KR101202838B1 - 결정결함 내에 스피어를 포함하는 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
결정결함 내에 스피어를 포함하는 발광소자 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 반도체박막의 결정결함 내에 스피어가 형성되어, 광추출효율이 향상되며 공정이 단축되어 제조비용이 감소되는 효과를 낼 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광추출 효율을 향상시키기 위하여 반도체박막의 결정결함 내에 스피어를 위치시키는 구조를 갖는 발광소자와 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 발광 다이오드(light emitting diode ; LED)와 같은 발광소자의 용도가 일반조명영역으로 확대됨에 따라, 발광다이오드의 발광효율 및 광추출 효율을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
발광소자의 활성층의 발광효율을 증대시키기 위해서는 박막의 품질이 향상되어야 한다.
발광소자의 광추출효율을 향상시키기 위해서는 기판 또는 반도체박막의 표면구조를 변경하는 방법이 있다. 발광소자에는 기판과 소자 표면 사이에 광 도파로(light waveguide)와 같은 구조가 형성된다. 이로 인해, 활성층에서 생성된 광이 소자 표면, 기판 경계면, 혹은 기판 뒷면 경계면에서 내부 전반사됨에 따라, 상당한 광량이 외부로 방출되지 못하고 내부에서 소실됨으로써 광추출 효율이 낮아지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 p형층 또는 n형층 표면에 표면 거칠기를 주는 방법(ex; surface roughenning) 또는 기판 자체에 반사 또는 산란 센터를 형성(Patterned Sapphire Substrate)하여 전반사 되는 빛의 경로를 굴절시키는 방법이 제시되었으나, 이러한 종래의 발광소자는 최적조건을 찾아내서 공정에 적용하기위해 시간이 많이 소요되고 비용이 많이 소요되는 단점이 있었다.
반도체박막 내의 결정결함은 격자불일치, 불순물 등의 이유로 형성되게 되는데, 현실적으로 이를 완벽히 방지하는 것은 불가능하다.
그래서 종래에는 반도체박막의 표면을 식각하여 결정결함이 형성된 부분을 제거하였다.
그러나 이러한 종래의 방법은 식각공정에서 제거될 부분을 감안하여 반도체박막을 더 두껍게 형성하여야 했으므로 제조에 많은 시간이 소요되고, 제조비용이 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 종래의 발광소자 및 그 제조방법이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 결정결함을 광추출효율 향상시키기 위한 반사 또는 산란 센터로 사용하여, 광추출효율이 향상되고, 공정이 단축되며, 제조비용이 감소되는 효과를 낼 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 반도체 박막; 상기 반도체 박막 표면상의 결함; 그리고 상기 결함 내에 위치한 스피어를 포함한다.
본 발명에 따른 발광소자는 반도체 박막; 상기 반도체 박막 표면상의 결함; 그리고 상기 결함 내에 위치한 스피어를 포함한다.
본 발명에 의한 발광소자의 제조방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 반도체 박막을 성장시키는 단계; 상기 반도체 박막 상에 스피어를 분산시키는 단계; 상기 분산 후 반도체박막을 성장시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 반도체 박막 상에 스피어를 분산시키는 단계에 이어 상기 결함 내에 위치한 스피어 외의 나머지 스피어를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 박막을 성장시키는 단계에서, 800℃ 내지 1000℃의 성장온도를 유지하여 박막 상의 결함을 키울 수 있다.
또한, 상기 반도체 박막을 성장시키는 단계에 이어, 박막상의 결함을 키우기 위해 습식식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 분산 후 반도체박막을 성장시키는 단계 이후에 기판과 반도체박막을 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 발광소자 및 그 제조방법은, 반도체 박막의 결함 내에 스피어를 위치시켜 광추출효율이 향상되고, 공정이 단축되며 제조비용이 감소되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 내의 스피어를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 내의 스피어를 위치시키는 제조공정의 도식도.
도 3은 종래의 발광소자 표면에 형성된 결정결함의 SEM사진.
도 4a는 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 SEM사진.
도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 내에 스피어가 위치된 SEM사진.
도 4c는 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 내에 스피어가 위치된 후 다시 증착된 발광소자의 SEM사진.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 발광소자의 제조공정 개략도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 발광소자의 제조공정 개략도.
도 7은 본 발명의 의한 결정결함의 감소 특성값.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 내의 스피어를 위치시키는 제조공정의 도식도.
도 3은 종래의 발광소자 표면에 형성된 결정결함의 SEM사진.
도 4a는 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 SEM사진.
