KR20070025030A

KR20070025030A - 발광 소자 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20070025030A
Application number: KR20050080760A
Authority: KR
Inventors: 윤여진
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-08
Also published as: KR101165258B1

Abstract

본 발명은 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, N형 화합물 반도체층과, 상기 N형 화합물 반도체층 상부의 적어도 일부에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되고, 격자 결함에 의한 홈이 형성된 P형 화합물 반도체층과, 상기 P형 화합물 반도체층 상에 그 표면을 따라 형성된 오믹성 전극과, 상기 오믹성 전극 상에 형성된 P형 금속패드 및 상기 N형 화합물 반도체층 상에 형성된 N형 금속패드를 포함하는 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이와 같이 본 발명은 P형 화합물 반도체층의 제조시의 결함에 의한 다수의 홈을 P형 화합물 반도체층 상에 형성하여, 투명 전극층과의 접하는 표면적을 넓일 수 있고, P형 화합물 반도체층과 투명 전극층의 계면의 임계각을 변화시켜 광 방출량을 증가시킬 수 있다.

발광 소자, 화합물 반도체, GaN, 투명 전극, ITO, 격자 결함, 홈

Description

발광 소자 및 이의 제조 방법{Luminous element and method of manufacturing the same}

도 1은 종래의 화합물 계열 반도체 발광 소자의 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 단면도.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 10 : 기판 2, 20 : 버퍼층

3, 30 : N형 화합물 반도체층 4, 40 : 활성층

5, 50 : P형 화합물 반도체층 6, 60 : 투명 전극층

7, 8, 70, 80 : 금속패드

본 발명은 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 화합물계 반도체 발광 소자에 있어서 발광 효율과 휘도를 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 발광 소자 즉, 발광 다이오드(light emission diode; LED)는 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 양공)를 만들고 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭하며, GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써 다양한 색을 구현할 수 있다. 예를 들어 GaAsP 등을 이용하여 적색 파장 대역의 광을 발광하는 적색 발광 소자를 형성할 수 있고, GaP, InGaN 등을 이용하여 녹색 파장 대역의 광을 발광하는 녹색 발광 소자를 형성할 수 있고, InGaN/GaN 더블 헤테로(double hetero) 구조를 이용하여 청색 파장 댕역의 광을 발광하는 청색 발광 소자를 형성할 수 있으며, AlGaN/GaN 또는 AlGaN/AlGaN 구조를 이용하여 UV 파장 대역의 광을 발광하는 UV 발광 소자를 형성할 수 있다. 특히, GaN은 상온에서 3.4eV의 직접 천이형 밴드갭(direct bandgap)을 가지며 질화인듐(InN), 질화알루미늄(AlN) 같은 물질과 조합하여 1.9eV (InN)에서 3.4eV (GaN), 6.2eV (AlN)까지 직접 천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있어서 가시광에서부터 자외선 영역까지 넓은 파장 영역 때문에 광소자의 응용 가능성이 매우 큰 물질이다.

상술한 바와 같이 발광 소자의 파장 조절이 가능하여 단파장 영역의 적색, 녹색 및 청색 발광 소자를 이용하여 천연색(full-color) 구현이 가능해짐으로써 디스플레이 영역은 물론 일반 조명시장으로의 파급 효과가 매우 커질 것이다．

이하, 상술한 종래의 화합물계 반도체 발광 소자의 제조 방법을 간략히 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 종래의 화합물 계열 반도체 발광 소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 발광 소자는 사파이어 기판(1) 상에 GaN 또는 AlN으로된 버퍼층(2)을 형성하고, 그 상부에 N형 화합물 반도체층(3), 활성층(4) 및 P형 화합물 반도체층(5)을 순차적으로 형성한다.

소정의 패터닝 공정을 실시하여 P형 반도체층(5) 및 활성층(4)의 일부를 제거하여 N형 화합물 반도체층(3)을 노출한다. P형 화합물 반도체층(5)의 표면에 오믹성 전극(6)을 증착하고, 열처리한 다음, 그 상부의 일부영역에 Au계 금속층으로 본딩패드(7)를 형성한다. 한편, 노출된 N형 화합물 반도체층(3)의 일부에 N형 오믹 접촉성 금속층(8)을 도포하여 본딩 패드를 형성한다.

