KR101712094B1 - 질화물갈륨계 수직 발광다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화갈륨계 III-V족 화합물 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공한다. 상기 질화갈륨계 III-V족 화합물 반도체 소자는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 p형 오믹 전극층; 상기 전극층 상부에 형성된 p형의 GaN계 III-V족 화합물 반도체층; 상기 질화갈륨계 III-V족 화합물 반도체층 상부에 형성된 n형 GaN계 III-V족 화합물 반도체층; 및 상기 n형 질화갈륨계 III-V족 화합물 반도체층 상부에 형성된 n형 오믹 전극층으로 구성되며, 상기 p형 오믹 전극층은 Ag를 기반으로 반사도가 70% 이상인 고반사 전극을 포함한 것이고 상기 n형 질화갈륨계 III-V족 화합물 반도체층은 준광결정과 표면 조화를 이용하여 표면 변환이 이루어진 층을 포함한 것이다. 본 발명은 고반사 p형 전극, 준광결정 및 표면 조화가 함께 결합되어 질화갈륨계 수직 발광다이오드 제조 공정에 적용한 경우, 그렇지 않은 경우에 비하여 발광다이오드의 표면 광출력이 9배 이상 증가한다는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 Ag계 고반사 p형 전극, 준광결정(quasi-photonic crystal) 및 표면 조화를 이용하여 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 광출력을 획기적으로 향상시키는 기술에 관한 것이다.
백색광원 질화물갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해 향후 5년 이내에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명(solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다. 질화물갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다.
현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화물갈륨계 발광다이오 드는 상대적으로 제조단가가 작고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 원천적 결함이 있다. 이러한 수평구조 발광다이오드의 단점을 극복하고 대면적의 고출력 발광다이오드 적용이 용이한 소자가 수직구조 발광다이오드이다. 이러한 수직구조 발광다이오드는 기존의 수평구조 소자와 비교하여 여러 가지 장점을 가지고 있다.
수직구조 발광다이오드에서는 전류 확산 저항이 작아 매우 균일한 전류 확산을 얻을 수 있어 보다 낮은 작동 전압과 큰 광출력을 얻을 수 있으며, 열전도성이 좋은 금속 또는 반도체 기판을 통해 원활한 열방출이 가능하기 때문에 보다 긴 소자 수명과 월등히 향상된 고출력 작동이 가능하다. 이러한 수직구조 발광다이오드에서는 최대 인가전류가 수평구조 발광다이오드에 비해 3-4 이상 증가되므로 조명용 백색광원으로 널리 이용될 것이 확실시되어, 현재 일본의 Nichia chemical사, 미국의 Philips Lumileds사, 독일의 Osram사와 같은 국외 발광다이오드 선두 기업들과 서울반도체, 삼성전기, LG 이노텍과 같은 국내 기업들이 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 상용화 및 성능향상을 위해 활발한 연구 개발을 진행하고 있고, Osram과 같은 일부 기업에서는 이미 관련 제품을 판매하고 있는 실정이다.
이러한 질화물갈륨계 수직 발광다이오드에서 광출력을 향상시키기 위해서는 기판과 p형 반도체층 사이에 형성되는 p형 오믹 전극층이 빛을 흡수하지 않고 모두 반사시키는 고반사 전극이어야 한다. 따라서 기존의 수평 발광다이오드에서 널리 쓰이고 있는 Ni/Au, Pd/Au, Pt/Au과 같은 Au계 p형 전극은 반사도가 40%이하로 낮기 때문에 수직 발광다이오드에 사용할 수 없다. 따라서 수직 발광다이오드의 소자 성능을 향상시키기 위해서는 낮은 접촉저항과 우수한 열적 안정성을 가지는 동시에 고반사도를 나타내는 Ag계 p형 전극이 필수적이다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, Ag계 고반사 p형 전극, 준광결정(quasi-photonic crystal) 및 표면 조화를 이용하여 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 광출력을 획기적으로 향상시키는 기술을 제공한다.
