KR20100096405A

KR20100096405A - 질화물 반도체 발광 소자 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20100096405A
Application number: KR1020090015271A
Authority: KR
Inventors: 김치선
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-02
Also published as: KR101461684B1

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 무극성 사파이어 기판과; 상기 무극성 사파이어 기판 상부에 형성되며, 상기 무극성 사파이어 기판이 노출된 스트라이프 관통홀이 형성된 절연막과; 상기 스프라이프 관통홀에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판에서 성장된 질화물 반도체로 이루어지고, 무극성 또는 반극성 경사면을 갖는 질화물 반도체의 성장 구조물과; 상기 무극성 또는 반극성 경사면에 성장된 질화물 반도체 발광 구조물을 포함하여 구성된다.

발광, 무극성, 반극성, 경사, 질화물, 결함

Description

질화물 반도체 발광 소자 및 그의 제조 방법 { Nitride semiconductor light emitting device and method for manufacturing the same }

본 발명은 결함 밀도를 감소시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

GaN, InN, AlN 및 이들의 혼합 질화물계 화합물 반도체는 적색, 청색, 자색과 백색 발광 다이오드(LED)나 레이저다이오드(LD)의 재료로서 널리 쓰이고 있다.

종래의 이들 물질은 격자일치 기판이 없는 관계로 c-평면 (0001) 사파이어 기판 위에 MOCVD나 HVPE방법등을 이용하여 저온 GaN계 질화물을 성장한 후 고온 성장으로 양질의 GaN계 질화물반도체를 얻을 수 있었다.

그러나 c-평면 (0001) 사파이어 위에 성장하는 GaN 및 그 위에 성장하는 반도체발광소자들은 Ga 및 Al 등의 3족원소와 N사이에서의 자발분극 및 GaN, AlGaN 및 InGaN 등의 이종접합구조로부터 오는 압전현상으로 인해 발광 효율 및 전류주입을 통한 소자 제작에 큰 어려움이 있다.

본 발명은 결함 밀도가 감소된 소자를 구현하는 과제를 해결하는 것이다.

본 발명의 바람직한 양태(樣態)는,

무극성 사파이어 기판과;

상기 무극성 사파이어 기판 상부에 형성되며, 상기 무극성 사파이어 기판이 노출된 스트라이프 관통홀이 형성된 절연막과;

상기 스프라이프 관통홀에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판에서 성장된 질화물 반도체로 이루어지고, 무극성 또는 반극성 경사면을 갖는 질화물 반도체의 성장 구조물과;

상기 무극성 또는 반극성 경사면에 성장된 질화물 반도체 발광 구조물을 포함하여 구성된 질화물 반도체 발광 소자가 제공된다.

본 발명의 바람직한 다른 양태(樣態)는,

무극성 사파이어 기판 상부에 상기 무극성 사파이어 기판이 노출된 스트라이프 관통홀이 형성된 절연막을 형성하는 단계와;

상기 스프라이프 관통홀에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판에서 질화물 반도체를 성장시켜, 무극성 또는 반극성 경사면을 갖는 질화물 반도체의 성장 구조물 을 형성하는 단계와;

상기 무극성 또는 반극성 경사면에 질화물 반도체 발광 구조물을 성장시키는 단계를 포함하여 구성된 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법이 제공된다.

본 발명은 무극성 또는 반극성 경사면에서 질화물 반도체 발광 소자 구조물을 성장시킴으로써, 결함 밀도가 감소된 소자를 제조할 수 있고, 발광 효율 및 소자 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 절연막의 스트라이프 관통홀에 노출된 무극성 사파이어 기판에서 질화물 반도체를 성장시키고, 상기 절연막 상부에서 수평 성장시켜 전위가 전파되지 않아 낮은 결함밀도를 갖는 무극성 또는 반극성 경사면을 형성할 수 있는효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 1c는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 본 발명은 질화물 반도체 발광 소자를 무극성 또는 반극성 기판에서 제조하는 것이다.

먼저, 기판 상에 무극성 또는 반극성을 구현하기 위하여, 무극성 사파이어 기판(100) 상부에 상기 무극성 사파이어 기판(100)이 노출된 스트라이프 관통홀(120)이 형성된 절연막(110)을 형성한다.(도 1a)

여기서, 상기 절연막(110)은 SiO₂와 같은 산화막 또는 비활성 마스크로 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 무극성 사파이어 기판(100)은 오프 앵글(Off-Angle)이 0도 ~ 5도인 무극성 사파이어 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

그 다음, 이 스프라이프 관통홀(120)에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판(100)에서 질화물 반도체를 성장시켜, 무극성 또는 반극성 경사면(210)을 갖는 질화물 반도체의 성장 구조물(200)을 형성한다.(도 1b)

상기 무극성 또는 반극성 경사면(210)은 상기 무극성 사파이어 기판(100)에서 25도 ~ 75도로 기울어져 있는 것이 바람직하다.