상술한 바와 같이 종래의 P형 화합물 반도체층 상에는 오믹성 전극을 P형 반도체층 상부 전영역에 걸쳐 오믹성 전극을 형성하여야 한다. 이는 P형 화합물 반도체층이 저항이 크기 때문에 P형 화합물 반도체층의 일부 영역에 형성된 본딩 패드만으로는 P형 화합물 반도체층 내에 균일한 전류를 인가하지 못하는 단점이 있기 때문에 오믹성 전극층은 필수적으로 형성하여야 한다. 하지만, 평평한 P형 화합물 반도체층 상부 표면에 오믹성 전극층이 형성되면 P형 화합물 반도체층과 오믹성 전극층 간의 계면에서 빛이 반사되어 발광 효율을 저하시키는 문제가 발생한다. 일 반적으로, 화합물계 발광 소자는 활성층 내에서 여기된 전자에 의해 광이 생성된다. 이때, 이렇게 생성된 광은 활성층의 모든 방향을 통해 방출된다. 하지만, 이중의 상당수의 광은 반도체층 내에서 흡수되거나, 상쇄되어 버리고, 일부의 광이 P형 반도체층을 통해 외부로 방출된다. 그러나, P형 화합물 반도체층과 그 상부에 형성된 오믹성 전극층은 그 굴절율의 차로 인해 P형 반도체층으로 입사된 광 중의 일부 즉, 계면의 임계각 내로 입사된 광은 계면을 투과하지 못하고 다시 P형 반도체층 내부로 반사하게 되는 문제가 발생하게 되어 결국 발광 소자의 발광 효율을 저하시키는 원인이 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, P형 화합물 반도체층의 제조 공정 중 P형 화합물 반도체층의 결함에 의한 다수의 홈을 형성하여 P형 화합물 반도체층과, 오믹성 전극층 간의 계면 상태를 변화시켜 발광 효율을 상승시킬 수 있는 발광 소자 및 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 N형 화합물 반도체층과, 상기 N형 화합물 반도체층 상부의 적어도 일부에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되고, 상부면에 격자 결함에 의한 홈이 형성된 P형 화합물 반도체층과, 상기 P형 화합물 반도체층 상에 그 상부 표면을 따라 형성된 오믹성 전극과, 상기 오믹성 전극 상에 형성된 P형 금속 패드 및 상기 N형 화합물 반도체층 상에 형성된 N형 금속패드를 포함하는 발광 소자를 제공한다.

여기서, 상기 격자 결함에 의한 홈은, 상기 P형 화합물 반도체층 표면에 역 원뿔 형태 또는 역 다각뿔 형태로 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 기판 상에 N형 화합물 반도체층 및 활성층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 활성층 상에 P형 화합물 반도체층을 형성하되, P형 화합물 반도체층 상에 격자 결함에 의한 홈을 형성하는 단계와, 상기 P형 화합물 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 제거하여 N형 화합물 반도체층의 일부를 노출하는 단계와, 상기 P형 화합물 반도체층 상에 오믹 전극을 형성하는 단계 및 상기 오믹 전극 상에 P형 금속패드를 형성하고, 상기 N형 화합물 반도체층 상에 N형 금속패드를 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 소자는 기판(10)과, 기판(10)상에 형 성된 버퍼층(20)과, 버퍼층(20) 상에 형성된 N형 화합물 반도체층(30)과, 상기 N형 화합물 반도체층(30)의 일부에 형성된 활성층(40)과, 상기 활성층(40) 상에 형성되고 상부에 성장 결함에 의한 홈(52)이 형성된 P형 화합물 반도체층(50)과, 상기 P형 반도체층(50) 상부의 표면 형상을 따라 형성된 투명 전극층(60)과, 상기 투명 전극층(60) 상에 형성된 P형 금속패드(70)와, 상기 활성층(40)이 형성되지 않은 N형 화합물 반도체층(30) 상에 형성된 N형 금속패드(80)를 포함한다.

상기 기판(10)으로는 Al₂O₃, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl₂O₃, BN, AlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나의 기판을 사용한다.

상기 버퍼층(20)은 상기 기판(10)과 그 상부에 형성될 화합물 반도체 간의 결정 결합을 제거하기 위한 층으로 GaN 및 AlN을 포함하는 다양한 막으로 형성될 수 있다.

