KR20110115119A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판 위에 형성된 N형 질화물 클래드층; 상기 N형 질화물 클래드층 상에 소정의 패턴을 갖는 산화물 부재; 상기 산화물 부재 사이에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 P형 질화물 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 기판상에 질화물 버퍼층을 성장시키는 질화물 버퍼층 형성단계; 상기 버퍼층 상에 N형 질화물 클래드층을 형성하는 N형 질화물 클래드층 형성단계; 상기 N형 질화물 클래드층 상에 소정의 패턴을 갖는 산화물 부재를 구현하는 산화물 부재 구현단계; 상기 산화물 부재 사이에 활성층을 형성하는 활성층 형성단계; 상기 활성층 상에 P형 질화물층을 형성하는 P형 질화물층 형성단계; 및 상기 P형 질화물층 상에 P-전극을 형성하고, 상기 N형 질화물 클래드층 상에 N-전극을 형성하는 전극 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법{Nitride semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 발광소자 내부의 전반사 등에 의한 발광결함을 개선한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 질화물 반도체에는 예를 들어 GaN계 질화물 반도체를 들 수 있고, 이 GaN계 질화물 반도체는 그 응용분야에 있어서 청색/녹색 LED의 광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다. 특히, 청색/녹색 LED 소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며 전 세계적인 매출은 지수함수적으로 증가하고 있는 상황이다.

특히, GaN계 질화물 반도체의 적용 분야중 발광다이오드 및 반도체 레이저 다이오드 등의 발광 소자의 분야에서 마그네슘, 아연 등의 2족 원소가 GaN계 질화물 반도체의 Ga 위치에 도핑된 결정층을 가진 반도체 발광소자는 청색 발광하는 소자로서 주목받고 있다.

이와 같은 GaN계 질화물 반도체는 도 1a에 도시된 바와 같이 다중 양자웰구조를 가진 발광소자를 예로 들 수 있고, 이 발광소자는 주로 사파이어 또는 SiC로 이루어진 기판(1) 위에서 성장된다. 그리고, 저온의 성장 온도에서 사파이어 또는 SiC의 기판(1) 위에 예를 들어, Al_yGa_{1 - y}N층의 다결정 박막을 버퍼층(2)으로 성장시킨 후, 고온에서 상기 버퍼층(2) 위에 GaN 하지층(3)이 순차 적층되어 있다. GaN 하지층(3) 상에는 발광을 위한 활성층(4)이 배치되어 있고, 활성층(4) 상에는 열 어닐링 처리에 의해 p형으로 변환되는 각각의 마그네슘이 도핑된 AlGaN 전자 배리어층(5), 마그네슘이 도핑된 InGaN 층(6), 및 마그네슘이 도핑된 GaN 층(7)이 순차 적층되어 있다.

또한, 마그네슘이 도핑된 GaN 층(7) 및 GaN 하지층(3) 상에는 절연막이 형성되고 각각 대응하는 P-전극(9)과 N-전극(10)이 형성되어 발광소자를 형성한다.

이런 구조의 발광소자에서 발광하는 광의 경로는 도 1b에 도시된 바와 같이 활성층(4)에서 발생된 광은 광경로에 따라 ①, ②, 및 ③의 광경로를 이루게 되는데, 여기서 ③의 광경로는 광이 광학적으로 굴절률이 큰 물질에서 굴절률이 작은 물질로 입사할 때, 입사각이 어느 특정 각도(임계각) 이상이면 그 경계면에서 빛이 전부 반사되어 버리는 전반사 원리에 의해 일어나는 현상이다.

따라서, 이런 ③의 광경로를 그리는 광에 의해서 활성층(4)으로 이루어진 발광소자의 발광효율이 상당히 감소하게 된다. 또한, 종래의 건식 식각 방법에 의해 N형 질화물 반도체를 노출함으로써, 질화물 반도체에 손상을 주기 때문에 광 특성과 전류 전압 특성에 악영향을 미친다.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 구조를 구현하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 질화물 반도체에 손상을 주지 않는 식각 방법을 이용하여 발광소자를 제조함으로써, 질화물 반도체 발광소자의 발광효율과 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판; 상기 기판 위에 형성된 N형 질화물 클래드층; 상기 N형 질화물 클래드층 상에 소정의 패턴을 갖는 산화물 부재; 상기 산화물 부재 사이에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 P형 질화물 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