그 후, 상기 무극성 또는 반극성 경사면(210)에 질화물 반도체 발광 구조물(300)을 성장시켜, 질화물 반도체 발광 소자를 제조한다.(도 1c)

상기 무극성 경사면은 성장되는 질화물 반도체의 a-평면이고, 상기 반극성 경사면은 성장되는 질화물 반도체의 r-평면이다.

그리고, 상기 질화물 반도체 발광 구조물은 LED(Light emitting diode) 구조물 또는 LD(Laser diode) 구조물인 것이 바람직하다.

그러므로, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는 무극성 또는 반극성 경사면에서 질화물 반도체 발광 소자 구조물을 성장시킴으로써, 결함 밀도가 감소된 소자 를 제조할 수 있고, 발광 효율 및 소자 성능을 향상시키는 장점이 있다.

따라서, 전술된 바와 같은 방법으로 제조된 질화물 반도체 발광 소자는 무극성 사파이어 기판(100)과; 상기 무극성 사파이어 기판(100) 상부에 형성되며, 상기 무극성 사파이어 기판(100)이 노출된 스트라이프 관통홀(120)이 형성된 절연막(110)과; 상기 스프라이프 관통홀(120)에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판(100)에서 성장된 질화물 반도체로 이루어지고, 무극성 또는 반극성 경사면(210)을 갖는 질화물 반도체의 성장 구조물(200)과; 상기 무극성 또는 반극성 경사면(210)에 성장된 질화물 반도체 발광 구조물(300)을 포함하여 구성된다.

도 2는 본 발명에 따라 스트라이프 관통홀을 갖는 절연막이 형성된 기판을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 무극성 사파이어 기판(100) 상부에 절연막(110)이 형성되어 있고, 이 절연막(110)에는 스트라이프 관통홀(120)이 형성되어 있다.

여기서, 상기 스트라이프 관통홀(120)에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판(100)의 상부면은 m-평면(1-100)이고, 상기 스트라이프 관통홀(120)은 a-방향(11-20)으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

즉, 상기 스트라이프 관통홀(120)은 a-방향으로 장방형 형상이다.

더 상세하게, 도 2를 참조하여 설명하면 상기 스트라이프 관통홀(120)은 입구(121) 및 출구(122)의 폭(W1)이 내측벽의 폭(W2)보다 상대적으로 작은 장방형 형 상이다.

그러므로, 상기 스트라이프 관통홀(120)은 상기 입구(121)에서 출구(122)로 향하는 방향이 a-방향이다.

본 발명은 무극성 사파이어 기판(100)의 상부면이 m-평면(1-100)이고, 상기 스트라이프 관통홀(120)이 a-방향(11-20)으로 형성되어 있는 것만 한정하는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하기 위하여 a-평면 GaN을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 사시도로서, 상부에 스트라이프 관통홀(120)이 형성된 절연막(110)이 형성되어 있고, 상기 스트라이프 관통홀(120)에 노출된 m-평면인 무극성 사파이어 기판(100)을 준비하고, 상기 스프라이프 관통홀(120)에 노출된 m-평면 무극성 사파이어 기판(100)에서 질화물 반도체의 일종인 질화갈륨을 성장시키면, 도 3과 같은 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면(211)을 갖는 질화갈륨 성장 구조물(250)이 형성된다.

그리고, 상기 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면(211)을 갖는 성장 구조물(250)이 형성된 후에도 계속 질화갈륨을 성장시키면, 도 4에 도시된 바와 같은 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면(211)을 갖고, 상기 무극성 사파이어 기판(100)과 평행한 (11-22)면(261)을 갖는 질화갈륨 성장 구조물(250)이 형성된다.

도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 제조하기 위하여 r-평면 GaN을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 사시도로서, 도 3 및 도 4과 같이, a-평면으로 이루어진 무극성 경사면(211)을 갖는 질화갈륨 성장 구조물(250)이 형성하기 위한 성장 온도를 제 1 성장 온도라 정의하는 경우, 제 1 성장 온도보다 높은 제 2 성장 온도로 스프라이프 관통홀(120)에 노출된 m-평면 무극성 사파이어 기판(100)에서 질화물 반도체의 일종인 질화갈륨을 성장시키면, 도 5와 같은 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면(212)을 갖는 질화갈륨 성장 구조물(270)이 형성된다.

상기 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면(212)을 갖는 성장 구조물(270)이 형성된 후에도 질화갈륨을 계속 성장시키면, 도 6에 도시된 바와 같은 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면(212)을 갖고, 상기 무극성 사파이어 기판(100)과 평행한 (1-100)면(262)을 갖는 질화갈륨 성장 구조물(270)이 형성된다.

