KR20050037324A

KR20050037324A - 나노 구조층을 가지는 질화막 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR20050037324A
Application number: KR20030072825A
Authority: KR
Inventors: 전수근
Original assignee: 에피밸리 주식회사
Priority date: 2003-10-18
Filing date: 2003-10-18
Publication date: 2005-04-21
Also published as: KR100580276B1

Abstract

본 발명은 갈륨나이트라이드(GaN)를 기본으로 하는 질화막 화합물 반도체 발광 소자에 있어서, 나노 구조를 가지는 Al(x)In(y)Ga(z)N[0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1]층을 이용한 높은 외부 양자 효율을 가지는 발광 소자에 관한 것이다. 나노 구조를 가지는 Al(x)In(y)Ga(z)N[0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1]층은 활성층에서 발생하는 빛을 산란, 굴절시켜, 빛의 외부 탈출각도를 바꾸어주는 역할을 하여 외부 양자 효율을 증가시킨다.

Description

나노 구조층을 가지는 질화막 반도체 발광소자{GaN-based Semiconductor Light Emitting Device with nano-structure layer}

일반적으로 반도체 발광소자인 경우에는 p-n 접합 구조를 기본으로 하는데, 이것은 정공을 공급하는 p 형 반도체와 전자를 공급하는 n형 반도체, 전자와 정공이 만나 빛을 생성하는 활성층으로 이루어진다. 일반적인 반도체 발광 소자를 구성하는 반도체는 외부 환경 (기판, 에폭시 혹은 공기층)에 비해 높은 굴절를을 가짐으로 해서 전자와 정공의 결합으로 인해 생기는 대다수의 광자는 소자 내부에 머물기 때문에, 외부 양자 효율은 그 소자가 가지는 구조적인 형태와 그 소자를 구성하는 물질들의 광적 특성에 따라 많은 영향을 받게 된다. 특히, 사파이어 기판위에 성장된 질화막 반도체 소자의 경우, 질화막의 굴절계수(refractive index)가 질화막 아래에 있는 사파이어 기판의 굴절계수(refractive index)나 질화막 위에 존재하는 물질(에폭시 혹은 공기층)의 굴절계수(refractive index)보다 크기 때문에, 질화막에서 생성된 광자는 질화막 표면과 기판사이에 갇혀 진행하면서, 외부로 탈출하기 전에 박막, 기판, 전극 등을 여러 경로를 통해서 거치게 되는데 이에 따른 흡수가 일어나면서 외부 양자 효율을 감소시키게 된다. 이와 같은 이유로 하여 외부 양자 효율의 증가를 위해서 여러가지 방법들이 사용되고 있다.

소자의 모양을 가공하여 소자 내부에서 생성된 광자들이 임계각도 이상의 각도를 가지고 표면에 입사될 수 있도록 하는 방법이 있다. 이 때, 소자의 모양을 반구형태나 절단된 피라미드(truncated pyramide)로 가공하게 되면, 탈출되는 광자의 양이 증가하게 되나, 공정이 복잡하며, 비비용 구조를 가지게 되는 단점이 있다.

전통적으로 높은 외부 양자효율을 위해서 사용되는 방법으로는 표면을 거칠게 하는 방법이 있다. 이것은 표면에 입사되는 광자를 굴절, 산란시키는 방법이다. 그러나, 특히 질화막 반도체 광소자의 경우에는 상대적으로 얇은 피형 반도체로 인하여 건식이나 습식방식으로 표면을 거칠게 했을 때, 피형반도체 바로 아래에 있는 활성층에 결함을 야기할 수 있으며, 피형반도체 특성이 변하여 접촉저항이 켜질 수 있는 단점을 가지게 된다.

그래서, 질화막 반도체의 경우에 박막 성장후에 표면을 거칠게 하는 방법이 가지는 한계가 있기 때문에, 박막 증착과정에서 표면을 거칠게 하는 방법을 채택하기도 한다. 기판에서부터 마지막 박막 전까지는 평탄하게 성장을 시키고, 마지막 박막 성장시에 성장조건(V/III비율, 온도, 증착속도 등)을 변화시켜 표면에 구멍(pit)을 고밀도로 형성시켜 기존 대비 휘도 증가를 많이 시키는 경우가 있다.

또한, 평탄한 기판을 쓰는 대신에 일정하거나 불규칙적인 홈을 가지는 기판을 이용하여 그 위에 질화막 반도체박막을 성장시켜서, 질화막을 통해서 진행하는 빛들이 기판의 홈에 의해서 빛의 진행경로가 바뀌어 외부로 탈출하게 해서 광자의 양을 증가시키는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 고밀도의 홈을 만들기 어려우며, 특히 사파이에 기판을 이용하는 경우에는 식각 방법이 어려워 기판에 많은 결함을 야기할 수 있는 단점이 있다.

