KR101125459B1

KR101125459B1 - 발광 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101125459B1
Application number: KR1020090102804A
Authority: KR
Inventors: 심상균
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2012-03-27
Also published as: KR20110046005A

Abstract

실시예는 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

실시예에 따른 발광 소자는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 적층 구조물; 및 상기 적층 구조물 상에 발광 구조층을 포함하고, 상기 적층 구조물은 복수의 산화실리콘막들 및 복수의 산화아연막들이 교대로 적층된다.

발광 소자

Description

발광 소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

실시예는 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 발광 소자로써 발광 다이오드가 많이 사용되고 있다.

발광 다이오드는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN, AlGaInP 등의 화합물 반도체 재료를 이용하여 제작하여 다양한 색을 구현할 수 있는 발광 소자이다.

발광 다이오드는 제1 도전형의 반도체층, 활성층, 제2 도전형의 반도체층을 포함하는 발광 구조층을 형성하고, 상기 제1 도전형의 반도체층 및 제2 도전형의 반도체층에 각각 전원을 제공함에 따라 상기 활성층에서 빛이 방출된다.

상기 제1 도전형의 반도체층은 n형 반도체층이 되고 상기 제2 도전형의 반도체층은 p형 반도체층이 될 수 있으며, 반대로 상기 제1 도전형의 반도체층은 p형 반도체층이 되고 상기 제2 도전형의 반도체층은 n형 반도체층이 될 수 있다.

한편, 발광 다이오드가 다양한 기기의 광원으로 사용됨에 따라 발광 다이오드의 광 효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

실시예는 새로운 구조를 갖는 발광 소자 및 그 제조방법을 제공한다.

실시예는 광 효율이 향상된 발광 소자 및 그 제조방법을 제공한다.

실시예에 따른 발광 소자 제조방법은 실리콘 기판이 준비되는 단계; 상기 실리콘 기판 상에 산화아연막들 및 산화실리콘막들을 교대로 적층한 적층 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 적층 구조물 상에 발광 구조층을 형성하는 단계를 포함한다.

실시예는 새로운 구조를 갖는 발광 소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

실시예는 광 효율이 향상된 발광 소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함 한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 발광 소자 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광 소자는 실리콘(Si) 기판(10)과, 상기 실리콘 기판(10) 상에 언도프트(Un-doped) 질화물층(30)과, 상기 언도프트 질화물층(30) 상에 제1 도전형의 반도체층(40)과, 상기 제1 도전형의 반도체층(40) 상에 활성층(50)과, 상기 활성층(50) 상에 제2 도전형의 반도체층(60)을 포함한다.

또한, 상기 실리콘 기판(10)과 상기 언도프트 질화물층(30) 사이에는 산화아연(ZnO)막 및 산화실리콘(SiO₂)막이 다수의 주기로 반복된 적층 구조물이 형성된다.

예를 들어, 상기 적층 구조물은 하부 산화아연막(21)과 상부 산화아연막(26) 사이에 제1 산화실리콘막(22a)과 제1 산화아연막(22b)을 포함하는 제1 주기층(22)과, 제2 산화실리콘막(23a)과 제2 산화아연막(23b)을 포함하는 제2 주기층(23)과, 제3 산화실리콘막(24a)과 제3 산화아연막(24b)을 포함하는 제3 주기층(24)과, 제4 산화실리콘막(25a)을 포함할 수 있다. 즉, 도 1에서는 상기 하부 산화아연막(21)과 상부 산화아연막(26) 사이에 산화실리콘막들과 산화아연막들이 3주기로 반복되어 적층된 것이 예시되어 있다.

비록, 실시예에서는 3주기로 반복되어 형성된 주기층들이 적층된 적층 구조물이 개시되어 있으나, 상기 산화실리콘막들과 산화아연막들은 3~20주기로 반복되어 적층될 수 있다. 즉, 상기 적층 구조물은 제3 주기층 내지 제20 주기층을 포함할 수 있다.

