KR101899479B1 - 반극성 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

반극성 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 다이오드는, 도전성 기판과, 이 기판 상에 위치하는 질화갈륨 계열의 반도체 적층체를 포함한다. 반도체 적층체는 반극성 반도체층의 활성층을 포함한다. 이에 따라, 발광 효율이 개선된 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

Description

반극성 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법{SEMI-POLAR LED AND METHOD OF FABRICATION THE SAME}
본 발명은 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 반극성 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
질화갈륨계 화합물 반도체는 가시광 및 자외선 발광 소자나 고출력 전자 소자 등에 사용되고 있다. 질화갈륨계 화합물 반도체층은 통상 MBE, MOCVD 또는 HVPE 등의 성장 기술을 사용하여 기판 상에 성장된다.
일반적으로 질화갈륨계 화합물 반도체는 사파이어 기판과 같은 이종 기판 상에서 성장되며, 특히 c면을 성장면으로 갖는 사파이어 기판 상에 성장된다. 그러나, C축 방향으로 성장된 질화갈륨계 화합물 반도체는 자발 분극 및 압전 분극에 의한 극성을 나타내며, 따라서 전자와 정공의 재결합율이 낮아져 발광 효율 개선에 한계가 있다.
한편, a면 또는 m면으로 성장된 질화갈륨계 화합물 반도체는 비극성을 갖기 때문에, 자발 분극이나 압전 분극이 발생되지 않는다. 그러나, a면 또는 m면으로 질화갈륨계 화합물 반도체를 성장시키는 것은 해결해야할 과제가 많이 남아 있어 아직 널리 적용되지 못하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 발광 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, GaN 기판을 이용하여 반극성 발광 다이오드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는, 도전성 기판; 및 상기 기판 상에 위치하는 질화갈륨 계열의 반도체 적층체를 포함한다. 여기서, 상기 반도체 적층체는 반극성 반도체층의 활성층을 포함한다.
또한, 상기 질화갈륨 계열의 반도체 적층체는 반극성 질화갈륨 기판 상에서 성장된 반도체층들을 포함한다. 나아가, 상기 반극성 질화갈륨 기판은 c면에 대해 15~85° 범위의 각도로 기울어진 주면을 갖는 미스컷 반극성 질화갈륨 기판일 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 도전성 기판이 상기 반극성 질화갈륨 기판일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 기판은 반도체 적층체에 부착된 금속 기판일 수 있다. 나아가, 반사층이 상기 기판과 상기 반도체 적층체 사이에 위치할 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드는 상기 반도체 적층체 상에 위치하는 투명 산화층을 더 포함할 수 있으며, 이 투명 산화층은 요철 패턴을 가질 수 있다. 또한, 상기 투명 산화층과 접하는 상기 반도체 적층체의 상부면은 요철 패턴을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드 제조 방법은, c면에 대해 15~85° 범위의 각도로 기울어진 주면을 갖는 미스컷 반극성 질화갈륨 기판을 준비하고, 상기 기판 상에 반극성 질화갈륨 계열의 반도체층들을 성장시켜 반도체 적층체를 형성하는 것을 포함한다.
나아가, 상기 방법은 상기 반도체 적층체 상에 투명 산화층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있으며, 상기 투명 산화층은 요철 패턴을 가질 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 반도체 적층체 상에 반사층을 형성하고, 상기 반사층 상에 지지기판을 부착하고, 상기 반극성 질화갈륨 기판을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반극성 질화갈륨 기판 상에 반도체 적층체를 형성하기 전에, 전기 화학적 식각 기술을 이용하여 상기 기판 상에 다공 구조의 질화물층을 형성할 수 있으며, 상기 반극성 질화갈륨 기판은 상기 다공 구조의 질화물층을 이용하여 상기 반도체 적층체로부터 분리될 수 있다.
상기 반극성 질화갈륨 기판이 제거된 후, 상기 반도체 적층 구조체 표면에 요철 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 반극성 반도체층의 활성층을 포함하는 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 따라서, 분극을 완화 또는 제거할 수 있어 발광 효율을 개선할 수 있다. 나아가, 미스컷 GaN 기판을 이용하여 반도체층들을 성장시킴으로써 반극성 반도체층을 상대적으로 쉽게 성장시킬 수 있다. 또한, 전기화학 식각을 이용하여 GaN 기판을 분리함으로써, GaN 기판을 재사용할 수 있어 생산 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 미스컷 질화갈륨 기판을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 도 3의 발광 다이오드를 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 분리된 GaN 기판을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에서 성장 기판을 사용될 수 있는 미스컷 질화갈륨 기판을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 기판(21)은 주면이 C축에 대해 15~85° 경사진 반극성면을 갖는 질화갈륨 기판이다. 또한, 상기 기판(21)은 상기 주면에 대해 일 방향으로 경사진 미스컷 표면(21a)을 갖는다.