본 발명은 갈륨나이트라이드(GaN)를 기본으로 하는 질화막 화합물 반도체 발광 소자에 있어서, 나노 구조를 가지는 Al(x)In(y)Ga(z)N[0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1]을 이용한 높은 외부 양자 효율을 가지는 발광 소자에 관한 것이다. 나노 구조를 가지는 Al(x)In(y)Ga(z)N[0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1]층은 활성층에서 발생하는 빛을 산란, 굴절시켜, 빛의 외부 탈출각도를 바꾸어주는 역할을 하여 외부양자 효율을 증가시키며, 또한 횡적성장모드(lateral growth)로 인한 격자결함을 줄이고자 한다.

가장 보편적인 발광소자 구조에서의 빛의 진행경로와 이에 따른 외부 양자 효율의 감소를 제 1도를 통해서 설명하고자 한다. 정공을 공급하는 피형반도체, 전자를 공급하는 엔형반도체(12), 그리고 정공과 전자가 만나서 빛을 생성하는 활성층(14)으로 구성되어지며, 이 구조는 기판(11)위에 다양한 증착 방식에 의해서 성장된다. 활성층(11)에서 생성된 빛들은 모든 방향에 대해서 방사되게 되는데, 이 중에서 일부만이 소자 바깥으로 탈출되어 지며 나머지 빛들은 갈륨나이트라이드 내에 갇히게 된다. 이것은 갈륨나이트라이드 물질의 굴절계수(refractive index)가 기판(11)의 굴절계수(refractive index)와 그 주변의 굴절계수보다 크기 때문에 상당수의 빛은 갈륨나이트라이드 물질에 갇혀서 여러 경로를 통해서 진행되면서 겪게 되는 전극(13,15), 기판(11), 활성층(14)에 흡수되면서 내부에서 사라지게 된다. 만약에 갈륨나이트라이드의 표면이나 아래에 접하는 기판에 빛의 진행경로를 바꾸어지는 구조를 가지게 된다면 빛은 진행경로를 바꾸어 외부로 용이하게 빠져 나갈 수 있을 것이다.

본 발명은 GaN내에서 갇혀 결국에는 사라지게 될 빛을 효과적으로 외부로 탈출시키기 위한 구조를 포함하는 발광소자에 관한 것이다. 이에 본 발명에 대한 자세한 설명을 예시도를 통해서 하고자 한다.

제 2 도에 예시되어 있는 것과 같이 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 LED 소자의 특징은, 기판(21) 위에 적절한 버퍼층(22), 활성층(26)에서 생성된 빛을 굴절, 산란시켜주는 나노 구조-Al(x)Ga(y)In(z)N (0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1) 층(23), 그 위에 재성장된 빛이 생성될 p-n 접합층을 가지는 반도체 구조에 있어서, 최상층에 접하여 전면 또는 일부에 투광성 전극(28)이 존재하고, p-n 접합층중에서 p층(27), 활성층(26)을 지나, n 층(24)의 일부를 제거하여 노출된 n 층(24)에 접하여 n-ohmic 금속(25)을 형성하고, 투광성전극(28) 에 p-형 본딩 pad(29)를 형성한 후에 chip 표면의 전부 또는 일부에 절연성 보호막 형성된 반도체 소자이다. 이 소자에 있어서 중요한 것은 나노 구조를 가지는 하층의 Al(x)Ga(y)In(z)N (0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1) 층(23)으로, 이층은 활성층(26)에서 생성된 빛이 이 부분을 만나게 되면 그 빛은 나노구조(23)에 의해서 산란 혹은 굴절되면서 효과적으로 탈출하게 된다. 이때 나노 구조층(23)은 고밀도를 가질수록 좋으며, 굴절계수가 그 주변의 그것과 차이가 나야 많은 효과를 볼 수 가 있으며, 활성층(26)에서 생성되는 빛의 파장대역에서의 흡수가 없는 물질을 선택해야한다. 예를 들어 Al(x)Ga(1-x)N ([0≤x≤1) 굴절계수와 흡수계수에 대한 도표가 제 3도에 표시되어 있다. 각 물질의 조성과 파장에 따라서 각 물질들은 각각 고유의 굴절계수(refractive index)를 가지게 되기 때문에, 나노 구조를 형성하게 될 물질의 조성비와 그 주변을 감싸게 될 물질들의 조성비가 최적화 되어야 한다. 구체적인 실시예를 제 4도를 통해서 보여주려 한다. 사파이어 기판(41)위에 적절한 버퍼층(42), 그 위에 Al(x)Ga(1-x)N ([0≤x≤1)층(43)을 일정 두께로 성장하고 나서 일반적인 습식식각 방식이나, 포토케미칼식각방법, ICP, RIE, Ion Milling 과 같은 건식 식각방식을 이용하여 나노 구조를 형성한 다음에 그 위에 GaN(44)를 재성장하고 그 위에 발광부에 해당되는 p-n 접합구조를 성장하게 된다. 재성장시에 적절한 버퍼층이 포함될 수도 있다. 사파이어 기판의 굴절계수는 1.8, GaN의 굴절계수는 2.5정도를 가지게 되며, Al(x)Ga(1-x)N(0≤x≤1)층은 굴절계수는 조성비에 따라 다르기는 하지만, 사파이어와 GaN의 굴절계수의 사이값을 가지게 된다. 이 때, p-n접합에서 생성된 빛은 증간에 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x≤1)층의 굴절계수에 의해서 빛이 입사되는 각도와는 다른 각도를 가지도록 굴절되며, 또한 나노 구조의 형태에 의해서 산란되어 빛이 효과적으로 외부로 탈출되어 질 수 있는 것이다. 본 발명에 있어서 나노 구조의 모양, 위치, 조성물질등이 제 2도에서 보여지는 것에 한정하는 것은 아니라, 이 나노 구조물이 빛을 효과적으로 굴절 또는 산란 시킬 수 있도록 위치와 고밀도, 주변의 물질과의 굴절계수의 차이를 이용하고 있다는 점이 중요하다.

