KR20090117865A - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개의 돌기가 형성된 기판;으로서, 복수개의 돌기 각각이 3개의 예각부와 3개의 둔각부를 구비하는 기판; 그리고, 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 발생시키는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

반도체, 발광소자, 질화물, 기판, 스캐터링, 식각, 습식, 건식, 사파이어

Description

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

본 발명은 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 습식 식각을 통해 노출되는 측면을 가진 돌기를 구비하는 기판 및 이 기판을 이용하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 된 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.

도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 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 반도체 층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)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. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.

기판(100) 위에 에피성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)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 제5,247,533호에는 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.

p측 전극(600)은 p형 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 개시되어 있다.

한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 개시되어 있다.

p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 개시되어 있다.

보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략되어도 좋다.

한편, n형 질화물 반도체층(300)이나 p형 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.

도 2는 국제공개공보 WO02/75821호에 개시된 발광소자를 나타내는 도면으로서, 패터닝된 기판(210) 상에서 질화물 반도체층(220)이 성장되는 과정을 제시하고 있다. 질화물 반도체층(220)은 패터닝된 기판(210)의 바닥면과 상면에서 성장을 시작한 다음, 성장된 질화물 반도체층(220)이 만나게 되고, 만난 영역에서 성장이 촉진된 다음, 평탄한 면을 형성하게 된다. 이렇게 패터닝된 기판(210)을 이용함으로써, 빛을 스캐터링하여 외부양자효율을 높이는 한편, 결정 결함을 감소시켜 질화물 반도체층(220)의 질을 향상시키게 된다.

도 3은 돌기 형성에 이용되는 패턴의 예들을 나타내는 도면으로서, 패턴은 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형 등이 사용될 수 있다. 이들 중 육각형 패턴은 배치 밀도를 높일 수 있는 장점이 있다. 그러나 패턴을 이용하여 패턴의 모양을 따르는 돌기를 형성함에 있어, 건식 식각이 사용되는데 이때 패턴의 모서리에서 식각이 활발히 진행되어 돌기에서 패턴의 모서리에 해당하는 부분이 둥글게 되어, 돌기가 패턴의 모양을 따르지 못하는 문제점이 있다. 또한 패턴 또는 돌기의 한 변이 그것과 마주하는 변과 평행하게 형성되어, 스캐터링 면을 제공하는데 한계를 가진다. 이러한 문제는 배치 밀도가 높아지거나 돌기가 미세해지는 경우에 에피의 성장 즉, 발광소자의 양산성에 문제를 야기할 수 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소한 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 스캐터링 돌기의 측면이 가지는 각도를 다양화하여 외부양자효율을 높인 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 스캐터링 돌기를 구비한 기판을 이용하는 발광소자의 양산성을 높인 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기판에서 스캐터링 돌기의 배치 밀도를 높인 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명은 습식 식각을 통해 노출되는 측면을 가진 돌기를 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 3개의 예각부와 3개의 둔각부를 가진 돌기를 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 질화물 반도체층의 피트(pit)를 감소시키기 위해 2차 식각을 통해 형성되는 영역을 가진 돌기를 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 하나의 열에 배열된 복수개의 돌기가 이웃한 열에 배치된 돌기와 어긋나게 배치된 기판을 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 스캐터링 돌기의 측면이 가지는 각도를 다양화하여 외부양자효율을 높일 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 스캐터링 돌기를 구비한 기판을 이용하는 발광소자의 양산성을 높일 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 기판에서 스캐터링 돌기의 배치 밀도를 높일 수 있게 된다.

이하 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 돌기의 모양 및 배치 구조의 예들을 나타내는 도면으로서, 좌측은 본 발명에 따른 돌기(10)와 가장 바람직한 돌기(10)의 배치 구조(20)를 나타내고 있으며, 우측은 본 발명에 따른 돌기(30)와 돌기(30)의 배치 구조(40)의 다른 예를 나타내고 있다. 배치 구조(20) 및 배치 구조(40)는 돌기(10)의 중심을 이은 선이 육각형을 형성한다는 점에서 동일하지만, 배치 구조(20) 내에 위치하는 돌기(10)의 면적이 배치 구조(40) 내에 위치하는 돌기(30)의 면적보다 크다는 점에서 차이를 가지며, 따라서 배치 구조(20)의 배치 밀도가 배치 구조(40)의 배치 밀도보다 높다는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 돌기의 스캐터링 효과를 설명하는 도면으로서, 좌측은 본 발명에 따른 돌기(10)의 배치 구조(20)를 나타내고 있으며, 우측은 건식 식각된 육각형 돌기(50)의 배치 구조(60)를 나타내고 있다. 육각형 돌기(50)의 배치 구조(60)의 경우에 빛이 회전하면서 소멸하는 경로(70)를 가지고 있으나, 본 발명에 따른 배치 구조(20)는 돌기(10)가 각도를 달리하는 측면들을 구비함으로써 빛이 짧은 경로를 거쳐 발광소자 외부로 빠져나올 수 있게 된다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 돌기의 일 예를 나타내는 사진으로서, 기판의 바닥면(80)에 돌기(10)가 형성되어 있다. 돌기(10)는 3개의 예각부(11,12,13)와 3개 둔각부(14,15,16)를 가지며, 습식 식각에 의해 노출되는 스캐터링 면(17)을 구비한다. 바람직하게는 추가의 습식 식각에 의해 노출되는 스캐터링 면(18)을 구비한다. 돌기(10)의 상부에 평탄면이 구비될 경우에, 질화물 반도체층의 성장시에 질화물 반도체층이 잘 덮히지 않아 피트(pit)를 발생시킬 수 있으므로, 스캐터링 (18)은 빛을 스캐터링하는 기능을 할 뿐만 아니라, 돌기(10)의 상부에서 평탄면을 제거하여 피트의 발생을 억제하는 기능을 한다.