본 발명은 기판상에 질화물 버퍼층을 성장시키는 질화물 버퍼층 형성단계; 상기 버퍼층 상에 N형 질화물 클래드층을 형성하는 N형 질화물 클래드층 형성단계; 상기 N형 질화물 클래드층 상에 소정의 패턴을 갖는 산화물 부재를 구현하는 산화물 부재 구현단계; 상기 산화물 부재 사이에 활성층을 형성하는 활성층 형성단계; 상기 활성층 상에 P형 질화물층을 형성하는 P형 질화물층 형성단계; 및 상기 P형 질화물층 상에 P-전극을 형성하고, 상기 N형 질화물 클래드층 상에 N-전극을 형성하는 전극 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 기판; 상기 기판 위에 형성된 N형 질화물 클래드층; 상기 N형 질화물 클래드층 상에 형성된 발광을 위한 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 P형 질화물층을 포함하고, 상기 활성층과 상기 P형 질화물층을 관통하여, 상기 N형 질화물 클래드층에 대해 소정 각도의 경사면을 하나 이상으로 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

그리고, 본 발명은 기판상에 질화물 버퍼층을 성장시키는 질화물 버퍼층 형성단계; 상기 버퍼층 상에 N형 질화물 클래드층을 형성하는 N형 질화물 클래드층 형성단계; 상기 N형 질화물 클래드층 상에 소정의 패턴을 갖는 산화물 부재를 구현하는 산화물 부재 구현단계; 상기 산화물 부재 사이에 활성층을 형성하는 활성층 형성단계; 상기 활성층 상에 P형 질화물층을 형성하는 P형 질화물층 형성단계; 상기 활성층과 상기 P형 질화물층을 관통하는 다수의 경사면으로 이루어진 공간을 다수 형성하는 공간 형성단계; 및 상기 P형 질화물층 상에 P-전극을 형성하고, 상기 N형 질화물 클래드층 상에 N-전극을 형성하는 전극 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 질화물 반도체에서의 발광 효율을 개선한 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 투명 전극을 구비한 NPN 접합구조의 반도체 발광소자에도 적용되어 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1a는 종래의 질화물 반도체 발광소자의 일예를 도시한 예시도.
도 1b는 종래의 질화물 반도체 발광소자에서 발광을 설명하기 위한 예시도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따라 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 과정을 설명하기 위한 발광소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 발광소자의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 발광을 설명하기 위한 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 다중양자웰구조(MQW)를 가진 발광소자에 적용하여 설명한다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따라 질화물 반도체 발광소자를 형성하는 과정을 설명하기 위한 발광소자의 단면도이다.

먼저, 도 2a는 본 발명에 따라 질화물 반도체 발광소자의 구성을 형성하는 과정중 기판상에 버퍼층과 N형 질화물 클래드층이 형성된 구성을 도시한 단면도이다.

소정 챔버, 예를 들어 MOCVD 리액터(도시되지 않음)에 사파이어 또는 SiC로 이루어진 기판(21)을 장착하고, 기판(21)상에 GaN 버퍼층(22)을 성장시킨다. 구체적으로, 기판(21)이 구비된 MOCVD 리액터에 NH₃은 예컨대, 4.0×10^-2 몰/분으로, 트리메탈갈륨(TMG)은 1.0×10^-4 몰/분으로 공급하여 약 3 ㎛ 두께로 성장시킬 수 있다.

이어서, NH₃, TMG, 및 Si와 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 GaN 버퍼층(22) 상에 N-GaN 클래드층(23)을 소정 두께로 성장시킨다.

따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이 기판(21)상에 GaN 버퍼층(22)과 N-GaN 클래드층(23)이 형성되고, 도 2b에 도시된 바와 같이 형성된 N-GaN 클래드층(23) 상에 소정 형태의 패턴을 가진 산화물 부재(24)를 구현한다.

즉, 산화물 부재(24)는 소정 높이, 구체적으로 차후에 형성될 P-GaN 콘택트층(27)의 높이 이상으로 형성되고, N-GaN 클래드층(23)의 평면에 대해 소정 각도 예컨대, 10도 내지 80도의 각도 범위에서 바람직하게는 30도의 경사진 측면을 가진 등변 사다리꼴 또는 역메사형의 소정 거리로 이격된 다수의 산화물 부재이며, 산화물 부재(24)의 재질은 절연 특성이 우수하고 광의 흡수가 없는 SiO₂, 및 Si_XN_X 등의 어느 하나로 형성된다.

