KR101262953B1 - 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광소자의 광 추출 효율 향상과 질화물 에피층 성장 시 발생하는 관통 전위 결함의 밀도를 줄일 수 있도록 패터닝된 사파이어 기판으로 제조된 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광소자는 광 추출 효율이 우수하고 을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 패턴 사파이어 기판에서 좋은 품위의 질화물을 얻을 수 있도록 만드는 돌출부 측면에서 발생하는 ELOG와 함몰부 측면에서 발생하는 Pendeo가 더해져 관통 전위 밀도를 보다 효율적으로 낮출 수 있다.

Description

질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride semiconductor light emitting deveice and manufacturing method of the same}

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광소자의 광 추출 효율 향상과 질화물 에피층 성장 시 발생하는 관통 전위 결함의 밀도를 줄일 수 있도록 패터닝된 사파이어 기판으로 제조된 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

반도체 발광소자에 있어서 기존의 디스플레이 용도의 BLU 등에 사용되는 저출력 LED 소자를 기반으로 성장한 산업은 최근 들어 조명시장 및 대형 스크린의 BLU에 사용할 고출력, 고효율 광원의 필요성이 대두되면서 그 중심이 점차 상부 발광 구조의 수직형 구조로 옮겨가고 있다. 수직형 구조의 경우 기존 소자에 비해 강한 세기의 빛을 얻을 수 있지만, 아직까지는 빛의 생성 효율이 수평형 구조에 비하여 떨어지고 레이져 리프트 오프 등의 추가 공정 비용 때문에 더 비싸다는 단점이 있다. 이 단점을 극복하려면 더 좋은 품질을 지니는 질화갈륨의 에피층을 얻는 것이 필수적이다.

또한 여전히 수평형 구조 및 플립칩 구조에서 또한 광 추출 효율이 중요하다. 이 경우, 질화갈륨 에피층의 품질(내부양자효율)뿐만 아니라 사파이어를 통해 소자 밖으로 방출되는 빛의 양(외부광추출효율)이 크도록 하는 것이 매우 중요하다.

광 추출과정에서 가장 큰 장벽은 소자에서 각 층간의 굴절률 차에 의한 내부 전반사인데, 이로 인하여 평평한 기판 내에서 특정 각도로 입사한 빛에 대해서는 계속 전반사가 일어나 소자 내에 갇혀있게 된다. 특히나 계면 밖으로 빠져나가지 못한 빛들은 내부에 갇혀 진행하면서 결국 열 손실로 발생하게 되어 소자 성능에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

기존에는 발광소자의 광 추출 효율을 증가시키기 위해 패턴 사파이어 기판에 오목 또는 볼록의 요철구조를 갖도록 식각함으로써, 소자 내부에서 전반사되어 빠져나오지 못하는 빛의 추출 효율이 높아지도록 하였다. 또한 질화물 에피층의 성장 시 ELOG를 통하여 요철의 상부에서 질화물의 측면 방향 성장을 유도하여 전위 결함 밀도가 줄어들도록 하였다.

하지만 기존의 벌집모양의 패턴 사파이어 기판에서는 버퍼층으로부터 성장하는 수직방향의 질화물 에피층의 경우 여전히 상당한 밀도의 전위 밀도를 가지고 있으며, 측면 방향의 성장시에도, 도 1에 나타나 있는 바와 같이 질화 갈륨의 경우 사파이어 기판의 (11-20)와 (1-100) 방향에 따른 성장속도가 달라 불균일한 충진 밀도를 지니는 에피층을 얻게 되어 물성이 떨어지게 되는 단점을 안고있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로는, 기존의 벌집모양의 패턴 사파이어 기판의 요철에 대하여 측면 성장이 잘 되는 방향과 직교하는 방향의 요철 간 간격을 줄임으로써 결정성이 개선되도록 하는 기술을 공개하고 있는 한국등록특허 10-1055266가 있다.

이에 본 발명자들은 상술한 종래기술 상의 문제점을 해결할 수 있는 반도체 광소자를 개발하고자 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

결국 본 발명의 목적은 발광소자의 광 추출 효율 향상과 질화물 에피층 성장 시 발생하는 관통 전위 결함의 밀도를 줄일 수 있는 패턴 사파이어 기판을 적용하여 제조된 발광소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 발광소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기판 위에 제 1도전층, 활성층, 제 2도전층을 포함하는 질화물 반도체층이 위치하고, 제 1도전층 위에는 제1 전극이 형성되고, 제 2도전층 위에는 제 2전극이 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,

상기 제 1 도전층과 접하는 기판의 표면에, 가상의 정삼각형의 꼭지점을 중앙으로 하는 돌출부와, 상기 돌출부와 소정의 간격을 두고 형성되는 가상의 정삼각형의 무게중심을 중앙으로 하는 함몰부로 구성되고, 상기 돌출부와 함몰부는 곡률을 가지는 형상인 반복 패턴을 갖는 질화물계 반도체 발광소자가 제공될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 기판은 사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬, GaN으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 기판은 사파이어일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 질화물은 GaN, AlGaN, GaInN, InGaAIN 로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 질화물은 GaN일 수 있다.

