KR20120138050A - 초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

초격자 구조(Super Lattice Structure)를 갖는 버퍼층을 이용하여 결정 품질이 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 기판 상에 형성되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되는 제1도전형 질화물층; 상기 제1도전형 질화물층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성되며, 상기 제1도전형과 반대되는 전기적 특성을 갖는 제2도전형 질화물층;을 포함하고, 상기 버퍼층은 초격자 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 {NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE USING BUFFER LAYER WITH SUPER LATTICE STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURING THE NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 질화물계 발광소자 제조 기술에 관한 것이다.
발광소자는 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합 시에 발생하는 발광 현상을 응용한 소자이다.
대표적인 발광소자로서, GaN으로 대표되는 질화물계 발광소자가 있다. 질화물계 발광소자는 밴드 갭 에너지가 커서 다양한 색광을 구현할 수 있다. 또한, 질화물계 발광소자는 열적 안성성이 우수하다.
질화물계 발광소자는 n-전극 및 p-전극의 배치 형태에 따라서 수평형(lateral type) 발광소자와 수직형(Vertical type) 발광소자로 구분된다. 수평형 구조는 n-전극 및 p-전극이 주로 top-top 형태로 배치되고, 수직형 구조는 n-전극 및 p-전극이 주로 top-bottom 형태로 배치된다.
도 1은 일반적인 수평형 구조의 질화물계 발광소자의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 수평형 질화물계 발광소자는 기판(101)을 기준으로, 버퍼층(110), n-GaN(120), 발광 활성층(130), p-GaN(140)을 포함한다. 그리고, 발광소자의 구동을 위하여, n-전극(150)이 n-GaN(120)에 접촉하도록 형성되며, p-전극(160)이 p-GaN(140)에 접촉하도록 형성된다.
한편, 기판과 GaN 등의 질화물은 격자상수가 상이하다. 이에 따라 기판 상에 질화물을 성장시키면 많은 선결함(dislocation)이 발생하여, 질화물 내에 선결함 밀도가 높은 문제점이 있다. 이러한 높은 선결함 밀도는 발광 효율을 저하시키는 요인으로 작용한다.
이러한 선결함의 수를 줄이기 위하여, 종래에는 기판 상에 AlN 등의 질화물로 버퍼층을 형성한 후, 질화물을 성장시켰다.
그러나, 이러한 버퍼층의 존재에도 불구하고 질화물 내에 여전히 높은 밀도의 선결함이 존재하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 선결함 전파 차단 기능을 갖는 초격자 구조를 버퍼층에 도입하여, 결정 품질이 우수한 질화물계 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 초격자 구조를 갖는 버퍼층을 포함하는 질화물계 발광소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 기판 상에 형성되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되는 제1도전형 질화물층; 상기 제1도전형 질화물층 상에 형성되는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 상기 제1도전형과 반대되는 전기적 특성을 갖는 제2도전형 질화물층;을 포함하고, 상기 버퍼층은 초격자 구조(Super Lattice Structure)로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 기판 상에 초격자 구조를 갖는 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 제1도전형 질화물층을 형성하는 단계; 상기 제1질화물층 상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에, 상기 제1도전형과 반대되는 전기적 특성을 갖는 제2도전형 질화물층을 형성하는 단계; 및 상기 제1도전형 질화물층에 접촉하는 제1전극과 상기 제2도전형 질화물층에 접촉하는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 버퍼층은 MOCVD 방식으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 버퍼층을 형성하기 전에 기판 상에 GaN 파우더 등을 이용하여 격자 완충층을 더 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 기판 상에 선결함 전파 차단 효과가 우수한 초격자 구조를 갖는 버퍼층을 형성한 후에 발광 구조체를 구성하는 질화물층들을 형성한다. 따라서, 질화물층 내부의 선결함 밀도를 줄여 결정 품질을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 기판 상에 GaN 파우더 등을 이용하여 격자 완충층을 미리 형성할 경우, 초격자 구조를 갖는 버퍼층을 쉽게 형성할 수 있다.