이런 산화물 부재(24)를 형성하기 위해 이용되는 에칭 방법에는 대표적으로 습식에칭인 이방성 습식에칭(anisotropy wet-etching)을 들 수 있고, 이 이방성 습식에칭의 에칭 용액(Etching Solution)으로는 불산(HF)을 사용한다.

이렇게 N-GaN 클래드층(23) 상에 산화물 부재(24)가 형성된 후, 도 2c에 도시된 바와 같이 활성층(25)과 P-GaN 클래드층(26)이 산화물 부재(24) 사이에 형성된다.

활성층(25)의 성장을 위해서, 예를 들어 780℃의 성장온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH₃, TMG, 및 트리메틸인듐(TMI)을 공급하여, InGaN로 이루어진 활성층(25)을 30 내지 100㎛의 두께로 성장시킨다. 이때, 활성층(25)의 조성은 InGaN의 각 원소성분의 몰 비율에 차이를 두고 성장시킨 적층 구성일 수 있다.

활성층(25)이 형성된 후, 활성층(25)상에 P형 질화물 클래드층(26)을 수백에서 수천 Å의 두께로 성장시킨다. 예를 들어, 수소를 캐리어 가스로 하여 1000℃로 분위기 온도를 높여 TMG, 트리메틸알루미늄(TMA), 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘((EtCp2Mg){Mg(C₂H₅C₅H₄)₂}), 및 NH₃을 공급하여 AlGaN과 같은 P형 질화물층을 형성할 수 있다.

계속해서, P형 질화물 클래드층(26) 위에 P형 질화물 콘택트층(27)을 수십 내지 수백 Å의 두께로 성장시킨다.

예를 들어, 분위기 온도를 낮추고 질소를 캐리어 가스로 이용하여 TMG, 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘((EtCp2Mg){Mg(C₂H₅C₅H₄)₂}), 및 NH₃을 공급하면, 도 2d에 도시된 바와 같이 P형 질화물 클래드층(26) 위에 Mg이 도핑된 P-GaN 콘택트층(27)이 수십 내지 수백 Å의 두께로 성장될 수 있다. 이어서, 열처리를 하여 정공 농도가 최대가 되도록 조정한다.

열처리 후, 도 2e에 도시된 바와 같이 N-전극(29)을 구현하기 위해서 산화물 부재의 일부를 습식 에칭 예를 들어, 이방성 습식에칭을 실행하여, N-GaN 클래드층(23)을 노출시킨다. 여기서, 건식 에칭을 이용하지 않는 이유는 건식 에칭을 사용하면 질화물 반도체 층의 손상, 예를 들어 크랙, 에칭 온도에 의한 질화물층의 손실 등의 문제점이 발생하는 점을 방지하기 위해서이다.

이렇게 이방성 습식에칭으로 N-GaN 클래드층(23)을 노출시킨 후, N-GaN 클래드층(23) 상에 티탄(Ti)으로 이루어진 N-전극(29)을 구현하고 P형 콘택트층(27) 상에 P-전극(28)을 형성한다. 여기서, P-전극(28)은 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 하나로 이루어진 투명 전극이 될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 실시예로서, 도 3에 도시된 바와 같이 산화물 부재가 제거된 실시예를 실시하여 광의 반사효율을 향상시키는 것이 가능하다.

도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 도 2에 도시된 질화물 반도체 발광소자와 동일하게, 사파이어 기판(31)상에 GaN 버퍼층(32), N-GaN 클래드층(33)이 형성된 후, SiO₂, 및 Si_XN_X 등의 어느 하나로 형성된 산화물 부재를 N-GaN 클래드층(33) 평면에 대해 소정 각도 예컨대, 10도 내지 80도의 각도 범위에서 바람직하게는 30도의 경사진 측면을 가진 등변 사다리꼴 또는 역메사형으로 형성한다.

이렇게 형성된 산화물 부재 사이에 활성층(35)과 P형 클래드층(36)이 각각 수백에서 수천 Å의 소정 두께로 성장한다.