도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 내에 스피어가 위치된 SEM사진.
도 4c는 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결정결함 내에 스피어가 위치된 후 다시 증착된 발광소자의 SEM사진.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 발광소자의 제조공정 개략도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 발광소자의 제조공정 개략도.
도 7은 본 발명의 의한 결정결함의 감소 특성값.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 본 발명은 이하에서의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 특허청구범위가 제시하는 범위 내에서 다양한 형태로 구현될 수 있다.
또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다.
먼저 발광소자의 구조에 대해 설명한 후, 상기 발광소자의 제조방법에 대해 설명한다. 본 실시예에 의한 발광소자는 LED(Light Emitting Diode)를 예로 들어 설명하나 이에 한정하는 것은 아니다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 발광소자는 기판(10); 상기 기판(10)상에 형성된 반도체박막(20); 상기 반도체박막(20) 표면상의 결함(21); 그리고 상기 결함(21) 내에 위치한 스피어(30)를 포함하여 구성된다.
상기 기판(10)은 사파이어 기판(sapphire substrate), 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 아연 산화물(ZnO) 기판, 갈륨 비소화물(GaAs) 기판 및 갈륨 인화물(gallium phophide;GaP) 기판 중의 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 사파이어 기판을 사용하였다.
상기 반도체박막(20)은 n형층과 활성층 및 p형층을 포함하며, Si 박막, GaN 박막, AlN 박막, InGaN 박막, AlGaN 박막, AlInGaN 박막 및 이들을 포함하는 반도체 박막층 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 n형층은 다수 캐리어가 전자인 층으로서, n형 반도체박막과 n형 클래드층으로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 반도체박막(20)으로 GaN 박막을 사용하였다.
상기와 같은 반도체박막(20)은 한층으로 형성할 수도 있으나, 다층의 반도체박막이 적층되어 있는 구조가 될 수도 있다.
상기 반도체박막(20)을 다수의 반도체박막으로 형성하는 경우에는 기판(10) 상에 제1도전형의 반도체박막이 형성되고, 그 위에 활성층, 제2도전형의 반도체박막이 형성된다.
이러한 제1도전형의 반도체박막은 다수 캐리어가 전자인 n형 반도체박막으로서 전술한 반도체박막에 Si, Ge, Se, Te, C 등과 같은 n형 불순물을 주입하여 형성할 수 있다.
상기 제2도전형의 반도체박막은 다수 캐리어가 정공인 p형 반도체박막으로서, 전술한 반도체박막에 Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 불순물을 주입하여 형성할 수 있다.
상기 활성층은 n형층에서 제공된 전자와 p형층에서 제공된 정공이 재결합되면서 소정 파장의 광을 출력하는 층이다.
이러한 활성층은 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)을 교대로 적층하여 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 (multiple quantum well) 구조를 갖는 다층의 반도체박막으로 형성할 수 있다.
이때, 활성층을 이루는 반도체 재료에 따라 출력되는 광의 파장이 변화되므로, 목표로 하는 출력 파장에 따라 적절한 반도체 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
상기 결함(21)은 반도체박막(20)의 표면 또는 내부에 형성되는 결정결함으로서, 결정결함이란 결정격자에서의 원자배열의 비주기성, 불규칙성으로 격자에 변형이 발생한 것이다.
박막 상의 결정결함은 고체의 결정격자에서의 원자배열이 흐트러져서 내부에서의 결정대칭이 흐트러지며 발생한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 결정결함은 반도체박막의 표면 또는 내부에 형성된다.
이에 비하여 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 발광소자의 결함(21)은 종래의 결정결함에 비해 반도체박막의 표면상에 형성된 결정결함의 크기가 더 크며 형성되는 빈도도 증가된다.
종래에는 결정결함을 반도체 소자의 성능을 저하시키고 제조공정을 복잡하게 하는 요소로 보았으나 본 발명에서는 이러한 결정결함을 이용하여 발광소자의 광추출효율을 향상시키기 위한 구조로 사용하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 결함(21)의 하부에는 전위(dislocation)(22, 22')가 형성된다.
상기 전위는 나선전위(Screw dislocation ; S)(22'), 칼날전위(Edge dislocation)(22) 또는 이 두 전위가 혼합된 혼합전위가 형성된다.
반도체박막에 형성된 전위는 재성장된 반도체박막(20')에도 형성되게 되는데 앞서 설명한 결함(21) 내의 스피어(30)는, 이와같이 재성장된 반도체박막(20')에 전위가 발생되는 것을 감소시킨다.