본 발명에 따른 발광소자는 광 추출 효율이 우수하고 을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 패턴 사파이어 기판에서 좋은 품위의 질화물을 얻을 수 있도록 만드는 돌출부 측면에서 발생하는 ELOG와 함몰부 측면에서 발생하는 Pendeo가 더해져 관통 전위 밀도를 보다 효율적으로 낮출 수 있다.

도 1에는 육방정계의 질화물 결정에서 수평성장이 느린 방향과 수평성장이 빠른 방향이 모식도로 나타나 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 패턴 사파이어 기판의 돌출부와 함몰부의 위치가 모식도로 나타나 있다.
도 3에는 일 실시예에 따른 돌출부와 함몰부의 단면 및 결정의 생성원리를 나타내는 모식도이다.

본 발명은 III-V 족 질화물 반도체 발광소자에 사용되는 패턴 사파이어 기판으로 제조된 발광 소자에 관한 것이다.

상기 사파이어 기판은 정삼각형의 꼭지점 위치에 존재하는 돌출부와 무게중심에 위치하는 함몰부의 반복 패턴을 포함한다. 이를 통해 발광소자의 광 추출 효율 향상과 질화물 에피층 성장 시 발생하는 관통 전위 결함의 밀도를 줄이고, 질화물의 수평방향으로의 성장 속도의 편차를 없애 물성을 개선할 수 있다.

본 발명에 기재된 돌출부와 함몰부의 의미는 다음과 같다. 편평한 사파이어 기판을 식각하여 제1 도전층과 접하는 방향으로 양각으로 튀어나오도록 한 부분이 돌출부이며, 그 반대방향인 음각으로 함몰되도록 한 부분이 함몰부이다.

본 발명의 사파이어 기판의 패턴에서는 돌출부와 돌출부 사이, 돌출부와 함몰부 사이에 질화물이 핵형성(nucleation)을 일으킬 수 있는 편평한 영역이 존재한다.

사파이어 기판을 하나의 평면으로 가정하였을 때, 상기 편평한 영역의 전체 면적:돌출부의 전체 면적:함몰부의 전체면적의 비율은 질화물의 성장이 효과적으로 일어나며, 전위 결함 밀도를 줄이고 물성을 개선할 수 있는 범위에서 각각 변동될 수 있다.

본 발명에서 기재하고 있는 상기 돌출부와 함몰부는 일반적으로 사용되는 요부 및 철부로 구성되는 요철과는 그 의미가 다를 수 있다. 통상의 요철구조에는 요부와 철부 사이에 편평한 영역이 존재하지 않을 수 있으므로, 통상의 요철구조와 혼동되는 것을 피하고자 하였다.

상기와 같은 패턴을 통해, 종래의 사파이어 기판과는 달리 본 발명은 박막의 성장 속도와 버퍼층의 성장에 영향을 주지 않으면서도 광 추출 효율을 더욱 증가시킴과 동시에 버퍼층에서 수직방향으로 뻗어나가는 관통 전위 밀도를 줄일 수 있다. 이는 질화갈륨 박막의 수평 성장 속도의 편차가 상기 반복 패턴에 의해 구조적으로 개선되기 때문이다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 발광소자의 광 추출 효율 향상과 질화물 에피층 성장 시 발생하는 관통 전위 결함의 밀도를 줄일 수 있는 패턴을 갖는 기판으로 제조된 발광소자를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기판 위에 제 1 도전층, 활성층, 제 2 도전층을 포함하는 질화물 반도체층이 위치하고, 제 1 도전층 위에는 제 1 전극이 형성되고, 제 2 도전층 위에는 제 2 전극이 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,

상기 제 1 도전층과 접하는 기판의 표면에, 가상의 정삼각형의 꼭지점을 중앙으로 하는 돌출부와, 상기 돌출부와 소정의 간격을 두고 형성되는 가상의 정삼각형의 무게중심을 중앙으로 하는 함몰부로 구성되고, 상기 돌출부와 함몰부는 곡률을 가지는 형상인 반복 패턴을 갖는 질화물계 반도체 발광소자가 제공될 수 있다.

상기 복수의 층으로 형성된 질화물 반도체 발광소자에 대한 일반적인 구조는 한국등록특허 10-1055266, 한국등록특허 10-1068865, 한국등록특허 10-1045950 등 많은 수의 문헌을 통해 공개되어 있으므로, 본원에서는 생략하기로 한다.

