KR101253198B1 - 무분극 이종 기판, 이를 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

무분극 이종 기판, 이를 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로 특히, 무분극 이종 기판, 이를 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 무분극 기저 기판; 상기 기판 상에 위치하는 질화물 기저층; 질화물 기저층 상에 위치하며, 다수의 공기 간극을 포함하는 결함완화층; 및 상기 결함완화층 상에 위치하는 질화물 반도체층을 포함하여 구성된다.

Description

무분극 이종 기판, 이를 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 {Non-polar substrate having hetero-structure, nitride-based light emitting device using the same, and method for the same}
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로 특히, 무분극 이종 기판, 이를 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
청색 발광 다이오드와 같은 반도체 소자의 재료로 사용되는 질화 갈륨은 육방정계(Wurzite) 결정 구조를 가지는 재료로서, 주로 c-면의 결정 방향으로 박막을 성장하게 된다. 그 이유는 c-면의 결정 방향으로 성장하는 경우가 수평 성장이 용이하여 전위 등의 결함이 적은 고 품질의 박막을 얻을 수 있기 때문이다.
이때, 성장 방향을 기준으로 할 때 동일 평면 상에 질소층과 갈륨층이 교차하여 반복되는 결정 구조를 가지게 된다. 질소와 갈륨 사이에 강한 내부 필드가 존재하게 되고 이에 기인하여 분극 현상이 발생하게 된다.
형성된 내부 필드는 자발 분극(spontaneous polarization) 및 압전 분극(piezo-electric field)의 두 가지 성분으로 나누어지고, InAlGaN 재료와 같은 서로 다른 격자 상수를 가지는 층이 삽입되는 경우, 분극 효과는 증가하여 양자 가둠 스타크 효과(quantum confined Stark effect)가 발생할 수 있다.
예를 들어, 청색 발광 다이오드에서처럼 p-형 및 n-형 GaN 층 사이에 InAlGaN 활성층이 삽입된 구조에서 격자 상수 차이에 의해 층 사이에 변형이 발생하고, 이는 내부 필드를 생성시켜 활성층 에너지 밴드 구조의 구부러짐을 야기시킬 수 있다.
결과적으로 활성층 내에서 전자 및 정공의 파동 함수는 공간적으로 분리가 일어나고 에너지 간극의 크기도 감소하게 되는데, 재결합 효율 저하의 주요 원인이 될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이종 박막 성장 과정에서 발생하는 결정 결함의 형성을 최소화시키고 표면의 평탄도 특성이 우수한 무분극 이종 기판, 이를 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 일정한 형상과 크기의 공기 간극이 삽입되도록 하여 발광 다이오드 표면 방향으로의 광 방출이 용이하도록 하는, 결과적으로 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 무분극 이종 기판, 이를 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 이종 기판을 이용한 무분극 질화 갈륨계 발광 다이오드의 제작에 있어서, 이종 기판을 분리하는 형태의 소자 구조에서 기판의 분리 및 제거가 용이하도록 하여 수율 및 공정 비용을 개선시킬 수 있는 무분극 이종 기판, 이를 이용한 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 1관점으로서, 본 발명은, 무분극 기저 기판; 상기 기판 상에 위치하는 질화물 기저층; 질화물 기저층 상에 위치하며, 다수의 공기 간극을 포함하는 결함완화층; 및 상기 결함완화층 상에 위치하는 질화물 반도체층을 포함하여 구성된다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 1관점으로서, 본 발명은, 무분극 기판 상에 질화물 기저층을 성장하는 단계; 상기 질화물 기저층 상에 단위 구조 사이의 거리가 실질적으로 일정한 다수의 단위 구조를 가지는 마스크층을 형성하는 단계; 및 상기 마스크층 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
첫째, 무분극 a 면 질화 갈륨계 이종 기판의 성장에 있어서, 단위 구조의 패턴을 이루는 마스크층을 포함하는 결함완화층을 이용하고 결정 성장 모드를 제어함에 의해, 결함 밀도를 현저히 감소시키고 발광 다이오드 소자에서 광 추출 효율을 개선시킬 수 있다.
