KR101053116B1 - 패턴화된 격자 완충층을 이용한 질화물계 발광소자 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

패턴화된 격자 완충층을 이용하여 질화물의 결정성을 향상시킬 수 있으며, 에어 홀을 형성함으로써 휘도를 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 기판 상에 ZnO를 증착한 후, 상기 증착된 ZnO를 정해진 패턴으로 식각하여, 패턴화된 ZnO 격자 완충층을 형성하는 단계; 상기 패턴화된 ZnO 격자 완충층 상에 첫번째 질화물층을 형성한 후, 상기 첫번째 질화물층 상에 나머지 질화물층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 나머지 질화물층을 수소 가스 분위기에서 형성하여, 상기 나머지 질화물층의 형성시에 상기 패턴화된 ZnO 격자 완충층의 일부 또는 전부가 상기 수소 가스에 의하여 식각되어, 상기 식각된 부분에 에어 갭(air gap)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

패턴화된 격자 완충층을 이용한 질화물계 발광소자 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE USING PATTERNED LATTICE BUFFER LAYER}
본 발명은 질화물계 발광소자 제조 기술에 관한 것이다.
발광소자는 전자와 정공의 재결합 시에 발생하는 발광 현상을 응용한 소자이다.
대표적인 발광소자로서, GaN으로 대표되는 질화물계 발광소자가 있다. 질화물계 발광소자는 밴드 갭 에너지가 커서 다양한 색광을 구현할 수 있다. 또한, 질화물계 발광소자는 열적 안성성이 우수하다.
질화물계 발광소자는 n-전극 및 p-전극의 배치 형태에 따라서 수평형(lateral type) 구조와 수직형(Vertical type) 구조로 구분된다. 수평형 구조는 n-전극 및 p-전극이 주로 top-top 형태로 배치되고, 수직형 구조는 n-전극 및 p-전극이 주로 top-bottom 형태로 배치된다.
본 발명의 목적은 패턴화된 격자완충층을 형성하여, 질화물 성장시 선결함(dislocation) 발생을 최소화할 수 있으며, 휘도 향상에 기여할 수 있는 에어 갭을 형성할 수 있는 질화물계 발광소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 패턴화된 격자완충층을 이용하여 질화물의 결정성 및휘도를 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 기판 상에 ZnO를 증착한 후, 상기 증착된 ZnO를 정해진 패턴으로 식각하여, 패턴화된 ZnO 격자 완충층을 형성하는 단계; 상기 패턴화된 ZnO 격자 완충층 상에 첫번째 질화물층을 형성한 후, 상기 첫번째 질화물층 상에 나머지 질화물층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 나머지 질화물층을 수소 가스 분위기에서 형성하여, 상기 나머지 질화물층의 형성시에 상기 패턴화된 ZnO 격자 완충층의 일부 또는 전부가 상기 수소 가스에 의하여 식각되어, 상기 식각된 부분에 에어 갭(air gap)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 패턴화된 ZnO 격자 완충층은 포토리소그래피 공정 및 식각 공정으로 형성될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성되며, 복수의 질화물층이 적층되어 있는 발광 구조체;를 포함하고, 상기 기판과 버퍼층 사이에 에어 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 Wurtzite 구조를 가지며, 표면 패턴을 갖는 격자 완충층을 이용한다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 질화물의 성장시 발생하는 선결함 밀도를 낮출 수 있으며, 또한, 질화물 성장시 에어 갭을 형성할 수 있다.
이에 따라, 제조되는 질화물계 발광소자는 우수한 결정성과 함께 에어 갭을 가질 수 있어, 휘도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패턴화된 격자 완충층을 이용한 질화물계 발광소자 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 기판 상에 Wurtzite 격자 구조를 갖는 증착층이 형성된 예를 나타낸다.
도 3은 증착층 상에 포토레지스트가 도포된 예를 나타낸다.
도 4는 포토레지스트 패턴이 형성된 예를 나타낸다.
도 5는 식각에 의하여 증착층이 식각된 예를 나타낸다.
도 6은 포토레지스트 패턴이 제거되어 패턴화된 격자 완충층이 형성된 예를 나타낸다.
