KR20000012652A

KR20000012652A - 질화물 반도체를 이용한 집적 양자우물 구조를 갖는 백색광소자 및 그 제작방법

Info

Publication number: KR20000012652A
Application number: KR19990058320A
Authority: KR
Inventors: 김근주
Original assignee: 김근주
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2000-03-06

Abstract

본 발명은 질화물 반도체를 이용한 집적 양자우물 구조를 갖는 백색 광소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서 특히, 한 개의 칩에 빨강, 초록, 파랑의 RGB 3원색을 발광하는 세 개의 활성층이 병렬로 동일층면상에 반도체 식각공정과 결정성장공정을 반복하는 집적공정을 통하여 제작하는 다층구조의 질화물 반도체 광소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 활성층을 사파이어 기판 위에 질화물 반도체를 다층박막 형태로 성장시킬 때, n형 오믹 접촉층 밑에 먼저 p형 전자 장벽층을 형성하고, n, p형 오믹접촉층 사이에 2차원 전자가스층을 포함하는 활성층을 각각 3원색에 적합한 질화물 반도체층을 성장하고 식각하면서 병렬식의 3개의 활성층이 동일한 활성층부위에 병렬식으로 동작되도록 설계 및 제작된 구조를 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명은, 양자구조 또는 헤테로구조의 활성층주위에 전자공급원이 존재하고 한 개의 활성층부위에 반도체 집적공정을 통해 제작한 3개의 3원색에 해당하는 병렬방식의 활성층이 공존하게 함으로써 백색광소자의 시감도가 우수하고, 발광효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Description

질화물 반도체를 이용한 집적 양자우물 구조를 갖는 백색 광소자 및 그 제작방법{White light emitting devices in integrated quantum-well structures of compound semiconductors}

본 발명은 질화물계 반도체를 이용한 광소자의 제작에 있어서 백색 광원으로 사용하기 위한 반도체 박막의 적층구조에 관한 것으로, 특히 광소자의 3원색에 관련된 복수개의 활성층이 동일평면층에 집적된 양자구조로서 반도체소자의 집적공정기술을 질화물 백색 광소자에 도입함으로써 고휘도의 신뢰성이 우수한 광소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.

현재 실용화 단계에 있는 백색 발광다이오드는 질화물계 청색 발광다이오드에 형광성 물질을 첨가하여 황색대역을 확보함으로써 청색과 녹색-적색의 중간색인 황색을 조합함으로써 백색을 확보할 수 있다. 이러한 형광성 백색광소자는 제작이 용이하지만 백색광원의 고휘도 실용성의 측면에서는 기존의 3원 형광등에 비해 매우 낮다.

발광영역의 활성층을 10-100 nm 두께 정도로 성장하면서 Si의 도너(donor) 계와 Zn의 억셉터(acceptor)계를 코도핑(codoping)함으로써 도너-엑셉터쌍(DAP)으로부터 발광재결합을 시키는 더블헤테로구조(double-heterostructure: DH)와 발광층을 1-10 nm의 얇은 두께로 제작하여 양자우물구조(quantum well structure: QW)를 형성함으로써 밴드-밴드 천이형으로 발광재결합을 시키는 단일 양자우물구조 또는 다중 양자우물구조등이 일반화되어 있다. 특히 각 반도체 박막층간의 격자 부정합 (lattice-mismatch)으로 인한 전위결함(dislocation) 때문에 전위가 생성되지 않은 상태의 임계두께(pseudomorphic critical-layer thickness)가 매우 얇아 활성층의 두께가 임계두께를 넘지 않는 얇은 양자구조의 광소자 제작이 권장되고 있다.