이때, 상기 제 1 성장 온도는 900℃ ~ 1100℃이고, 상기 제 2 성장 온도는 1100℃ 이상의 온도이다.

이와 같이, 성장 온도에 따라 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면이 형성되거나, 또는 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면이 형성된다.

이때, a-평면으로 이루어진 무극성 경사면이 형성되거나, 또는 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면이 형성되는 것은 성장 온도가 주요 인자(Factor)이나, 압력 및 성장을 위한 가스량도 제어 인자가 된다.

다만, 압력 및 성장을 위한 가스량은 미소한 제어 인자이다.

도 7은 본 발명에 적용된 GaN의 각 방향과 각 평면을 도시한 모식도로서, GaN은 육방정계구조이며, c-방향(0001)으로 GaN과 N 사이에 자발분극현상이 존재한다.

그리고, m-방향(1-100)과 a-방향(11-2)의 대표적인 무극면 m-평면(1-100)과 a-평면(11-20)이 존재하고, r-평면(1-102)와 같은 반극성면이 존재할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따라 a축 방향으로 스트라이프 패턴을 가지는 m-평면 사파이어 기판 상부에 성장되는 GaN의 모식도로서, 도 8과 같은, a-평면으로 이루어진 무극성 경사면(211)을 갖고, 상기 무극성 사파이어 기판(100)과 평행한 (11-22)면(261)을 갖는 질화갈륨 성장 구조물(250) 및 도 9와 같은, r-평면으로 이루어진 무극성 경사면(212)을 갖고, 상기 무극성 사파이어 기판(100)과 평행한 (1-100)면(262)을 갖는 질화갈륨 성장 구조물(270)은 절연막(110)의 스트라이프 관통홀(120)에 노출된 m-평면인 무극성 사파이어 기판(100)에서 질화갈륨이 성장되어 형성된다.

이렇게, 상기 절연막(110) 상부에서 수평 성장하게 되는 윙(Wing) 부분(251,271)은 사파이어 기판과 질화갈륨의 경계면에서 발생되는 전위가 전파되지 않아 결함밀도가 현격하게 감소되는 것이다.

즉, 본 발명은 절연막의 스트라이프 관통홀에 노출된 무극성 사파이어 기판에서 질화물 반도체를 성장시키고, 상기 절연막 상부에서 수평 성장시켜 전위가 전파되지 않아 낮은 결함밀도를 갖는 무극성 또는 반극성 경사면을 형성할 수 있는 장점이 있다.

도 10은 본 발명에 따른 무극성 또는 비극성 경사면에서 성장된 질화물 반도체 발광 구조물의 일례를 도시한 단면도로서, 질화물 반도체 발광 구조물(300)은 n-반도체층, 활성층 및 p-반도체층을 포함하는 LED 또는 n-접촉층, n-클래드층, n-광가이드층, 활성층, p-전자턱층, p-광가이드층, p-클래드층과 p-접촉층으로 이루어진 LD이다.

이러한, LED의 n-반도체층 또는 LD의 n-접촉층(310)은 도 4의 성장 구조물(250)의 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면(211) 및 (11-22)면(261)에 형성되거나, 또는 도 6의 성장 구조물(270)의 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면(212) 및 (1-100)면(262)에 형성되는 것이 바람직하다.

이렇게, 상기 LED의 n-반도체층 또는 LD의 n-접촉층(310)이 성장 구조물(250)의 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면(211) 및 (11-22)면(261)에 형성되거나, 또는 성장 구조물(270)의 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면(212) 및 (1-100)면(262)에 형성되어 있으면, 상기 (11-22)면(261) 및 (1-100)면(262)은 무극성 사파이어 기판(100)과 대략적으로 평행하기 때문에 평평하여 n측 전극 패드를 형성하기가 용이하다.

참고로, 도 10에서는 성장 구조물을 '200'으로 도시한다.

도 11a와 11b는 본 발명에 따라 발광 구조물의 벽개면을 도시한 일부 단면도 로서, 본 발명의 방법으로 제조된 발광 구조물의 벽개면은 도 11a와 같이, 무극성 사파이어 기판과 수직하게 형성되어 있거나, 또는 도 11b와 같이, a-평면으로 이루어진 무극성 경사면 또는 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면(A)과 수직하게 형성되어 있는 것이 바람직하다.

