 성장된 언도핑 질화물층(130)에 크랙(crack)이 발생하는 것을 방지할 수 있도록, 400℃ 이상의 온도에서는 지속적으로 암모니아(NH3) 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 이러한 공정을 통해 기판(110) 이동시 언도핑 질화물층(130) 상측에 형성되는 산화박막을 제거하는 것도 가능하다.Therefore, after the substrate having been etched is moved to the MOCVD apparatus, the inside of the MOCVD apparatus is heated to create a growth environment of the light path conversion layer 200. In this case, it is preferable to continuously supply ammonia (NH 3 ) gas at a temperature of 400 ° C. or more to prevent cracks from occurring in the undoped nitride layer 130 previously grown on the substrate 110. Do. Through this process, it is also possible to remove the oxide thin film formed on the undoped nitride layer 130 when the substrate 110 is moved.

한편, 광경로 변환층(200)은 질화물층 성장에 이용되는 재질을 이용하여 성장시킬 수 있으며, 본 실시예에서는 그 중에서도 반사율 및 도전성이 우수한 금속으로서 알루미늄(Al)을 이용하여 반사층을 형성한다. 따라서, MOCVD 장치를 고온의 환경으로 조성한 후, 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 공급하여 언도핑 질화물층(130) 상에 10원자층 이내의 두께로 광경로 변환층(200)을 성장시킨다.Meanwhile, the light path conversion layer 200 may be grown using a material used for growing the nitride layer. In this embodiment, the reflective layer is formed using aluminum (Al) as a metal having excellent reflectance and conductivity. Therefore, after the MOCVD apparatus is formed in a high temperature environment, trimethyl aluminum (TMAl) is supplied to grow the light path conversion layer 200 on the undoped nitride layer 130 to a thickness within 10 atomic layers.

전술한 단계를 통해 광경로 변환층(200)이 성장되면, 상측으로 n형 질화물층 (140)을 성장시키는 단계를 진행한다(S60). 이때, 질화물층 성장을 위한 트리메탈 갈륨(TMGa) 및 암모니아(NH3)와 n형 도펀트인 실리콘(Si)을 포함하는 실란가스(SiH4)를 공급하여, 실리콘(Si)이 도핑된 GaN 재질의 n형 반도체층을 성장시킨다.When the light path conversion layer 200 is grown through the above-described steps, the n-type nitride layer 140 is grown upward (S60). In this case, n is made of GaN material doped with silicon (Si) by supplying silane gas (SiH4) including trimetal gallium (TMGa) and ammonia (NH3) and n-type dopant silicon (Si) for growing the nitride layer. The type semiconductor layer is grown.

n형 질화물층(140)은 요철면을 형성하는 광경로 변환층(200) 상에 형성되므로, 수평성장과 수직성장이 동시에 이루어질 수 있다. 이때, n형 질화물층(140)의 수평성장을 유도할 수 있도록 MOCVD 장치의 내부 환경은 1200℃ 이상의 고온과 50∼100mb의 저압 환경으로 유지하고, n형 질화물층(140)이 소정 두께로 성장된 이후에는 1000~1200℃의 온도 및 300mb의 환경으로 전환하는 것이 바람직하다. 이 경우, n형 질화물층(140)의 수평 성장을 유도함으로써 양호한 품질의 결정구조를 갖는 질화물층을 성장시킬 수 있다.Since the n-type nitride layer 140 is formed on the light path conversion layer 200 forming the uneven surface, horizontal growth and vertical growth may be simultaneously performed. At this time, the internal environment of the MOCVD apparatus is maintained at a high temperature of 1200 ° C. or higher and a low pressure environment of 50 to 100 mb to induce horizontal growth of the n-type nitride layer 140, and the n-type nitride layer 140 is grown to a predetermined thickness. After that, it is preferable to switch to a temperature of 1000 ~ 1200 ℃ and 300mb environment. In this case, the nitride layer having a good crystal structure can be grown by inducing horizontal growth of the n-type nitride layer 140.

한편, n형 질화물층(140)의 성장이 종료되면, 다수개의 양자 장벽층 및 다수개의 양자 우물층으로 이루어지는 활성층을 성장시킨다(S70). 이때, 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸인듐(TMIn), 트리메틸알루미늄(TMAl) 및 암모니아(NH3)를 이용하되, 성장 환경 및 성분비를 제어하여 양자 장벽층과 양자우물층을 성장시킨다. 본 단계에서는 양자 장벽층과 양자 우물층을 다수회에 걸쳐 반복 성장시켜 다중 우물 구조를 형성한다.On the other hand, when the growth of the n-type nitride layer 140 is finished, the active layer consisting of a plurality of quantum barrier layer and a plurality of quantum well layer is grown (S70). In this case, trimethylgallium (TMGa), trimethylindium (TMIn), trimethylaluminum (TMAl) and ammonia (NH 3 ) are used, and the growth environment and the component ratio are controlled to grow the quantum barrier layer and the quantum well layer. In this step, the quantum barrier layer and the quantum well layer are repeatedly grown a plurality of times to form a multi-well structure.