둘째, 마스크층으로 사용되는 유전체층을 질화물 반도체층의 성장 도중에 혹은 성장이 완료된 후에 제거하여 유전체층 상에 형성되는 공기 간극의 형상 및 부피를 제어할 수 있어 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선 시킬 수 있다.
세째, 수직형 발광 다이오드의 구조에서 공기 간극의 존재에 의해 기판의 분리를 용이하게 하고 n-형 질화물 반도체층 표면 상에 별도의 공정 없이 광 추출 패턴을 구현할 수 있어 발광 다이오드의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 무분극 이종 기판의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 마스크층 패턴의 형상과 성장 과정을 나타내는 개략도이다.
도 3은 이종 기판의 현미경 사진이다.
도 4는 얇은 단위 구조를 가지는 이종 기판의 SEM 사진이다.
도 5는 도 4의 A 부분 확대도이다.
도 6은 두꺼운 단위 구조를 가지는 이종 기판의 SEM 사진이다.
도 7은 도 6의 B 부분 확대도이다.
도 8은 단위 구조를 제거한 상태의 이종 기판을 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 8과 같은 구조의 이종 기판의 SEM 사진이다.
도 10은 도 9의 C 부분 확대도이다.
도 11 및 도 12는 단위 구조 상에서 질화물 반도체층의 성장을 나타내는 SEM 사진이다.
도 13 내지 도 19는 서로 다른 형상의 단위 구조를 가지는 마스크층의 예를 나타내는 개략도이다.
도 20은 도 13의 단위 구조에 의해 형성된 이종 기판을 나타내는 현미경 사진이다.
도 21은 도 14의 단위 구조에 의해 형성된 이종 기판을 나타내는 현미경 사진이다.
도 22는 이종 기판의 다른 예를 나타내는 개략도이다.
도 23은 도 22의 단위 구조의 교차 상태를 나타내는 개략도이다.
도 24는 이종 기판의 CL 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 25는 이종 기판의 XRC FWHM 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 26은 이종 기판을 이용하여 제작된 수평형 발광 다이오드의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 27은 수평형 발광 다이오드의 평면 현미경 사진이다.
도 28은 수평형 발광 다이오드의 일부 확대 현미경 사진이다.
도 29는 수평형 발광 다이오드의 광 출력 향상을 나타내는 그래프이다.
도 30은 수직형 발광 다이오드의 제작 과정을 나타내는 단면도이다.
도 31은 수직형 발광 다이오드의 일례를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
무분극 질화 갈륨은 성장 방향으로의 분극 현상이 존재하지 않은 결정 재료를 의미하는데, c 면과 90°방향으로 회전시킨 방향으로 성장하여 구현할 수 있다.
이 경우 성장 방향을 기준으로 할 때 질소층과 갈륨층이 평면 내에서 동일한 수를 가지기 때문에 성장 방향으로의 내부 필드가 상쇄되어 분극 특성이 나타나지 않는다. 따라서 통상의 c 면 질화 갈륨의 압전 분극에 의한 에너지 밴드의 왜곡 현상이 발생하지 않게 되고, 활성층에서의 전자와 정공의 재결합 효율 감소와 같은 문제점을 개선할 수 있다는 장점을 가진다.
또한 일정 두께 이하로 활성층 설계가 제한되는 c 면 질화 갈륨계 재료와는 달리, 두께의 제한을 크게 완화시킬 수 있어 대전류 구동에 적합한 활성층 설계가 가능할 수 있다. 현재까지, 이러한 이종 기판을 이용한 무분극 질화 갈륨의 박막 성장에 있어서는 주로 r-면의 사파이어 기판 상에 a-면 질화 갈륨을 성장하는 기술이 활용된다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 무분극(non-polar) 이종 기판(100)은, 무분극 기저 기판(110) 상에 질화물 기저층(120)이 위치한다. 무분극 기저 기판(110)은 r-면([1-102] 면) 사파이어 기판이 이용될 수 있다. 그외의 무분극을 가지는 다양한 기판이 이용될 수 있음은 물론이다.
