KR20080020206A - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판; 기판 위에 성장되며, 제1 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층과 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층 사이에 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 질화물 반도체층;을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자로서, 제1 도전성을 가지는 질화물 반도체층에 제1 전극층이 형성되는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 기판 상에 하이브리드 광 산란층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

하이브리드 광 산란층, SiO2, 외부양자효율, 기판

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{Ⅲ-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 단면도,

도 2는 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 활성층에서 발생한 빛의 경로를 설명하는 도면,

도 3은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 단면도,

도 4는 대한민국 공개특허공보 제2005-38207호의 대표 도면,

도 5는 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 단면도,

도 6은 본원인의 특허출원인 한국특허출원 제2006-71700호의 대표 도면,

도 7은 본 발명에 따른 하이브리드(Hybrid) 광 산란층의 형성 과정을 설명하는 도면,

도 8은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 단면도,

도 9는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 실시예를 설명하는 도면,

도 10은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 실시예를 설 명하는 도면.

본 발명은 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 기판 위에 투명하고 전기적으로 절연된 층을 형성한 후, 이를 기판과 함께 식각하여 하이브리드 광 산란층을 형성하여 활성층에서 생성된 빛을 외부로 더욱 많이 취출하도록 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 단면도로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 에피성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 에피성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(301) 위에 형성되는 n측 전극(800)을 포함한다.

기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사피이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다.

기판(100) 위에 에피성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상 성장법)에 의해 성장된다.

버퍼층(200)은 이종기판(100)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/053042호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 개시되어 있다.

n형 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 개시되어 있다.

활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다. 국제공개공보 WO/02/021121호에는 복수개의 양자우물층들과 장벽층들의 일부에만 도핑을 하는 기술이 개시되어 있다.

p형 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에 는 전자빔 조사에 의해 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/022655호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 개시되어 있다.

도 2는 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 활성층에서 발생한 빛의 경로를 설명하는 도면으로서, 빛이 발광소자의 내부에서 반사를 반복하다가 소멸하는 과정을 설명하고 있으며, 기판(100), n형 질화물 반도체층(300), 활성층(400), p형 질화물 반도체층(500)으로 이루어지며, 활성층(400)에서 나온 빛이 광 경로 1로 표시한 바와 같이 공기(굴절률=1.0) 중으로 나가려면, 즉 상측으로 탈출하려면, p형 질화물 반도체층(500)이 예컨대 GaN(굴절률=2.5)로 이루어질 경우 입사각이 임계각 23.6˚이하이어야 한다. 따라서, 23.6°보다 큰 입사각을 가지는 빛은 광 경로 2로 표시한 바와 같이 발광소자의 내부로 반사되어 외부로 탈출하지 못한다.

같은 현상이 n형 질화물 반도체층(300)과 기판(100) 사이에서도 일어난다. 기판(100)이 사파이어(굴절률= 1.8)인 경우에 임계각은 46.1°로서 비교적 크긴 하지만 역시 46.1°보다 큰 입사각을 가지는 빛은 광 경로 3으로 표시한 바와 같이 n형 질화물 반도체층(300) 내부로 다시 돌아가게 된다.

따라서, 아주 적은 양의 빛만 외부로 탈출하고, 나머지는 발광소자의 내부에 갇히게 되며 이러한 과정이 여러 차례 일어나면서 광은 발광소자 내부에서 소멸하 여 많은 열을 발생하여 발광소자의 신뢰성에 좋지 않은 영향을 주게 된다.

도 3은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 단면도로서, 복수개의 질화물 반도체층이 성장되는 기판에 요철(900)을 형성한 것이다. 이러한 요철(900) 구조는 활성층(400)에서 발생하는 빛의 반사각에 변화를 주어 외부양자효율에는 높이기는 하지만, 요철(900) 구조 부분에 성장되는 질화물 반도체층의 결정 구조가 다르게 되며, 이러한 질화물 반도체층의 결정 구조의 차이로 인하여 전위 결함이 발생하는 문제점을 가진다.

대한민국 공개특허공보 제2005-38207호는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 질화물 반도체층이 성장되는 기판(100)에 곡률을 가지는 반구 형태의 요철(901) 구조를 형성하여 활성층(400)에서 생성된 빛이 발광소자 외부로 빠져나올 수 있는 확률을 높인 구조를 제시하고 있다.