이러한 버퍼층(20) 상에 N형 화합물 반도체층(30)을 형성하되, N형 화합물 반도체층(30)은 Ga, Al 및 In 중 적어도 어느 하나와, 질소(N)가 포함된 막을 사용하여 형성한다. 이때, N형 화합물 반도체층(30)은 다층막으로 제작될 수도 있고, 단일 막으로도 제작될 수도 있다. 또한, 초격자층 형태의 막으로도 제작될 수 있다.

N형 화합물 반도체층(30) 상에 형성되는 활성층(40)은 전자와 전공의 재결합에 의해 광을 생성하는 영역으로, InGaN막 또는 AlGaN막으로 형성된다. 물론 발광하고자 하는 파장에 따라 이에 한정되지 않고, 다양한 구성을 갖는 막으로 제작될 수도 있다.

상기 N형 화합물 반도체층(30) 상에 P형 화합물 반도체층(50)을 형성하되, 성장시 결정 성장 결함을 제거하지 않은 상태로 성장된 P형 화합물 반도체층(50)를 사용한다. 이때, 성장시 발생한 결함에 의해 P형 화합물 반도체층(50) 상부에는 다수의 홈(52)이 형성되어 있다. P형 화합물 반도체층(50)은 Ga, Al 및 In 중 적어도 어느 하나와 질소(N)가 포함된 막을 사용하여 형성한다. 그리고, P형 화합물 반도체층(50) 내에는 Mg 또는 Zn을 포함하는 P형 불순물이 첨가되어 있다. 여기서, P형 화합물 반도체층(50)은 단일막으로 구성될 수도 있고, 다층막으로도 구성될 수 있다. 이때, 다층막으로 구성할 경우 최상부에 위치한 막의 성장 결함을 제거하지 않는 것이 바람직하다.

상기 결정 성장 결함에 의해 발생한 홈(52)이 형성된 P형 반도체층(50) 상에 그 표면 형상을 따라 ITO를 포함하는 투명 전극층(60)을 형성한다. 이후, ITO상에 P형 금속패드(70)를 형성하고, N형 화합물 반도체층(30) 상에 N형 금속패드(80)를 형성한다.

상기층들은 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PCVD; Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 포함한 다양한 증착 및 성장 방법을 통해 형성된다.

이하, 상술한 본 발명의 발광 소자의 제조 방법에 관해 도면을 참조하여 설 명한다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 상기 도 3 내지 도 6에서 (a) 도면은 발광 소자의 단면도이고, (b) 도면은 발광 소자의 평면도이다.

도 3을 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(20), N형 화합물 반도체층(30) 및 활성층(40)을 순차적으로 형성한다.

사파이어 기판(10) 상에 GaN 계열의 버퍼층(20)을 형성한다. 물론, AlN계열이 버퍼층(20)을 형성할 수도 있다. 또한, 버퍼층(20)을 형성하지 않을 수도 있다. 버퍼층(20) 상에 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸갈륨(TMGa) 및 트리메틸인듐(TMIn)중 어느 하나와, NH₄를 이용하여 N형 화합물 반도체층(30)을 형성하되, 본 실시예에서는 GaN막을 형성하는 것이 바람직하다. N형 화합물 반도체층(30) 상에 InGaN을 포함하는 활성층(40)을 형성한다. 활성층(40) 하부에 N형 클래드층(미도시)이 더 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(40)은 조성이 다른 두 개의 막층이 초격자층 형태로 제작된 양자 우물 구조일 수도 있다.

도 4를 참조하면, 상기의 활성층 상에 P형 화합물 반도체층을 형성하되, 결정 성장시 발생하는 결함에 의한 홈이 P형 화합물 반도체층 상에 형성되도록 한다.

P형 화합물 반도체층은 소정의 증착 챔버 내에 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸갈륨(TMGa) 및 트리메틸인듐(TMIn)중 어느 하나와, NH₄를 이용하여 활성층 상에 소정의 박막들이 순차적으로 형성되고, 이렇게 성장된 박막이 P형 화합물 반도 체층이 된다. 이때, 박막의 성장 조건을 조절하게 되면 활성층 상에 박막이 균일하게 성장되지 않고 국부적으로 성장이 잘되지 않는 영역이 발생하게 된다. 이러게 성장이 잘되지 않는 영역 상부에는 계속적으로 박막을 성장시키면 이러한 영역이 P형 화합물 반도체층 내에 잔류하는 성장 결함인 홈이 된다.