질화물 기저층(120) 상에는 결함완화층(130)이 위치하게 되는데, 이러한 결함완화층(130)은 도 2에서와 같이, 유전체로 이루어지는 다수의 단위 구조(133)를 포함한다. 이러한 단위 구조(133)는 다각형 형상을 이룰 수 있고, 단위 구조(133) 사이의 폭(w)은 실질적으로 일정한 것이 유리하다.
이와 같이, 결함완화층(130)이 위치하는 상태에서 질화물 반도체층(140)을 성장시키게 되면, 도 2에서와 같이, 주로 c 방향([0001] 방향)과 -c 방향([000-1] 방향)의 수평 방향으로 질화물 반도체 결정이 성장하게 되는데, c 방향의 성장이 더 많이 이루어진다.
즉, 측면 성장의 전개는 a 면 질화 갈륨 결정 방향에 결정되는 이방성 특징을 가진다. 성장 전개의 기본적인 원리는 m 방향으로는 측면 방향으로의 성장이 거의 이루어지지 않으며 c 방향을 중심으로 성장이 일어나게 된다.
특히 c 방향에 있어서 +c 방향으로는 빠른 측면 성장이 발생하고, -c 방향으로는 상대적으로 적은 성장 속도를 가지게 된다.
즉, 무분극 질화 갈륨계 이종 박막 성장에서는 평면 방향으로 등방성의 성장 특성을 가지는 c 면 질화 갈륨과 달리, 평면 방향으로 이방성의 박막 성장 특성을 가지고 있으며 특히 c 면 방향으로의 성장이 우선되는 특징을 가진다.
따라서 결함이 적은 고품위의 질화 갈륨층을 성장하기가 용이하지 않고 평탄한 표면 특성을 가지는 박막을 구현하는 것이 용이하지 않다. 일반적으로는 사파이어 등과 같은 이종기판과 질화 갈륨계 재료 사이의 격자 상수 불일치와 열팽창 계수의 차이 등에 기인하여 전위(dislocation) 등의 결함이 발생할 수 있다.
이와 같은 결함은 결함완화층(130)에 의하여 효과적으로 감소될 수 있고, 결국 질화물 반도체층의 품질과 광 추출 효율이 크게 향상될 수 있는 것이다.
이렇게 질화물 반도체 결정이 성장하여 질화물 반도체층(140)이 이루어지면 단위 구조(133)의 외곽선(131)을 따라 질화물 반도체가 성장하다가 만나게 되어, 단위 구조(133) 상에는 공기 간극(132)이 위치하게 된다.
즉, 질화물 반도체의 성장 과정에서 큰 수평 방향 및 수직 방향으로의 성장 속도 차이에 의해 단위 구조(133)를 이루는 유전체의 상부 영역에 경사면을 갖는 대략 피라미드 형태의 비어 있는 공간이 만들어지는데, 이 공간이 공기 간극(132)을 이루게 되는 것이다.
따라서, 이 공기 간극(132)은 공기의 굴절률을 가지게 되며, 이러한 공기 간극(132)을 가지는 이종 기판(100) 상에 발광 다이오드 구조가 제작되었을 때의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.
이러한 공기 간극(132)이 형성되는 질화물 반도체의 봉합 과정에서 발생하는 비어 있는 공간의 경사각은 수평 방향과 수직 방향의 성장 속도 차이에 의해 결정되어 지며, 성장 조건을 변화시켜 구조물의 경사각을 설계할 수 있다.
이상과 같은 a 면의 결정 방향을 가지는 질화물 반도체층은 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 등의 방법으로 형성할 수 있으며, 본 실시예에서는 MOCVD 방법을 통해 구현하였다.
사파이어 기판을 기저 기판(110)으로 하였고, 질화물 기저층(120)은 다음과 같은 방법으로 형성할 수 있다.
