KR101338274B1 - 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로, 특히, 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 위에 위치하는 활성층과; 상기 활성층 위에 위치하며, 표면에 아일랜드 면을 가지며, 두 층의 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 광추출층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

발광 소자, 반도체, 아일랜드, 전도성, 광추출.

Description

질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 {Nitride LED and method for making the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 개략도로서,

도 3은 표면 거칠기 구조가 없는 발광 소자의 광 경로를 나타내는 개략도이다.

도 4는 표면 거칠기 구조가 있는 발광 소자의 광 경로를 나타내는 개략도이다.

도 5 및 도 6은 도펀트 양이 달라질 경우의 표면의 상태를 나타내는 현미경 사진이다.

도 7 내지 도 9는 AlGaN 층의 두께를 달리할 경우의 표면의 상태를 나타내는 현미경 사진이다.

도 10은 본 발명의 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 기판 20 : 제1전도성 반도체층

30 : 광추출층 31 : 제1광추출층

32 : 제2광추출층 33 : 아일랜드 면

40 : 버퍼층 50 : 기판

60 : 제3전도성 반도체층 71 : n-형 전극

72 : p-형 전극

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로, 특히, 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light emitting diodes: LED)는 조명과 디스플레이 등과 같이 다양한 응용을 가지는 단일 파장의 광원이다.

대부분의 LED에 있어서 광 추출 효율(extraction efficiency)은 LED를 이루는 반도체와 공기의 사이 등과 같은 계면(interface)에서 내부의 반사에 의해서 대부분 제한이 된다.

이러한 현상은 두 물질간의 굴절율 차이에 의해서 그림 1과 같이 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라, n₁ * sin q₁=n₂ * sin q₂의 관계로 계면에서 임계각(critical angle)보다 작게 입사되는 빛은 투과되고, 이러한 임계각보다 크게 입사되는 빛은 반사되는 현상에서 기인하는 것이다.

상술한 LED의 광 추출 효율을 개선하는 방법에는 다음과 같은 방법들이 있 다.

첫째로 LED 칩의 형상을 변형하여 칩 표면에 빛이 수직한 방향으로 입사하는 확률을 높이는 방법이 있으며 반구 형태의 형상이 이론적으로 가장 최적이라고 알려져 있으나 제작이 어렵고 비용이 많이 든다는 단점이 있다.

둘째로 반구형의 에폭시 돔(epoxy dome) 형상의 렌즈 등의 구조물을 이용하여 LED를 봉지(encapsulation)하는 방법이 있다.

세번째 방법으로는 LED 구조 내에서 광을 재흡수하는 기판(substrate)을 투명 기판으로 변경하는 방법도 있다.

이와 함께 미세 공동(microcavity) 또는 공명 공동(resonant cavity) 구조를 가지는 LED를 제작하는 방법이 있는데, 이는 매우 정교한 성장 제어(growth control)가 요구되며 LED를 이루는 반도체로부터 공기중으로 빛이 효율적으로 추출되려면 LED에서 방출되는 빛의 파장이 정확하게 공동 모드(cavity mode)와 일치하여야 하는 어려움이 있다.

따라서 온도나 전류가 증가하면 LED로부터 방출되는 빛의 파장이 변화하여 광 출력이 급격하게 감소하는 문제점이 있다.

최근 들어 LED 칩의 발광 표면에 구조적인 형상을 형성하여 표면 거칠기(surface roughness)를 이용하는 방법이 보고되고 있다.

이러한 방법은 LED 칩 상에서 광 추출 효율을 향상할 수 있는 기술로서, 상술한 칩 형상을 변형하는 방법 및 봉지(encapsulation) 방법 등과 함께 적용할 수 있어서 광 추출 효율을 더욱 크게 개선할 수 있다.

현재의 표면 거칠기(surface roughness)를 이용하는 방법은 포토 리소그래피(photolithography)로 LED 표면에 패턴을 형성하는 방법을 사용하고 있다.

