KR20080022684A - 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 본 발명은, 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계와; 상기 버퍼층 상에 다수의 아일랜드 형상의 마스크층을 형성하는 단계와; 상기 마스크층 상에 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

발광 소자, 마스크층, 발광층, 전위, LED.

Description

질화물계 발광 소자 및 그 제조방법{Nitride based LED and method of manufacturing the same}

도 1 및 도 2는 종래의 발광 소자의 제조 단계를 나타내는 단면도로서,

도 1은 기판 상에 버퍼층을 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.

도 2는 버퍼층 위에 반도체층을 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 발광 소자의 제조 단계를 나타내는 단면도로서,

도 3은 기판 상에 버퍼층과 마스크층을 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.

도 4는 기판 상에 버퍼층과 마스크층을 형성한 상태를 나타내는 평면도이다.

도 5는 마스크층 상에 반도체층을 형성하는 초기상태를 나타내는 단면도이다.

도 6은 마스크층 상에 반도체층이 형성된 상태를 나타내는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 기판 20 : 버퍼층

30 : 마스크층 40 : 반도체층

50 : 제1전도성 반도체층 60 : 발광층

70 : 제2전도성 반도체층

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 결정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재 료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

이러한 GaN 계열 물질을 이용한 LED 개발에 있어서 고출력, 고효율의 LED를 제작하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 이를 위해서는 고품질의 박막 제조가 필수적이며, 이를 위해서 발광층의 하부에 성장되는 GaN 버퍼층의 결정성이 매우 중요한 역할을 하게 된다.

통상, 이러한 GaN 버퍼층은 이종 기판인 사파이어(sapphire)를 주로 이용하게 되나, 이러한 사파이어 기판 위에 성장되는 GaN 박막은 격자상수가 다르기 때문에 많은 전위(dislocation)가 발생될 수 있다.

이러한 전위는 LED의 발광에 좋지 않은 영향을 미치기 때문에 고출력, 고휘도 LED에서는 사파이어 기판 위에 GaN 박막을 성장할 때 전위의 밀도를 줄이는 것이 요구되어진다.

도 1에서 도시하는 바와 같이, 이러한 LED 구조의 구현을 위해 사파이어 기판(1) 위에 성장하는 GaN 버퍼층의 경우, GaN 박막의 성장에 핵(seed)을 제공할 수 있는 저온에서 성장시킨 버퍼층(2)을 이용하게 된다.

이렇게 저온 버퍼층(2)을 성장시킨 상태에서 온도를 상승시켜 저온 버퍼층(2)의 결정성을 향상시키고, 그 이후에 고온에서 GaN 박막(3)을 성장시키게 된다. 도 2는 상기 저온 버퍼층(2)과 그 위에 고온에서 성장시킨 GaN 박막(3)을 나타내고 있다.

이러한 이중 성장 법(two step growth)으로 성장된 GaN 박막(3)은, 도 2에서 나타나는 바와 같이, 이러한 고온의 GaN 박막(3)을 성장시키기 위해 사용한 저온 버퍼층(2)에서 발생한 전위(4)가 그대로 고온에 성장되는 GaN 박막(3)으로 이어지게 되며, 이러한 전위(4)는 LED 소자의 성능에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 버퍼층 성장시 전위 밀도를 감소시킴으로써, 고품질의 박막 성장이 가능하고, 이를 이용한 발광 소자의 발광 효율을 증가시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은, 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계와; 상기 버퍼층 상에 다수의 아일랜드 형상의 마스크층을 형성하는 단계와; 상기 마스크층 상에 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 마스크층은, 질화물로 형성될 수 있으며, 특히, MgN, SiN, 및 ZnN 중 어느 하나일 수 있다.

상기 마스크층은, 상기 버퍼층 상의 임의의 위치에 형성될 수 있다. 즉, 상기 버퍼층의 각각의 아일랜드 형상의 일부 또는 전체를 덮을 수 있다.

상기 버퍼층을 형성하는 단계 이후에는, 상기 버퍼층을 열처리 하는 단계가 더 포함될 수 있고, 이러한 5 내지 1000Å의 두께로 형성될 수 있다.