이러한 종래의 DH나 QW의 반도체구조를 갖는 청색 광소자위에 형광 박막층 (YAG phosphors)을 증착한 도 1의 백색 광소자는 일본 니치아(Nichia)사에서 처음으로 도입하였다(JP 234684, EP 0622858 A2). 형광물질로는 (M_1-p-qEu_pQ_q)O·n(Al_1-mB_m)O·kPO₅·aX으로 여기에서 p, q, n, m, k, a 및 a/n의 값은 10^-4<p<0.5, 10^-4<q<0.5, 0.5<n<3.0, 0<m<0.5, 0<k<0.2, 0<a<0.5, 0<a/n<0.4의 범위에 있으며, 조성식중 M은 Mg, Ca, Sr, Ba 및 Zn의 2가 원소이고; Q는 공활성화제로Mn, Zr, Nb, Pr, Nd, Ga, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu등이 가능하며; X는 F, Cl, Br, 및 I의 할로겐원소로 구성된다. 바람직한 형광물질 성분은 YAG=(Y_1-aGd_a)₃(Al_1-bGa_b)₅O₁₂:Ce , (0≤ a, b ≤0.6)으로 555 nm의 2차 발광을 한다. 또한 청색, 청자색 또는 청록색의 레이저칩 표면이나 조립용 몰드캡(mold cup)에 형광성 또는 잔광성 물질을 첨가함으로써 비교적 높은 에너지의 광을 흡수한 다음 다시 방출하는 메카니즘을 구사함으로써도 백색광원의 제작이 가능하다. 하지만 이러한 2차 광흡수 및 방출방식은 발광효율을 저하시키고 광스펙트럼이 왜곡된 상태의 한계를 갖고 있어 자연스런 디스플레이용 백색광원의 필요성이 절실한 형편이다.

따라서, 형광체을 사용하지 않는 자연스런 백색광원의 개발이 시도되고 있으며, 특히 다층구조를 갖는 광소자 제작방식에 의한 종래 기술이 도 2에 표시되어 있다(Sharp사 JP 6053549, Matsushita사 JP 9232627). 다층 적층구조의 광소자 제작 공정기술은 초기의 질화물계 청색 광소자의 제작기술의 연장선상에서 시도되었다. 하지만 질화물반도체 박막과 사파이어기판사이의 격자상수가 크게 달라(16%) 연속적인 적층에 의한 전위에너지의 한계에 이르게 되어 소자의 신뢰성에 문제를 야기하게 된다.

본 발명은 상기한 종래의 기술적인 문제를 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 질화물 반도체를 이용한 백색 광소자의 활성층을 단일평면위에 병렬식 전류 흐름이 가능하도록 설계한 양자구조를 갖도록 반도체 집적공정을 수행함으로써 종래의 형광물질의 도포방식의 고휘도 실현의 한계를 극복할 뿐 만 아니라, 질화물 박막성장층이 사파이어기판위에서 여러 개의 활성층이 직렬식 적층으로 인한 두꺼운 두께의 전위에서 오는 변형에너지 증가와 크랙(crack)의 진행에 따른 광소자의 신뢰성 문제를 효율적으로 개선 극복할 수 있는 새로운 집적 활성층 단일칩 형태의 질화물 반도체 백색 광소자의 구조설계 및 제작공정에 관한 방법을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하는데 있어, 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 광소자의 활성층은 MOCVD장치로 RGB색에 해당하는 In_xGa_1-xN(0≤x≤1)의 In 성분비 x를 변화시키면서 성장시키고 식각공정을 반복하여 제작하며, 활성층의 집적공정이 마무리되면 전극접촉층을 연속적으로 성장시켜 전극을 형성할 수 있도록 접촉저항이 낮추어지도록 높은 p형 도핑을 오믹접촉층에 수행한다. 특히 단일 양자 활성층을 형성하기 위해서는 일차 청색용 활성층을 부분적인 패턴을 형성하여 식각하게 되며, 식각된 면의 두께확인이 매우 중요하게 된다. 따라서 일차 청색 발광층의 n면쪽 클래딩층이나 접촉층의 면이 가능하면 충분한 식각공정의 여유가 확보되도록 설계되어야 하며, 식각된 면에 다시 2차 박막성장시 계면상의 잔류물질이 휘발되도록 1120℃ 의 고온 수소 식각공정을 1∼20분간 수행하게 된다. 또한 성장웨이퍼위에 셔터(shutter)막을 설치하여 효율적인 박막성장공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 형광물질을 도포한 질화물계 반도체 백색 발광소자 대한 개략도.

도 2는 종래의 다층 적층구조의 다전극 질화물계 반도체 백색 발광소자에 대한 단면도.

도 3은 질화물 반도체박막을 성장시키는 유기금속 화학기상 증착장치에 대한 개략도.

도 4는 질화물 반도체박막을 식각하는 유도결합형 고밀도 플라즈마 식각장치에 대한 개략도.

도 5는 본 발명에서 3원색 단일 활성층을 갖는 집적 양자구조의 질화물 반도체 백색 광소자의 단면도.

도 6은 도 5의 활성층 부위에 대한 부분 평면도.

도 7은 본 발명에서 3원색 단일 활성층과 고휘도 발광을 위한 2차원 전자가스층을 포함하는 형태의 구조를 갖는 질화물계 반도체 백색 광소자에 대한 단면도.

