KR20060121432A - 로드형 발광 구조물 및 그를 형성하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로드형 발광 구조물 및 그를 형성하는 방법에 관한 것으로, 상부에 복수개의 나노 로드들이 형성된 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판에 형성된 나노 로드들 각각의 상부에 N-반도체층과 활성층을 순차적으로 형성하여 복수개의 로드형 발광 구조물들을 형성하는 단계와; 상기 복수개의 로드형 발광 구조물들 상부에서 성장시켜, 합체가 되어 상면에 보이드(Void)가 존재하지 않는 평탄화되는 P-반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
따라서, 본 발명은 나노로드에 발광 구조물을 형성하여, 관통전위와 같은 결함 밀도를 줄일 수 있고, 상호 이격되어 있는 복수개의 나노 로드에서 광이 방출되어, 발광 면적을 증가시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, P-반도체층을 평탄화시켜, P-반도체층 상부에서 전극 형성을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
나노, 로드, 발광구조물, 결함, 평탄, 발광
Description
도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨을 이용하여 제조된 발광 다이오드의 단면도
도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 로드(Rod)형 발광 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도
도 3은 본 발명에 따른 로드(Rod)형 발광 구조물에 전극이 형성된 상태의 단면도
도 4는 본 발명에 따라 로드(Rod)형 발광 구조물과 평탄화층을 성장시키기 위한 온도를 설명하기 위한 그래프
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 나노 로드가 기판에 성장되는 개념을 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 6은 본 발명에 따른 로드(Rod)형 발광 구조물에서 광이 방출되는 경로를 설명하는 개략적인 단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200 : 기판 210 : 나노 로드
220 : N-반도체층 230 : 활성층
250 : 로드형 발광 구조물 260 : P-반도체층
270 : 투명전극 500 : 버퍼층
505 : 시드(Seed)
본 발명은 로드형 발광 구조물 및 그를 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노로드에 발광 구조물을 형성하여, 관통전위와 같은 결함 밀도를 줄일 수 있고, 상호 이격되어 있는 복수개의 나노 로드에서 광이 방출되어, 발광 면적을 증가시켜 광출력을 향상시킬 수 있으며, P-반도체층을 평탄화시켜, P-반도체층 상부에서 전극 형성을 용이하게 할 수 있는 로드형 발광 구조물 및 그를 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드와 레이저 다이오드 등의 발광소자는 백라이트(Backlight), 신호, 광원과 풀 칼라 디스플레이(Full color display) 등과 같이 다양한 응용을 가지는 단일파장의 광원이다.
GaN과 ZnO 등과 같은 계열의 물질은 직접 천이형의 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 최근 들어 자외선(UV), 청색, 녹색 파장 영역의 광원으로 많은 연구와 개발이 수행되고 있으며 상용화가 되고 있다.
질화갈륨(GaN)의 경우, 질화갈륨 기판에 대한 많은 연구가 진행되고 있지만 구현하는데 있어서 많은 어려움이 있으며, 가격이 고가이어서 발광 다이오드나 레이저 다이오드와 같은 발광소자의 구조를 성장하는데 있어서, 질화갈륨 기판이외에 실리콘, 사파이어와 실리콘 카바이드(SiC) 등의 다른 물질로 구성된 기판을 사용하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨을 이용하여 제조된 발광 다이오드의 단면도로서, 기판(100) 상부에 버퍼층(110), N-반도체층(120), 활성층(130)과 P-반도체층(140)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P-반도체층(140)에서 N-반도체층(120)의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 있고; 상기 P-반도체층(140) 상부에 투명전극(150)과 P-전극(170)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 메사 식각되어 노출된 N-반도체층(120) 상부에 N-전극(160)이 형성되어 있다.
이러한, 발광 다이오드는 사파이어 기판과 같은 이종기판에 질화갈륨(GaN) 계열의 물질을 성장시켜 제조하는데, 사파이어 기판과 성장되는 질화갈륨의 열팽창계수와 결정계수의 부정합등으로 인하여 관통 전위(Threading dislocations, TD) (180)등과 같은 많은 결함이 성장되어지는 박막내에 포함되어지게 된다.