도 7은 패턴화된 격자 완충층 상에 질화물이 성장하면서 에어 갭을 형성한 예를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 패턴화된 격자 완충층을 이용한 질화물계 발광소자의 실시예를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 패턴화된 격자 완충층을 이용한 질화물계 발광소자의 다른 실시예를 나타낸다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 기판을 이용한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패턴화된 격자 완충층을 이용한 질화물계 발광소자 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자 제조 방법은 증착층 형성 단계(S10), 패턴화된 격자 완충층 형성 단계(S20) 및 질화물 성장 단계(S30)를 포함한다.
우선, 증착층 형성 단계(S10)에서는 도 2에 도시된 예와 같이, 기판(110) 상에 격자 완충층을 형성할 수 있는 물질을 증착하여 증착층(120)을 형성한다.
기판은 사파이어 기판, 실리콘 기판 등 질화물계 발광소자 제조시 성장 기판으로 이용되는 다양한 기판이 이용될 수 있다.
증착층(120)은 MOCVD 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 증착층(120)은 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다. MOCVD 방법으로 증착층을 형성할 경우, 증착층의 품질을 높일 수 있다. 반면, 스퍼터링 방법으로 증착층을 형성할 경우, 증착층의 성장 속도를 높일 수 있다.
한편, 격자 완충층을 형성할 수 있는 물질은 Wurtzite 격자 구조를 갖는 물질인 것이 바람직하다.
발광소자에 적용되는 질화물은 주로 Wurtzite 격자 구조를 갖는 GaN이다. 따라서, 격자 완충층도 Wurtzite 구조를 가질 경우, 기판과 질화물과의 격자 미스매칭(lattice mismatching)을 완화할 수 있다.
기판과 질화물의 격자상수 차이가 클 경우, 성장되는 질화물에는 많은 선결함이 발생한다. 선결함의 밀도가 높을수록 질화물의 결정성은 저하되고, 발광소자의 휘도 저하를 가져온다.
따라서, 격자 미스매칭이 완화되는 경우, 질화물 성장시 선결함(dislocation) 밀도의 감소를 가져온다. 그 결과, 제조되는 발광소자의 결정성 및 휘도가 향상될 수 있다.
Wurtzite 격자 구조를 갖는 물질은 ZnO를 제시할 수 있다. ZnO은 GaN과 마찬가지로 Wurtzite 구조를 가진다. 또한 ZnO는 격자상수가 a=3.249Å, c=5.207Å으로서, GaN의 격자상수(a=3.189Å, c=5.185Å)와 비슷하다.
따라서, ZnO 상에 GaN을 성장시킬 경우, 격자 매칭에 의하여 GaN 성장시 발생하는 선결함을 최소화할 수 있다.
ZnO는 수소 가스에서 식각될 수 있다. 따라서, 수소 가스 분위기 보다는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등 불활성 가스 분위기에서 ZnO의 증착이 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 질화물의 성장 역시 수소 가스 분위기 하에서 수행될 때 결정 품질이 더 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나, 수소 가스 분위기 하에서는 ZnO 재질의 격자 완충층이 식각될 수 있다.
따라서, 버퍼층과 같은 첫번재 질화물층은 불활성가스 분위기에서 수행하고, 나머지 질화물층을 수소 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
다음으로, 패턴화된 격자 완충층 형성 단계(S20)에서는 증착층의 표면에 식각 패턴을 형성하여, 패턴화된 격자 완충층을 형성한다.
패턴화된 격자 완충층은 포토리소그래피(photolithography) 공정 및 식각(etching) 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 도 3 내지 도 6은 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 이용하여 패턴화된 격자 완충층을 형성하는 예를 나타낸 것이다.
우선, 도 3에 도시된 예와 같이, 증착층(120) 상에 포토레지스트(130)를 도포한다. 그 후, 도 4에 도시된 예와 같이, 노광(exposure), 현상(develope) 공정 등을 통하여 포토레지스트 패턴(130a)를 형성한다.