그러나, 이러한 방법은 추가적인 공정을 요구하므로 비용이 증가하는 문제가 있으며 미세한 패턴을 형성할 시에는 매우 정교한 로소그래피 기술을 사용하므로 제작 공정의 난이도가 높고 양산성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 추가적으로 요구되는 공정을 최소화하고 양산성이 높은 표면 거칠기를 이용하는 방법이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 표면 거칠기(surface roughness) 구조를 용이하게 형성함으로써, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위해, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 위에 위치하는 활성층과; 상기 활성층 위에 위치하며, 표면에 아일랜드 면을 가지며, 두 층의 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 광추출층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 두 층의 광추출층은, 상기 활성층 위에 위치하며 상측면에 아일랜드 면을 가지는 제1광추출층과; 상기 제1광추출층 위에 위치하며 표면에 아일랜드 면을 가지는 제2광추출층을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 광추출층은, p-형 반도체층이고, Mg로 도핑되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 광추출층은, GaN, InGaN, AlGaN, 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 활성층과 광추출층 사이에는, 고품질의 제3전도성 반도체층이 더 포함될 수 있고, 이러한 제3전도성 반도체층은 p-형 반도체층일 수 있다.

상기 광추출층의 아일랜드 성장은, 상기 제3전도성 반도체층보다 과잉 도핑되어 이루어질 수 있다.

또한, 상기 광추출층의 아일랜드 성장은, 상기 광추출층의 두께를 상기 제3전도성 반도체층보다 두껍게 형성하여 이루어질 수도 있다.

상기 제3전도성 반도체층 또는 광추출층은, p-형 AlGaN 층과; 상기 p-형 AlGaN 층 위에 위치하는 p-형 GaN 층을 포함하여 구성될 수 있고, 이러한 p-형 AlGaN 층과 p-형 GaN 층은 교대로 복수로 구성될 수 있다.

한편, 상기 광추출층의 두께는 250Å 이상의 두께를 가질 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 다른 관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서, 제1전도성 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 제1전도성 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계와; 상기 활성층 위에 외측 표면에 아일랜드 면을 가지는 두 층의 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 광추출층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 활성층을 형성하는 단계와 광추출층을 형성하는 단계 사이에는, 상기 활성층 위에 제3전도성 반도체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 광추출층의 아일랜드 성장은, 상기 제3전도성 반도체층보다 도펀 트를 증가시키거나 두께를 증가시킴으로써 형성될 수 있다.

상기 광추출층의 형성시, Mg의 흐름은 500sccm 이상일 때, 광추출에 유리한 아일랜드 성장이 이루어질 수 있으며, 또한, 상기 광추출층의 두께는 250Å 이상인 경우에 이러한 광추출에 유리한 아일랜드 성장이 이루어질 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 표면에 표면 거칠기를 형성하는 아일랜드 면을 가지는 두 층의 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 광추출층(40)이 형성된 발광 소자의 성장 구조를 도시하고 있다.

이러한 발광 소자의 성장 구조는, 사파이어(Al₂O₃), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC) 등의 기판(50) 위에 제1전도성 반도체층(10) 및 활성층(20)이 차례로 성장되고, 이러한 활성층(20) 위에는 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 광추출층(30)이 형성된다.

이때, 기판(50)과 제1전도성 반도체층(10) 사이에는 저온 성장된 버퍼층(40)이 위치할 수도 있다.

상기 제1전도성 반도체층(10)은 n-형 반도체층이고, 광추출층(30)은 p-형 반도체층일 수 있다.

이러한 전도성 반도체층(10, 30)은 질화갈륨(GaN) 계열 반도체가 이용될 수 있다. 이때, n-형의 제1전도성 반도체층(10)은 실리콘(Si)으로 도핑되어 형성될 수 있으며, p-형의 광추출층(30)은 마그네슘(Mg)으로 도핑되어 형성될 수 있다.

이때, 상기 활성층(20)은 InGaN/GaN 양자우물(quantum well: QW) 구조를 이룰 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층(20)으로 이용될 수 있다.

이러한 활성층(20)에서는 전계를 인가하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다.

또한, 활성층(20)은 휘도 향상을 위하여 상술한 양자우물 구조(QW)가 복수로 형성되어 다중 양자우물(multi quantum well: MQW) 구조를 이룰 수 있다.

상기 광추출층(30)은 도 1에서와 같이, 전자장벽층(electron blocking layer: EBL)으로서 p-형 AlGaN으로 이루어지는 제1광추출층(31)과 p-형 GaN으로 이루어지는 제2광추출층(32)으로 이루어질 수 있다.

