KR20070062686A - 질화물 반도체 발광 소자 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 실리콘 기판을 이용한 양질의 질화물 발광 소자 및 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판 상에 형성된 초격자층, 상기 초격자층에 형성된 제 1 도전형 클래드층, 상기 제 1 도전형 클래드층에 형성된 활성층, 상기 활성층에 형성된 제 2 도전형 클래드층을 포함하여 구성된다.
발광 다이오드, 질화물, 활성층, 투명전극, 초격자
Description
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 기판 200: 초격자층
210: 제 1 초격자층 220: 언돕드 질화 갈륨층
230: 제 2 초격자층 300: 제 1 도전형 클래드층
400: 활성층 500: 제 2 도전형 클래드층
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 실리콘 기판을 이용한 양질의 질화물 반도체 발광 소자 및 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 GaN계 질화물 반도체는 그 응용 분야에 있어서, 청색/녹색 발광 다이오드의 광소자 및 MESFET, HEMT 등의 고속 스위칭, 고출력 소자인 전자소자에 응용되고 있다.
특히, 청색/녹색 발광 다이오드는 이미 양산화가 진행된 상태이며, 전세계적인 매출은 지수함수적으로 증가되고 있는 상황이다.
이와 같이, 사파이어 및 SiC 기판을 이용하여 GaN계 질화물 반도체를 성장시키는 경우에는 양질의 질화물 반도체를 성장시킬 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 발광 소자를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1를 참조하면, 사파이어 기판(10)과, 이 기판(10)의 표면 평탄도를 높이기 위한 버퍼층(20)과, 이 버퍼층(20) 위에 형성된 n형 클래드층(30)과, 상기 n형 클래드층(30) 상에 형성된 활성층(40)과, 상기 활성층(40) 상에 형성된 p형 클래드층(50)으로 구성된다.
상기 n 형 클래드층(30)은 p형 클래드층(50)과 활성층(50)이 성장되지 않은 상면 영역(엄밀한 의미로는, p형 클래드층(60)과 활성층(50)을 성장시킨 후에 일부를 제거하여 노출된 상면영역)에 n형 전극(도시하지 않음)을 형성하여 전기적으로 접속되고 n형 클래드층(30)은 p형 전극(도시하지 않음)에 전기적으로 접속된다.
상기 n형 전극과 p형 전극에 전압이 인가되면, n형 클래드층(30)으로부터 활성층(50)으로 전자가 주입되고 p형 클래드층(50)으로부터 상기 활성층(50)으로 정공이 주입된다.
이때, 상기 활성층(50) 영역으로 주입된 전자와 정공은 재결합하여 밴드갭 또는 에너지 레벨차이에 해당하는 에너지를 갖는 빛이 생성되게 된다.
이와 같은 종래의 발광 소자는 양질의 질화물 반도체를 성장시키기 위하여 주로 사파이어 및 SiC 기판을 이용하는데, 이 사파이어 및 SiC는 그 제조 단가가 높아 발광 다이오드의 단가가 높아지는 문제가 있다.
또한, 사파이어 기판은 자체의 전기 전도도 및 열 전도도가 낮아 열 방출이 낮으므로 소자의 수명이 짧고 신뢰성 확보가 어려운 단점이 있다.
그리고, 사파이어 기판 자체가 절연성이기 때문에 광전자 특성을 지니는 소자에만 그 응용이 가능하여 광전 특성 및 전기 전자 복합 특성을 가지는 MEMS 및 마이크로 OEIC 소자의 제작이 불가능하다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명은 실리콘 기판 위에 질화물 반도체를 적층하여 발광 소자의 전기적, 광학적 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 소자 및 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법은 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 포함하는 질화물 발광 소자에 있어서, 상기 기판상에 초격자층을 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 초격자층은 AlN/GaN의 제 1 초격자층과 언돕드 질화물 반도체층과 AlN/GaN의 제 2 초격자층으로 이루어진다.
그리고 상기 제 1 초격자층과 제 2 초격자층은 각각 5주기 이상 형성된다.
이와 같은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판 상에 형성된 초격자층, 상기 초격자층에 형성된 제 1 도전형 클래드층, 상기 제 1 도전형 클래드층에 형성된 활성층, 상기 활성층에 형성된 제 2 도전형 클래드층을 포함한다.
바람직하게는 상기 초격자층은 AlN/GaN으로 형성된다.
그리고, 상기 초격자층은 초격자층은 AlN/GaN의 제 1 초격자층과 언돕드 질화물 반도체층과 AlN/GaN의 제 2 초격자층으로 이루어진다.