상기 적층 구조물은 상기 활성층(50)에서 발생된 빛이 상기 실리콘 기판(10)에 흡수되어 소실되는 것을 감소시키기 위한 반사층의 기능을 한다. 상기 적층 구조물을 형성하는 상기 산화아연막과 산화실리콘막은 대략 굴절률이 0.2 정도 차이를 가지며, 굴절률이 다른 두 물질이 반복하여 적층됨에 따라 높은 반사도를 가진 반사층을 형성할 수 있다.

또한, 상기 적층 구조물은 상기 제1 도전형의 반도체층(40), 활성층(50), 및 제2 도전형의 반도체층(60)을 포함하는 발광 구조층이 고품질의 박막으로 성장될 수 있도록 하는 버퍼층의 기능을 한다.

상기 적층 구조물의 최하층 및 최상층에 배치된 하부 산화아연막(21) 및 상부 산화아연막(26) 사이에 배치된 산화실리콘막들(22a,23a,24a,25a) 및 산화아연막들(22b,23b,24b)보다 두껍게 형성된다.

예를 들어, 상기 하부 산화아연막(21)과 상기 상부 산화아연막(26)은 5-20nm의 두께로 형성될 수 있고, 상기 산화실리콘막들(22a,23a,24a,25a) 및 산화아연막들(22b,23b,24b)은 하나의 주기층이 0.5-1nm의 두께로 형성될 수 있다.

상기 하부 산화아연막(21)이 두껍게 형성되기 때문에, 상기 하부 산화아연 막(21) 상의 적층 구조물의 다른 막들은 효과적으로 성장될 수 있다. 또한, 상기 상부 산화아연막(26)이 두껍게 형성되기 때문에, 상기 언도프트 질화물층(30) 또는 상기 발광 구조층은 효과적으로 성장될 수 있다.

제1 실시예에 따른 발광 소자 제조방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 실리콘 기판(10)이 준비된다. 상기 실리콘 기판(10)은 사파이어 기판에 비해 열전도도가 우수하기 때문에, 열방출 효과가 좋고, 레이저 리프트 오프 방식 외에 화학적 에칭 방식으로 제거가 가능한 장점이 있다.

상기 실리콘 기판(10) 상에 스퍼터 장비 또는 CVD 장비를 이용하여 상기 하부 산화아연막(21)을 5-20nm의 두께로 형성하고, 상기 하부 산화아연막(22a) 상에 제1 산화실리콘막(22a)을 0.25-0.5nm의 두께로 형성한다. 그리고, 상기 제1 산화실리콘막(22a) 상에 산화아연막들 및 산화실리콘막들을 교대로 각각 0.25-0.5nm의 두께로 형성한다. 마지막으로 상기 산화실리콘막 상에 상기 상부 산화아연막(26)을 5-20nm의 두께로 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 산화실리콘막들 및 산화아연막들은 3-20주기 반복되어 적층될 수 있다.

상기 상부 산화아연막(26) 상에 상기 언도프트 질화물층(30)을 형성한다. 예를 들어, 상기 언도프트 질화물층(30)은 MOCVD 장비 내에 수소 가스, 암모니아 가스, 트리메틸 갈륨(TMGa)가스를 주입하여 형성한 언도프트 GaN층이 될 수도 있다.

상기 언도프트 질화물층(30) 상에 상기 발광 구조층을 MOCVD 장비를 이용하여 형성한다.

먼저, 상기 언도프트 질화물층(30) 상에 상기 제1 도전형의 반도체층(40)을 형성한다. 상기 제1 도전형의 반도체층(40)은 n형 불순물이 포함된 GaN 기반 반도체층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형의 반도체층(40)은 실리콘(Si)이 주입된 InGaN, AlGaN, 또는 InAlGaN 중 어느 하나가 될 수 있다.