이러한 광추출층(30)은 표면에 GaN 계열 반도체의 아일랜드 성장이 이루어지며, 이와 같이 성장된 아일랜드 면은 표면 거칠기(surface roughness)를 제공하게 된다.

따라서, 도 1에서와 같이, 이러한 광추출층(30)의 각 층(31, 32)은 그 상측 표면에 거친 아일랜드 면(33)을 가지게 된다.

경우에 따라, 도 2에서와 같이, 상기 활성층(20)과 광추출층(30) 사이에는 제3전도성 반도체층(60)이 포함될 수 있으며, 이러한 제3전도성 반도체층(60)은 p-형 반도체층일 수 있다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 이러한 제3전도성 반도체층(60)은 전자장벽층으로서 p-형 AlGaN으로 이루어지는 제1전도성층(61)과, p-형 GaN으로 이루어지는 제2전도성층(62)으로 이루어질 수 있다.

이러한 제3전도성 반도체층(60)은 광추출층(30)에 비하여 상대적으로 고온에서 적정한 도펀트를 가지고 고품질로 성장된다.

이하, 상술한 아일랜드 면(31a, 32a)을 가지는 광추출층(30)을 가지는 본 발명의 효과를 설명한다.

도 3에서와 같이, 기판(50) 위에 성장된 제1전도성 반도체층(10), 활성층(20), 및 제3전도성 반도체층(60)으로 이루어지는 구조에서, 아일랜드 면(33)과 같은 표면 거칠기 구조가 없는 발광 소자에서는 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해 많은 빛이 발광 소자 외부로 추출되지 못하고 내부 전반사에 의하여 반사될 수 있다.

그러나, 도 4와 같이 본 발명의 광추출층(30)과 같은 표면 거칠기 구조(61)를 가지는 발광 소자의 경우는 내부 전반사가 일어나는 확률이 줄어들게 되어, 도 3과 같은 구조의 발광 소자에 비해 상대적으로 많은 양의 빛이 추출될 수 있다.

본 발명에서, 상술한 표면 거칠기 구조는 광추출층(30)에 구현되며, 이는 발광 소자를 위한 박막 구조를 성장하는 과정에서 광추출층(30)에 도핑되는 도펀트(Mg)의 양과 광추출층(30)의 두께를 제어하여 높은 성장온도에서도 표면 거칠기 구조를 실현할 수 있다.

상기 광추출층(30)이 GaN 계열 반도체층일 경우, 이러한 발광 소자의 GaN 계열 반도체(In_xAl_yGa_1-x-yN) 박막의 성장시 도펀트(Mg)의 도핑 양이 증가함에 따라 In_xAl_yGa_1-x-yN 박막과 그 아래의 더 작은 밴드갭(bang gap)을 가지는 In_xAl_yGa_1-x-yN 박막 사이에는 응력(strain stress)이 증가하게 된다.

따라서, 도펀트(Mg)의 도핑양 또는 In_xAl_yGa_1-x-yN 박막의 두께가 어느 임계값 이상으로 증가되면 3차원 아일랜드(island) 성장에 의해 거친 표면을 가지는 구조가 형성된다.

도 5 및 도 6은 발광 소자 구조 성장시 본 발명의 광추출층(30)으로 작용할 수 있는 15nm 두께의 Al_0.15Ga_0.85N 박막에 도펀트(Mg)를 증가시킴에 따라 표면 형상의 변화를 관찰한 광학 현미경 사진을 나타내고 있다.

도 5와 같은 도펀트(Mg)를 300sccm(standard cubic centimeter per minute) 첨가하며 성장한 반도체 박막에 비하여, 도 6의 도펀트(Mg)를 600sccm 첨가하여 성장한 반도체 박막의 표면에 거친 면이 형성되는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 도펀트(Mg)를 증가시킴으로써 표면이 거친 아일랜드 면의 성장이 가능하며, 이러한 도펀트의 양은 도 5 및 도 6으로부터 보여지는 경향성으로 볼 때, 500sccm 이상인 경우에 거친 면의 성장에 유리할 수 있다.

따라서, 광추출층(30)은 고품질의 제3전도성 반도체층(60)보다 도펀트를 과도하게 주입하여 과잉 도핑함으로써 실현될 수 있다.

