KR101058243B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상에 순차적으로 적층된 언도핑 질화물층, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층과, 상기 언도핑 질화물층 상에 수 ㎚ 내지 수 ㎛의 범위의 크기로 형성되는 다수개의 반사도트를 포함하고, 상기 다수개의 반사도트는 상기 언도핑 질화물층, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층과 함께 인시츄(in-situ)로 성장 형성되는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명은 다수개의 반사도트를 구비하여, 하측으로 진행하는 빛을 상측으로 난반사시킴으로서 발광효율을 개선할 수 있다. 이때, 다수개의 반사 도트가 질화물층에 형성되므로 불투명한 기판을 사용하는 경우에도 적용 가능하며, 질화물층을 진행하면서 빛이 흡수되는 현상을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 {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 개선되는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
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.
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.
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, 질화물층으로 빛이 흡수되는 현상은 해결이 곤란하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 불투명한 기판을 사용하는 경우에도 적용 가능하고, 질화물층으로 빛이 흡수되는 것을 최소화시킬 수 있는 광 추출구조를 구비한 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법을 제공하기 위함이다.
상기한 본 발명의 목적은, 기판 상에 순차적으로 적층된 언도핑 질화물층, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층과, 상기 언도핑 질화물층 상에 수 ㎚ 내지 수 ㎛의 범위의 크기로 형성되는 다수개의 반사도트를 포함하고, 상기 다수개의 반사도트는 상기 언도핑 질화물층, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층과 함께 인시츄(in-situ)로 성장 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 다수개의 반사체는 알루미늄(Al) 재질로 형성되고, 상기 기판은 실리콘(Si) 기판을 이용할 수 있다.
한편, 상기한 본 발명의 목적은 기판의 상면으로 소정 두께의 언도핑 질화물층을 성장시키는 단계, 상기 질화물층의 상측에 수 ㎚ 내지 수 ㎛의 범위의 크기를 갖는 다수개의 반사도트를 성장시키는 단계, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 다수개의 반사도트는 상기 언도핑 질화물층, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층과 함께 인시츄(in-situ)로 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이때, 상기 다수개의 반사도트를 형성하는 단계는 적어도 하나의 금속 전구체를 이용하여 진행되며, 상기 적어도 하나의 금속 전구체는 상기 언도핑 질화물층을 성장시키는 단계 또는 상기 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 성장시키는 단계에서도 이용되는 물질일 수 있다.
여기서, 상기 적어도 하나의 금속 전구체는 트리메틸 알루미늄(TMAl)이고, 상기 다수개의 반사도트는 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 다수개의 반사도트를 형성하는 단계는 고온의 공정 공간으로 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 공급하고, 상기 트리메틸 알루미늄(TMAl)으로부터 열분해 된 알루미늄 원자가 상기 언도핑 질화물층에서 핵성장하여 상기 다수개의 반사도트를 형성하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 다수개의 반사도트를 형성하는 단계는 400∼800℃의 온도에서 진행되고, 상기 다수개의 반사도트를 형성하는 단계는 캐리어 가스로 질소(N2) 가스를 이용할 수 있다.
또는, 상기 다수개의 반사도트를 형성하는 단계가 공정공간으로 트리메틸 알루미늄(TMAl) 및 암모니아(NH3)를 공급하여 상기 언도핑 질화물층 상에 질화알루미늄(AlN)을 성장시키는 단계 및 상기 공정공간으로 수소(H2) 가스를 공급하여 상기 질화알루미늄(AlN)의 질소 원자를 제거시켜 잔류한 알루미늄(Al) 원자간의 핵성장을 유도하는 단계로 이루어지는 것도 가능하다.
본 발명은 다수개의 반사도트를 구비하여, 하측으로 진행하는 빛을 상측으로 난반사시킴으로서 발광소자의 외부로 광을 효과적으로 방출할 수 있다. 그리고, 본 발명에 구비되는 다수개의 반사 도트는 질화물층에 형성되므로 불투명한 기판을 사용하는 경우에도 적용 가능하며, 빛이 진행 중에 질화물층으로 흡수되는 현상도 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
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 반사도트를 형성하는 과정의 일 예를 개략적으로 도시한 개략도,
도 5는 도 2의 반사도트를 형성하는 과정에 대한 다른 예를 개략적으로 도시한 개략도,
도 6은 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도시한 순서도,
도 7은 도 6에서 n형 질화물층이 성장하는 단계를 도시한 도면이다.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), 언도핑 질화물층(130), n형 질화물층(140), 양자우물구조를 갖는 활성층(150), p형 질화물층(160)을 포함할 수 있다. 그리고, 언도핑 질화물층(130)과 n형 질화물층(140) 사이에는 다수개의 반사도트(200)가 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
구체적으로 본 실시예에서는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 언도핑 질화물층(130)과 n형 질화물층(140) 사이에 다수개의 반사도트(200)를 구비할 수 있다. 여기서, 다수개의 반사도트(200)는 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni) 등의 반사율이 우수한 재질로 이루어진다. 그리고, 각각의 반사도트(200)는 수 ㎚ 내지 수 ㎛ 범위의 크기로 형성되어, 언도핑 질화물층(130) 상에 불규칙하게 배치될 수 있다. 따라서, 활성층(150)으로부터 하측으로 조사되는 빛은 다수개의 반사도트(200)에 의해 상측으로 난반사되어 상측 표면으로 방출되는 바, 발광 소자의 발광 효율이 개선되고, 빛 흡수로 인한 내부 발열을 최소화시킬 수 있다.