상기 제1 도전형의 반도체층(40) 상에 활성층(50)을 형성한다. 상기 활성층(50)은 다중양자우물구조(MQW)로 형성될 수도 있으며, 예를 들어, 상기 활성층(50)은 InGaN/GaN 적층 구조로 형성될 수 있다.

상기 활성층(50) 상에 제2 도전형의 반도체층(60)을 형성한다. 상기 제2 도전형의 반도체층(60)은 p형 불순물이 포함된 GaN 기반 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형의 반도체층(60)은 마그네슘(Mg)이 주입된 InGaN, AlGaN, 또는 InAlGaN 중 어느 하나가 될 수 있다.

도 2는 제2 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다. 제2 실시예에 따른 발광 소자를 설명함에 있어서 제1 실시예에 따른 발광 소자의 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

도 2를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광 소자는 제1 실시예에 따른 발광 소자를 이용한 수평형 발광 소자이다.

상기 실리콘 기판(10) 상에 산화아연막들 및 산화실리콘막들을 포함하는 적층 구조물이 형성되고, 상기 적층 구조물 상에 언도프트 질화물층(30)이 형성되며, 상기 언도프트 질화물층(30) 상에 상기 제1 도전형의 반도체층(40), 활성층(50), 및 제2 도전형의 반도체층(60)을 포함하는 발광 구조층이 형성된다.

상기 제1 도전형의 반도체층(40), 활성층(50), 및 제2 도전형의 반도체 층(60)은 선택적으로 제거된다. 그리고, 상기 제1 도전형의 반도체층(40) 상에 제1 전극층(80)이 형성되고, 상기 제2 도전형의 반도체층(60) 상에 제2 전극층(90)이 형성된다.

상기 제2 도전형의 반도체층(60)과 상기 제2 전극층(90) 사이에는 오믹 접촉층(70)이 형성될 수도 있으며, 상기 오믹 접촉층(70)과 상기 제2 전극층(90) 사이에는 반사층(미도시)이 형성될 수도 있다.

또한, 상기 언도프트 질화물층(30)은 선택적으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 언도프트 질화물층(30)이 형성되지 않고 상기 적층 구조물 상에 상기 제1 도전형의 반도체층(40)을 형성하는 것도 가능하다.

제2 실시예에 따른 발광 소자는 상기 제1 전극층(80) 및 제2 전극층(90)으로부터 전원이 인가되면 상기 활성층(50)에서 빛이 방출된다. 상기 활성층(50)에서 방출된 빛의 일부는 상기 적층 구조물에서 반사되어 외부로 효과적으로 추출될 수 있다.

도 3은 제3 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다. 제3 실시예에 따른 발광 소자를 설명함에 있어서 제1 실시예에 따른 발광 소자의 설명과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

도 3을 참조하면, 제3 실시예에 따른 발광 소자는 제1 실시예에 따른 발광 소자를 이용한 수직형 발광 소자이다.

상기 실리콘 기판(10)의 아래에 제1 전극층(80)이 형성되고, 상기 제2 도전형의 반도체층(60) 상에 제2 전극층(90)이 형성된다. 상기 제1 전극층(80)은 선택적으로 형성될 수 있다.

제3 실시예에 따른 발광 소자는 상기 제1 전극층(80) 및 제2 전극층(90)으로부터 전원이 인가되면 상기 활성층(50)에서 빛이 방출된다. 상기 제1 전극층(80)이 형성되지 않은 경우, 상기 실리콘 기판(10) 및 제2 전극층(90)으로부터 전원이 인가되면 상기 활성층(50)에서 빛이 방출된다.