도 8은 본 발명에서 2원색 단일 활성층을 갖는 양자구조의 질화물 반도체 백색 광소자의 단면도.

도 9는 도 8의 활성층 부위에 대한 부분 평면도.

도 10은 도 5의 질화물 반도체 백색 광소자의 활성층 부위의 집적 양자구조의 제작순서를 나타내는 각 공정의 단면도.

<도면주요 부위에 대한 부호의 설명>

1. 사파이어기판(Al₂O₃) 2. n형 오믹접촉층(GaN:Si)

3. p형 전극 패드(Ni/Au) 4. n형 전극 패드(Ti/Au)

5. 실버 페이스트(Ag paste) 6. 골드 와이어(Au wire)

7. 형광물질(YAG-phosphor) 8. 리드 프레임(lead frame)

9. 완충층(buffer layer) 10. 청색 발광 활성층

11. p형 오믹 접촉층 12. 녹색 발광 활성층

13. 적색 발광 활성층 14. N₂/H₂정화기

15. SiH₄가스 16. NH₃가스

17. 가스혼합기(manifold) 18. 유량조절계(MFC)

19. 압력조절계(EPC) 20. 흑연열판(carbon susceptor)

21. 로타리펌프 22. 스크러버(scrubber)

23. 진공용기(vacuum chamber) 24. 가스 유입부(gas inlet)

25. 석영판(quartz plate) 26. 나선형 코일

27. RF 메칭 네트워크 28. RF 발생기

29. 접지 30. 자기력선

31. 전기력선 32. 플라즈마

33. 기판지지대 음극 34. 냉각기(chiller)

35. 가스배출구(gas outlet) 36. 식각종점표시 모니터

37. p형 질화물층 38. n형 클래딩층

39. p형 클래딩층 40. 투명전극

41. 비도핑된 질화물층 42. 2차원 전자가스층

43.황색 발광 활성층 44. 포토레지스트(P/R)

45. SiO₂박막

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

이 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점을 보다 잘 이해할 수 있게 된다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 질화물 백색 광소자 칩 제작방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 질화물계 박막성장용 MOCVD장치의 개략도를 나타낸다. 백색 단일 칩을 제작하기 위해서는 두 번 이상의 활성층 박막공정을 단일 평면상에 수행하고 플라즈마 식각 공정을 박막성장 중간에 삽입하게 된다. 이 성장장치는 수소화합물계의 수소(H₂)(14)나 사일렌(SiH₄)(15) 그리고 암모니아(NH₃)(16)등의 하이드라이드 가스와 유기금속화합물계의 알킬 가스원을 보관하는 가스 캐비넷과, 기판을 가열하기 위한 RF발생장치를 포함한 반응로(thermal reactor)부분 및 로타리 펌프(21)와 스크러버(scrubber)(22)를 포함하는 배기부로 구성되어 있으며, 가스원이 모여 혼합된 다음 반응로로 유입되는 부분인 혼합기(manifold)와 반응로 사이의 길이를 최소화하여 유기금속의 박막성장전 불필요한 부수적인 예비반응을 최소화 할 수 있다.

수소 또는 질소가스를 주 흐름가스로 하여 가스 정화기(purifier)(14)를 통과시켜 정제한 후 반응로로 유입시키고, 또한 알킬계 유기금속 화합물인 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸인듐(TMIn), 디에틸아연(DEZn), 사이크로 펜타디에닐마그네슘(Cp₂Mg)등의 금속원을 기포화(bubbling)하여 반송한다. 박막성장시 반응로의 압력은 상압보다 낮은 압력에서 수행되어지며(200-500 Torr), 배기가스는 집진기(particle trap)와 차콜(charcoal)을 이용한 여과기를 사용하며, 황산용액에서 암모니아가스를 흡수시켜 황산암모늄 착염을 만드는 습식 여과후 수소가스를 불에 태워 배출시킨다.