이후, 본 발명의 다른 실시예에서는 도 2에 도시된 질화물 반도체 발광소자와 다르게 경사진 측면을 가진 등변 사다리꼴 또는 역메사형의 산화물 부재를 에칭 처리를 거쳐 제거하면, 경사진 측면에 둘러싸인 공간(34)이 다수 형성되고, N-전극(39)을 구현하기 위한 N-GaN 클래드층(33)이 노출된다.

이어서, 소정 온도에서 열처리를 하여 P형 콘택트층(36)의 정공 농도가 최대가 되도록 조정한다.

열처리 후, 티탄(Ti) 등으로 이루어진 N-전극(39)을 구현하고 P형 콘택트층(36) 상의 각 영역에 P-전극(38)을 형성한다. 여기서, P-전극(38)은 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 하나로 이루어진 투명 전극이 될 수 있다.

이와 같은 과정으로 본 발명의 각 실시예에 따른 발광소자가 완성되고, 본 발명에 따른 발광소자의 발광 효율을 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 발광을 설명하기 위한 예시도로서, 활성층(25)에서 생성된 광경로(⑪,⑫,⑬) 중 광경로(⑬)의 광은 본 발명에 따른 산화물 부재(24)의 경사면에서 다시 반사되어 발광소자의 외부로 발광하게 된다. 따라서, 종래의 질화물 반도체 발광소자에서 문제가 되었던 전반사에 의한 발광 효율의 저하를 해소할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상부에 P형 질화물층과 같은 P형 반도체층이 형성되고, 하부에 N형 반도체층이 형성된 PN 접합구조의 반도체 발광소자를 예로서 설명하였으나, P형 질화물층과 같은 P형 반도체층 상부에 N형 반도체층이 더 형성되어 NPN 접합구조의 반도체 발광소자도 가능하다. 여기서, NPN 접합구조의 반도체 발광소자란, 상부 층과 하부 층이 모두 N형 반도체 층으로 형성되며, 상부 층과 하부 층 사이에 P형 반도체 층이 형성된 경우를 의미한다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

1: 기판 2: 버퍼층
3: 하지층 4: 활성층
5: 배리어층 6: InGaN층
7: GaN층 8: 절연막
9: P-전극 10: N-전극
21,31: 사파이어 기판 22,32: 버퍼층
23,33: N-GaN 클래드 층 24: 산화물 부재
34: 공간 25,35: 활성층
26,36: P-GaN 클래드층 27,37: P-GaN 콘택트층
28,38: P-전극 29,39: N-전극

Claims (4)

1. 기판;
   상기 기판 상에 N 도전형의 제1 GaN 기반 반도체층, P 도전형의 제2 GaN 기반 반도체층, 상기 제1 GaN 기반 반도체층과 상기 제2 GaN 기반 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하는 GaN 기반 구조물;
   상기 제1 GaN 기반 반도체층에서부터 상기 제2 GaN 기반 반도체층까지 형성된 다수의 절연 부재들; 및
   상기 GaN 기반 구조물의 상면에 형성된 전극을 포함하고,
   상기 다수의 절연 부재는 단면이 사다리꼴 형태 또는 역메사 형태인 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 절연 부재는 SiO₂ 또는 Si_XN_X를 포함하는 반도체 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 활성층은 InGaN을 포함하는 반도체 발광 소자.
4. 적어도 하나의 제1 도전형의 GaN 기반 반도체층, 상기 적어도 하나의 제1 도전형의 GaN 기반 반도체층 상에 활성층, 상기 활성층 상에 적어도 하나의 제2 도전형의 GaN 기반 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
   상기 적어도 하나의 제2 도전형의 GaN 기반 반도체층으로부터 상기 적어도 하나의 제1 도전형의 GaN 기반 반도체층의 일부분까지 배치되는 다수의 패턴;
   상기 다수의 패턴 상에 절연 부재; 및
   상기 적어도 하나의 제2 도전형의 GaN 기반 반도체층 또는 상기 절연 부재 중 적어도 어느 하나와 접하는 제2 전극을 포함하고,
   상기 다수의 패턴은 상기 발광 구조물과 접하는 하부와 상기 발광 구조물과 접하는 상부를 포함하는 반도체 발광 소자.

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