본 실시예에서는 다수개의 반사도트(200)가 언도핑 질화물층(130)과 n형 질화물층(140) 사이에 위치하는 구조를 이용하여 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이 이외에도, 언도핑 질화물층(130)의 내부, 또는 버퍼층(120)과 언도핑 질화물층(130)의 경계면 등을 비롯하여 활성층(150)과 기판(110) 사이의 다양한 위치에 반사도트를 형성할 수 있다. 다만, 활성층(150)에서 조사되는 빛의 10∼25% 정도가 진행 중에 질화물층으로 흡수되는 것을 고려할 때, 질화물층을 진행하는 빛의 반사 경로를 단축시킬 수 있도록 반사도트(200)를 기판의 상면으로부터 1∼3㎛ 상측으로 이격된 위치에 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 이러한 다수개의 반사도트(200)는 질화물층의 성장 공정이 진행되는 기상증착장치 내에서 인시츄(in-situ) 공정을 통해 성장될 수 있다. 일반적으로, 반도체 발광소자의 질화물층 성장은 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸인듐(TMIn) 등의 금속 전구체 및 암모니아(NH3)를 이용하여 진행된다. 이때, 본 실시예에서는 질화물층의 성장에 이용되는 금속 전구체 중 하나인 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 이용하여 다수개의 반사도트(200)를 성장시키는 바, 복잡한 공정의 추가 없이 질화물층 상에 반사도트(200)를 형성할 수 있다. 이하에서는, 인시츄(in-situ) 방식으로 다수개의 반사도트를 성장시키는 과정을 구체적으로 설명한다.
도 4는 도 2의 반사도트를 성장시키는 과정의 일 예를 개략적으로 도시한 개략도이다. 트리메틸알루미늄(TMAl)은 하나의 알루미늄 원자와 세 개의 메틸기로 구성되는 물질로서, 고온의 환경으로 노출되면 열분해가 이루어진다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 다른 반응가스를 차단한 상태에서 트리메틸 알루미늄(TMAl)만을 고온의 공정 공간으로 공급하면, 트리메틸 알루미늄(TMAl)으로부터 열분해된 알루미늄 원자가 언도핑 질화물층 상에 산포한다. 이때, 각각의 알루미늄 원자는 고온의 환경에서 높은 에너지를 갖는 상태로 존재하고, 낮은 에너지의 상태로 이동하기 위해 인접한 알루미늄 원자 사이에 인력이 작용하여 알루미늄 결정을 형성한다. 따라서, 400∼800℃의 고온을 형성하는 공정 공간으로 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 공급할 경우, 열분해된 알루미늄 원자끼리 핵성장이 진행되어 수 ㎚ 내지 수 ㎛ 범위에서 불규칙한 크기의 알루미늄 결정으로 이루어지는 다수개의 반사도트(200)가 언도핑 질화물층 상에 불규칙하게 형성될 수 있다.
한편, 상기한 방법 이외에도 아래와 같은 방법을 통해 다수개의 반사도트(200)를 성장시키는 것도 가능하다. 도 5는 도 2의 반사도트를 형성하는 과정에 대한 다른 예를 개략적으로 도시한 개략도이다.
우선, 언도핑 질화물층(130) 상에 트리메틸 알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3)를 공급하여 질화 알루미늄(AlN) 격자를 형성한다. 그리고, 트리메틸 알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3)의 공급을 중단한 후, 수소 가스(H2)를 공급한다. 이때, 수소 가스는 일반적으로 공정 가스 간의 반응에는 직접 참여하지 않지만, 입자의 크기가 작기 때문에 일정한 운동량이 확보되는 경우 기판의 표면을 식각하는 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 질화 알루미늄(AlN) 격자 상에 수소 가스가 공급되면, 상대적으로 작은 크기를 갖는 질소(N) 원자가 수소 가스에 의해 격자 구조로부터 이탈되어 제거되고, 언도핑 질화물층(130) 상에는 알루미늄 원자가 잔류하게 된다. 그리고, 각각의 알루미늄 원자는 인접한 알루미늄 원자와 결합하여 핵성장이 진행되면서, 다수개의 반사도트(200)로 성장할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 반사도트를 성장시키는 공정이 질화물층의 성장이 이루어지는 위치에서 인시츄(in-situ) 방식으로 진행되는 바, 공정의 연속성을 유지하면서 발광소자를 성장시키는 것이 가능하며 반사 도트 형성을 위한 추가 공정을 최소화시킬 수 있다.