미스컷 표면(21a)을 형성함으로써 킹크(kink)가 형성된다. 킹크는 질화갈륨 계열의 반도체층 성장시 핵 생성 사이트를 제공하여 반도체층이 쉽게 성장될 수 있게 한다. 상기 미스컷 표면(21a)은 특별히 한정되지 않으며, c면일 수도 있다.
상기 기판(21)의 주면은 예컨대, (20-21, (20-2-1), (10-11), (10-1-1), (11-22), (11-2-2), (30-31), (30-3-1) 등의 반극성면 또는 이들의 패밀리일 수 있다.
상기 기판(21) 상에 질화갈륨 계열의 반도체층을 성장시킴으로써 상기 기판(21)과 같은 반극성면을 갖는 반도체층들을 성장시킬 수 있다. 특히, 자발분극 뿐만 아니라 압전 분극이 극성 반도체층에 비해 상대적으로 작기 때문에 발광 효율을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 발광 다이오드는, 기판(21), 버퍼층(23), 제1 도전형 반도체층(25), 초격자층(27), 활성층(29), 제2 도전형 반도체층(31) 및 투명 산화층(33)을 포함한다. 또한, 상기 발광 다이오드는 상기 투명 산화층(33) 상부에 전극 패드(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상기 기판(21)은 도 1을 참조하여 설명한 기판으로 상세한 설명은 생략한다. 여기서, 상기 기판(21)은 도전성 기판으로서, 전극으로 사용되거나, 기판(21) 하부에 전극이 형성될 수 있다.
버퍼층(23), 제1 도전형 반도체층(25), 초격자층(27), 활성층(29) 및 제2 도전형 반도체층(31)은 상기 기판(21) 상에 성장된 에피층들로서 상기 기판(21) 상에 성장된다.
싱기 에피층들, 특히, 상기 활성층(29)은 반극성 기판(21) 상에 성장됨으로써 반극성 반도체층으로 성장되며, 따라서 극성 반도체층에 비해 분극이 상대적으로 작게 된다.
상기 버퍼층(23)은 기판(21) 상에서 성장되는 에피층의 스트레인을 완화하여 결정성을 향상시키기 위해 형성된다. 상기 버퍼층(23)은 기판(21)과 동일한 조성의 질화갈륨층일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 버퍼층(23)은 생략될 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(25)은 예컨대 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨층으로 성장될 수 있으며, 초격자층(27)은 밴드갭이 서로 다른 질화갈륨계 층들, 예컨대 질화갈륨층과 인듐질화갈륨층을 서로 적층하여 형성할 수 있다.
한편, 활성층(29)은 전자와 정공이 재결합할 수 있도록 상대적으로 좁은 밴드갭을 갖는 우물층을 포함하며, 단일 양자우물구조 또는 다중 양자우물구조를 가질 수 있다.
한편, 상긴 제2 도전형 반도체층(31)은 예컨대 p형 불순물이 도핑된 질화갈륨층으로 성장될 수 있으며, 나아가 전자 블록층을 포함할 수도 있다.
상기 에피층들은 MBE 또는 MOCVD 기술을 이용하여 성장될 수 있다.
투명 산화층(33)은 제1 도전형 반도체층(25), 활성층(29) 및 제2 도전형 반도체층(31)을 포함하는 반도체 적층체 상에 위치한다. 상기 투명 산화층(33)은 전류 분산을 위해 형성된다. 또한, 상기 투명 산화층(33)은 상부 표면에 요철 패턴(33a)을 가질 수 있다. 전류 분산 및 요철 패턴(33a)을 형성하기 위해 투명 산화층(33)의 전체 두께는 약 1um 이상일 수 있으며, 요부의 두께가 0.5um 이상일 수 있다.
상기 투명 산환층(33)은 ITO 또는 ZnO로 형성될 수 있다. 예컨대, 1차로 투명 산화층의 일부를 형성한 후, 리프트 오프 공정에 의해 철부를 형성함으로써, 요철 패턴을 갖는 투명 산화층(33)을 형성할 수 있다.
상기 요철 패턴(33a)을 갖는 투명 산화층(33)은 활성층(31)에서 생성된 광의 추출 효율을 향상시켜 발광 다이오드의 발광 효율을 개선한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는, 기판(51), 본딩 금속(37), 반사층(35), 제1 도전형 반도체층(25), 초격자층(27), 활성층(29), 제2 도전형 반도체층(31) 및 투명 산화층(53)을 포함한다. 또한, 상기 발광 다이오드는 상기 투명 산화층(53) 상부에 전극 패드(55)를 더 포함할 수 있다.