그 후, 도 5에 도시된 예와 같이, 증착층(120)에서 포토레지스트 패턴(130a)에 의하여 노출되는 부분이 식각되어 패턴화된 증착층(120a)이 형성된다. 패턴화된 증착층(120a)은 본 발명의 패턴화된 격자 완충층이 된다.
그 후, 도 6에 도시된 예와 같이, 잔류하는 포토레지스트를 제거한다. 포토레지스트의 제거는 아세톤, 메탄올 등을 이용할 수 있으며, 탈이온수를 이용한 린스(DI Rinse) 과정이 포함될 수 있다.
다음으로, 질화물 성장 단계(S30)에서는 패턴화된 격자 완충층(도 6의 120a) 상에, GaN으로 대표되는 질화물(140)을 성장시킨다. GaN과 같은 질화물은 Wurtzite 구조를 갖는 격자 완충층(120a)에 의하여 낮은 선결함 밀도로 성장할 수 있다.
이때, 질화물 성장 과정에서 패턴화된 격자완충층(120a)이 제거되어, 도 7에 도시된 예와 같이 에어 갭(air gap)(120b)이 형성된다. 격자완충층(120a)은 전체가 제거될 수 있고, 일부만 제거될 수도 있다. 에어 갭(150)은 난반사층의 역할을 하여, 질화물계 발광소자의 휘도 상승에 기여할 수 있다.
에어 갭(120b)을 형성하기 위하여, 수소 가스 분위기에서 질화물을 성장시킬 수 있다. 예를 들어, ZnO의 경우 수소 가스에 의하여 쉽게 식각된다. 따라서, 격자완충층(120a)을 ZnO로 형성하고 질화물의 성장시에 분위기 가스를 수소 가스로 하면, 질화물 성장 과정에서 ZnO 식각을 통하여 쉽게 에어 홀을 형성할 수 있다.
물론, 질화물 성장 초기부터 수소 가스를 사용하면 격자완충층 식각에 의하여 질화물 성장 초기 격자완충의 효과를 얻기 어려워, 성장하는 질화물의 선결함 밀도가 높아질 수 있다. 따라서, 질화물 성장 초기에는 질소 가스를 이용하여 질화물을 성장시킴으로써 격자 완충 효과를 확보하고, 그 후에는 수소 가스를 이용하여 ZnO 등으로 이루어진 격자완충층을 제거하는 것이 바람직하다.
상기 도 2 내지 도 7에 도시된 과정으로 제조되는 질화물계 발광 소자는 기판과, 에어 갭과, 질화물계 발광 구조체를 포함한다. 질화물계 발광 구조체는 복수의 질화물층이 적층되어 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 패턴화된 격자 완충층을 이용한 질화물계 발광소자의 실시예를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자는 아래로부터, 기판(810), 버퍼층(820), 비도핑 질화물층(840), n-타입 질화물층(850), 발광활성층(860) 및 p-타입 질화물층(870)을 포함한다.
도 8에 도시된 예에서, 기판(810)과 버퍼층(820) 사이에는 에어 갭(830)이 형성되어 있다. 에어 갭(830)은 전술한 바와 같이, 패턴화된 격자완충층의 제거를 통하여 형성될 수 있다.
도 8에 도시된 예에서, 버퍼층(820)은 AlN, ZrN, GaN 등의 질화물로 형성될 수 있다.
다음으로, 버퍼층(820) 상부에는 격자 매칭을 보다 용이하게 하기 위하여 비도핑 질화물층(840)이 형성될 수 있다. 비도핑 질화물층(840)은 필요에 따라 생략 가능하며, 기판(810)으로 비도핑 실리콘 기판이나 사파이어 기판을 이용할 경우에 적용하는 것이 바람직하다.
다음으로, n-타입 질화물층(850)은 비도핑 질화물층(840)의 상부에 형성되고, 비도핑 질화물층(840)이 생략될 경우 버퍼층(820)의 상부에 형성된다. n-타입 질화물층(850)은 n-타입의 전기적 특성을 나타낼 수 있도록 실리콘(Si) 등의 불순물이 도핑되어 있다.
