KR20060039762A - 질화물반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물반도체 발광소자(Light Emitting Emitter) 및 표면발광 레이저 소자(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode : 이하 VCSEL 이라한다.)에 관한 것으로 특히, 질화물반도체를 성장함에 있어서, 실리콘(Si)을 사용하여 질화물 반도체를 성장함으로써 Si 기판이 습식 및 건식식각이 잘 되는 특성을 이용하여 효과적으로 반도체 발광소자를 제작하는 방법 및 발광소자 구조에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물반도체 VCSEL은 질화물반도체 활성층과 크래드층 및 활성층에서 발생한 광을 공진시키는 공진기 반사층으로 이루어진 층을 포함하여 이루어진다. 또한 각각의 구조층에 전류를 효율적으로 공급하기 위한 전극구조 및 소자 동작시 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 열방출 구조를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 VCSEL 은 광소자 동작시 구동전압 및 레이저 발진전류 및 소비전력을 크게 낮출수 있으며, 또한 열적으로 안정한 동작특성을 갖는 것을 특징으로 하며 높은 신뢰성을 갖는 이점이 있다.

질화물반도체 발광소자{III-nitride semiconductor Light Emitter}

Description

질화물반도체 발광소자{III-nitride semiconductor Light Emitter}

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로, 실리콘 기판위에 균열이 없고, 전위밀도를 감소시키는 GaN 기본층을 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : 이하, MOCVD라 칭한다.)방법을 이용하여 형성한 박막의 성장층 구조(도 1의 (a)) 및 전자현미경(SEM)으로 촬영한 벽개면(도 1의 (b)) 및 표면사진(도 1의 (c)) 및 전위밀도 감소를 확인하는 전자회절현미경(TEM) 사진(도 1의 (d)) 및 원자간력측정장치(AFM)로 측정한 미세표면사진(도 1의 (e)).

도 2는 본발명의 일 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자 구조를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 브레그 반사경을 갖는 발광소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 산화막 유전체 반사경을 갖는 발광소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자에서 재성장 방법(re-growth)을 이용한 전류집속 주입층 구조를 갖는 발광소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택영역 성장법(Selective Area Growth : 이하 SAG라 한다.)에 의해 제작된 질화물반도체 발광소자 어레이의 광학현미경 사진.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : n형 전극 20 : 기판

30 : 버퍼층 40 : 실리콘나이트라이드(SiN)를 삽입한 n형 접촉층

50 : n형 크래드층 60 : 활성층

70 : p형 크래드층 80 : p형 접촉층

90 : p형 전극 110 : 상부 반사층

120 : 하부 반사층 130 : 산화막 유전체 반사층

140 : n형 전류차단층

질화물 반도체는 넓은 에너지 밴드갭을 가지고 있는 직접천이형 반도체로, 가시광선에서 자외선 까지의 발광을 구현할 수 있는 발광소자 제작에 매우 적합한 물질이다. 이러한 질화물 반도체에 관한 연구는 1990년대에 사파이어 기판에 저온 GaN 버퍼층을 사용한 고품위 결정성장 기술개발과 Mg 도핑한 p형 GaN 개발이 성공적으로 이루어짐으로써 현재까지 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 특히, 고휘도 청색 LED 및 레이저다이오드(이하 LD라 한다.)의 성공적인 개발은 차세대 친환경 조명분야 및 에너지 산업, 고밀도 광기록매체 분야에서 응용이 빠르게 진행되고 있다. 더 나아가 현재 선진국들은 질화물 반도체를 이용하여 다양한 응용소자를 개발하기 위한 목표를 설정하고 반도체를 이용한 응용 광산업 분야의 개발에 주력하고 있다. 특히, AlInGaN 계열 VCSEL은 최근 그 중요성이 크게 부각되고 있는 광기록 매체용 반도체 레이저 광의 핵심소자로써 연구가 활발히 진행되고 있다.