상기 기판은 사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬, GaN으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으며, 그 중에서도 사파이어인 것이 보다 바람직하다.

상기 질화물은 GaN, AlGaN, GaInN, InGaAIN 로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으며, 그 중에서도 GaN인 것이 바람직하다.

도 1 은 육방정계 상에서 수평 성장 속도에 질화물의 결정 속도에 차이가 있음을 나타내기 위한 모식도이다. GaN을 질화물로 사용한 경우, 11-20 방향으로는 결정의 생성 속도가 빠르고, 1-100 방향으로는 결정의 생성 속도가 상대적으로 늦다. 이는 발광소자의 제조시 관통 전위 밀도가 증가하여 광 추출 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

이를 개선하기 위해, 상기 본 발명의 기판은 정삼각형을 모티브로 하는 돌출부와 함몰부의 반복 패턴을 갖는다.

도 2에는 본 발명에 따른 패턴 사파이어 기판의 돌출부와 함몰부의 위치가 모식도로 나타나 있다.

도 2를 참고하면, 내부가 채색된 원으로 표시된 부분이 돌출부를 나타내며, 채색되지 않은 원으로 표시된 부분이 함몰부를 나타낸다.

도 2를 참고하면, 상기 기판 상에서 질화갈륨(GaN) 성장 시 성장 방향이 빠른 (11-20) 방향으로 함몰부가 위치하도록 하였을 때, 이와 120도 각도를 이루는 성장 방향이 느린 (1-100)방향이 자동적으로 돌출부 방향으로 일치하게 됨을 알 수 있다. 이러한 돌출부와 함몰부의 패턴를 적용하여 질화갈륨을 성장 시킬 경우, 수평 성장시 속도의 편차에 따라 발생하는 관통 전위 밀도를 낮출 수 있다.

도 2에서 볼 수 있듯이, 상기 정삼각형의 한 변의 길이와, 돌출부및 함몰부 각각의 직경, 그리고 이에 따른 돌출부와 함몰부 경계 간의 거리가 서로 연계하여 달라질 수 있다. 이때, 상기 돌출부와 함몰부의 경계가 겹치는 것은 바람직하지 않다. 돌출부와 함몰부의 경계 사이에는 일정한 거리를 두어 편평한 영역이 존재하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 편평한 영역에서 질화물의 결정핵형성(nucleation)이 일어나 결정의 성장이 보다 효과적으로 이루어질 수 있기 때문이다.

상기 돌출부 및 함몰부의 평면 모양은 원형이나 각종 다각형(정육각형, 정삼각형, 정방형 등)이 모두 가능하며, 단면 모양은 식각 마스크의 종류, 모양이나 식각의 선택비에 따라 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 곡률을 갖는 반원 또는 타원형 등의 여러 모양이 가능하다.

상기 돌출부 및 함몰부의 측면이 경사면을 갖는 경우, 상기 결정핵형성 및 결정의 성장이 편평한 영역뿐만 아니라 경사면에서도 일어날 수도 있다. 이런 경우에는 결정의 성장 효율을 참고하여 상기 편평한 영역의 면적을 상대적으로 줄일 수 있다.

도 3에는 일 실시예에 따른 돌출부와 함몰부의 단면 및 결정의 생성원리를 나타내는 모식도가 나타나 있다.

도 3을 참조하면, 기존 PSS에서는 돌출부 주변부에서 ELOG를 통한 결정의 성장이 일어나는 반면, 본 발명의 기판상에서는 ELOG(Epitaxial Lateral Over Growth)와 Pendeo 성장이 모두 일어남을 알 수 있다. 상기와 같이 ELOG와 Pendeo가 모두 진행됨으로 인해, 육방정계상에서의 수평면을 이루는 특정 축방향에 있어서의 질화물 결정의 형성 속도 간 편차가 없어지게 되며, 이의 결과로 질화물 결정의 관통 전위 밀도를 효과적으로 낮출 수 있다.

상기 본 발명과 같은 패터닝이 없이 질화갈륨을 성장시켰을 경우 발생하는 전위 밀도(threading dislocation)는 10¹⁰/cm² 이상으로 알려져 있다(S.K. Kwon et al. Journal of Crystal Growth 311(2009)4167-4170).

이에 대하여 ELOG 성장을 이용할 경우, 전위 밀도를 10⁷/cm² 이하로 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다(K. Tadatomo et al., Proc. SPIE, vol.5187, 243-249, 2004)

또한, Pendeo 성장을 이용할 경우에도 ELOG와 마찬가지로 전위 밀도를 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다.