먼저, 사파이어 기판 상에 질화 갈륨 핵 층을 성장한 후, 수직 방향의 성장 속도가 상대적으로 더 빠른 3차원 성장 모드의 질화 갈륨층을 성장한다.
이후, 수평 방향의 성장 속도가 상대적으로 더 빠른 2차원 성장 모드를 통해 질화 갈륨층을 성장하여 이전에 발생한 전위 중 다수의 전개 방향을 수직 방향에서 꺾어지도록 하여 표면으로 전파되는 전위를 감소시켜 일차적으로 결함 밀도를 감소시킨 무분극 질화물 기저층(120)을 형성하였다.
이와 같이 준비된 질화물 기저층(120) 상에 10 내지 1000 nm 두께의 실리콘 산화막을 마스크층으로 증착하였고, 일정한 간격으로 분리되어 있는 특정한 모양의 패턴을 형성하였다. 실리콘 산화막의 증착은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방식 혹은 sputter 등의 방식을 사용한다.
측면 성장의 전개는 a 면 질화 갈륨층의 결정 방향별로 다른 특성을 가진다. 3차원 성장 모드의 질화 갈륨층의 두께는 10 내지 3000 nm 범위의 두께를 가질 수 있으며, 2차원 성장 모드의 질화 갈륨층의 두께는 1000 내지 5000 nm의 두께를 가질 수 있다.
도 3에서는 이와 같은 과정에서 형성된 공기 간극(132)의 형상을 현미경 사진으로 나타내고 있다. 즉, 이러한 공기 간극(132)은 결함완화층(130) 내에서 단위 구조(133)와 함께 규칙적으로 배열되어 위치하게 된다. 따라서 공기 간극(132)들 사이의 평균 거리는 실질적으로 동일할 수 있다.
도 3의 예에서는 육각형의 모양을 가지고 일정한 간격을 가지는 실리콘 산화막 패턴을 단위 구조(133)로 이용하여, 전체 영역에 고품위의 질화물 반도체층(140)이 성장된 것을 확인할 수 있으며, 앞서 기술한 바와 같이 봉합 영역을 중심으로 피라미드 형상의 비어 있는 공간의 공기 간극(132)이 형성된 것을 볼 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 질화물 기저층(120)에서 시작되는 관통 전위와 같은 결정 결함(다수의 수직선으로 표기)은 상당수가 단위 구조(133)에 의하여 차단이 되는데, 따라서 이 단위 구조(133)는 결정 결함을 차단하기 위한 마스크로서 작용할 수 있다. 이하, 다수의 단위 구조(133)를 포함하는 층을 마스크층으로 칭하기로 한다.
이러한 결함은 단위 구조(133) 사이 부분에서 상측으로 이어지는 결함(a)과, 공기 간극(132)을 메우며 이어지는 결함(b)을 포함할 수 있으나, 질화물 기저층(120)의 결함에 비하여 그 밀도가 크게 감소되는 것을 알 수 있다.
도 4에서는 이와 같이, 기저 기판(110) 상에 결함완화층(130)을 통하여 질화물 반도체층이 성장된 이종 기판의 실제 사진을 나타내고 있다. 사진은 이종 기판의 단면을 나타내는 SEM(scanning electron microscope) 관찰 결과이다.
도 5의 확대도에서 나타내는 바와 같이, 단위 구조(133) 상에서 질화물 반도체의 측면 성장에 의하여 봉합이 이루어져, 단위 구조(133; 마스크)에 연결되어 공기 간극(132)이 위치하는 것을 알 수 있다. 여기서 단위 구조(133)는 비교적 얇은 형상으로서 240 nm 두께의 실리콘 산화물(SiO2)가 이용된 예를 나타내고 있다.
한편, 도 6에서와 같이, 비교적 두꺼운 단위 구조(133)를 이용할 수도 있는데, 도 6 및 도 7에서는, 1 ㎛ 두께의 실리콘 산화물이 이용된 예를 나타내고 있다.