질화물반도체 에피택시 성장기술에는 근본적으로 질화물반도체와 격자정합이 이루어지는 기판이 부재하기 때문에 종래의 기술은 사파이어 기판위에 저온에서 성장한 GaN, AlN 또는 이들의 화합물인 AlGaN, InGaN 완충층을 삽입하여 고온에서 양질의 GaN 에피택시 박막을 성장하는 방법으로 이루어져 왔다. 이를 기반으로 발광소자 및 수평형 발광 반도체레이저 소자의 층구조 형성 및 식각에 의한 방법으로 소자를 제작하여 일본의 수지나카무라(Shuji Nakamura)등은 반도체 레이저 발진에 성공하였다.(Shuji Nakamura et al., 'The Blue Laser Diode', ISBN 3-540-61590-3, Springer, 1997).

그러나, 사파이어 기판은 전기전도성이 없는 고저항 부도체로써 사파이어 기판상에 전류를 주입할 수 있는 전극을 형성하기가 어렵고, 화학적으로 안정하여 반도체 소자제조 공정상 습식 또는 건식 식각이 매우 어려운 단점이 있어 질화물반도체 LED 및 LD 소자의 구동시에 발생하는 열을 효과적으로 방출시키는 것이 어렵기 때문에 레이저의 구동전압을 높이고, 소자의 열화를 증대시키는 역할을 한다. 또한, 측면발광레이저에 비하여 표면발광 레이저는 레이저 공진기를 형성하는 반사경 츨을 성장 시켜야 하는데 주로 사용되는 AlGaN/GaN 조합의 적층구조는 굴절율의 차이가 적어서 높은 반사율을 갖는 공진기 반사경을 제작하기가 어렵고, 두꺼운 성장층으로 인한 에피택시 박막층에 내재하는 응력으로 인하여 소자의 성능을 저하 시키는 역할을 한다. 그리고 기판을 제거하는 기술이 용이하지 못하여, 표면발광레이저의 공지기 설계가 어렵다.

따라서, 본 발명의 발명자는 질화물반도체를 에피택시 성장시에 사용되는 기판을 실리콘(Si) 면방위 (111) 기판을 사용하여, 양질의 질화물 반도체를 성장시키는 방법을 연구하여, 사파이어 기판을 대체할 수 있는 발명을 성공적으로 개발하였다.(이강재 등, Appl. Phys. Lett. 85, 1502 (2004)). 실리콘 반도체는 수 십년간 반도체를 대표하는 물질로서 n형 및 p형의 전도성을 갖는 도핑기술이 잘 발달되어 있으며, 많은 반도체 소자 제조기술이 발달되어 있으며, 식각공정 및 도핑기술, 전극형성 기술이 극도로 발달되어 있으며, 또한 상대적으로 좋은 열전달 특성을 갖고 있기 때문에 질화물반도체 발광소자 및 레이저 제작에 필요한 좋은 특성을 지니고 있다.

그러므로, 본 발명은 이러한 실리콘 기판의 우수한 장점과 질화물반도체가 갖는 창색 및 자외선 영역의 발광특성을 결합하여 우수한 에피층을 성장할 수 있는 결정 성장방법을 제시함과 아울러, 이로부터 질화물 반도체 발광소자 및 반도체 레이저의 구동전압을 낮추고 발광효율 및 동작특성을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조는 실리콘 기판위에 고온에서 성장한 AlN/GaN 응력 완충층을 성장하고, SiN 전위감소층을 삽입하고 양질의 GaN 에피층을 성장한 후, 그 위에 크래드층 및 활성층과 n형 및 p형 접촉층이 형성되는 구조로 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 실리콘 기파위에 균열이 없고, 전위밀도를 감소시키는 GaN 박막층을 MOCVD 방법을 이용하여 형성한 박막의 성장층 구조(도 1의 (a)) 및 전자현미경(SEM)으로 촬영한 벽개면(도 1의 (b)) 및 표면사진(도 1의 (c)) 및 전위밀도 감소를 확인하는 전자회절현미경(TEM) 사진(도 1의 (d)) 및 원자간력측정장치(AFM)로 측정한 미세표면사진(도 1의 (e))을 나타낸 것이다.