제 5도는 또 다른 실시예를 보여주는데, 사파이어 기판(51)위에 적절한 버퍼층(52), 그 위에 일정 두께의 GaN(53)를 성장하고, 일반적인 습식식각 방식이나, 포토케미칼식각방법, ICP, RIE, Ion Milling과 같은 건식 식각방식을 이용하여 나노 구조를 형성한 다음, 그 위에 GaN와는 다른 굴절계수를 가지는 AlGaN층(54)을 성장하고, 그 위에 GaN(55)를 성장한 다음, 발광부에 해당되는 p-n접합 구조를 성장하게 된다. 이 역시 같은 원리를 가지며, 빛을 효과적으로 굴절 또는 산란 시킬 수 있다.

본 발명은 갈륨나이트라이드(GaN)를 기본으로 하는 질화막 화합물 반도체 발광 소자에 있어서, 나노 구조를 가지는 Al(x)In(y)Ga(z)N[0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1]을 이용한 높은 외부 양자 효율을 가지는 발광 소자에 관한 것이다. 나노 구조를 가지는 Al(x)In(y)Ga(z)N[0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1]층은 활성층에서 발생하는 빛을 산란, 굴절시켜, 빛의 외부 탈출각도를 바꾸어주는 역할을 하여 외부양자 효율을 증가시키며, 또한 횡적성장모드(lateral growth)로 인한 격자결함을 줄일 수 있다. 기판을 직접가공하지 않아도 되며, 고밀도 나노 구조 형성이 가능하여 효과적 유효 탈출각도를 증가시키는 장점이 있다.

제 1 도 기존의 발광소자에서의 빛의 경로에 따른 흡수 묘사도

제 2 도 나노구조를 가지고 있는 소자의 개략 단면도

제 3 도 Al(x)Ga(1-x)N(0≤x≤1)의 에너지 밴드갭에 따른 굴절계수와 흡수계수표

제 4 도 나노 구조 형성과정 예시도

제 5 도 나노 구조 형성의 또 다른 예시도

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

11,2141,51 : 기판 22,42,52 : 버퍼층

12,24,44,55 : n-Al(x)Ga(y)In(z)N 14,26,45 :활성층 -Al(x)Ga(y)In(z)N

27,46 : p-Al(x)Ga(y)In(z)N 15,29 : p형 본딩 pad

13,25 : n형 본딩 pad 16, 28 : 투광성 전극

43,54,23 ; 나노 구조층

Claims

기판(20) 위에 적절한 버퍼층(21), 활성층에서 생성된 빛을 굴절, 산란 시켜주는 나노 구조-Al(x)Ga(y)In(z)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 층(22), 그 위에 재성장된 빛이 생성될 p-n 접합층을 가지는 반도체 구조에 있어서, 최상층에 접하여 전면 또는 일부에 투광성 전극 (26)이 존재하고, p-n 접합층중에서 p층, 활성층을 지나, n 층(22)의 일부를 제거하여 노출된 n 층(22)에 접하여 n-ohmic 금속(29)을 형성하고, 피형 전극(26) 에 p-형 본딩 pad(27)를 형성한 후에 chip 표면의 전부 또는 일부에 절연성 보호막 형성된 반도체 소자.
청구 1항에 있어서, p-n 접합층에서 생성된 빛을 굴절, 산란시키는 나노 구조층이 기판과 활성층 사이에 존재하는 반도체 소자
청구 1항에 있어서, p-n 접합층은 p형 반도체와 양자우물로 구성되는 활성층, n-형 반도체로 구성된다.
청구 1항에 있어서, 기판은 사파이어, 실리콘 카바이드, 갈륨포스파이드, 실리콘, 갈륨아세나이드를 포함한다.
청구 1항에 있어서, 습식식각 방식, 포토케미칼식각방법, ICP, RIE, Ion Milling과 같은 건식 식각방식을 이용하여 나노 구조를 형성한 소자.
청구 1항에 있어서, 나노 구조층의 두께는 20옹스트롱에서 10000옹스트롱인 반도체 소자
청구 1항에 있어서, 나노 구조층의 조성비는 나노 구조층을 감싸고 있는 물질들과의 굴절계수의 차이가 0.001∼2.0가 되도록 구성된 반도체 소자