다음으로, 발광 활성층(860)은 n-타입 질화물층(850) 상부에 형성된다. 발광 활성층(860)은 MQW(Multiple Quantum Well) 구조를 가질 수 있다. 그 예로 InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)과 GaN이 교대로 적층되어 있는 구조를 제시할 수 있다.
다음으로, p-타입 질화물층(870)은 발광 활성층(860) 상부에 형성되며, n-타입 질화물층(850)과 반대되는 전기적 특성을 나타낸다. 이를 위하여, p-타입 질화물층(870)에는 Mg 등의 불순물이 도핑되어 있다.
도 8에 도시된 예에서, 기판(810)은 n-타입 실리콘 기판이 이용될 수 있다. n-타입 실리콘 기판을 이용할 경우, 발광 활성층(860) 하부의 각 층이 n-타입으로 형성될 수 있다. 또한 기판으로 n-타입 실리콘 기판을 이용하는 경우, 실리콘 기판 자체를 n-전극으로 활용할 수 있다. 따라서, 수직형 발광소자 제조시에도 성장 기판을 제거하는 Lift-Off 공정을 생략할 수 있으며, 나아가 n-전극 형성 공정을 생략할 수 있다.
따라서, 기판(810)으로 n-타입 실리콘 기판을 이용하는 경우, 수평형 발광소자 뿐만 아니라 발광면적이 상대적으로 넓은 수직형 발광소자까지 쉽게 제조할 수 있다.
또한, 기판(810)으로 n-타입 실리콘 기판을 이용하는 경우, 고온에서의 질화물 성장시 기판의 휨(bowing) 현상이 미미하여, 고온에서 질화물의 균질한 성장이 가능하다.
한편, 버퍼층(820)도 n-타입으로 형성할 수 있다. 버퍼층(820)을 형성하는 AlN 등의 질화물은 대부분 전기저항이 크다. 그러나, 버퍼층(820)을 n-타입으로 형성하는 경우 버퍼층의 전기저항이 낮아진다.
또한, 기판(810)으로 n-타입 실리콘 기판을 이용하고, 버퍼층(840)을 n-타입으로 형성할 경우, n-타입 실리콘 기판으로 주입되는 전자가 발광 활성층(870)까지 장벽없이 쉽게 이동할 수 있다. 따라서, 이 경우, 발광소자 구동 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 패턴화된 격자 완충층을 이용한 질화물계 발광소자의 다른 실시예를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자는 아래로부터, 기판(910), 버퍼층(920), p-타입 질화물층(940), 발광활성층(950) 및 n-타입 ZnO층(960)을 포함한다.
또한, 도 9에 도시된 예에서, 기판(910)과 버퍼층(920) 사이에는 에어 갭(930)이 형성되어 있다. 에어 갭(930)은 전술한 바와 같이, 패턴화된 격자완충층의 제거를 통하여 형성될 수 있다.
도 9에 도시된 예에서, 기판(910), 버퍼층(920), 에어 갭(930), 그리고 발광 구조체를 구성하는 각 층(940 ~ 950)은 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도 9를 참조하면, 기판(910) 상에 p-타입 질화물층(940)이 먼저 형성되고, 그 위에 발광 활성층(950)이 형성된다.
종래 대부분의 질화물계 발광소자 제조 방법은 p-타입 질화물층을 발광 활성층 형성 후, 마지막 단계에서 n-타입 질화물층을 형성하였다. 이때, p-타입 질화물층 형성과정에서 발광 활성층에 미치는 영향을 최소화하기 위하여, 성장 온도를 낮춘 상태에서 p-타입 질화물을 형성하였다. 그 결과 p-타입 질화물의 결정 품질이 저하되었으며, 이는 발광 효율 저하를 가져왔다.
그러나, 본 실시예에서는 p-타입 질화물층(940)을 발광 활성층(950) 형성 이전에 형성함으로써 고품질의 p-타입 질화물층을 얻을 수 있었다.
n-타입 ZnO층(960)은 발광 활성층(960) 상부에 형성되며, p-타입 질화물층(940)과 반대되는 n-타입의 전기적 특성을 나타낸다. n-타입 ZnO층(960)에는 Si 등이 도핑되어 있을 수 있다.