고반사 p형 전극과 더불어 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조에 있어 소자의 광출력을 크게 향상시킬 수 있는 부분이 소자 상부의 n형 반도체층이다. N형 반도체층이 매끄러운 평면인 경우, 대기/반도체층 계면에서 일어나는 전반사로 인해 활성층에서 발생된 빛의 상당부분이 외부로 빠져나올 수 없기 때문에 높은 광출력을 기대할 수 없다. 따라서 반도체층 표면을 인위적으로 변형하여 전반사가 일어나는 것을 방지하여 최소한의 손실로 빛을 외부로 빠져 나오게 하는 것이 필요하다. 이러한 관점에서 n형 반도체 표면에 리소그래피를 통해 수백 nm ~ 수 um 크기의 기공 또는 돌기를 주기적으로 배열하여 광결정(photonic crystal)을 형성하거나, KOH, NaOH와 같은 염기성 용액을 이용한 표면 조화(surface roughening)를 통해 n형 반도체 표면층에 피라미드 형태의 육각뿔을 형성하게 되면 소자 외부로의 광추출을 획기적으로 늘릴 수 있다.
본 발명은 Ag계 고반사 p형 전극, 준광결정(quasi-photonic crystal) 및 표면 조화를 이용하여 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 광출력을 획기적으로 향상 시키는 것에 관한 것이다. 언급된 세 가지 방법을 발광다이오드 제조공정에 모두 적용되었을 경우, 그렇지 않은 경우에 비해 9배 이상의 표면 광출력 증폭이 관찰되었다. 위 세 가지 방법이 상호 상승적으로 작용하여 획기적인 광출력 증폭 효과를 얻을 수 있었다. 이와는 매우 대조적으로 Au계 p형 전극에 준광결정 또는 표면 조화를 적용한 경우 광출력 증폭 효과는 매우 미미하였다. 따라서 본 발명은 Ag계 고반사 p형 전극이 표면 변환을 이용한 광출력 향상에 있어서 결정적인 역할을 담당한다는 것을 보여준다.
본 발명의 고반사 p형 전극, 준광결정 및 표면 조화 기술은 현재 널리 사용되고 있는 질화물갈륨계 발광다이오드의 제조 공정에 즉시 적용 가능하며. 발광다이오드의 획기적 광출력 향상으로 백색광원 질화물갈륨계 발광다이오드에 의한 고체 조명 시대의 도래를 보다 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 발명 기술은 소비 전력의 감소를 통해 석유 에너지 자원을 절약할 수 있는 친환경 기술이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제 공되는 것이다.
도 1은 본 발명에서 제조된 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 단면과 광측정 방법을 나타낸 모식도이다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 질화물갈륨계 수직 발광 다이오드는 기판, p형 오믹 전극층, p형 질화갈륨계 화합물 반도체층, 활성층, n형 질화갈륨계 화합물 반도체층 및 n형 오믹 전극층을 포함한다. 여기서, n형 질화갈륨계 화합물 반도체층은 그 표면에 2㎛ 주기의 준광결정 및 그 표면에 표면 조화를 이용하여 표면에 변환이 이루어진 층을 포함한다. 도 1을 참고하면, p형 오믹 전극층은 p-contact, n형 오믹 전극층은 n-contact으로 도시하고 있다. 또한, p형 질화갈륨계 화합물 반도체층은 p-GaN이며, n형 질화갈륨계 화합물 반도체층은 n-GaN으로 도시하고 있다. 일반적으로 질화갈륨계의 발광 다이오드는 질화갈륨(GaN)층에 불순물을 첨가하여 p형 반도체층 또는 n형 반도체층을 형성한다. 또한, p형 오믹 전극층은 고반사 전극으로 Ag 또는 Ag 합금(Ag alloy)을 포함한다. 사파이어 기판에 질화물갈륨계 발광다이오드 에피 박막을 성장한 후에 레이저 lift-off를 이용하여 에피 박막을 떼어낸 후에 Ni, Au, Cu, Ni-Fe 합금 등의 금속 기판 또는 Si, GaAs 등과 반도체 기판 위에 접합하여 수직구조의 발광다이오드를 제작한다. 이 때 p형 오믹 전극층으로 기존의 Ni/Au 또는 고반사도의 Ni/Ag/Ru/Ni/Au 전극을 사용하였고, 상부의 n형 반도체층에 준광결정 그리고/또는 표면 조화를 적용하였으며, n형 오믹 전극층으로 Cr/Au 전극을 사용하였다. 탐촉자를 이용하여 발광다이오드에 일정 전류를 인가했을 때 활성층에서 곧바로 외부로 방출되는 빛과 p형 전극에서 반사되어 나오는 빛을 광검출기를 이용해 파장에 따라 측정하였다.