상기 기판(51)은 도전성 기판으로 예컨대 금속 기판일 수 있다. 상기 기판(51)은 성장기판과 구별되며 이미 성장이 완료된 반도체 적층체 상에 부착된 2차 기판이다.
본딩 금속(37)은 상기 기판(51)과 반도체 적층체를 결합하기 위해 사용된 것으로 예컨대 AuSn일 수 있다. 한편, 반사층(35)은 활성층(29)에서 방출되어 기판(51)측으로 진행하는 광을 반사시키기 위해 형성된 것으로 Ag로 형성될 수 있으며, Ag의 확산을 방지하기 위한 장벽 금속층을 포함할 수 있다.
한편, 제1 도전형 반도체층(25), 초격자층(27), 활성층(29), 제2 도전형 반도체층(31)은 도 2를 참조하여 설명한 반도체 적층체의 각 층들과 동일한 구성요소로서 동일한 지시번호를 사용하여 나타내고 있다. 따라서, 상기 각 층들, 특히 활성층(29)은 반극성 반도체층으로 형성된다. 다만, 본 실시예에 있어서, 상기 반도체 적층체는 도 2의 실시예와 대비하여 뒤집어진 구조를 가지고 있으며, 제1 도전형 반도체층(25)은 상부 표면에 요철 패턴(25a)을 가질 수 있다.
한편, 투명 산화층(53)은 상기 제1 도전형 반도체층(25) 상에 위치하며, 요철 패턴(53a)을 가질 수 있다. 상기 투명 산화층(53)은 앞서 설명한 투명 산화층(33)과 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 투명 산화층(53) 상에 전극 패드(55)가 위치한다. 상기 전극 패드(55)는 통상 본딩 와이어를 본딩하기 위해 제공된다.
도 4 내지 도 6은 도 3의 발광 다이오드를 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 우선, c면에 대해 15~85° 범위의 각도로 기울어진 주면을 갖는 미스컷 반극성 질화갈륨 기판(21)이 준비된다. 상기 기판(21)은 도 1을 참조하여 설명한 기판(21)과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 기판(21) 상에 버퍼층(23)이 성장된다. 상기 버퍼층(23)은 불순물이 도핑되지 않은 질화물층, 예컨대 질화갈륨층으로 성장될 수 있다. 여기서, 상기 버퍼층(23)은 그 위에 에피층을 성장시키기 위한 층으로 사용될 뿐만 아니라, 기판(21)을 분리하기 위해 요구된다.
상기 버퍼층(23) 상에 공극들(24a)을 갖는 다공 구조의 질화물층(24)이 형성된다. 예컨대 Si이 1×1018/cm3 이상 10×1019/cm3 이하로 도핑된 GaN층을 성장하고, 상기 질화물층을 전기화학적 식각을 이용하여 식각함으로써 다공 구조의 질화물층(24)을 형성할 수 있다. 상기 전기화학적 식각은, 예컨대 약 10℃ 옥살산 용액(0.3M 옥살산) 내에 상기 불순물이 도핑된 질화물층을 갖는 기판(21)과 Pt 전극을 담그고, 상기 질화물층에 양극, Pt에 음극을 연결하여 DC 전압(25~60V)을 인가함으로써 수행될 수 있다.
다공 구조는 도 4에 도시한 바와 같이 질화물층(24)의 표면으로부터 버퍼층(23)에 이르는 나노 스케일의 로드 형태의 공극들(24a)을 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 다공 구조의 질화물층(24) 상에 에피층들, 예컨대 제1 도전형 반도체층(25), 초격자층(27), 활성층(29), 제2 도전형 반도체층(31)을 성장시켜 반도체 적층체를 형성한다. 이들 에피층들은 도 2를 참조하여 설명한 에피층들과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 에피층들을 상대적으로 고온에서 성장하는 동안, 상기 공극들(24a)이 성장하여 질화물층(24) 내에 보이드들(24b)이 형성된다. 덧붙여, 상기 질화물층(24) 내에 보이드들(24b)의 크기를 더욱 증가시키기 위해 추가로 약 1000℃의 열 공정이 수행될 수 있다.