이때, 도 8에서와 같이, 단위 구조(133)는 제거될 수 있다. 즉, 결함완화층(130) 상에 질화물 반도체층(140)을 성장시키는 중간 과정 또는 이종 기판(100)의 성장이 완료된 이후에 단위 구조(133)가 제거될 수 있다.
예를 들어, 질화물 반도체층(140)의 성장시 공기 간극(132)이 완전히 매워지기 전에, 일례로 d로 표기되는 부분까지 성장된 경우, 식각과 같은 방법으로 단위 구조(133)를 이루는 유전체 물질이 제거될 수 있다.
이와 같은 과정에 의하여 공기 간극(132)의 형상 및 크기를 제어할 수 있고, 공기 간극(132)의 부피를 확장할 수 있으며, 박막 사이의 응력을 제어할 수도 있다. 또한 마스크층 패턴의 단위 구조(133)의 일부 영역이 연결되어 있는 경우에는 이종 기판(100)의 성장이 완료된 후에도 마스크층의 제거를 수행할 수 있게 된다.
도 9에서는 이와 같이, 단위 구조(133)가 제거된 상태의 결함완화층(130)이 성장된 상태의 이종 기판의 실제 사진을 나타내고 있다. 도 10의 확대 사진에서 나타내는 바와 같이, 단위 구조(133)가 제거된 상태에서 그 외곽선(131)이 평탄화부(131)를 이루고, 이 평탄화부(131)에 공기 간극(132)이 돌출부(132)를 이루어 서로 연결된 상태가 될 수 있다.
이러한 평탄화부(131)의 내부에 부분적으로 질화물 반도체가 성장될 수 있고, 따라서 평탄화부(131)의 내측면은 약간 굴곡진 형태를 이룰 수 있다.
이에 대비하여 보면, 도 5 및 도 7의 상태는 이러한 평탄화부(131)에 단위 구조(133)를 이루는 유전체가 채워진 형태로 볼 수 있다.
도 11 및 도 12에서는 마스크로 이용되는 단위 구조(133)로 이루어지는 마스크층 상에 질화물 반도체가 성장되는 과정을 나타내고 있다. 이는 단위 구조(133)의 형성 이후에 질화물 반도체층의 성장을 중간에 멈추고 관찰한 SEM 사진으로서, 무분극 a 면 질화물 반도체층의 성장 전개에 대한 이방성 성장 특성을 명확하게 보여주고 있다.
도 11에서 원래의 단위 구조의 형상(133a) 위에 질화물 반도체가 주로 c 방향과 -c 방향으로 성장하여 단위 구조(133)가 덮이기 시작한 상태를 나타내고 있다. 수평 방향으로의 성장 속도가 가장 빠른 방향은 +c 방향([0001]) 이며, -c 방향([000-1])으로는 상대적으로 느린 성장 속도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
이에 기인하여 c 방향으로 가장 가까운 간격을 가진 영역에서 서로 반대 방향으로 수평 성장된 질화물 반도체층의 봉합이 우선적으로 발생하게 되며, 이후 단위 구조(133)의 경계에서 가장 먼 내부의 영역으로 질화물 반도체층의 성장이 전개되어 최종적으로 무분극 a 면 질화물 반도체층의 봉합이 전체 영역에 걸쳐 완성되어 진다.
이러한 특징을 고려하여 마스크층의 설계에 있어서 m 방향으로는 일부 영역이 분리되어 질화물 반도체층이 노출되도록 하는 과정이 필요할 수 있으며, 이와 같이 분리된 영역을 통해 질화물 반도체층의 성장이 시작할 수 있도록 할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, c 방향의 성장이 -c 방향의 성장보다 대체적으로 우세하여 도 12와 같은 상태로 단위 구조(133)를 덮게 되며, 이러한 과정에서 공기 간극이 형성됨을 알 수 있다.
도 13 내지 도 19에서는 마스크층의 단위 구조(133)들의 배열 상태의 다양한 예를 도시하고 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 단위 구조(133) 사이의 폭은 일정한 것이 유리하며, 이에 따라 단위 구조(133)의 형상은 삼각형, 사각형, 육각형, 및 일정 폭을 가지는 화살표 형상을 이룰 수 있다.