도 7은 스피어(30)가 형성된 경우(With silica)와 형성되지 않은 경우(Conventional)의 결정결함의 밀도를 비교한 도표로서, 스피어(30)가 형성된 경우에는 전위의 발생이 감소되어 재성장된 반도체박막(20')에 형성된 결정결함의 수가 감소된 것을 볼 수 있다.
상기 스피어(30)는 반도체박막의 결정결함(21) 내에 위치되는 구형체로서, 반도체박막(20)의 성장온도에서도 변형되거나 용해되지 않는 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
스피어의 재질은 산화물 계열로 산화실리콘(SiO2), 사파이어(Al2O3), 산화타이타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO2), Y2O3-ZrO2, 산화구리(CuO, Cu2O), 산화탄탈륨(Ta2O5), 또는 GeO2 로 형성할 수 있으나, 백색으로 광반사율이 높고, 저렴한 산화실리콘을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 스피어(30)는 졸-겔 방법으로 형성될 수 있다.
상기 스피어(30)는 발산되는 광의 파장에 따라 수 ㎚에서 수 ㎛의 크기까지 다양한 크기로 형성할 수 있으나, 반도체박막에 형성되는 결정결함의 크기가 일반적으로 수 ㎛임을 감안하면, 결정결함(21)보다 작은 직경 50㎚ ~ 3㎛ 이내의 크기로 형성하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 산화실리콘(SiO2)으로 형성된 스피어(30)를 사용하였다.
상기와 같은 구조로 형성된 발광소자는, 활성층에서 생성된 후 외부로 방출되지 못하고 기판의 내부로 향한 빛이 다시 결정결함 내의 스피어(30)에 의해 난반사가 되어 외부로 방출되므로 광추출 효율이 높아지게 된다.
본 발명의 제2실시예에 따른 발광소자는 GaN 박막; 상기 박막 표면상의 결함; 그리고 상기 결함 내에 위치한 스피어(30)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 제2실시예에 따른 발광소자는 제1실시예의 발광소자에서 기판(10)을 분리하여 반도체 박막만을 남긴 실시예이다.
상기 기판(10)과 반도체 박막 간의 분리에는 레이저 리프트 오프(lift-off)에 의한 물리적 방법과 습식식각에 의한 화학적 방법을 사용할 수 있다.
상기와 같이 발광소자의 기판(10)을 제거하면 발광소자의 발열에 유리하다.
다음으로 본 발명의 발광소자의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명에 의한 발광소자의 제조방법의 실시예는, 발광소자가 LED인 예이다.
먼저 본 발명의 발광소자의 제조방법의 제1실시예는 기판(10)을 준비하는 단계; 상기 기판(10)상에 GaN박막을 성장시키는 단계; 상기 박막상에 스피어(30)를 분산시키는 단계; 상기 분산후 반도체박막을 성장시키는 단계를 포함한다.
먼저 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 기판(10)을 준비한다.
그 다음으로 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상부에 GaN박막을 형성한다.
이렇게 형성된 박막의 상부에는 결정결함이 생성되게 되는데, 이러한 결함을 더욱 크게 하기 위하여 GaN박막층을 낮은 성장온도에서 성장시키는 것이 바람직하다.
성장온도가 800℃ 미만이면 GaN박막이 성장하지 않으며, 1000℃를 넘게되면 결정결함이 낮은 빈도로 생기게 되므로, 800℃ 내지 1000℃의 성장온도에서 성장시키는 것이 바람직하다.
또한, GaN박막이 성장된 이후에 표면을 습식식각하여 기존에 형성된 결정결함의 크기를 더욱 크게하는 것도 가능하다.
결함의 크기를 키워서 스피어(30)의 크기에 맞는 정도에서 중단시키고 스피어(30)를 분산시킨다. 스피어(30)의 크기는 앞서 설명한 바와 같이 다양하게 조절할 수 있다.
박막의 결함을 형성하는 방법으로 습식식각을 이용하지 않고 낮은 온도(800℃ ~ 1000℃) 사이에 형성할 경우 V-형태의 결함을 포함하는 박막을 형성시킬 수 있다. 온도가 높을수록 V-형태의 빈도수가 작아지게 되고 온도가 낮을수록 결정결함의 빈도는 크게 나타난다(약 1x105cm-2 ~ 약 1x108cm-2).
그 다음으로 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 결함이 형성된 GaN박막의 표면에 스피어(30)를 분산시킨다.