도 2는 제작된 수직 발광다이오드의 전기발광 스펙트럼과 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프이다. 기존의 Au계 p형 전극과 본 발명의 Ag계 p형 전극을 사용한 경우 거의 동일한 전류-전압 곡선을 보여준다. 하지만 Ag계 p형 전극을 사용한 발광다이오드가 Au계 p형 전극을 사용한 발광다이오드보다 훨씬 더 큰 광출력을 나타냄을 볼 수 있다.
상기 Ag계 p형 전극에서 Ag층을 포함한 전극의 총두께는 1000 내지 5000Å이고, Ag층 자체의 두께는 500 내지 5000Å이고, 낮은 접촉 저항을 얻기 위해 산소 분위기 열처리를 거치는 것이 바람직하다. 상기 Ag계 p형 전극은 300 nm - 1000 nm 영역의 빛 파장에서 60 % - 95 %의 고반사도를 나타낸다.
도 3은 Ag계 고반사 p형 전극을 이용하여 제작된 질화물갈륨계 수직 발광다이오드에 여러 크기의 준광결정을 적용하였을 때 전기발광 스펙트럼이 변화하는 정도를 나타낸 그래프와 각 준광결정이 적용된 n형 반도체층 표면의 평면 주사현미경 사진이다. 준광결정을 적용한 후 발광다이오드의 광출력이 크게 향상되고, 특히 2 ㎛ 주기의 준광결정을 적용했을 때, 광출력이 2.5배 가량 증가하였다. 이전 보고에 따르면 질화물갈륨계에서 최대 광출력을 얻을 수 있는 최적 광결정의 주기는 200 nm - 1500 nm이다. 따라서 본 발명의 2 ㎛ 주기는 최적 광결정 주기보다 크기 때문에 준광결정으로 명명되었다.
상기 준광결정은 제작단가가 크고 대면적 웨이퍼 공정에 적용이 어려운 전자선 리소그래피 패터닝을 사용하지 않고, 일반적인 광 리소그래피 패터닝를 사용하여 제작되는 것이 특징으로 대면적 적용과 제작 단가 측면에서 매우 효과적인 방법이다. 패터닝 후 반도체층 식각을 위해서는 등방성의 습식 식가보다 이방성의 건식 식각을 사용하는 것이 바람직하다.
도 4는 Ag계 고반사 p형 전극 그리고/또는 준광결정을 이용하여 제작된 질화물갈륨계 수직 발광다이오드에 PCE(photochemical etching)을 이용한 표면 조화를 적용하였을 때 전기발광 스펙트럼이 변화하는 정도를 나타낸 그래프와 표면 조화가 적용된 n형 반도체층 표면의 평면 주사현미경 사진이다. 표면 조화를 통해 반도체층 표면에 피라미드 모양의 육각뿔이 형성됨을 볼 수 있다. 표면 조화 자체만으로도 발광다이오드의 광출력이 매우 크게 향상되지만, 준광결정과 표면 조화를 함께 적용하였을 때 최대 광출력을 얻게 된다.
상기 표면 조화를 얻기 위해서 발광다이오드 소자를 KOH 또는 NaOH 등의 강염기 용액에 담근 후 Xe lamp와 같은 고출력 자외선 광원을 이용하여 자외선을 발광다이오드에 조사하였다. 이 때 염기 용액의 몰농도는 0.1M - 10M이고, 자외선 광원의 파장은 100 nm - 400 nm이다. 표면 조화를 형성 한 후, 건식 식각을 수행하면, 표면 조화를 향상시킬 수 있다.