그리고, 활성층 상측으로 p형 질화물층을 성장시킨다(S80). 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 10～500㎚의 두께로 성장시킨다.Then, the p-type nitride layer is grown on the active layer (S80). At this time, trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH3) gas for growing the nitride layer and a process gas (for example, Mg (C5H5) 2) containing magnesium, which is a p-type dopant, are supplied and doped with magnesium (Mg). A p-type nitride layer made of GaN is grown to a thickness of 10 to 500 nm.

전술한 단계를 거쳐 에피텍셜 성장이 완료되면, 에칭 공정을 거쳐 p측 전극(182)과 n측 전극(181)을 p형 질화물층(160) 및 n형 질화물층(140)에 각각 설치하여 질화물 반도체 발광소자를 제조할 수 있다(S90).After the epitaxial growth is completed through the above-described steps, the p-side electrode 182 and the n-side electrode 181 are disposed on the p-type nitride layer 160 and the n-type nitride layer 140 through the etching process, respectively. A semiconductor light emitting device can be manufactured (S90).

이와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 활성층(150)과 기판(110) 사이에 요철면을 형성하는 광경로 변환층(200)을 구비하는 바, 발광소자(100)의 광추출 효율을 개선함 과 동시에 질화물층의 품질을 개선할 수 있다.As described above, the nitride semiconductor light emitting device 100 according to the present invention includes an optical path conversion layer 200 forming an uneven surface between the active layer 150 and the substrate 110. In addition to improving the extraction efficiency, the quality of the nitride layer can be improved.

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.However, the present invention is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and various forms of substitution, modification, and modification by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention. Note that changes are possible.

100 : 질화물 반도체 발광소자110 : 기판
120 : 버퍼층130 : 언도핑 질화물층
140 : n형 질화물층150 : 활성층
160 : p형 질화물층100 nitride semiconductor light emitting device 110 substrate
120 buffer layer 130 undoped nitride layer
140: n-type nitride layer 150: active layer
160: p-type nitride layer

Claims (10)

기판 상에 형성되며, 요철면으로 이루어진 상면을 구비하는 하부 질화물층;
상기 하부 질화물층의 상측에 형성되며, 활성층 및 p형 질화물층을 포함하는 상부 질화물층; 그리고,
상기 상부 질화물층 및 하부 질화물층 사이에 구비되며, 상기 상부 질화물층 및 하부 질화물층과 상이한 굴절률을 갖는 물질로 형성되는 광경로 변환층;을 포함하고,
상기 광경로 변환층은 10 원자층 이내의 두께 또는 2nm 이내의 두께로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.A lower nitride layer formed on the substrate and having an upper surface formed of an uneven surface;
An upper nitride layer formed on the lower nitride layer and including an active layer and a p-type nitride layer; And,
And a light path conversion layer disposed between the upper nitride layer and the lower nitride layer and formed of a material having a refractive index different from that of the upper nitride layer and the lower nitride layer.
The light path conversion layer is formed of a nitride semiconductor light emitting device having a thickness of less than 10 atomic layers or less than 2nm. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 광경로 변환층은 알루미늄(Al)을 포함하는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The method of claim 1,
The light path conversion layer is a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that formed of a material containing aluminum (Al). 제4항에 있어서,
상기 광경로 변환층은 상기 기판의 상면으로부터 1~3㎛ 상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The method of claim 4, wherein
The light path conversion layer is a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that disposed on the upper surface of the substrate 1 ~ 3㎛. 제1항에 있어서,
상기 상부 질화물층은 요철면으로 형성되는 하면을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The method of claim 1,
The upper nitride layer has a lower surface formed with an uneven surface. 기판의 상면으로 하부 질화물층을 성장시키는 단계;
상기 하부 질화물층의 상면을 식각하여 요철면을 형성하는 단계;
상기 요철면의 상측으로 광경로 변환층을 형성하는 단계; 그리고,
상기 광경로 변환층 상측으로 활성층 및 p형 질화물층을 포함하는 상부 질화물층을 성장시키는 단계;를 포함하고,
상기 광경로 변환층은 상기 상부 질화물층과 상기 하부 질화물층과 상이한 굴절률을 갖는 물질로 형성되어, 10 원자층 이내의 두께 또는 2nm 이하의 두께로 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.Growing a lower nitride layer on an upper surface of the substrate;
Etching the upper surface of the lower nitride layer to form an uneven surface;
Forming an optical path conversion layer above the concave-convex surface; And,
And growing an upper nitride layer including an active layer and a p-type nitride layer above the light path conversion layer.
The light path converting layer is formed of a material having a refractive index different from that of the upper nitride layer and the lower nitride layer, and is grown to a thickness within 10 atomic layers or 2 nm or less. . 삭제delete 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 광경로 변환층은 알루미늄(Al) 재질을 이용하여 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.The method of claim 7, wherein
The optical path converting layer is a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that the growth using aluminum (Al) material.
KR1020100109815A 2010-11-05 2010-11-05 A nitride-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same KR101045950B1 (en)

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