도 4는 질화물계 박막 식각용 유도결합형 플라즈마(ICP) 식각장치의 개략도를 나타낸다. 이 장치는 Al을 산화시켜 알루미나막을 내벽에 형성한 진공용기(23)와 상기 진공용기에 장착된 가스유입구(24)와 석영판(25)으로 격리된 진공용기 상부에 설치된 Cu플레이트로 만든 나선형 코일(26)과 상기 나선형 코일과 기판지지대(31)에 연결된 RF매칭 네트워크(27)와 상기 나선형 코일과 RF매칭 네트워크에 연결되어 13.56MHz의 RF주파수를 발생시키는 RF발생기와 상기 13.56MHz의 주파수를 1.25KW RF전력으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기(28)와, 상기 나선형 코일에 흐르는 전류에 의해 플라즈마내에서도 인덕턴스성분이 유도되고 이성분에 의해 형성되는 수직방향의 자기력선(30) 및 수평방향의 전기력선(31)과 상기 기판지지대(33)에 부착되어 일정한 온도를 유지하도록 조절하는 냉각기(34)와 도면에 도시 생략된 터보펌프와 로타리펌프가 연결되어 가스배출구(35)로 구성된다. 사용하는 가스는 질화물계 반도체박막에 Ar이온의 충격량를 증가시키고 고밀도 플라즈마를 형성하고 Ga계 합금을 식각하기 위한 Cl₂가스를 혼합하여 사용한다.

제 1실시예로 단면에서 보면 도 5과 같은 형상으로 사파이어기판(1)위에 GaN 완충층(9)을 형성하고 그 위에 p형 GaN 반도체 박막을 전자장벽층(37)으로 형성하고 난 다음, n형(2) 및 p형(11) 오믹접촉층 반도체층사이에 양자우물구조를 삽입함으로써 발광소자 박막구조를 성장시킨다. 양자 활성층은 성장과 식각공정을 반복하여 완성하며 p형 오믹접촉층(11)위에 투명성 금속박막(Ni/Au)을 증착하거나 도전성산화막의 투명전극(40)을 형성한 후 와이어본딩용 p형 전극(3)을 형성한 후 급속 열처리하여 p형 오믹접촉층의 활성화를 도모한다. 특히 양자 활성층의 단면은 도 6에서와 같이 3등분하여 식각과 성장을 계속하게 된다. 양자활성층은 화합물반도체층(In_xGa_1-xN, (Al_xIn_1-x)_yGa_1-yP, Al_xGa_1-xAs)을 이용하여 3원색을 조합하거나, 바람직하게는 In_xGa_1-xN 박막의 인듐 조성비 x가 청색(10)인 경우는 x=0.1-0.2, 녹색(12)인 경우는 x=0.3-0.5, 적색(13)인 경우는 x=0.8-1.0을 갖으며 두께는 각각 10-200Å 의 범위에서 밴드갭 엔지니어링할 수 있다.

제 2 실시예로 도 7 에서처럼 활성층의 양자구조를 제 1 실시예의 도 5 와 같은 형태로 설계하지만 고휘도의 발광효율을 얻기 위해 n 형 클래딩층의 양자우물 활성층 인접부위에 순간적인 TMGa금속원의 차단에 의한 Si 델타도핑을 수행함으로써 2차원 전자가스층(42)을 확보하였다. 또한 n형 오믹접촉층밑에 완충층을 증착한 다음, 비도핑된 질화막을 성장하다가 p형 질화막을 성장하고 다시 비도핑된 질화막을 형성하였다. 제 2 실시예는 제 1 실시예의 고휘도용 전자가스층을 보충한 경우로 고효율용 광소자 구조이다.

제 3 실시예로 도 8 에서처럼 제 2 실시예의 도 7 과 같은 형태의 고효율 광소자 구조이면서 백색 활성층이 RGB 3원색의 3부분으로 나누어지지 않고 RG의 중간색 좌표를 갖는 In_xGa_1-xN 박막의 인듐 조성비 x가 x=0.5-0.8 영역인 황색(yellow 570 nm)과 청색(blue 465 nm)이 조합하여 백색을 형성하는 경우이다. 도 9는 2원색 백색 광소자의 동일 평면상에 형성한 활성층 단면도를 나타낸 그림이다.