도 5는 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 단면도로서, 제2 스프레더층(601) 위에 광 적출 구조체(902:LEE)를 형성하여 활성층(400)에서 생성된 빛을 취출함으로써 발광소자의 외부양자효율을 높인다. 대한민국 공개특허공보 제2003-17462호에는 3족 질화물 반도체 발광소자에 이러한 광 적출 구조체(902)를 다양한 형태 및 다양한 위치에 적용한 기술이 개시되어 있다.

도 6은 본원인의 특허출원인 한국특허출원 제2006-71700호의 대표 도면으로서, 기판, 기판 위에 SiO₂, SiN_x 및 TiO₂로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 물질로 구성되는 광 산란층을 활성층에 근접하도록 형성한 것이다. n형 질화물 반 도체층 및 p형 질화물 반도체층보다 굴절률이 큰 활성층에서 발생한 빛의 일부는 외부로 취출되지 못하고 내부에서 소멸하기 때문에 굴절률이 작은 광 산란층을 활성층에 최대한 가깝게 함으로써 활성층 내부에서 소멸되는 상당량의 빛을 외부로 취출하는 효과를 가진다.

본 발명은 외부 양자효율을 향상시키기 위해서 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 생성하는 활성층에 근접하거나 또는 관통하는 형태의 광 산란층을 구비하며 특히, 광 산란층은 기판과 함께 식각되어 형성되는 하이브리드 광 산란층을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명은 기판; 기판 위에 성장되며, 제1 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층과 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층 사이에 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 질화물 반도체층; 을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자로서, 제1 도전성을 가지는 질화물 반도체층에 제1 전극층이 형성되는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 기판 상에 하이브리드 광 산란층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 하이브리드 광 산란층의 하부가 기판에 의해 형성되며, 하이브리드 광 산란층의 상부는 기판과 다른 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 하이브리드 광 산란층이 기판으로부터 적어도 제1 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층에 이르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 하이브리드 광 산란층이 기판으로부터 활성층의 바로 아래까지 이르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 하이브리드 광 산란층이 기판으로부터 활성층을 통과하는 위치에 이르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 하이브리드 광 산란층의 상부를 형성하는 물질이 제1 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층, 제2 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층, 그리고, 활성층보다 낮은 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 하이브리드 광 산란층의 상부를 형성하는 물질이 SiO₂, SiN_x 및 TiO₂로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

이하 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 하이브리드(Hybrid) 광 산란층의 형성 과정을 설명하는 도면으로서, 기판(10), 기판(10) 위에 광 산란층(80)을 형성을 위하여 SiO2, SiNx 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 물질을 PECVD를 이용하여 증착한다. 광 산란층(80) 형성을 위한 물질을 기판(10)에 증착한 후 포토레지스터(PR:90)를 증착하고 사진 공정을 통하여 마스크 패턴을 형성하고 식각 공정을 수행한다.

식각 공정은 마스크 패턴이 형성되지 않은 부분의 광 산란층(80) 형성을 위한 물질을 완전히 제거하는 1차 식각 공정과 1차 식각 공정 후 남아있는 포토레지스터(90)를 최종 마스크 패턴으로 하여 기판(10)을 식각하는 2차 식각 공정으로 나누어진다. 2차 식각 공정을 수행하기에 앞서 포토레지스터(90)를 열처리하여 포토레지스터(90)의 형태를 변형하여 식각 공정을 수행하면 광 산란층(80)의 형태를 둥글게 형성할 수 있다.

상기의 식각 공정을 수행한 후 남아있는 포토레지스터(90)를 완전히 제거하면 기판(10) 위에 광 산란층(80)이 형성되어 있는 하이브리드 광 산란층(70)이 형성된다.

도 8은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 단면도로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10), 기판(10) 위에 형성되는 하이브리드 광 산란층(70), 기판(10) 위에 성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 성장되는 n형 질화물 반도체층(30), n형 질화물 반도체층(30) 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 생성하는 활성층(40), 활성층(40) 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층(50)을 포함한다.