한편, 도 7 내지 도 9는 도펀트(Mg)의 양을 600sccm으로 고정시킨 상태에서 각각 두께를 80Å, 160Å, 및 320Å으로 성장한 상태의 표면을 나타내는 도로서, 도펀트(Mg)가 일정한 상태에서 AlGaN 층의 두께를 증가함에 따라 표면에 거친 면이 형성되는 것을 알 수 있다.

즉, 두께가 증가할수록 거친 면의 밀도와 크기가 증가되는 것을 알 수 있다.

이러한 경향성으로 볼 때, 상기 광추출층(30)의 두께는 250Å 이상 형성하는 것이 표면 거칠기 형성에 유리할 수 있다.

도 10은 상술한 광추출층(30)을 가지는 구조를 적용한 수평형 발광 소자의 일례를 나타낸다.

즉, 도 2와 같이 구성된 구조에서, 제1전도성 반도체층(10)이 드러날 때까지 광추출층(30), 제3전도성 반도체층(60), 및 활성층(20)의 일측을 식각하여 개구면(11)을 형성하고, 이러한 개구면(11)에 n-형 전극(71)을 형성한다.

또한, 상기 광추출층(30)의 일측에 p-형 전극(72)을 형성하면 도 10과 같은 수평형 발광 소자의 구조가 이루어진다.

이와 같이, 본 발명은 발광 소자의 성장 중에 마그네슘(Mg)이 도핑된 광추출층(30)의 도핑 양과 알루미늄(Al)의 조성, 및 두께를 제어함으로써, 발광 소자의 표면에 표면 거칠기 구조를 형성할 수 있으며, 이러한 표면 거칠기 구조는 3차원 아일랜드 면(33)으로 구현된다.

이를 통하여 발광 소자의 내부에서 발광되는 빛을 외부로 효율적으로 추출할 수 있어, 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 복잡한 추가 공정이 없이 용이하게 구현이 가능한 것이다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 본 발명은 표면 거칠기 구조를 형성함에 있어서, 도펀트의 주입량, 두께, 조성 등을 조절함으로써 용이하게 구현할 수 있다.

둘때, 상기와 같이 형성된 아일랜드 성장면을 가지는 구조에 의하여 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 질화물계 발광 소자에 있어서,

   제1전도성 반도체층과;

   상기 제1전도성 반도체층 위에 위치하며 양자우물구조를 갖는 활성층과;

   상기 활성층 위에 위치하고, 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 광추출층을 포함하며,

   상기 광추출층은 상기 활성층 위에 위치하며 상측면에 아일랜드 면을 가지는 제1광추출층 및 상기 제1광추출층 위에 위치하며 표면에 아일랜드 면을 가지는 제2광추출층을 포함하며,

   상기 제1광추출층 및 상기 제2광추출층은 아일랜드 성장에 의해 형성되고, 상기 제1광추출층은 전자장벽층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층은, GaN, InGaN, AlGaN, 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층은, Mg로 도핑된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 활성층과 광추출층 사이에는, 제3전도성 반도체층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
6. 제 5항에 있어서, 상기 광추출층의 아일랜드 면은, 상기 제3전도성 반도체층보다 과잉 도핑되거나, 상기 광추출층의 두께를 상기 제3전도성 반도체층보다 두껍게 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
7. 제 5항에 있어서, 상기 제3전도성 반도체층 또는 광추출층은,

   p-형 AlGaN 층과;

   상기 p-형 AlGaN 층 위에 위치하는 p-형 GaN 층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
8. 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서,

   제1전도성 반도체층을 형성하는 단계와;

   상기 제1전도성 반도체층 위에 양자우물구조의 활성층을 형성하는 단계와;

   상기 활성층 위에, 아일랜드 성장에 의해 형성된 두 층의 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 광추출층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되며, 상기 두 층의 제2전도성 반도체층은 일면에 각각 아일랜드 면을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 단계와 광추출층을 형성하는 단계 사이에는, 상기 활성층 위에 제3전도성 반도체층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 광추출층의 아일랜드 면은, 상기 제3전도성 반도체층보다 도펀트를 증가시키거나 두께를 증가시킴으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
11. 제 8항에 있어서, 상기 광추출층은, Mg로 도핑된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.

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