제 1실시예에 대한 3원색 백색광소자의 활성층을 형성하기 위한 박막성장 및 식각공정에 대한 순서도를 도 5의 n형 오믹접촉층(2) 부위부터 도 10에 도시하였다. n형 클래딩층을 성장하는 도중에 MOCVD장치에서 성장을 중단하고 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방식으로 SiO₂박막을 성장한 후 포토레지스트(P/R)(44)로 패턴을 형성하여 도 10(a)처럼 다시 MOCVD 박막공정을 수행하여 청색발광 활성층 부위(10)(청색활성층 또는 n형 클래딩층/청색활성층/p형 클래딩층)를 성장하고 다시 PEVCD공정에서 SiO₂박막(45)을 증착하여 P/R로 패턴을 형성하였다. 도 10(b)는 고밀도 플라즈마(ICP) 식각공정을 수행한 후 산화막 분리(liftoff)용 습식식각을 수행한다. 도 10(c)는 SiO₂박막(45) 패턴형성후 적색활성층부위(13)(적색활성층 또는 n형 클래딩층/적색활성층/p형 클래딩층)를 성장하고, 플라즈마 식각공정을 수행하기 위해 P/R(44)로 SiO₂(45) 패턴을 형성하였다. 도 10(d)는 적색 및 청색 활성층을 형성한 후 녹색활성층부위(12)(녹색 활성층 또는 n형 클래딩층/녹색활성층/p형 클래딩층)를 형성하기 위해 분리(liftoff)용 산화막(45)을 형성한 다음 패턴을 형성하고 질화물 박막을 형성하였다. 다시 분리하기 위해 플라즈마 식각공정을 수행하였고, 각각 활성층 경계면에 산화막 절연을 형성하였다. 다시 p형 클래딩층(39)을 전체적으로 성장하면서 연속적인 p형 오믹접촉층을 성장하여 구조 성장공정을 완성한다.

이상에서와 같이 본 실시 예에서는 사파이어기판을 이용한 III-V족 질화물계 박막을 이용하여 양자구조를 집적공정을 수행함으로써 3원색 단일 활성층의 단일칩을 제작하거나 2원색의 단일 활성층으로 백색광을 얻을 수 있는 광소자의 제작이 가능하다.

또한, 본 발명이 당 업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

상술한 설명으로부터, 본 발명에 따른 질화물 반도체를 이용한 집적 양자우물 구조를 갖는 백색 광소자 및 그의 제조 방법은 3원색 단일 평면의 활성층을 갖거나 또는 2원색 단일 평면의 활성층을 갖는 집적화된 양자구조의 반도체 박막성장 및 식각공정을 반복하는 집적공정을 통하여 제작하는 다층구조의 질화물 반도체 광소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서 종래의 형광성 백색 반도체 광원보다 시감도가 우수한 백색광원을 제공하며, 기존의 액정 디스플레이의 후광원(back light)으로 사용되는 형광원의 색변환판(color conversion sheet)을 자연광 형태로 개선할 수 있다. 한편 다층-다전극 구조의 광소자 제작 공정기술은 초기의 질화물계 청색 광소자의 제작기술의 연장선상에서 시도되었지만, 질화물반도체 박막과 사파이어기판사이의 격자상수가 크게 달라(16%) 연속적인 적층에 의한 전위변형 에너지의 한계에 이르게 되어 소자의 신뢰성에 문제를 야기하게 되는 반면, 집적화 공정을 수행함으로써 이러한 문제점을 극복할 수 있어 우수한 신뢰성을 확보할 수 있고 초절전 및 고휘도 발광효율의 효과를 제공한다.

Claims

사파이어기판위에 질화물반도체 박막을 성장시켜 3원색의 활성층들이 동일 평면상에 놓인 집적화된 양자구조를 갖는 질화물 반도체를 이용한 집적 양자우물 구조를 갖는 백색 광소자 및 그의 제조 방법.
제 1항에서 동일평면상에 있는 화합물반도체층(In_xGa_1-xN, (Al_xIn_1-x)_yGa_1-yP, Al_xGa_1-xAs)을, 자세히는 In_xGa_1-xN 활성층의 3원색을 청색(x=0.1-0.2), 녹색(x=0.3-0.5), 적색(x=0.8-1.0)에 대한 각각의 독립된 두께 10-200Å 정도의 활성층을 갖거나 적색과 녹색의 중간색인 황색(x=0.5-0.8)과 청색(x=0.1-0.2)의 2개의 독립된 활성층을 갖도록 집적화된 질화물 반도체를 이용한 집적 양자우물 구조를 갖는 백색 광소자 및 그의 제조 방법.
제 1항에서 활성층을 형성하는데 있어 질화물결정 박막성장 및 식각공정을 포함하는 집적제조 공정을 수행하며 박막성장시 활성층만 반복성장하거나 n, p형 클래딩층을 포함하는 활성층부위의 성장을 반복하는 질화물 반도체를 이용한 집적 양자우물 구조를 갖는 백색 광소자 및 그의 제조 방법.
제 3항에서 활성층 집적공정시 실리콘 산화막을 질화물 반도체박막 분리용으로 사용하기 위해 플라즈마 증착하는 공정을 포함하고 포토공정으로 패턴을 형성하는 질화물 반도체를 이용한 집적 양자우물 구조를 갖는 백색 광소자 및 그의 제조 방법.