또한, 이러한 형상의 꼭지점은 c 방향 또는 -c 방향에 정렬되는 것이 이후의 질화물 반도체의 수평 방향 성장에 있어 유리할 수 있다.
도 13 내지 도 15에서는 육각형 형상의 마스크층을 나타내고 있다. 이러한 육각형 형상의 마스크층은 도 13에서와 같이 정육각형의 단위 구조(133)의 배열로 이루어질 수 있고, 도 14에서와 같은 세로 방향으로 길쭉한 육각형의 단위 구조(134)나, 도 15와 같이, 가로 방향으로 길쭉한 육각형 형상의 단위 구조(135)의배열로 이루어질 수도 있다.
또한, 도 16 및 도 17에서와 같이, 일정 폭을 가지는 화살표 형상을 이룰 수 있다. 도 16에서는 이러한 화살표 형상의 단위 구조(136)이 서로 교차하여 위치하는 예를 나타내고, 도 17에서는 화살표 형상의 단위 구조(137)이 일방향으로 정렬된 상태를 나타내고 있다. 이러한 화살표 형상의 배열이 마스크층으로 가능한 이유 중 하나는 이러한 형상이 단위 구조(136, 137)의 배열이 단위 구조(136, 137) 사이의 폭을 일정하게 유지할 수 있기 때문이다.
한편, 도 18과 같이, 마스크층은 정사각형 또는 경우에 따라 직사각형의 단위 구조(138)의 배열로 이루어질 수 있고, 도 19와 같이, 삼각형의 단위 구조(139)의 배열로 이루어질 수도 있다.
도 20 및 도 21에서는 각각 도 13 및 도 14에 해당하는 마스크층에 의하여 실제로 성장된 이종 기판의 현미경 사진을 나타내고 있다.
이와 같은 이종 기판의 결함 밀도는 수평 성장 영역과 수직 성장 영역의 면적 비율(fill factor)에 의해 결정되며 공기 간극(132)은 광 추출 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서 공기 간극(132)의 형상과 크기 및 간격 등은 마스크층의 설계에 따라 최적화시킬 수 있다.
이와 같은 마스크층을 가지는 결함완화층(130)은, 도 22에서와 같이, 복수로 적용될 수 있다. 즉, 제 1결함완화층(130) 상에 제 1질화물 반도체층(140)이 위치하는 상태에서, 단위 구조(153)가 제 1결함완화층(130)의 단위 구조(133)와 엇갈리도록 위치시키는 제 2결함완화층(150)을 구비할 수 있다. 물론, 그 이상의 결함완화층을 복수로 구비할 수도 있다.
따라서 질화물 기저층(120)으로부터 전파되는 결함(a)과, 제 1결함완화층(130)에 의하여 형성될 수 있는 결함(b)을 막을 수 있는 위치에 단위 구조(153)가 위치하는 마스크층을 구비함으로써 결함을 더욱 감소시킬 수 있는 것이다.
이러한 제 2결함완화층(150)도 단위 구조(153)의 외곽면(151)을 따라 질화물 반도체층(160)이 측면 성장되어 공기 간극(152)을 형성하게 되고, 이때의 결함은 도식적으로 이 공기 간극(152)의 형성에 의한 결함(e)만 남게될 수 있음을 알 수 있다.
여기서, 제 1결함완화층(130)의 단위 구조(133)와 제 2결함완화층(150)의 단위 구조(153)는 도 23과 같이, 수직 방향에서 서로 엇갈리는 위치에 배치하는 것이 유리하다. 즉, 제 2결함완화층(150)의 단위 구조(153)의 중심점은 제 1결함완화층(130)의 단위 구조(133) 들의 사이에 위치하도록 배치할 수 있다.
