KR20050072862A - 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상부에 N타입 GaN층과 활성층을 성장시키고, 이 활성층의 상부에 600 ~ 950℃의 온도에서 P타입 GaN층을 성장시켜, 상기 활성층에 존재하는 전위 끝단면과 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 P타입 GaN층에 형성하는 제 1 단계와; 상기 V-결함이 형성된 P타입 GaN층 상부에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상부에 포토레지스트막을 형성하는 제 2 단계와; 상기 절연막이 노출되고, V-결함 내부에 포토레지스트막이 채워지도록, 상기 포토레지스트막의 일부를 제거하는 제 3 단계와; 상기 V-결함 내부에 채워진 포토레지스트막으로 마스킹하여, 상기 P타입 GaN층이 노출되도록, 상기 절연막을 제거한 후, 포토레지스트막을 제거하여, 상기 V-결함 내부면에만 절연막을 남겨놓는 제 4 단계와; 상기 P타입 GaN층과 남아있는 절연막 상부에 투명전극을 형성하는 제 5 단계와; 상기 투명전극과 전기적으로 연결되는 P전극 패드를 형성하고, 상기 N타입 GaN층과 전기적으로 연결되는 N전극 패드를 형성하는 제 6 단계로 구성된다.

따라서, 본 발명은 전위의 끝단면과 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 P타입 GaN층에 형성하고, 그 V-결함 내부에 절연막을 형성하여, 전위가 존재하는 영역으로 전류를 흐르지 않게 함으로써, 발광소자의 누설전류(Leakage Current)를 감소시켜 전기적 및 광 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다.

Description

누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법 {Method of fabricating light emitting device capable of reducing leakage current}

본 발명은 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전위의 끝단면과 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 P타입 GaN층에 형성하고, 그 V-결함 내부에 절연막을 형성하여, 전위가 존재하는 영역으로 전류를 흐르지 않게 함으로써, 발광소자의 누설전류(Leakage Current)를 감소시켜 전기적 및 광 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법에 관한 것이다.

III-Ⅴ계 화합물 반도체를 사용한 발광소자는 점차 그 용도가 여러 분야로 넓혀지고 있다.

최근, 이들 물질을 이용한 LD 및 LED는 총 천연색 전광판, 신호등과 같은 디스플레이, 고밀도 기록 매체에 필수적이며 최근에는 일반 조명으로까지 그 영역을 확대하고 있다.

이러한 III-Ⅴ계 화합물 반도체 중, 특히, 질화물계 반도체를 사용한 발광소자는 폭발적으로 양산이 증가되고 있지만, 발광특성을 제외한 전기적 특성에서는 상대적으로 우수한 특성을 갖는 소자를 구현하기가 어려운 것이 현실이다.

특히, LED 및 LD에서의 누설전류(Leakage current) 제어와 정전 파괴 강도에서의 개선은 상대적으로 미비한 실정이다.

한편, 발광소자에서 전기적 특성의 저하는 질화물 반도체의 결함농도와 관련되어 있다.

그러므로, 질화물 반도체 에피층의 성장시, 피하기 어려운 전위(Dislocation)는 누설전류의 주요한 제공원으로 알려져 있으며, 이를 원인으로 하는 고전압 및 고전류 동작과 같은 사용 환경에서의 열 발생 및 파손(Breakdown) 등의 문제가 발생하고 있다.

또한, 발광소자에서의 누설전류는 순방향 작동에서 발광 효율을 저하시키는 주요한 원인이 되고, 열 발생에 의한 추가적인 손실을 일으키므로 소자의 광 특성에도 직접적인 원인이 되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전위의 끝단면과 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 P타입 GaN층에 형성하고, 그 V-결함 내부에 절연막을 형성하여, 전위가 존재하는 영역으로 전류를 흐르지 않게 함으로써, 발광소자의 누설전류(Leakage Current)를 감소시켜 전기적 및 광 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판 상부에 N타입 GaN층과 활성층을 성장시키고, 이 활성층의 상부에 600 ~ 950℃의 온도에서 P타입 GaN층을 성장시켜, 상기 활성층에 존재하는 전위 끝단면과 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 P타입 GaN층에 형성하는 제 1 단계와;

상기 V-결함이 형성된 P타입 GaN층 상부에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상부에 포토레지스트막을 형성하는 제 2 단계와;

상기 절연막이 노출되고, V-결함 내부에 포토레지스트막이 채워지도록, 상기 포토레지스트막의 일부를 제거하는 제 3 단계와;

상기 V-결함 내부에 채워진 포토레지스트막으로 마스킹하여, 상기 P타입 GaN층이 노출되도록, 상기 절연막을 제거한 후, 포토레지스트막을 제거하여, 상기 V-결함 내부면에만 절연막을 남겨놓는 제 4 단계와;

상기 P타입 GaN층과 남아있는 절연막 상부에 투명전극을 형성하는 제 5 단계와;