본 실시예에서는 산화실리콘(SiO2)로 형성된 스피어(30)를 예로 들어 그 제조 방법을 설명한다.
먼저 구형인 스피어(30)를 만들기 위하여 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 무수 에탄올에 녹여 제1용액을 만들고, 암모니아 에탄올 용액과 탈이온화된(deionized) 물과 에탄올을 섞어 제2용액을 제조한다.
상기 제조공정에서 암모니아는 스피어(30)를 만들기 위한 촉매제로 작용한다.
그 다음으로, 제1용액과 제2용액을 섞은 후, 소정 온도에서 소정 시간 동안 교반하면 구형의 산화실리콘 스피어(30)가 만들어진다.
이와 같은 공정으로 얻어진 스피어(30)가 포함된 용액으로부터 원심분리를 통하여 스피어(30) 분리한 후에 에탄올로 세정한 후, 에탄올 용액에 재분산시키면 슬러리(slurry)와 유사한 형태의 스피어(30)가 분산된 용액을 얻을 수 있다.
상기 스피어(30)는 제조 조건, 즉 반응 시간, 온도, 반응 물질의 양에 따라 그 크기를 다양하게 제조할 수 있다.
이렇게 얻어진 스피어(30)가 분산된 용액을 드롭(drop), 딥핑(dipping), 스핀 코팅(spin coating)과 같은 방법을 이용하여 박막 위에 코팅한다.
이때, 코팅 시간과 횟수를 적절하게 제어하면 박막 상의 스피어(30)의 밀도를 다양하게 조절하는 것이 가능하다.
상기 스피어(30)들 사이로 노출된 박막 표면에서 반도체 박막이 다시 성장되게 되는데, 스피어(30)가 너무 밀집되어 형성되면, 반도체 박막의 성장이 곤란하게 되므로, 반도체 박막의 성장속도를 저하시키지 않도록 스피어(30)의 밀도를 조절한다.
상기 스피어(30)를 GaN박막의 표면에 분산시키면, 상기 스피어(30) 중의 일부는 결함(21) 내에 쌓이게되며, 나머지는 결함이 형성되지 않은 박막(20)의 상면에 쌓이게 된다.
그 다음으로 도 5(d)에 도시된 바와 같이, GaN을 다시 성장시키게 되면, 스피어(30)와 기존의 반도체박막(20) 상에 반도체박막(20')이 형성되게 된다.
도 4a 및 도 4b와 도 4c를 비교해보면, 스피어(30)에 반도체박막(20')을 재성장시킨 후에는, 재성장된 반도체박막(20')의 표면에는 결함이 감소된 것을 볼 수 있다.
이러한 단계를 거치면 결함 내에 스피어(30)가 형성된 반도체 발광소자가 형성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 발광소자의 제조방법의 제2실시예는 상기 박막 상에 스피어(30)를 분산시킨 후 나머지 스피어(30)를 제거하는 단계를 포함한다. 제거는 물을 이용한 클리닝(cleaning 또는 rinse)이 적용될 수 있다.
도 6(d)에 도시된 바와 같이, 결함(21'') 내에 위치한 스피어 외의 나머지 스피어를 제거하는 단계를 제외하고는 제조방법의 제1실시예와 크게 다르지 않으므로 자세한 설명은 생략한다.
이와 같이, 결함의 외부에 분산된 스피어(30)를 제거하면 상부에 재성장되는 반도체 박막(20'')의 성장속도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 특정실시예를 들어 설명하였지만 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서는 얼마든지 수정 및 변형이 가능하다.
10 ; 기판 20, 20', 20'' ; GaN 박막
21, 21', 21'' ; 결함 22, 22' ; 전위
30 ; 스피어
21, 21', 21'' ; 결함 22, 22' ; 전위
30 ; 스피어
Claims (7)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 상부에 결함을 가지는 반도체 박막을 성장시키는 단계;
상기 반도체 박막 상에 스피어를 분산시키는 단계;
상기 결함 내에 위치한 스피어를 제외한 나머지 스피어를 제거하는 단계;
상기 스피어를 제거하는 단계이후 반도체 박막을 성장시키는 단계를 포함하는 발광소자의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 반도체 박막을 성장시키는 단계에서,
800℃ 내지 1000 ℃의 성장온도를 유지하여 박막 상의 결함을 키우는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 반도체 박막을 성장시키는 단계에 이어,
박막상의 결함을 키우기 위해 습식식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 스피어를 제거하는 단계이후 반도체박막을 성장시키는 단계 이후에 기판과 반도체 박막을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
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