다음으로 도 8을 참고하여 본 발명에 따른 돌기를 형성하는 방법에 대하여 설명한다.

먼저 기판(10)을 준비한 다음, 기판(81) 위에 마스크 패턴으로서 SiO₂ 막(90)을 증착한다.

다음으로, SiO₂ 막(90)을 패터닝한다.

다음으로, 습식 식각을 행한다. 이때 SiO₂ 막(90)이 형성된 부분의 기판(81)은 거의 식각되지 않으며, SiO₂ 막(90)이 형성되지 않는 부분의 기판(81)이 식각되면서 기판(81)의 바닥면(80)이 노출되고, 돌기(10)가 형성된다. 이때 돌기(10)의 형상은 준비된 기판(81)의 결정면에 따라서 달라질 수 있다. 도 6에 도시된 것과 같은 본 발명에 따른 돌기(10)를 형성하는 자세한 조건에 대해서는 후술한다.

다음으로, SiO₂ 막(90)을 제거하면 평탄한 상면(19)과 스캐터링 면(17)을 가지는 돌기(10)가 형성된다. 도 9에 평탄한 상면(19)과 스캐터링 면(17)을 가지는 돌기를 나타내었다. 한편 평탄한 상면(19)이 질화물 반도체층이 성장되기에 충분하지 못한 크기를 가지는 경우에, 질화물 반도체층의 성장 조건에 따라 상면(19)이 질화물 반도체층에 피트를 발생시키는 원인이 되므로 이를 제거하기 위하여 추가의 습식 식각 공정을 통해 상면(19)을 제거하는 것이 바람직하다. SiO₂ 막(90)이 없는 상태에서 상면(19)의 에지 부분부터 식각이 진행되어 뾰족한 형태를 가지게 된다. 이렇게 형성된 돌기가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 이렇게 형성된 돌기(10)는 3개의 예각부(11,12,13)와 다양한 스캐터링 각을 가지는 3개 둔각부(14,15,16; 예각부들이 직선으로 연결되는 경우보다 스캐터링을 효과적으로 일으킬 수 있다는 의미)를 가짐으로써 빛의 외부 방출 비율을 높이게 되며, 또한 스캐터링 면(17)과 스캐터링 면(18) 모두를 구비하는 경우에 이들은 다른 스캐터링 각을 가질 수 있으므로 이 또한 빛이 외부로 방출되는 비율을 높일 수 있게 된다. 또한 돌기(10)는 기판(81)의 결정면이 정해지면 그 형상이 결정되므로(다양한 마스크 패턴(예: 원형, 타원형, 사각형 등)을 사용하더라도 건식 식각과 달리 마스크 패턴의 형상을 따르지 않는다는 의미), 본 발명은 정해진 돌기(10)의 형상에 맞추어 마스크 패턴(예: SiO₂ 막(90))의 배치 구조를 변경함으로써 돌기(10)의 밀도를 높이는 방안을 제시하 고 있다(건식 식각의 경우에, 돌기의 마스크 패턴의 형상을 따르게 되므로, 어레이를 기준면에 평행하게 배치하던 기준면에 수직하게 배치하던 동일한배치 밀도를 가지게 되며, 따라서 건식 식각을 하는 경우에는 이러한 문제는 발생하지 않게 된다.) 또한 건식 식각의 경우에 모서리가 라운딩되는 문제로 인해, 3개의 예각부(11,12,13)와 3개 둔각부(14,15,16)를 가지는 돌기(10)와 같은 형상을 만들기가 어려우나, 본 발명은 습식 식각을 이용해 다양한 스캐터링 부(11-16) 및 면(17,18)을 형성하고 있다.