실리콘 기판위에 GaN 반도체를 형성시키기 위해서는 실리콘과 GaN 사이의 큰 격자상수의 차이로 인하여 인장응력이 가해져서 성장된 박막에 균열이 발생한다. 따라서 본 발명자는 고온에서 형성된 AlN/GaN 이중 버퍼층을 성장시켜 균열발생을 억제시켜 균열이 없는 박막성장법을 개발하였다. 또한, GaN 성장박막 내부에 존재하는 수많은 전위밀도를 효과적으로 감소시키는 방법으로 GaN 성장층 중간에 SiN 삽입층을 성장시켜 에피택시 성장층을 가로지르는 전위(Dislocation)의 발생을 억제하여 양질의 GaN를 성장시킬 수 있었다. 이러한 결과는 도 1에 표시된 전자현미경 측정사진 및 미세표면 측정 사진에 보여진 바와 같이 그 효과를 명확하게 확인 할 수 있다.

도 2는 상기의 박막 성장법을 기반으로 하여 실리콘 기판위에 열적으로 안정한 질화물 반도체 발광소자에 대한 일 실시예로서, n형 AlGaN 크래드 층 과 p형 크래드 층 사이에 InGaN 및 AlGaN 각각의 조성을 갖는 밴드갭이 큰 배리어 층(Barrier layer)과 이보다 밴드갭이 작은 양자우물층(Quantum well)을 갖는 활성층을 형성한다. 이러한 구조로 성장된 소자구조를 갖는 웨이퍼를 실리콘 기판면을 화학적으로 습식 또는 건식 에칭하여 발광소자 하단부의 기판을 제거한 후 n형 및 p형 전극 금속 물질을 증착하여 발광소자를 제작한 예이다. 이러한 구조로 제작된 질화물 반도체 발광소자는 실리콘 기판에 존재하는 기생적인 저항 성분을 제거할 수 있으며, 소자 패키징 시에 금(Au) 전선을 연결하는 와이어 본딩을 1회로 단축할 수 있으며, 상면과 하면의 전극 설계가 용이하여 상면으로 방출하는 광들이 전극 하부에서 막혀서 방출되지 못하는 단점을 제거할 수 있다. 또한 하부 n형 금속전극을 통하여 소자 동작시에 발생된 열을 효과적으로 리드프레임 쪽으로 발산시킬 수 있기 때문에 발광소자의 양자효율을 극대화하고 높은 온도 및 높은 구동 전류에서도 안정한 동작을 이룰 수 있는 장점이 있다. 따라서 소자의 열화에 따른 신뢰성을 향상시킬 수 있는 소자구조 제작에 장점이 있다.

도 3은 도 2에서 제시된 발광소자 구조에 공진기를 부가하여 표면발광 발진을 위한 레이저 구조이다. 활성층에서 발생된 광을 공진시키기 위한 공진기로서는 질화물 반도체 조합으로 성장된 AlGaN/GaN 브래그 반사경(Distribute Bragg Refractor : 이하 DBR 이라 한다).