또한, 상기 초격자층은 5주기 이상으로 되어 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자 및 제조 방법을 설하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 실리콘 기판(100)과, 상기 실리콘 기판(100)위에 형성된 초격자층(200)과, 상기 초격자층(200) 위에 형성된 제 1 도전형 클래드층(300)과, 상기 제 1 도전형 클래드층(300) 위에 형성된 활성층(400)과, 상기 활성층(400)에 형성된 제 2 도전형 클래드층(500)으로 구성된다.
그리고, 상기 제 1 도전형 클래드층(300) 상에 제 1 전극(도시하지 않음)과, 상기 제 2 도전형 클래드층(500) 상에 형성된 제 2 전극(도시하지 않음)이 구성된다.
상기 제 1 도전형 클래드층(300) 및 제 2 도전형 클래드층(500)과, 활성층(400)은 GaN와 같은 3-5족 반도체 물질이 사용된다.
상기 제 1 도전형 클래드층(300)은 상기 제 2 도전형 클래드층(500)과 활성층(400)이 성장되지 않은 상면 영역(엄밀한 의미로는, 제 2 도전형 클래드층(500)과 활성층(400)을 성장시킨 후에 일부를 제거하여 노출된 상면영역)에 제 1 전극을 형성하여 전기적으로 접속되고 제 1 도전형 클래드층(300)은 제 2 전극에 접속된다.
상기 제 1 전극(300)과 제 2 전극(500)에 전압이 인가되면, 제 1 도전형 클래드층(300)으로부터 활성층(400)으로 전자가 주입되고 제 2 도전형 클래드층(500)으로부터 상기 활성층(400)으로 정공이 주입된다.
이때, 상기 활성층(400) 영역으로 주입된 전자와 정공은 재결합하여 빛이 생성되게 된다.
여기서, 본 발명의 특징은 상기 실리콘 기판(100)위에 고광도 발광 소자를 제조하기 위해서는 격자 결함이나 크랙(crack) 없는 고품질의 질화물 반도체층을 성장시켜야 한다.
그러기 위해서는 초격자층(200)을 이용하여 버퍼층을 형성한다.
상기 초격자층(200)은 다층으로 구성되며, 실리콘 기판(100)위에 제 1 초격자층(210)을 증착 시킨다. 이때 제 1 격자층은 5주기 정도가 바람직하다.
그런 다음, 상기 제 1 초격자층(210) 상에 언돕드(undoped) 질화 갈륨(GaN)(220)을 성장시킨다.
그리고, 상기 언돕드 질화 갈륨층(220) 상에 제 2 초격자층(230)을 증착 시킨 다음, GaN 장벽층으로 이루어진 다중 양자우물구조(multiple quantum well: MQW) 의 활성층(400)을 성장시키고, 마지막으로 제 2 도전형 클래드층(500)을 성장시킨다.
상기와 같이 실리콘 기판(100) 상에 고품질의 질화물 반도체층을 형성하기 위해 AlN/GaN 초격자층을 사용하므로 발광소자의 구조내부에 결함이 없게 하여, 상기 활성층 내로 유입된 전자와 정공의 이용을 용이하게 함으로서 우수한 광학적 특성을 갖게 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자의 기판으로 사용되는 사파이어 대신 값싼 실리콘 기판을 사용할 수 있으므로 공정상의 많은 시간을 단축할 수 있으며, 제조 단가를 낮추는 효과가 있다.
그리고, 실리콘 기판이 사파이어 기판보다 더 높은 전기 전도도와 열전도도를 가지고 있어 공정상 시간을 단축하며, 실리콘 기판이 화학적으로 제거가 가능하므로 기판을 제거하는데 받는 스트레인이나 스트레스를 현격하게 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다
Claims (7)
- 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 포함하는 질화물 발광 소자에 있어서,상기 기판상에 초격자층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 초격자층은 AlN/GaN의 제 1 초격자층과 언돕드 질화물 반도체층과 AlN/GaN의 제 2 초격자층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 초격자층과 제 2 초격자층은 각각 5주기 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
- 실리콘 기판;상기 실리콘 기판 상에 형성된 초격자층;상기 초격자층에 형성된 제 1 도전형 클래드층;상기 제 1 도전형 클래드층에 형성된 활성층;상기 활성층에 형성된 제 2 도전형 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
- 제 4 항에 있어서상기 초격자층은 AlN/GaN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
- 제 4항에 있어서,상기 초격자층은 초격자층은 AlN/GaN의 제 1 초격자층과 언돕드 질화물 반도체층과 AlN/GaN의 제 2 초격자층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 초격자층은 5주기 이상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자
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