도 24는 이종 기판을 평면 방향에서 CL(cathode-luminescence) 측정을 통해 표면에 존재하는 전위 등의 결함 수준을 측정한 결과이다. 이러한 CL 분석 결과를 통해, 결함 밀도가 크게 감소된 것을 확인할 수 있는데 상대적으로 밝은 영역이 실리콘 산화막으로 형성된 단위 구조(133)가 위치하거나 제거된 영역(131)으로 측면 성장에 의해 질화물 반도체층이 적층된 영역에 해당한다.
밝게 보이는 영역은 발광 재결합이 주변 영역에 비해 높은 것을 의미하는데, 즉, 실리콘 산화막(단위 구조)이 형성되지 않은 영역과 비교하여 결함의 밀도가 현저히 감소된 것으로 판단할 수 있다.
도 25에서는 통상의 이종 기판과 위에서 설명한 결함완화층을 가지는 이종 기판의 XRC FWHM(x-ray rocking curve full-width-half-maximum) 측정 결과를 비교하여 나타내고 있다.
측정 결과를 보면, 결과적으로 결함완화층을 가지는 이종 기판의 결함 밀도의 감소를 통하여 질화물 반도체층의 품질이 효과적으로 개선될 수 있으며, 최종적인 결함 밀도는 마스크층이 차지하는 면적과 질화물 반도체층이 노출된 수직 방향의 성장에 의해 적층되는 영역의 면적 비율(fill factor)에 의해 결정되는 것을 알 수 있다.
도 26에서는 위에서 설명한 이종 기판(100)을 이용하여 수평형 질화물 반도체 발광 소자를 제작한 구조의 일례를 나타내고 있다.
즉, 이종 기판(100) 상에 n-형 질화물 반도체층(210), 활성층(220), 및 p-형 질화물 반도체층(230)이 적층된 발광 소자층(200)이 위치하고, n-형 질화물 반도체층(210)과 전기적으로 연결되는 n-형 전극(310) 및 p-형 질화물 반도체층(230)과 전기적으로 연결되는 p-형 전극(320)이 구비된 구조이다.
이때, 이종 기판(100)의 결함완화층(130)에 위치하는 공기 간극(132)은 굴절률 차이에 의하여 광 추출을 향상시킬 수 있는 광 추출 구조로서 작용할 수 있다. 또한, 질화물 반도체층(140)은 n-형을 띠도록 도핑될 수 있다.
여기서, 단위 구조를 포함하는 마스크층은 제거되어 공기 간극(132)만 남은 상태를 도시하고 있으나, 경우에 따라 단위 구조가 제거되지 않을 수도 있다.
도 27에서는 실제로 제작된 도 26의 구조를 가지는 발광 소자에 전류를 인가하여 소자의 동작 상태의 평면을 나타내고 있다. 도 28은 p-형 전극(320) 측이 확대된 사진으로서, 공기 간극이 규칙적으로 위치하는 것을 알 수 있으며, 도시하는 바와 같이, 피라미드 형태의 공기 간극을 통하여 더 많은 빛이 외부로 방출되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 공기 간극을 갖는 구조를 활용한 광 추출 효율의 개선을 확인할 수 있다.
이와 같은 광 추출 효율의 향상은 광 출력(power)의 향상으로 나타나며, 도 29에 나타난 바와 같이, 통상의 발광 소자에 비하여 광 출력이 크게 향상됨을 알 수 있다. 즉, 약 57%의 광 출력이 증가한 것을 확인할 수 있었는데, 이러한 현상은 이종 기판에 존재하는 결함 밀도의 감소와 공기 간극에 의한 광 추출 효율 개선에 기인한 것으로 볼 수 있다.
위에서 설명한 이종 기판을 이용하여 수직형 발광 소자를 제작할 수도 있다.
고출력 발광 다이오드의 경우, 사파이어 기저 기판을 분리하여 질화물 반도체층 만으로 구성된 소자의 구조를 사용할 수 있는데, 이는 열 방출 특성과 광 추출 효율을 개선하기 위한 것이다.