또한, 상기 마스크층은, 900 내지 1200℃에서 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 기술적 과제를 이루기 위한 다른 관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 기판 상에 형성되는 버퍼층과; 상기 버퍼층 상의 임의의 위치에 형성되는 다수의 아일랜드 형상의 마스크층과; 상기 마스크층 상에 형성되는 반도체층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 반도체층 상에는, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 위에 위치하는 제2전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층이 드러난 개구부에 위치하는 제1전극과; 상기 제2전도성 반도체층 위에 위치하는 제2전극을 더 포함되어 구성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에서 도시하는 바와 같이, 기판(10) 위에 버퍼층(20)이 형성되고, 이러한 버퍼층(20) 위에는 마스크층(30)이 임의의 위치에 형성된다.

상기 버퍼층(20)은 이후에 형성될 GaN 반도체 박막층보다 상대적으로 저온에서 형성될 수 있으며, 이와 같이, 저온에서 형성되는 버퍼층(20)은 도 4에서 도시하는 바와 같이, 대략 6각형 형상을 이루는 다수의 아일랜드 형상을 이루게 된다. 이는 GaN 반도체 결정이 6방정계(hexagonal) 구조를 이루기 때문이다.

상기 버퍼층(20)은 GaN과 같은 동종 기판(10)에 형성될 수 있고, 사파이어(Al₂O₃), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판(10) 위에 형성될 수도 있다.

이후, 상기 버퍼층(20)은 열처리 과정을 통하여 품질이 향상될 수 있다.

이와 같은 버퍼층(20) 위에는 임의의 위치에 마스크층(30)이 형성된다. 이러한 마스크층(30)은, 질화물로 형성될 수 있으며, 특히, MgN, SiN, 및 ZnN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 마스크층(30)은, 상술한 바와 같이, 버퍼층(20) 상의 임의의 위치에 형성될 수 있고, 따라서, 도 4에서와 같이, 버퍼층(20)의 각각의 아일랜드 형상의 일부 또는 전체를 덮을 수 있다.

이하, 마스크층(30)으로 MgN을 이용하는 경우를 예로 들어 설명한다.

이와 같은 마스크층(30)은 Mg 전구체(precursor)와 NH₃를 이용하여 열처리된 저온의 버퍼층(20) 위에 형성된다. 이러한 마스크층(30)은 성장 장비 내에서 형성되는 인시츄 마스크(in-situ mask)로 작용할 수 있다.

이와 같이, 버퍼층(20)에 마스크층(30)이 형성된 상태에서 GaN 반도체 박막을 성장시키면, 초기에는 도 5에서 도시하는 바와 같이, GaN 반도체층(40)이 마스크층(30)이 존재하지 않는 부분에서 기둥(41) 형상으로 성장이 시작된다.

즉, MgN 인시츄 마스크인 마스크층(30) 위에서는 GaN 반도체의 핵(seed)이 존재하지 않기 때문에 고온의 GaN 반도체층(40)이 성장되지 않는다.

그러나 마스크층(30)이 형성되지 않고 저온 버퍼층(20)만이 드러난 부분에서는 이러한 버퍼층(20)이 고온 GaN 반도체층(40)의 성장핵이 되어 선택적으로 GaN 반도체층 기둥(41)이 성장되게 된다.

이후, 계속적으로 반도체층(40)의 성장이 이루어지게 되면, 성장 시간이 증가함에 따라, 도 6에서 도시하는 바와 같이, GaN 반도체의 측면 성장에 의하여 초기에 GaN 반도체 기둥(41)이 성장되지 않은 부분에도 GaN 반도체가 형성되어 반도체층(40)을 형성하게 된다.

즉, 마스크층(30)의 MgN 인시츄 마스크를 이용하여 반도체층(40)을 형성하면, 저온 버퍼층(20)에서 발생한 전위가 마스크층(30)에 의하여 차단되고, 이러한 마스크층(30)에 의해서 GaN 반도체층(40)이 성장되지 않은 부분은 GaN 반도체의 측면 성장으로 인하여 채워지게 되어, 결국 마스크층(30) 상측으로는 전위가 현저히 감소된 GaN 반도체층(40)이 성장되게 된다.

결국, 이러한 마스크층(30) 상에 성장되는 반도체층(40)은 전위 밀도가 크게 감소되는 것이다.