그리고, 무극성 경사면 또는 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면(A)에 발광 소자를 성장시키기 위해서는, 도 12와 같이 무극성 경사면 또는 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면(A)이 평평하도록 무극성 사파이어 기판(100)을 기울인 상태에서 성장 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1a 내지 1c는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도

도 2는 본 발명에 따라 스트라이프 관통홀을 갖는 절연막이 형성된 기판을 설명하기 위한 개략적인 단면도

도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 제조하기 위하여 a-평면 GaN을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 사시도

도 4는 도 3의 질화갈륨 성장 구조물에 (11-22)면이 형성되는 것을 설명하기 위한 개략적인 사시도

도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 레이저 다이오드의 제조하기 위하여 r-평면 GaN을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 사시도

도 6은 도 5의 질화갈륨 성장 구조물에 (1-100)면이 형성되는 것을 설명하기 위한 개략적인 사시도

도 7은 본 발명에 적용된 GaN의 각 방향과 각 평면을 도시한 모식도

도 8은 본 발명에 따라 a축 방향으로 스트라이프 패턴을 가지는 m-평면 사파이어 기판 상부에 성장되는 GaN의 모식도

도 9는 본 발명에 따라 a축 방향으로 스트라이프 패턴을 가지는 m-평면 사파이어 기판 상부에 성장되는 GaN의 다른 모식도

도 10은 본 발명에 따른 무극성 또는 비극성 경사면에서 성장된 질화물 반도체 발광 구조물의 일례를 도시한 단면도

도 11a와 11b는 본 발명에 따라 발광 소자의 벽개면을 도시한 일부 단면도

도 12는 본 발명에 따라 발광 소자 구조물의 형성 방법을 설명하는 위한 개략적인 단면도

Claims

무극성 사파이어 기판과;

상기 무극성 사파이어 기판 상부에 형성되며, 상기 무극성 사파이어 기판이 노출된 스트라이프 관통홀이 형성된 절연막과;

상기 스프라이프 관통홀에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판에서 성장된 질화물 반도체로 이루어지고, 무극성 또는 반극성 경사면을 갖는 질화물 반도체의 성장 구조물과;

상기 무극성 또는 반극성 경사면에 성장된 질화물 반도체 발광 구조물을 포함하여 구성된 질화물 반도체 발광 소자.
청구항 1에 있어서,

상기 무극성 경사면은,

성장된 질화물 반도체의 a-평면이고,

상기 반극성 경사면은,

성장된 질화물 반도체의 r-평면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
청구항 2에 있어서,

상기 스트라이프 관통홀에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판의 상부면은 m-평면(1-100)인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자
청구항 2에 있어서,

상기 스트라이프 관통홀은 a-방향(11-20)으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자
청구항 2에 있어서,

상기 질화물 반도체의 성장 구조물은,

상기 무극성 사파이어 기판과 평행한 (11-22)면이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자
청구항 1 내지 5 중 한 항에 있어서,

상기 질화물 반도체 발광 구조물은,

LED(Light emitting diode) 구조물 또는 LD(Laser diode) 구조물인 것을 특 징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
청구항 5에 있어서,

상기 질화물 반도체 발광 구조물은,

n-반도체층, 활성층 및 p-반도체층을 포함하는 LED 또는 n-접촉층, n-클래드층, n-광가이드층, 활성층, p-전자턱층, p-광가이드층, p-클래드층과 p-접촉층으로 이루어진 LD이고,

상기 LED의 n-반도체층 또는 LD의 n-접촉층은,

성장 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면 및 (11-22)면에 형성되거나, 또는 상기 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면 및 (1-100)면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
청구항 2에 있어서,

상기 발광 구조물의 벽개면은,

상기 무극성 사파이어 기판과 수직하게 형성되어 있거나, 또는 상기 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면 또는 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면과 수직하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
무극성 사파이어 기판 상부에 상기 무극성 사파이어 기판이 노출된 스트라이프 관통홀이 형성된 절연막을 형성하는 단계와;

상기 스프라이프 관통홀에 노출된 상기 무극성 사파이어 기판에서 질화물 반도체를 성장시켜, 무극성 또는 반극성 경사면을 갖는 질화물 반도체의 성장 구조물을 형성하는 단계와;

상기 무극성 또는 반극성 경사면에 질화물 반도체 발광 구조물을 성장시키는 단계를 포함하여 구성된 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 무극성 경사면은,

성장되는 질화물 반도체의 a-평면이고,

상기 반극성 경사면은,

성장되는 질화물 반도체의 r-평면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
청구항 10에 있어서,

상기 a-평면으로 이루어진 무극성 경사면을 갖는 질화갈륨 성장 구조물은 제 1 성장 온도에서 성장되고,

상기 r-평면으로 이루어진 비극성 경사면을 갖는 질화갈륨 성장 구조물은 제 1 성장 온도보다 높은 제 2 성장 온도에서 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
청구항 11에 있어서,

상기 제 1 성장 온도는,

900℃ ~ 1100℃인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.