상기 투명전극과 전기적으로 연결되는 P전극 패드를 형성하고, 상기 N타입 GaN층과 전기적으로 연결되는 N전극 패드를 형성하는 제 6 단계로 구성된 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 1f는 본 발명에 따른 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자를 제조하는 공정도로서, 도 1a에서 기판(100) 상부에 N타입 GaN층(110)과 활성층(120)을 성장시키고, 이 활성층(120)의 상부에 600 ~ 950℃의 온도에서 P타입 GaN층(130)을 성장시켜, 상기 활성층(120)에 존재하는 전위(10) 끝단면과 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함(20)을 P타입 GaN층(130)에 형성한다.(도 1a)

여기서, 상기 활성층(120)은 GaN계열의 반도체 물질로 다중 양자우물(Multi Quantum Well, MQW)을 형성한 것이다.

그리고, 상기 기판(100)은 GaN과 이종물질로 이루어진 사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드 기판이다.

이렇게, 상기 활성층(120) 상부에 600 ~ 950℃ 정도의 저온에서 P타입 GaN층(130)을 성장시키면, 10⁸ ~ 10⁹/㎠ 정도의 농도를 갖는 V-결함(20)이 P타입 GaN층(130)에 형성된다.

그 후, 상기 V-결함(20)이 형성된 P타입 GaN층(130) 상부에 절연막(210)을 형성하고(도 1b), 상기 절연막(210) 상부에 포토레지스트막(220)을 형성한다.(도 1c)

여기서, 상기 절연막(210)은 SiO₂ 또는 Si₃N₄인 것이 바람직하다.

이 때, 포토레지스트막(220)은 상기 V-결함(20)을 채우게 된다.

그 다음, 상기 절연막(210)이 노출되고, V-결함(20) 내부에 포토레지스트막(220)이 채워지도록, 상기 포토레지스트막(220)의 일부를 플라즈마 에칭으로 제거한다.(도 1d)

연이어, 상기 V-결함(20) 내부에 채워진 포토레지스트막(220)으로 마스킹하여, 상기 P타입 GaN층(130)이 노출되도록, 상기 절연막(210)을 제거한 후, 포토레지스트막(220)을 제거하여, 상기 V-결함(20) 내부면에만 절연막(210a)을 남겨놓는다.(도 1e)

결국, 도 1e에 도시된 바와 같이, 전위(10)는 V-결함(20) 내부면에 남아 있는 절연막(210a)에 의해 차단되게 된다.

계속하여, 상기 P타입 GaN층(130)과 남아있는 절연막(210a) 상부에 투명전극(300)을 형성한다.(도 1f)

이 후, 상기 투명전극(300)과 전기적으로 연결되는 P전극 패드를 형성하고, 상기 N타입 GaN층(110)과 전기적으로 연결되는 N전극 패드를 형성한다.

그러므로, 도 1f에 도시된 바와 같이, P전극 패드에서 투명전극(300)을 통하여 주입되는 전류가 V-결함이 존재하는 영역에서는 절연막(210a)에 의해 흐르지 않게 되어, 전위(10)로 전류가 누설되지 않게 되어, 본 발명의 발광소자는 전기적 및 광 특성이 향상된다.

도 2a와 2b는 본 발명에 따른 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광소자의 개략적인 단면도로서, 도 2a와 같이, 기판(100) 상부에 N타입 GaN층(110)과 활성층(120)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 활성층(120) 상부에 상기 활성층(120)에 존재하는 전위의 끝단면에 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 갖는 P타입 GaN층(130)이 형성되어 있고; 상기 V-결함의 내부면에 절연막(210a)이 형성되어 있고; 상기 P타입 GaN층(130)에서 상기 N타입 GaN층(110)의 일부까지 메사식각되어 있고; 상기 P타입 GaN층(130)과 절연막(210a) 상부에 투명전극(300)이 형성되어 있으며; 상기 투명전극(300) 상부에 P전극 패드(501)가 형성되어 있고, 상기 메사식각되어 노출된 N타입 GaN층(110) 상부에 N전극 패드(502)가 형성되어 있다.

그리고, 다른 구조로, 도 2b에 도시된 바와 같이, N타입 GaN 기판(201) 상부에 N타입 GaN층(202)과 활성층(203)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 활성층(203) 상부에 상기 활성층(203)에 존재하는 전위의 끝단면에 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 갖는 P타입 GaN층(204)이 형성되어 있고; 상기 V-결함의 내부면에 절연막(210a)이 형성되어 있고; 상기 P타입 GaN층(204)과 절연막(210a) 상부에 투명전극(300)이 형성되어 있으며; 상기 투명전극(300) 상부에 P전극 패드(501)가 형성되어 있고, 상기 N타입 GaN 기판(201) 하부에 N전극 패드(502)가 형성되어 있다.

도 3은 본 발명에 적용된 전위를 V-결함으로 차단하는 상태를 설명하기 위한 개념도로서, 도 2a에 도시된 기판(100)이 사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드 기판인 경우, 이 기판(100)과 성장되는 GaN층의 계면에서는 격자불일치로 전위가 발생되고, 이 전위는 계속적으로 성장되는 활성층까지 전파된다.