1990년대에 일본의 슈지 나까무라(Shuji Nakamura)에 의해 질화갈륨 물질을 이종 기판 상부에 성장시에, 이종기판과 질화갈륨 박막사이에 저온에서 성장하는 Al1-xGaxN(0<x≤1)층을 삽입하여 이전보다 결함밀도를 많이 감소시킬 수 있었다 (US005290393A).
이러한 획기적인 발명을 통해 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드와 레이저 다이오드 등의 발광소자 특성에 있어 많은 개선이 이루어졌고, 이로부터 현재 상용화가 이루어지고 있다.
그러나, 아직도 이러한 방법을 사용하여 질화갈륨 박막을 성장하는 경우 108cm-2 이상의 결함밀도를 소자구조내의 박막에 포함되어 있어 이에 대한 개선이 더 필요한 상황이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 나노로드에 발광 구조물을 형성하여, 관통전위와 같은 결함 밀도를 줄일 수 있고, 상호 이격되어 있는 복수개의 나노 로드에서 광이 방출되어, 발광 면적을 증가시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 로드형 발광 구조물을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 P-반도체층을 평탄화시켜, P-반도체층 상부에서 전극 형성을 용이하게 할 수 있는 로드형 발광 구조물을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 상부에 복수개의 나노 로드들이 형성된 기판과;
상기 나노 로드들 각각의 상부에 N-반도체층과 활성층이 순차적으로 형성되 어 이루어진 복수개의 로드형 발광 구조물들과;
상기 복수개의 로드형 발광 구조물들 상부에서 성장되며, 상면에 보이드(Void)가 존재하지 않는 평탄화가 이루어진 P-반도체층을 포함하여 이루어진 로드형 발광 구조물이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 상부에 복수개의 나노 로드들이 형성된 기판을 준비하는 단계와;
상기 기판에 형성된 나노 로드들 각각의 상부에 N-반도체층과 활성층을 순차적으로 형성하여 복수개의 로드형 발광 구조물들을 형성하는 단계와;
상기 복수개의 로드형 발광 구조물들 상부에서 성장시켜, 합체가 되어 상면에 보이드(Void)가 존재하지 않는 평탄화되는 P-반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 로드형 발광 구조물을 형성하는 방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 로드(Rod)형 발광 구조물을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도로서, 먼저, 상부에 복수개의 나노 로드들(210)이 형성된 기판(200)을 준비한다.(도 2a)
여기서, 상기 기판(200) 상부에 복수개의 나노 로드들(210)은 다양한 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 기판(200) 상부에 버퍼층을 형성하고, 이 버퍼층의 성장온도보다 낮은 온도에서 성장시키면, 상기 버퍼층 상부에 상호 이격된 복수개의 나노 로드들을 성장시킬 수 있다.
또한, 기판(200) 상부에 직접 복수개의 나노 로드들을 성장시킬 수도 있다.
이렇게 나노로드들이 성장되는 원리는 도 5a와 도 5b에서 더 상세히 설명하기로 하겠다.
그 후, 상기 기판(200)에 형성된 나노 로드들(210) 각각의 상부에 N-반도체층(220)과 활성층(230)을 순차적으로 형성하여 복수개의 로드형 발광 구조물들(250)을 형성한다.(도 2b,도 2c)
연이어, 상기 복수개의 로드형 발광 구조물들(250) 상부에서 성장시켜, 합체가 되어 상면에 보이드(Void)가 존재하지 않는 평탄화되는 P-반도체층(260)을 형성한다.(도 2d)
여기서, 상기 N-반도체층과 P-반도체층은 GaN으로 형성된 것이 바람직하다.
전술된 바와 같이, 상기 P-반도체층(260)을 평탄화시키면, 도 3에 도시된 바와 같이, 그 P-반도체층(260) 상부에 투명전극(270)과 같은 전극을 형성하기 용이하게 된다.
도 4는 본 발명에 따라 로드(Rod)형 발광 구조물과 평탄화층을 성장시키기 위한 온도를 설명하기 위한 그래프로서, 복수개의 로드형 발광 구조물들 상부에 보이드(Void)가 존재하지 않는 평탄화되는 P-반도체층을 형성하기 위해서는, 그래프에 도시된 바와 같이, 로드형 발광 구조물이 형성되는 온도 'A'℃보다 높은 온도인 'B'℃에서 P-반도체층을 성장시키면 된다.