도 5를 참조하면, 소정의 식각 공정을 통해 상기 홈이 형성된 P형 화합물 반도체층과 활성층의 일부를 식각하여 N형 화합물 반도체층이 일부를 노출한다.

P형 화합물 반도체층 상에 감광막을 도포한 다음, 마스크를 이용한 포토리소그라피 공정을 실시하여 N형 화합물 반도체층이 노출된 영역을 노출시키는 감광막 패턴을 형성한다. 이후, 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 하는 식각 공정을 실시하여 홈이 형성된 P형 화합물 반도체층과 활성층을 제거한다.

도 6을 참조하면, 상기의 홈이 형성된 P형 화합물 반도체층 상에 그 표면을 따라 오믹성의 투명전극을 형성한다. 이후, 투명전극 상에 P형 전극 패드를 형성하고, N형 반도체층 상에 N형 전극 패드를 형성한다.

오믹성의 투명전극은 ITO막을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, ITO막은 N타입의 특성이 있기에 이를 사용하기 위해 P형 화합물 반도체층의 표면에 고농도의 N형 불순물을 주입하여 그 표면을 N타입으로 변화시키거나 P형 화합물 반도체층 표면에 고농도의 N형 화합물 반도체층을 매우 얇게 증착한 다음, 그 상부에 ITO막을 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 하부 P형 화합물 반도체층이 표면에 다수의 홈이 형성되어 있어 그 격자 구조가 크게 변화되어 있기 때문에 상술한 N타입의 고농도 이온주입 또는 고농도의 N형 화합물 반도체층을 형성하지 않고 ITO막 을 형성할 수 있다.

상술한 바와 같이 P형 화합물 반도체층의 상부에 홈이 형성되어 있고, P형 화합물 반도체층의 표면적을 넓일 수 있어, 이렇게 넓어진 표면적을 갖는 P형 화합물 반도체층 상에 ITO막의 저항성 투명 전극층을 형성함으로 인해 P형 화합물 반도체층에 균일한 전류를 공급할 수 있게 된다.

또한, P형 화합물 반도체층 상부에 형성된 홈은 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 소정의 경사를 갖는 역 원형뿔 형태로 형성되거나, 이에 한정되지 않고, 역 다각뿔 형태로 형성된다. 이에 P형 화합물 반도체층과 ITO막 사이 계면에 소정의 경사면으로 인해 임계각이 변화되어 계면에서의 광 반사율을 줄일 수 있어 광의 방출량이 증가하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 P형 화합물 반도체층의 제조시의 결함에 의한 다수의 홈을 P형 화합물 반도체층 상에 형성하여, 투명 전극층과의 접하는 표면적을 넓일 수 있고, P형 화합물 반도체층과 투명 전극층의 계면의 임계각을 변화시켜 광 방출량을 증가시킬 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims

N형 화합물 반도체층;

상기 N형 화합물 반도체층 상부의 적어도 일부에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성되고, 상부면에 격자 결함에 의한 홈이 형성된 P형 화합물 반도체층;

상기 P형 화합물 반도체층 상에 그 상부 표면을 따라 형성된 오믹성 전극;

상기 오믹성 전극 상에 형성된 P형 금속패드; 및

상기 N형 화합물 반도체층 상에 형성된 N형 금속패드를 포함하는 발광 소자.
청구항 1에 있어서,

상기 격자 결함에 의한 홈은, 상기 P형 화합물 반도체층 표면에 역 원뿔 형태 또는 역 다각뿔 형태로 형성된 발광 소자.
기판 상에 N형 화합물 반도체층 및 활성층을 순차적으로 형성하는 단계;

상기 활성층 상에 P형 화합물 반도체층을 형성하되, P형 화합물 반도체층 상에 격자 결함에 의한 홈을 형성하는 단계;

상기 P형 화합물 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 제거하여 N형 화합물 반 도체층의 일부를 노출하는 단계;

상기 P형 화합물 반도체층 상에 오믹 전극을 형성하는 단계; 및

상기 오믹 전극 상에 P형 금속패드를 형성하고, 상기 N형 화합물 반도체층 상에 N형 금속패드를 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.