ZnO는 전술한 바와 같이, GaN과 거의 동일한 Wurtzite 격자 구조를 가진다. 또한, ZnO는 대략 700~800℃의 온도에서도 성장이 가능하므로, ZnO 성장시 하부의 발광 활성층(950)에 미치는 영향을 최소화하여 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 적용되는 n-타입 ZnO층(960)은 1200℃ 정도의 고온에서 성장하는 n-타입 GaN층을 대체할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 예에서, 기판(910)은 p-타입 실리콘 기판이 이용될 수 있다. p-타입 실리콘 기판을 이용할 경우, 발광 활성층(950) 하부의 각 층이 p-타입으로 형성될 수 있다. 기판(910)으로 p-타입 실리콘 기판을 이용하는 경우, 실리콘 기판 자체를 p-전극으로 활용할 수 있다. 이때, 버퍼층(920) 역시, p-타입으로 형성할 수 있다.
한편, 버퍼층(920)을 p-타입으로 형성하는 경우, 버퍼층(920)의 마그네슘(Mg) 등의 불순물이 기판(910)으로 침투할 수 있다. 이 경우, 기판(910)에 p-타입의 전기적 특성이 부여된다. 따라서, 기판(910)으로 절연 특성을 갖는 사파이어 기판을 이용하더라도 종래의 수직형 발광소자 제조 시와는 달리 그 제거를 요하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 Wurtzite 구조를 가지며, 표면 패턴을 갖는 격자 완충층을 이용한다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 질화물의 성장시 발생하는 선결함 밀도를 낮출 수 있으며, 또한, 질화물 성장시 에어 갭을 형성할 수 있다. 이에 따라, 제조되는 질화물계 발광소자의 휘도를 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110, 810, 910 : 기판 120 : 증착층
120a : 패턴화된 격자 완충층 130 : 포토레지스트
130a : 포토레지스트 패턴 140 : 질화물
120b, 830, 930 : 에어 갭 820, 920 : 버퍼층
840 : 비도핑 질화물층 850 : n-타입 질화물층
860, 950 : 발광활성층 870, 940 : p-타입 질화물층
960 : n-타입 ZnO층

Claims (14)

  1. 기판 상에 ZnO를 증착한 후, 상기 증착된 ZnO를 정해진 패턴으로 식각하여, 패턴화된 ZnO 격자 완충층을 형성하는 단계;
    상기 패턴화된 ZnO 격자 완충층 상에 첫번째 질화물층을 형성한 후, 상기 첫번째 질화물층 상에 나머지 질화물층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 나머지 질화물층을 수소 가스 분위기에서 형성하여, 상기 나머지 질화물층의 형성시에 상기 패턴화된 ZnO 격자 완충층의 일부 또는 전부가 상기 수소 가스에 의하여 식각되어, 상기 식각된 부분에 에어 갭(air gap)이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ZnO의 증착은
    MOCVD 방법으로 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 ZnO의 증착은
    스퍼터링 방법으로 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 질화물계 발광 소자 제조 방법은
    상기 첫번째 질화물층을 질소 가스 분위기에서 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    실리콘 기판 또는 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 패턴화된 ZnO 격자 완충층은
    포토리소그래피 공정 및 식각 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 첫번째 질화물층으로 버퍼층을 형성하고,
    상기 나머지 질화물층으로 발광 구조체의 일부 또는 전부를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발광 구조체는
    상기 버퍼층 상에 형성되는 n-타입 질화물층;
    상기 n-타입 질화물층 상에 형성되는 발광 활성층; 및
    상기 발광 활성층 상에 형성되는 p-타입 질화물층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판은
    n-타입 실리콘 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 버퍼층은
    n-타입 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서
    상기 발광 구조체는
    상기 버퍼층 상에 형성되는 p-타입 질화물층;
    상기 p-타입 질화물층 상부에 형성되는 발광 활성층; 및
    상기 발광 활성층 상부에 형성되는 n-타입 ZnO층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서
    상기 기판은
    p-타입 실리콘 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서
    상기 버퍼층은
    p-타입 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
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