기판(10) 위에 형성되는 광 산란층(80)은 SiO₂, SiN_x 및 TiO₂로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 것으로 형성되며, 질화물 반도체층보다 낮은 굴절률을 가진다. 본 발명의 실시예에서는 광 산란층(80)으로 SiO₂를 사용하였으며, 굴절률 n은 1.5이다.

하이브리드 광 산란층(70)의 두께는 기판(10)으로부터 n형 질화물 반도체층(30)과 활성층(40)이 만나는 계면까지의 두께를 가지는데, SiO₂로 구성되는 광 산란층(80)의 두께를 조절하고 또한 식각되는 기판(10)의 두께를 조절함으로써 가능하게 된다.

하이브리드 광 산란층(70)이 활성층(40)에 가까울 수 록 활성층(40)에서 발생하는 빛이 하이브리드 광 산란층(70)과 만나는 경로가 짧게되어 발생된 빛이 외부로 탈출할 확률이 높아지게 되는 것이다. 또한, 활성층(40)에서 발생한 빛은 질화물 반도체층(n=2.5), 기판(10:n=1.5) 및 광 산란층(80)의 굴절률(n=1.5)의 차이로 인하여 빛의 반사각이 변하게 되어 더욱 많은 빛이 외부로 탈출할 수 있게 되는 것이다. 광 산란층(80)의 형태는 곡면 형태를 가지는 것이 바람직하지만 이에 국한하는 것은 아니다. 요철, 뿔 및 사다리꼴 형태 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 실시예를 설명하는 도면으로서, 하이브리드 광 산란층(70)의 두께는 기판(10)으로부터 활성층(40)과 p형 질화물 반도체층(50) 사이의 두께를 가진다.

하이브리드 광 산란층(70)이 활성층(40)을 관통하는 형태를 가지는 경우, n 형 질화물 반도체층(30)과 p형 질화물 반도체층(50) 및 활성층(40)의 조성의 차이로 인한 굴절률 차이로 인하여 활성층(40) 내부에 갇혀 있던 빛들이 하이브리드 광 산란층(70)과 접하게 되어 외부로 탈출하게 되어 외부양자효율에 큰 영향을 준다.

도 10은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 실시예를 설명하는 도면으로서, 하이브리드 광 산란층(70)의 두께는 기판(10)으로부터 활성층(40)과 n형 질화물 반도체층(30) 사이의 두께를 가진다.

본 발명에 있어서 하이브리드 광 산란층(70)의 주요 구성 요소인 기판(10)의 식각 두께와 광 산란층(80)의 두께는 외부양자효율을 최대로 하는 조건에 의하여 설계되며, 특히 광 산란층(80)의 경우, 성분이 서로 다른 물질이 교대로 적층되는 구조도 포함될 수 있음을 밝혀둔다.

본 발명에 의하면, 활성층에 최대한 가깝게 형성되는 하이브리드 광 산란층을 구비함으로써 발광소자의 외부양자효율을 개선할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 기판 위에 형성되는 하이브리드 광 산란층의 두께를 조절함으로써, 활성층에서 발생하는 빛을 더욱 많이 외부로 추출할 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 기판;

   기판 위에 성장되며, 제1 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층과 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층 사이에 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 질화물 반도체층;

   을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자로서, 제1 도전성을 가지는 질화물 반도체층에 제1 전극층이 형성되는 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서,

   기판 상에 하이브리드 광 산란층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   하이브리드 광 산란층의 하부는 기판에 의해 형성되며,

   하이브리드 광 산란층의 상부는 기판과 다른 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   하이브리드 광 산란층은 기판으로부터 적어도 제1 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층에 이르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
4. 제 3 항에 있어서,

   하이브리드 광 산란층은 기판으로부터 활성층의 바로 아래까지 이르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
5. 제 3 항에 있어서,

   하이브리드 광 산란층이 기판으로부터 활성층을 통과하는 위치에 이르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
6. 제 2 항에 있어서,

   하이브리드 광 산란층의 상부를 형성하는 물질은 제1 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층, 제2 도전성을 가지는 3족 질화물 반도체층, 그리고, 활성층보다 낮은 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
7. 제 2 항에 있어서,

   하이브리드 광 산란층의 상부를 형성하는 물질은 SiO₂, SiN_x 및 TiO₂로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.

Images