이상과 같이 MgN 인시츄 마스크로서의 마스크층(30)을 이용하여 GaN를 성장시킴으로 전위 밀도가 크게 감소된 GaN 반도체층(40)을 성장시킬 수 있다.

이러한 반도체층(40)에는, 도 7에서와 같이, 제1전도성 반도체층(50)과, 발광층(60) 및 제2전도성 반도체층(70)이 차례로 형성되어 발광 소자 구조가 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1전도성 반도체층(50)은 n-형 GaN 반도체층이고, 제2전도성 반도체층(70)은 p-형 GaN 반도체층일 수 있다.

또한, 그 반대로 제1전도성 반도체층(50)이 p-형 GaN 반도체층이고, 제2전도성 반도체층(70)이 n-형 GaN 반도체층일 수도 있다.

이때, 상기 발광층(60)은 InGaN/GaN 양자우물(quantum well: QW) 구조를 이룰 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 발광층(60)으로 이용될 수 있음은 물론이다.

이러한 발광층(60)에서는 추후 형성될 전극을 통하여 전계를 인가하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다.

또한, 이러한 발광층(60)은 휘도 향상을 위하여 상술한 양자우물 구조(QW)가 복수로 형성되어 다중 양자우물(multi quantum well: MQW) 구조를 이룰 수 있다.

이후, 상술한 바와 같이 적층된 발광 소자 구조에서 상기 제1전도성 반도체층(50)이 드러날 때까지 일측이 식각되고, 이와 같이 식각되어 드러난 제1전도성 반도체층(50)의 개구면에는 제1전극(51)이 형성된다.

또한, 상기 제2전도성 반도체층(70)에는 제2전극(71)이 형성되어, 수평형 발광 소자 구조가 완성된다.

한편, 상술한 제1전도성 반도체층(50)과 발광층(60) 및 제2전도성 반도체층(70)이 형성된 구조에서, 상기 기판(10)과 버퍼층(20), 마스크층(30), 및 반도체층(40)이 제거되고, 이와 같이 제거되어 드러난 제1전도성 반도체층(50) 면과, 제2전도성 반도체층(70)의 상측면에 전극을 형성하여 수직형 발광 소자를 형성할 수도 있다(도시되지 않음).

상술한 바와 같이, 전위 밀도가 적은 GaN 반도체층(40) 상에 형성되는 발광층(60)을 포함하는 발광 소자를 이용하여 고효율, 고휘도의 발광 소자를 구현할 수 있다. 또한 이러한 고품위의 GaN 반도체층(40)을 이용하는 발광 소자는 신뢰성 향상에도 기여할 것으로 보인다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 전위 밀도가 크게 감소된 고품질의 반도체 박막을 제공할 수 있다.

둘째, 이와 같이 고품질의 반도체 박막 상에 형성된 발광 소자 구조는 광효율을 향상시킬 수 있고, 고휘도의 발광 소자의 구현이 가능하다.

셋째, 이러한 고품위의 GaN 반도체층을 이용하는 발광 소자는 신뢰성이 크게 향상될 수 있다.

Claims (10)

1. 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서,

   기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계와;

   상기 버퍼층 상에 다수의 아일랜드 형상의 마스크층을 형성하는 단계와;

   상기 마스크층 상에 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 마스크층은, 질화물로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 질화물은, MgN, SiN, 및 ZnN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 마스크층은, 상기 버퍼층 상의 임의의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 버퍼층을 형성하는 단계 이후에는, 상기 버퍼층을 열처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 마스크층은, 900 내지 1200℃에서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 버퍼층은, 5 내지 1000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
8. 질화물계 발광 소자에 있어서,

   기판 상에 형성되는 버퍼층과;

   상기 버퍼층 상의 임의의 위치에 형성되는 다수의 아일랜드 형상의 마스크층과;

   상기 마스크층 상에 형성되는 반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
9. 제 8항에 있어서, 상기 마스크층은, MgN, SiN, 및 ZnN 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
10. 제 8항에 있어서, 상기 반도체층 상에는,

    제1전도성 반도체층과;

    상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과;

    상기 발광층 위에 위치하는 제2전도성 반도체층과;

    상기 제1전도성 반도체층이 드러난 개구부에 위치하는 제1전극과;

    상기 제2전도성 반도체층 위에 위치하는 제2전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.

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