제3 실시예에 따른 발광 소자에서 상기 적층 구조물을 통해 상기 제1 도전형의 반도체층(40)에 전원을 제공한다. 상기 적층 구조물에는 산화실리콘막을 포함하기 때문에, 주기층들의 수가 많거나 주기층들이 두껍게 형성되는 경우 절연 특성에 의해 전원이 효과적으로 제공되지 않는다. 따라서, 상기 제1 도전형의 반도체층(40)에 원활히 전원을 공급하기 위해 상기 주기층들의 두께는 2.5nm 정도로 얇게 형성하고, 상기 주기층들은 3~5주기 형성되도록 한다.

한편, 상기 제1 전극층(80)은 상기 실리콘 기판(10)을 통해 전원이 보다 효과적으로 공급될 수 있도록 하고, 상기 실리콘 기판(10)을 통해 전달된 열이 효과적으로 방출되도록 한다.

비록 도시되지는 않았지만, 수직형 발광 소자를 제작하기 위해 상기 실리콘 기판(10)을 제거하는 것도 가능하다. 상기 실리콘 기판(10)은 레이저 리프트 오프 외에 화학적 에칭 공정을 통해 제거할 수 있다. 또한, 상기 주기층들의 전부 또는 일부를 제거하는 것도 가능하다. 상기 실리콘 기판(10) 또는 상기 주기층들의 전부 또는 일부를 제거하는 경우에도 상기 제1 전극층(80)을 형성할 수도 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다.

도 2는 제2 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다.

도 3은 제3 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다.

Claims

실리콘 기판;

상기 실리콘 기판 상에 적층 구조물; 및

상기 적층 구조물 상에 제1 도전형의 질화물 반도체층, 질화물 활성층 및 제2 도전형의 질화물 반도체층을 포함하는 발광 구조층을 포함하고,

상기 적층 구조물은 복수의 산화실리콘막들 및 복수의 산화아연막들이 교대로 적층되는 발광 소자.
제 1항에 있어서,

상기 적층 구조물의 최상층과 최하층에는 상기 산화아연막이 배치되는 발광 소자.
제 1항에 있어서,

상기 적층 구조물은 하나의 산화실리콘막과 하나의 산화아연막이 하나의 주기층을 이루고, 상기 주기층은 3-20주기 적층되는 발광 소자.
제 1항에 있어서,

상기 적층 구조물과 상기 발광 구조층 사이에 언도프트 질화물층을 포함하는 발광 소자.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 제1 도전형의 질화물 반도체층 상에 제1 전극층 및 상기 제2 도전형의 질화물 반도체층 상에 제2 전극층을 포함하는 발광 소자.
제 6항에 있어서,

상기 제2 도전형의 질화물 반도체층과 상기 제2 전극층 사이에 오믹 접촉층을 포함하는 발광 소자.
제 1항에 있어서,

상기 제2 도전형의 질화물 반도체층 상에 제2 전극층을 포함하는 발광 소자.
제 8항에 있어서,

상기 제2 도전형의 질화물 반도체층과 상기 제2 전극층 사이에 오믹 접촉층을 포함하는 발광 소자.
삭제
제 8항에 있어서,

상기 적층 구조물은 하나의 산화실리콘막과 하나의 산화아연막이 0.5-1nm의 두께를 갖는 하나의 주기층을 이루고, 상기 주기층은 3-5주기 적층되는 발광 소자.
실리콘 기판이 준비되는 단계;

상기 실리콘 기판 상에 산화아연막들 및 산화실리콘막들을 교대로 적층한 적층 구조물을 형성하는 단계; 및

상기 적층 구조물 상에 제1 도전형의 질화물 반도체층, 질화물 활성층 및 제2 도전형의 질화물 반도체층을 포함하는 발광 구조층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자 제조 방법.
제 12항에 있어서,

상기 적층 구조물은 최상층 및 최하층에 상기 산화아연막이 배치되는 발광 소자 제조방법.
제 12항에 있어서,

상기 적층 구조물은 하나의 산화실리콘막과 하나의 산화아연막이 하나의 주기층을 이루고, 상기 주기층은 3-20주기 적층되는 발광 소자 제조방법.