그러므로, 도 3과 같이, 활성층 상부에 형성되는 P타입 GaN층에 V-결함을 형성하면 전파되는 전위(10)는 차단된다.

즉, 전위(10)의 끝단면은 형성된 V-결함(20)의 꼭지점과 일치하게 되는데, V-결함(20)은 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태의 형상으로 P타입 GaN층에 형성된다.

따라서, V-결함(20)의 육각기둥 내부면에 절연막을 형성하면, 전류는 전위가 존재하는 영역으로 흐르지 않게 되고, 결국, 발광소자는 전위에 의한 누설전류(Leakage Current)가 발생되지 않게 된다.

한편, P타입 GaN층에 형성된 V-결함은 크기가 커지면 V-결함의 깊이(도 1a의 'ℓ')가 깊어지고, 크기가 작아지면 깊이가 짧아지게 된다.

그러므로, V-결함의 크기에 따라, V-결함이 활성층까지 들어가거나, 또는 P 타입 GaN층 내부만으로 제한될 수 있게 된다.

여기서, V-결함은 P타입 GaN층 내부에만 존재하게 하는 것이 바람직하다.

이러한, V-결함의 크기는 P타입 GaN층 성장시의 공정 조건을 조절하면 조절된다.

즉, NH₃ 유량, TM(Tri methyl)Ga 유량과 TMIn 유량을 증가시키고, 성장온도를 높이면, V-결함의 크기는 작아지고, NH₃ 유량, TM(Tri methyl)Ga 유량과 TMIn 유량을 감소시키고, 성장온도를 낮추면, V-결함의 크기는 커지게 된다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 전위의 끝단면과 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 P타입 GaN층에 형성하고, 그 V-결함 내부에 절연막을 형성하여, 전위가 존재하는 영역으로 전류를 흐르지 않게 함으로써, 발광소자의 누설전류(Leakage Current)를 감소시켜 전기적 및 광 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1a 내지 1f는 본 발명에 따른 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자를 제조하는 공정도

도 2a와 2b는 본 발명에 따른 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광소자의 개략적인 단면도

도 3은 본 발명에 적용된 전위를 V-결함으로 차단하는 상태를 설명하기 위한 개념도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전위(Dislocation) 20 : V-결함(Defect)

100 : 기판 110,202 : N타입 GaN층

120,203 : 활성층 201 : N타입 GaN층

210,210a : 절연막 220 : 포토레지스트막

300 : 투명전극 501 : P 전극패드

502 : N 전극패드

Claims (5)

1. 기판 상부에 N타입 GaN층과 활성층을 성장시키고, 이 활성층의 상부에 600 ~ 950℃의 온도에서 P타입 GaN층을 성장시켜, 상기 활성층에 존재하는 전위 끝단면과 꼭지점이 일치되며, 육각기둥 형상이고, 내부가 중공상태인 V-결함을 P타입 GaN층에 형성하는 제 1 단계와;

   상기 V-결함이 형성된 P타입 GaN층 상부에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상부에 포토레지스트막을 형성하는 제 2 단계와;

   상기 절연막이 노출되고, V-결함 내부에 포토레지스트막이 채워지도록, 상기 포토레지스트막의 일부를 제거하는 제 3 단계와;

   상기 V-결함 내부에 채워진 포토레지스트막으로 마스킹하여, 상기 P타입 GaN층이 노출되도록, 상기 절연막을 제거한 후, 포토레지스트막을 제거하여, 상기 V-결함 내부면에만 절연막을 남겨놓는 제 4 단계와;

   상기 P타입 GaN층과 남아있는 절연막 상부에 투명전극을 형성하는 제 5 단계와;

   상기 투명전극과 전기적으로 연결되는 P전극 패드를 형성하고, 상기 N타입 GaN층과 전기적으로 연결되는 N전극 패드를 형성하는 제 6 단계로 구성된 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 활성층은 GaN계열의 반도체 물질로 다중 양자우물(Multi Quantum Well, MQW)을 형성하고,

   상기 기판은 사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드 기판인 것을 특징으로 하는 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 단계에서,

   상기 P타입 GaN층에 10⁸ ~ 10⁹/㎠ 정도의 농도로 V-결함을 형성하는 것을 특징으로 하는 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 절연막은 SiO₂ 또는 Si₃N₄인 것을 특징으로 하는 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 4 단계와 제 5 단계 사이에,

   상기 P타입 GaN층에서 상기 N타입 GaN층의 일부까지 메사식각하는 단계가 더 구비되며;

   상기 제 6 단계에서, 상기 P전극 패드는 투명전극 상부에 형성하고, 상기 N전극 패드는 메사식각되어 노출된 N타입 GaN층 상부에 형성하는 것을 특징으로 하는 누설 전류를 감소시킬 수 있는 발광 소자 제조 방법.