다음으로, 구체적인 돌기(10)의 형성 과정을 설명한다.

먼저 C면을 질화물 반도체층의 성장면으로 하는 사파이어 기판(81)을 준비한다. 다음으로, SiO₂ 막(91)을 3000A의 두께로 증착한다. 다음으로, SiO2 막(91)을 지름이 1um인 원형 패턴을 3um의 간격(패턴으로 중심으로 기준으로 하면 4um)으로 사파이어 기판(81)에 패터닝한다. 이때, 패턴은 사파이어 기판(81)의 기준면(Flat Zone)에 평행한 복수개의 열(A; array)에 정렬되며, 하나의 열에 배열된 복수개의 돌기(10)가 이웃한 열의 돌기와 어긋나게 배치된다(도 5, 도 6 및 도 10 참조). 다음으로, SiO₂ 막(91)이 패터닝된 사파이어 기판(81)을, 황산(H₂SO₄)과 인산(H₃PO₄)을 3:1 비율로 섞은 식각액을 사용하여, 280℃에서, 11분간 습식 식각한다. 다음으로, BOE 용액(Buffered Oxide Etch)을 이용하여 SiO₂ 막(91)을 제거한다. 다음으로, 위 식각액을 사용하여, 280℃에서, 1분간 추가로 습식 식각한다.

도 11은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도 면으로서, 돌기(10)가 구비된 기판(81) 위에, 버퍼층(200), n형 질화물 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 발생시키는 활성층(400), p형 질화물 반도체층(500)을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자가 제시되어 있다.

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

도 2는 국제공개공보 WO02/75821호에 개시된 발광소자를 나타내는 도면,

도 3은 돌기 형성에 이용되는 패턴의 예들을 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 돌기의 모양 및 배치 구조의 예들을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 돌기의 스캐터링 효과를 설명하는 도면,

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 돌기의 일 예를 나타내는 사진,

도 8은 본 발명에 따른 돌기를 형성하는 방법을 설명하는 도면,

도 9는 본 발명에 따른 돌기의 다른 예를 나타내는 사진,

도 10은 기준면(Flat Zone)에 대한 돌기의 배치 구조의 예를 나타내는 도면,

도 11은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면.

Claims (13)

1. 복수개의 돌기가 형성된 기판;으로서, 복수개의 돌기 각각이 3개의 예각부와 3개의 둔각부를 구비하는 기판; 그리고,

   기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 발생시키는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
2. 청구항 1에 있어서,

   복수개의 돌기 각각이 습식 식각에 의해 노출되는 스캐터링 면을 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
3. 청구항 2에 있어서,

   복수개의 돌기 각각이 그 상면에서의 피트의 발생을 방지하며, 습식 식각에 의해 형성되는 추가의 스캐터링 면을 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
4. 청구항 3에 있어서,

   추가의 스캐터링 면이 스캐터링 면과 다른 기울기를 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
5. 청구항 1에 있어서,

   기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
6. 청구항 5에 있어서,

   복수개의 3족 질화물 반도체층이 사파이어 기판의 C면 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
7. 복수개의 돌기가 형성된 기판; 그리고,

   기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 발생시키는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층;을 포함하며,

   복수개의 돌기 각각이 제1 기울기를 가지며 습식 식각에 의해 노출되는 제1 스캐터링 면과, 복수개의 3족 질화물 반도체층의 성장을 방지하도록 제1 기울기와 다른 제2 기울기를 가지면서 뾰족하게 형성된 제2 스캐터링 면을 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
8. 청구항 7에 있어서,

   기판이 사파이어 기판이며,

   복수개의 3족 질화물 반도체층이 사파이어 기판의 C면 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
9. 청구항 8에 있어서,

   복수개의 돌기가 사파이어 기판에 복수개의 열로 정렬되어 형성되며,

   복수개의 열이 사파이어 기판의 기준면(Flat Zone)에 평행한 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
10. 복수개의 돌기가 복수개의 열로 정렬되어 형성된 사파이어 기판;으로서, 복수개의 열이 사파이어 기판의 기준면(Flat Zone)에 평행하며, 하나의 열에 배열된 복수개의 돌기가 이웃한 열의 돌기와 어긋나게 배치되고, 복수개의 돌기 각각이 습식 식각에 의해 노출된 스캐터링 면을 구비하는 사파이어 기판; 그리고,

    기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 발생시키는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
11. 청구항 10에 있어서,

    복수개의 돌기 각각이 그 상면에서의 피트의 발생을 방지하며, 습식 식각에 의해 형성되는 추가의 스캐터링 면을 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
12. 청구항 11에 있어서,

    복수개의 돌기 각각이 3개의 예각부와 3개의 둔각부를 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
13. 청구항 12에 있어서,

    복수개의 3족 질화물 반도체층이 사파이어 기판의 C면 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.

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