다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 패터닝(patterning) 등 질화물층 성장 공정과 별도의 공간에서 익스시츄(ex-situ) 방식으로 반사도트를 형성하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 질화물층의 성장에 이용되는 금속 전구체인 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 이용하여 알루미늄 재질의 반사도트를 성장하였다. 그러나 이는 일 예로서, 트리메틸 알루미늄(TMAl) 이외의 다른 금속 전구체를 공급하여 다양한 재질의 반사도트를 형성할 수도 있다.
도 6은 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도시한 순서도이다. 이하에서는 전술한 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
우선, 실리콘 기판(110)을 수소 분위기에서 소정 시간 동안 열처리하여 기판 클리닝을 실시한다(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.
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.
그리고, 언도핑 질화물층(130)의 상측에는 다수개의 반사도트(200)를 성장시킨다(S40). 본 단계는 앞서 설명한 바와 같이, 다른 질화물층 성장시 이용되는 금속 전구체들 중 적어도 하나를 이용하여 인시츄(in-situ) 공정으로 진행될 수 있다.
구체적으로, 반사도트(200)를 성장시키기 위해 이전 단계에서 공급되던 트리메틸갈륨(TMGa), 암모니아(NH3) 및 수소(H2)의 공급을 중단한다. 그리고, 공정 공간의 온도를 400∼800℃로 조절한 후, 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 질소 분위기로 공급한다. 이때, 트리메틸 알루미늄(TMAl)이 공정 공간에서 열분해 되어 알루미늄 원자가 형성되고, 각각의 알루미늄 원자는 언도핑 질화물층 상에서 인접한 알루미늄 원자와 결합하여 다수개의 반사도트를 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 반사도트(200)는 아래와 같은 방법으로 성장시키는 것도 가능하다. 우선, 언도핑 질화물층(130) 상에 트리메틸 알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3)를 공급하여 AlN 층을 얇게 형성한다. 그리고, 트리메틸 알루미늄(TMAl)과 암모니아(NH3)의 공급을 중단한 상태에서, 수소 가스(H2)만을 공급한다. 이때, AlN의 격자 구조를 형성하는 질소(N) 원자가 수소 가스에 의해 제거되면서 언도핑 질화물층 상에 알루미늄(Al) 원자가 잔류하게 되고, 잔류한 알루미늄(Al) 원자끼리 결합하여 다수개의 반사도트(200)를 형성할 수 있다.
전술한 단계를 통해, 다수개의 반사도트가 형성되면, n형 질화물층(140)을 성장시키는 단계를 진행한다(S50). 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.
이때, n형 질화물층(140)을 성장시키는 단계는 n형 질화물층(140)이 다수개의 반사도트(200)를 감싸도록 수평 방향으로 성장이 진행된 후, 다시 수직 방향 성장이 진행되도록 이루어질 수 있다. n형 질화물층(140)이 성장되는 언도핑 질화물층(130) 상에는 다수개의 반사도트(200)가 섬(island)의 형태로 형성되어 있다. 따라서, n형 질화물층(140)은 도 7의 a에 도시된 바와 같이 반사도트(200)가 형성되지 않은 언도핑 질화물층(130) 상면으로부터 성장이 이루어지면서, 반사도트(200) 사이를 점차적으로 채우고 반사도트의 상측까지 성장하게 된다. 그리고, 반사도트(200)의 상측까지 성장된 n형 질화물층(140)은 반사도트(200)의 상측 표면을 따라 수평 방향으로 성장이 이루어진다. 따라서, 반대 방향으로 수평 성장하는 n형 질화물층(140)과 합쳐지면서 연속적인 박막을 형성하고(도 7의 b 및 c 참조), 이후 수직 방향으로 성장이 이루어지게 된다.
이때, n형 질화물층(140)이 수평 성장하는 단계는 1200∼1250℃의 고온과 50∼100mb의 저압 환경에서 진행하고, 이후 수직 성장이 이루어지는 단계는 1100∼1200℃의 온도 및 300mb 이상의 환경에서 진행할 수 있다.