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로 산화막 적층구조를 이용한 DBR 반사경을 사용하였다. 질화물 반도체 활성층을 갖는 발광소자의 상부 및 실리콘 기판을 에칭하여 형성한 구멍(이하 비아홀(Via hole)이라 한다.)에 SiO₂, SiN, ZrO, HfO등의 서로 다른 굴절율을 갖는 유전체 산화막을 형성하여 발광소자에 공진기를 제작하는 것을 특징으로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 일 실시예로 레이저 소자의 전류집속을 위한 p-n 접합을 이용한 재차 성장한 층을 삽입한 구조로 p-n 접합에서의 역방향 전류 차단 특성을 이용하여 국소화된 활성층 내부로 전류를 한정하여 흘리는 전류 통제층 구조(Current appature)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 레이저 발진에 필요한 활성층의 수평방향으로의 밀도를 압축하여 전류를 주입하기 위한 구조로서 p형 크래딩층을 성장한 후 식각공정을 거친 후 재차 n형 성장층을 재성장하여 p-n 접합으로 인한 전류의 집속을 형성하는 구조를 삽입하였다. 표면발광레이저에서 발생하는 열 또한 하부 n형 전극 및 실리콘 기판을 통하여 효과적으로 방출하기 위한 전극구조를 도입하여, 열적 안정성을 구현하고자 한 것도 본 발명의 의도하는 바이다.

도 6은 하나의 웨이퍼 상에 다수의 개별 발광소자 및 레이저 소자를 제작하는 과정에서 개별 칩화 하는 다이싱 공정을 단축시키고, 물리적인 절삭과정이나 스크라이빙 과정에서 소자에 부가되는 충격을 최소화하고, GaN 소자의 단단함으로 칩이 깨지는 문제를 해결하고자, 실리콘 기판위에 SiO₂를 열적 챔버에서 형성하고, 선택적으로 개별칩 영역만에 단 하나의 발광소자를 성장시키는 방법으로 소자 어레이를 형성시킨 예이다. SiO₂ 층을 화학적인 용액에서 (바람직하기는 BOE를 사용한다.) 선택적으로 에칭하고, 들어난 Si 표면에만 소자를 성장시켜 웨이퍼 성장시에 단일 소자를 형성시킴으로서 공정을 단축시키는 효과가 있다.

또한, 상기의 방법으로 제작된 질화물반도체 발광소자를 취급이 용이하고 투명한 유리 혹은 다른 금속 기판에 부착하는 방법으로 전사하고, 실리콘 기판을 화학적 에칭에 의하여 제거하는 방법 또한 본 발명에 의해 제작된 소자의 성능을 크게 향상시킨다.

따라서, 본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 표면발광레이저를 제작함에 있어, Si 기판상에 반사경을 효과적으로 제작하는 방법 및 열적인 안정성을 꾀하기 위한 기판 에칭 기술을 통하여, 저 구동전압, 고휘도, 고발광효율 및 신뢰성 향상이 가능한 발광소자 및 레이저를 제작한다.

Claims (6)

1. 실리콘기판위에 질화물반도체로 이루어진 버퍼층, n형 접촉층, p형 접촉층, 활성층 및 공진기 반사층이 형성되고, 실리콘 기판을 일부를 식각하여 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 청구항 1항에 있어서, n형 접촉층 내부에 Si_xN_y를(단, x, y 는 화화양론적 조성으로 표시되는 정수) 삽입하여 제작된 질화물반도체 발광소자.
3. 청구항 1항에 있어서, 상기 공진기 반사층이 Ga_xIn_yAl_1-x-yN (단, x는 0 <= x <= 1의 범위, y는 0 <= y <=1의 범위)로 표시되는 반도체 박막의 굴절율 차이가 있는 두개 이상의 질화물 반도체를 적층하여 높은 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 청구항 1항에 있어서, 상기 공진기 반사층이 Si_xO_y, Si_xN_y, Al_xO_y, Zn_xO_y, Ga_xO_y, Ti_xO_y, Hf_xO_y, Zr_xO_y,등과 같은(단, x, y 는 화학양론적 조성으로 표시되는 정수) 굴절율이 다른 두층의 유전막을 적층하여 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 청구항 1항에 있어서, 상기 질화물반도체 발광소자 후면에 광 검출기를 장착한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 청구항 1항의 상기 질화물반도체를 제작함에 있어서, 상기 실리콘기판을 산화처리하여 일부를 제거하고, 선택적으로 질화물반도체 소자를 성장시켜 단위칩을 제작하는 방법을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

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