즉, 도 30에서 도시하는 바와 같이, 이종 기판(100) 상에 n-형 질화물 반도체층(210), 활성층(220), 및 p-형 질화물 반도체층(230)이 적층된 발광 소자층(200)이 위치하고, 이러한 발광 소자층(200) 상에는 반사 전극으로 작용할 수 있는 p-형 전극(330)과 지지층(350)을 포함하는 지지 구조(300)가 구비될 수 있다.
또한, p-형 전극(330)과 지지층(350) 사이에는 결합금속층(340)이 위치할 수 있다. 이러한 지지층(350)에 의하여 지지된 상태에서 이종 기판(100)의 기저 기판(110)은 레이저 리프트-오프 (laser lift-off) 혹은 화학적 리프트-오프 (chemical lift-off)와 방법을 통해 같은 과정에 의하여 분리될 수 있다.
이후, 질화물 기저층(120)이 제거되면 공기 간극(132)이 드러나게 되고, 이러한 질화물 기저층(120)이 제거된 면에 n-형 전극(360)을 형성하면 도 31과 같은 상태가 되는 것이다. 즉, 질화물 기저층(120)의 제거 이후에 공기 간극(132)의 요철 형상에 의해 추가적인 표면 처리 공정 없이 광 추출 효율을 개선시켜 발광 다이오드의 광전 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 31에서는 단위 구조가 제거되어 외곽선(131)과 공기 간극(132)이 발광면 상에서 규칙적으로 위치하는 광 추출 구조(400)로서 작용할 수 있음을 알 수 있다.
n-형 전극(360)은 이러한 광 추출 구조(400)가 위치하지 않은 부분에 형성될 수 있으나, 경우에 따라 광 추출 구조(400) 상에도 위치할 수 있음은 물론이다.
한편 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 이종 기판 110: 기저 기판
120: 질화물 기저층 130: 결함완화층
140: 질화물 반도체층 200: 발광 소자층
210: n-형 질화물 반도체층 220: 활성층
230: p-형 질화물 반도체층 310: n-형 전극
320: p-형 전극 400: 광 추출 구조

Claims (15)

  1. r-면 사파이어를 포함하는 기저 기판;
    상기 기저 기판 상에 위치하고, a-면 질화물계 반도체를 포함하는 질화물 기저층;
    상기 질화물 기저층 상에 위치하며, 다수의 공기 간극을 포함하는 결함완화층; 및
    상기 결함완화층 상에 위치하고, a-면 질화물계 반도체를 포함하는 질화물 반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 공기 간극 사이의 거리는 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 결함완화층은, 상기 공기 간극과 연결되는 평탄화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 평탄화부에는 유전체가 채워진 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 이웃하는 평탄화부 사이의 폭은 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 평탄화부의 형상은, 삼각형, 사각형, 육각형, 및 일정 폭을 가지는 화살표 형상인 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 평탄화부의 꼭지점은 질화물 반도체의 c 방향에 정렬된 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 질화물 반도체층 상에는 다수의 공기 간극이 위치하는 제 2결함완화층이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 이종 기판;
    상기 이종 기판 상에 위치하는 제 1전도성 반도체층;
    활성층;
    제 2전도성 반도체층;
    상기 제 1전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제 1전극; 및
    상기 제 2전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제 2전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 무분극 발광 소자.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 질화물 반도체층은 제 1전도성인 것을 특징으로 하는 무분극 발광 소자.
  11. r-면 사파이어 기판 상에 a-면 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 기저층을 성장하는 단계;
    상기 질화물 기저층 상에 단위 구조 사이의 거리가 실질적으로 일정한 다수의 단위 구조를 가지는 마스크층을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크층 상에 a-면 질화물계 반도체를 포함하는 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 단위 구조의 형상은, 삼각형, 사각형, 육각형, 및 일정 폭을 가지는 화살표 형상인 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판의 제조 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 마스크층 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계는, 상기 마스크층 상에 공기 간극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 질화물 기저층을 제거하고, 상기 공기 간극을 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판의 제조 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 마스크층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무분극 이종 기판의 제조 방법.
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