즉, 상기 'A'℃에서는 상호 이격되는 로드형 발광 구조물들이 성장되나, 상대적으로 높은 온도인 'B'℃에서는 상기 로드형 발광 구조물들 각각의 상부에서 이격되어 성장되면서, 측면으로 성장이 이루어져 합체가 된다.
결국, 어느 시점에 보이드(Void)가 존재하지 않는 평탄화되는 P-반도체층 영역이 존재하게 된다.
상기 'A'℃는 N-화합물 반도체층과 활성층을 성장시키는 온도 범위를 포함하고 있는바, 상기 N-화합물 반도체층은 700 ~ 900℃에서 성장시키고, 활성층은 700 ~ 800℃에서 성장시킨다.
그러므로, 상기 평탄화되는 P-반도체층은 700 ~ 900℃보다 높은 950 ~ 1100℃에서 수행한다.
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 나노 로드가 기판에 성장되는 개념을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 전술된 설명과 같이, 버퍼층 상부에 상기 버퍼층이 성장되는 온도보다 낮은 온도에서 화합물 반도체를 성장시키면, 도 5a에 도시된 바와 같이, 최초 버퍼층(500) 상에는 점상(點狀)으로 복수개의 시드(Seed)(505)가 형성된다.
그 후, 상기 시드(505)에는 측면으로 성장되는 성분(Gx)보다 수직으로 성장되는 성분(Gy)이 현저하게 지배적이면, 상기 각각의 시드(505)는 수평 방향으로 성장되는 체적보다 수직 방향으로 성장되는 체적이 커서, 상호 이격되는 복수개의 나노 로드(510)가 형성된다.
도 6은 본 발명에 따른 로드(Rod)형 발광 구조물에서 광이 방출되는 경로를 설명하는 개략적인 단면도로서, 각각의 발광 구조물(250)에 존재하는 활성층(230)에서 광이 방출됨으로, 발광 면적이 증가되어 광출력이 향상된다.
또한, 활성층(230)이 상호 이격된 극미세 면적에서 방출됨으로, 이 방출 경로를 바꾸어서 발광 구조물 외부로 방출되는 광의 전반사량을 줄이고, 전반사되는 광이 내부에 구속되지 않아 발광 효율을 증가시킬 수 있는 것이다.
그리고, 전술된 바와 같이, 나노로드에 발광 구조물을 형성하여, 관통전위와 같은 결함 밀도를 줄일 수 있는 있게 된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 나노로드에 발광 구조물을 형성하여, 관통전위와 같은 결함 밀도를 줄일 수 있고, 상호 이격되어 있는 복수개의 나노 로드에서 광이 방출되어, 발광 면적을 증가시켜 광출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, P-반도체층을 평탄화시켜, P-반도체층 상부에서 전극 형성을 용이하게 할 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.
Claims (5)
- 상부에 복수개의 나노 로드들이 형성된 기판과;상기 나노 로드들 각각의 상부에 N-반도체층과 활성층이 순차적으로 형성되어 이루어진 복수개의 로드형 발광 구조물들과;상기 복수개의 로드형 발광 구조물들 상부에서 성장되며, 상면에 보이드(Void)가 존재하지 않는 평탄화가 이루어진 P-반도체층을 포함하여 이루어진 로드형 발광 구조물.
- 상부에 복수개의 나노 로드들이 형성된 기판을 준비하는 단계와;상기 기판에 형성된 나노 로드들 각각의 상부에 N-반도체층과 활성층을 순차적으로 형성하여 복수개의 로드형 발광 구조물들을 형성하는 단계와;상기 복수개의 로드형 발광 구조물들 상부에서 성장시켜, 합체가 되어 상면에 보이드(Void)가 존재하지 않는 평탄화되는 P-반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 로드형 발광 구조물을 형성하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 P-반도체층을 형성하는 온도는,상기 로드형 발광 구조물이 형성되는 온도보다 높은 온도인 것을 특징으로 하는 로드형 발광 구조물을 형성하는 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 상기 P-반도체층을 형성하는 온도는,950 ~ 1100℃인 것을 특징으로 하는 로드형 발광 구조물을 형성하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 N-반도체층과 P-반도체층은 GaN으로 형성하는 것을 특징으로 하는 로드형 발광 구조물을 형성하는 방법.
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