도5는 Ag계 고반사 p형 전극, 준광결정 및 표면 조화의 적용에 따른 단계별 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 광출력 변화 그래프와 n형 반도체층 표면 현미경 사진이다. 기존의 Au계 p형 전극을 이용하여 제작된 수직 발광다이오드에 비해 수직발광다이오드에 Ag계 p형 전극, 준광결정 및 표면 조화를 단계적으로 적용하였을 때 광출력이 꾸준히 증가하여 최종적으로 9배 이상의 증폭이 일어남을 알 수 있다. 하지만 이에 반하여 Au계 p형 전극을 이용하여 제작된 수직 발광다이오드에 표면 조화를 적용한 경우에 광출력 증가는 매우 미미하였다.
도 1은 본 발명에서 사용된 질화갈륨계 수직 발광다이오드 구조와 광출력 측정 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명에서 제안하는 Ag계 고반사 p형 전극과 기존의 Au계 p형 전극을 이용한 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 전기발광 스펙트럼과 전기-전압 곡선을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명에서 제안하는 Ag계 고반사 p형 전극과 준광결정(q-PhC)을 이용하여 제작된 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 전기발광 스펙트럼과 n형 반도체층 표면 주사현미경 사진을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명에서 제안하는 Ag계 고반사 p형 전극, 준광결정 및 PCE 표면 조화를 이용하여 제작된 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 전기발광 스펙트럼과 n형 반도체층 표면 주사현미경 사진을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명에서 제안하는 Ag계 고반사 p형 전극, 준광결정 및 PCE 표면 조화 단계별 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 광출력 변화와 n형 반도체층 표면 현미경 사진을 나타낸 도면이다.
Claims (17)
- 기판;상기 기판 상부에 형성된 p형 오믹 전극층;상기 p형 오믹 전극층 상부에 형성된 p형 질화갈륨계 화합물 반도체층;상기 p형 질화갈륨계 화합물 반도체층 상부에 형성된 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층; 및상기 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층 상부에 형성된 n형 오믹 전극층을 포함하며,상기 p형 오믹 전극층은 Ag를 기반으로 한 고반사 전극이며, 상기 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층은 표면에 2㎛ 주기의 준광결정을 포함함과 아울러, 상기 화합물 반도체층 표면에 표면 조화가 적용된 질화물갈륨계 수직 발광다이오드.
- 청구항 1에 있어서,상기 고반사 전극은 Ag 또는 Ag alloy를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드.
- 청구항 2에 있어서, 상기 고반사 전극은 Ni/Ag/Ru/Ni/Au 전극인 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광 다이오드.
- 청구항 3에 있어서, 상기 고반사 전극의 총 두께 중 Ag층 자체의 두께는 500 내지 5000Å인 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광 다이오드.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 n형 오믹 전극층은 Ti, Ta, Al, Cr 또는 Au를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드.
- 기판 상부에 p형 오믹 전극층을 형성하는 단계;상기 p형 오믹 전극층 상부에 p형 질화갈륨계 화합물 반도체층을 형성하는 단계;상기 p형 질화갈륨계 화합물 반도체층 상부에 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 및상기 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층 상부에 n형 오믹 전극층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 p형 오믹 전극층은 Ag를 기반으로 한 고반사 전극으로 형성되며, 상기 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층의 표면은 2㎛ 주기의 준광결정 형성 단계 및 표면 조화(surface roughening) 단계의 프로세스를 거치는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,상기 고반사 전극은 Ag 또는 Ag alloy를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조 방법.
- 청구항 8에 있어서, 상기 고반사 전극은 Ni/Ag/Ru/Ni/Au 전극인 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광 다이오드의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 고반사 전극의 총 두께 중 Ag층의 두께는 500 내지 5000Å인 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광 다이오드의 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,상기 p형 오믹 전극층을 형성하는 단계는 낮은 접촉 저항을 얻기 위해 산소 분위기 열처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광 다이오드의 제조 방법.
- 삭제
- 청구항 7에 있어서,상기 준광결정 형성 단계는 광리소그래피 패터닝 및 건식 식각을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,상기 표면 조화 단계는 강염기성 용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조 방법.
- 청구항 14에 있어서,상기 표면 조화 단계는 자외선 조사를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조 방법.
- 청구항 15에 있어서,건식 식각을 이용하여 상기 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층의 표면 조화를 향상시키는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,상기 n형 오믹 전극층을 형성하는 단계는 Ti, Ta, Al, Cr 또는 Au을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 제조 방법.
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