이와 같이, 반사도트(200) 상에 n형 질화물층(140)을 성장시키는 방식은, 결정 구조상의 선결함 전이를 차단하기 위해 박막에 마스크 층을 형성한 후 박막을 재성장 시키는 ELOG(epitaxial laterally overgrowth) 방식에 해당한다. 즉, 본 실시예에서는 언도핑 질화물층에 구비되는 다수개의 반사도트가 마스크 층의 역할을 수행함으로서, 반사도트(200) 상에 고품질 결정구조를 갖는 n형 질화물층을 성장시킬 수 있는 것이다.
종래의 실리콘 기판(110)은 기판의 대형화를 꾀할 수 있다는 장점에도 불구하고, 격자 상수 차이로 인해 성장되는 질화물층의 결정 구조가 불량하여 제품에 적용하는 것이 곤란하였다. 그러나, 본 실시예에 따른 제조 방법에 의할 경우 반사 도트를 이용하여 n형 질화물층의 ELOG 성장을 유도할 수 있는 바, 발광 효율을 개선함과 동시에 실리콘 기판 상에 양호한 결정구조를 갖는 질화물층을 성장시키는 효과를 갖는다.
한편, n형 질화물층(140)의 성장이 종료되면, 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.
그리고, 활성층 상측으로 p형 질화물층을 성장시킨다(S70). 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.
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.
이와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 인시츄(in-situ) 공정을 통해 질화물층 상에 다수개의 반사도트를 형성하는 바, 번거로운 공정의 추가 없이 발광 효율을 개선시킬 수 있고, 나아가 결정 구조의 품질을 개선할 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.
110 : 기판 120 : 버퍼층
130 : 언도핑 질화물층 140 : n형 질화물층
150 : 활성층 160 : p형 질화물층
200 : 반사 도트

Claims (12)

  1. 기판의 상면으로 소정 두께의 언도핑 질화물층을 성장시키는 단계;
    상기 언도핑 질화물층의 상측에 수 ㎚ 내지 수 ㎛의 범위의 크기를 갖는 다수개의 반사도트를 성장시키는 단계;
    n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 다수개의 반사도트를 성장시키는 단계는, 상기 다수개의 반사 도트를 성장시키되, 상기 언도핑 질화물층을 성장시키는 단계 및 상기 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 성장시키는 단계와 함께 인시츄(in-situ) 공정으로 진행되며, 공정공간으로 트리메틸 알루미늄(TMAl) 및 암모니아(NH3)를 공급하여 상기 언도핑 질화물층 상에 질화알루미늄(AlN) 격자를 성장시키는 단계 및 상기 공정공간으로 수소(H2) 가스를 공급하여 상기 질화알루미늄(AlN) 격자의 질소(N) 원자를 제거하면서, 잔류하는 알루미늄(Al) 원자간의 핵성장을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수개의 반사도트를 형성하는 단계는 적어도 하나의 금속 전구체를 이용하여 진행되며,
    상기 적어도 하나의 금속 전구체는 상기 언도핑 질화물층을 성장시키는 단계 또는 상기 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 성장시키는 단계에서 이용되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 전구체는 트리메틸 알루미늄(TMAl)이고, 상기 다수개의 반사도트는 알루미늄 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 반사도트를 형성하는 단계는
    고온의 공정 공간으로 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 공급하고, 상기 트리메틸 알루미늄(TMAl)으로부터 열분해 된 알루미늄 원자가 상기 언도핑 질화물층에서 핵성장하여 상기 다수개의 반사도트를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다수개의 반사도트를 형성하는 단계는 400∼800℃의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 n형 질화물층은 50∼100mb의 환경에서 상기 다수개의 반사도트를 감싸도록 수평 방향으로 성장된 후, 300mb 이상의 환경에서 수직 방향으로 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘(Si) 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
  9. 기판 상에 순차적으로 적층된 언도핑 질화물층, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층과,
    상기 언도핑 질화물층 상에 수 ㎚ 내지 수 ㎛의 범위의 크기로 형성되고, 금속 재질로 이루어진 다수개의 반사도트를 포함하고,
    상기 다수개의 반사도트는 상기 언도핑 질화물층, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층과 함께 인시츄(in-situ) 공정을 통해 성장되며, 트리메틸 알루미늄 (TMAl) 및 암모니아(NH3)에 의해 성장되는 질화알루미늄(AlN)으로 수소(H2) 가스를 공급하여 상기 질화알루미늄(AlN) 격자의 질소(N) 원자를 제거하여 잔류하는 알루미늄(Al) 원자간의 핵성장을 유도하는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 다수개의 반사도트는 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘(Si) 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 다수개의 반사도트는 상기 기판의 상면으로부터 1∼3㎛ 상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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