본원발명은 GaN가 수평성장하는 방향에서 60도 각도로 성장속도가 다르다는 전제하에, 볼록한　패턴이 반복되는 방향으로 GaN가 성장을 느리게 하고, 오목한 패턴이 반복되는 방향으로 GaN가 성장을 빠르게 하여　고품위의 에피층을 얻고자 한 것이다.

즉, 돌출부에서는 에피층의 성장을 위해 투입된 버퍼로부터 돌출부의 측면을 타고 결정이 성장될 수 있으나, 이의 60도 방향으로는 결정의 성장이 느려지게 되는 종래의 결점을 함몰부를 도입하여 결정의 성장속도가 빨라지도록 하여 극복하고자 한 것이다.　

또한, 버티칼(vertical) LED의 경우 레이져 리프트 오프(Laser Lift　Off)의 공정을 통하여, 사파이어 기판을 떼내고 GaN을 사용하게　되는데, 이 때, 레이져가 가해지는 곳은 사파이어와 GaN의 계면으로 아래 첨부한 논문과 같이 pendeo부분에서 발생하는　void들이 lift off공정에 더 효과적으로 작용하여 사파이어를 잘 떼낼 수 있게 작용할 수도 있다(IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 41, NO. 11, NOVEMBER 2005)

결론적으로, 본 발명은 상기와 같은 ELOG와 Pendeo 성장의 장점을 모두 이용할 수 있도록 안출된 것이며, 상기와 같은 패터닝을 통해 ELOG와 Pendeo를 통한 시너지 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 상기 패턴을 형성하기 위해서는 여러가지 방법을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 포토리소그래피를 이용하여 제조할 수 있다. 이 때에는 식각 마스크(MASK)를 사용하는데, 마스크 물질로는 PR(photo resist : 포토 레지스트), SiO2, SixNx, Metal 박막 등이 사용 가능하며, 이중 가장 용이한 포토 레지스트를 사용하여 기판에 패터닝(patterning)을 한다. 일정한 패턴을 형성하기 위해 노광 장치를 통해 사진 감광을 실시한다. 여기서 상기 기판의 에칭 깊이에 대한 목표값에 따라 포토 레지스트의 두께를 달리한다. 에칭 깊이를 달리함으로써, 본 발명에서 의미하는 돌출부와 함몰부가 되도록 식각할 수 있다.

일정한 패턴으로 형성된 마스크가 도포된 상기 기판을 식각하면, 마스크가 도포되지 않은 기판 영역이 식각된다. 이와 같은 공정은 포토리소그래피(photolithography)방법과 동일하며, 좀 더 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 패턴 사파이어 기판은 하프톤 마스크를 이용하여 단일 공정으로 진행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 패턴 사파이어 기판은 MPSS, NPSS 모두를 포함하는 식각무늬로 구성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판의 종류, 또는 질화물의 종류에 따라 가장 적합한 돌출부와 함몰부의 규격 및 거리, 식각 모양의 최적조합을 도출할 수 있다.

상기 패턴의 너비와 사이즈는 MPSS(micro patterned sapphire substrate)의 경우에는 보통 1 ~ 3 마이크론이 바람직하며, 상기 돌출부의 높이와 함몰부의 깊이는 0.5 ~ 1.5마이크론 정도가 바람직하다.

따라서, NPSS(nano patterned sapphire substrate)인 경우에는 상기와 규격에 비례하여 나노미터 단위로 사용할 수 있다. 즉, 수십 나노미터에서 수백 나노미터까지가 바람직하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

1. 기판 위에 제 1도전층, 활성층, 제 2도전층을 포함하는 질화물 반도체층이 위치하고, 제 1도전층 위에는 제1 전극이 형성되고, 제 2도전층 위에는 제 2전극이 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
   상기 제 1 도전층과 접하는 기판의 표면이 나타내는 평면상에, 꼭지점과 세변을 공유하는 가상의 정삼각형의 반복 패턴이 존재하는 것으로 볼 때, 상기 정삼각형의 꼭지점을 중앙으로 하는 원형의 돌출부와, 상기 정삼각형의 무게중심을 중앙으로 하는 원형의 함몰부로 구성되고, 상기 돌출부와 함몰부는 서로 중첩되지 않으며, 상기 돌출부와 함몰부는 상기 평면에 수직인 축에 대해 곡률을 가지는 형상인 반복 패턴을 갖는 질화물계 반도체 발광소자.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, GaAs, InP, Si, SiC, 스피넬, GaN으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 질화물계 반도체 발광소자.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어인 질화물계 반도체 발광소자.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 질화물은 GaN, AlGaN, GaInN, InGaAIN 로 이루어진 군에서 선택된 하나인 반도체 발광소자.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 질화물은 GaN인 반도체 발광소자.

Images