이어서, 상기 반도체 적층체 상에 반사층(35)을 형성한다. 상기 반사층(35)은 Ag와 같은 반사 금속으로 형성될 수 있으며, Ag의 확산을 방지하기 위해 장벽 금속층을 포함할 수 있다. 그 후, 상기 반사층(35) 상에 본딩 금속(37)을 개재하여 기판(51)을 부착한다. 상기 본딩 금속(37)은 예컨대 AuSn일 수 있으며, 상기 기판(51)은 금속 기판일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 기판(51)이 부착된 후, 상기 보이드들(24b)이 형성된 질화물층(24)을 이용하여 반극성 질화갈륨 기판(21)을 제거한다. 예를 들어, 화학적 식각기술을 이용하여 상기 질화물층(24)을 식각함으로써 반극성 질화갈륨 기판(21)을 분리할 수 있으며, 또는 기계적 힘을 가하여 상기 반극성 질화갈륨 기판(21)을 분리할 수 있다.
그 후, 노출된 반도체 적층 구조체의 표면, 예컨대 제1 도전형 반도체층(25)의 표면을 패터닝하여 요철 패턴(도 3의 25a)을 형성할 수 있다. 상기 노출된 반도체 적층 구조체의 표면은 보이드들(24b)에 의해 상대적으로 거친 표면을 갖는다. 이 거친 표면을 갖는 상부 부분을 화학적 에칭 또는 기계적 연마하고 건식 식각을 이용하여 요철 패턴(25a)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 거친 표면을 유지한 상태에서 요철 패턴(25a)을 추가로 형성할 수도 있다.
그 후, 상기 제1 도전형 반도체층(25) 상에 투명 산화층(55)을 형성한다. 상기 투명 산화층(55)은 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 요철 패턴(55a)을 갖도록 형성될 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 상기 투명 산화층(55) 상에 전극 패드(55)가 형성되며, 이에 따라 수직 구조의 발광 다이오드가 제공된다.
도 7은 도 6에서 분리된 반극성 GaN 기판을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 반극성 GaN 기판(21)은 버퍼층(23)과 함께 반도체 적층 구조체로부터 분리된다. 이 반극성 GaN 기판(21)은 초기 기판과 동일한 형태를 유지하며, 따라서 다시 미스커팅함으로써 성장 기판으로 재사용될 수 있다.
반극성 GaN 기판(21)을 재사용함에 따라 반극성 GaN 기판(21) 제조 비용을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 발광 다이오드 제조 비용을 절감할 수 있다.

Claims (20)

  1. 도전성 기판; 및
    상기 기판 상에 위치하는 질화갈륨 계열의 반도체 적층체를 포함하되,
    상기 반도체 적층체는 반극성 반도체층의 활성층을 포함하고,
    상기 질화갈륨 계열의 반도체 적층체는 반극성 질화갈륨 기판 상에서 성장된 반도체층들을 포함하며,
    상기 반극성 질화갈륨 기판은 c면에 대해 15~85° 범위의 각도로 기울어진 주면 및 미스컷 표면을 갖는 미스컷 반극성 질화갈륨 기판이며,
    상기 미스컷 표면은 c면인 발광 다이오드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 기판은 상기 반극성 질화갈륨 기판인 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 금속 기판인 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기판과 상기 반도체 적층체 사이에 위치하는 반사층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 적층체 상에 위치하는 투명 산화층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 투명 산화층은 요철 패턴을 갖는 발광 다이오드.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 투명 산화층은 ITO 또는 ZnO인 발광 다이오드.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 투명 산화층과 접하는 상기 반도체 적층체의 상부면은 요철 패턴을 갖는 발광 다이오드.
  11. c면에 대해 15~85° 범위의 각도로 기울어진 주면 및 c면의 미스컷 표면을 갖는 미스컷 반극성 질화갈륨 기판을 준비하고,
    상기 기판 상에 반극성 질화갈륨 계열의 반도체층들을 성장시켜 반도체 적층체를 형성하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 반도체 적층체 상에 투명 산화층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 투명 산화층은 요철 패턴을 갖는 발광 다이오드 제조 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 반도체 적층체 상에 반사층을 형성하고,
    상기 반사층 상에 지지기판을 부착하고,
    상기 반극성 질화갈륨 기판을 제거하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 반극성 질화갈륨 기판 상에 반도체 적층체를 형성하기 전에, 전기 화학적 식각 기술을 이용하여 상기 기판 상에 다공 구조의 질화물층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 반극성 질화갈륨 기판은 상기 다공 구조의 질화물층을 이용하여 상기 반도체 적층체로부터 분리되는 발광 다이오드 제조 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 반극성 질화갈륨 기판이 제거된 후, 상기 반도체 적층체 표면에 요철 패턴을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 반도체 적층체 상에 투명 산화층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 투명 산화층은 요철 패턴을 갖는 발광 다이오드 제조 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 투명 산화층은 ITO 또는 ZnO인 발광 다이오드 제조 방법.
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