도 1은 일반적인 수평형 구조의 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자 제조 방법을 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자를 나타낸 것으로, 보다 구체적으로는 수평형 구조를 갖는 GaN계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자는 버퍼층(210), 제1도전형 질화물층(220), 활성층(230) 및 제2도전형 질화물층(240)을 포함한다. 도 2에서는 제1도전형 질화물층(220)이 n-타입 GaN으로 형성되고, 제2도전형 질화물층(240)이 p-타입 GaN으로 형성되는 예를 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
버퍼층(210)은 제1도전형 질화물층(220)을 포함한 다수의 질화물층의 결정 품질 향상을 위하여 형성된다.
본 발명에서 버퍼층(210)이 초격자 구조(Super Lattice Structure)로 형성된다.
이때, 버퍼층(210)은 GaN층, AlGaN층 및 InGaN층 중 2종 이상의 질화물층이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(210)은 GaN층/AlGaN층, GaN층/InGaN층, GaN층/AlGaN층/InGaN층 등의 교대 적층 구조로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(210)을 구성하는 각각의 질화물층은 1~5nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 버퍼층을 구성하는 각각의 질화물층을 1nm 미만의 두께로 형성하는 것은 기술적으로 많은 제약이 따르는 문제점이 있다. 반대로, 버퍼층을 구성하는 각각의 질화물층을 5nm를 초과하는 두께로 형성하는 경우 선결함 전파 차단 효과를 충분히 발휘하기 어려운 문제점이 있다.
제1도전형 질화물층(220)은 버퍼층(210) 상에 형성된다.
상기 제1도전형 질화물층(220)은 질화물에 제1도전형 불순물이 도핑되어 형성된다. 제1도전형 질화물층(220)은 제1전극(250)에 접촉된다.
제1도전형 질화물층(220)이 캐리어가 전자인 n-타입의 전기적 특성을 나타낼 경우, 제1도전형 불순물은 실리콘(Si) 등이 될 수 있다. 이 경우, 제2도전형 질화물층(240)은 p-타입 전기적 특성을 나타내며, 제2도전형 불순물은 마그네슘(Mg) 등이 될 수 있다.
반대로, 제1도전형 질화물층(220)이 캐리어가 정공인 p-타입의 전기적 특성을 나타낼 경우, 제1도전형 불순물은 마그네슘(Mg) 등이 될 수 있다. 이 경우, 제2도전형 질화물층(240)은 n-타입 전기적 특성을 나타내며, 제2도전형 불순물은 실리콘(Si) 등이 될 수 있다.
활성층(230)은 제1도전형 질화물층 상에 형성된다. 활성층(230)은 MQW(Multiple Quantum Well) 구조를 가질 수 있다. 그 예로 InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)과 GaN이 교대로 적층되어 있는 구조를 제시할 수 있다.
활성층(230)에서는, 도 2에 도시된 예를 들면, 제1도전형 질화물층(220)을 통하여 이동하는 전자와 제2도전형 질화물층(240)을 통하여 이동하는 정공이 재결합하면서 광을 발생시킨다.
제2도전형 질화물층(240)은 활성층(230) 상에 형성된다. 제2도전형 질화물층(240)은 제2전극(260)에 접촉된다.
도 2에서는 수평형 구조를 갖는 질화물 발광소자를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 수직형 구조를 갖는 질화물 발광소자에도 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초격자 버퍼층을 이용한 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 발광소자의 경우, 도 2에 도시된 발광소자와 기본적인 구조는 동일하다. 즉, 도 3에 도시된 발광소자의 경우에도 초격자 구조를 갖는 버퍼층(210)이 포함된다.
다만, 도 3에 도시된 발광소자의 경우 기판(201) 상부에 격자 완충층(310)이 형성되어 있다.
본 발명에서 질화물계 발광소자를 제조하기 위한 기판으로는 사파이어 기판 혹은 실리콘 기판을 이용할 수 있다. 그러나, 이러한 기판, 특히 실리콘 기판의 경우, 기판과 질화물의 격자 미스매칭(Lattice Mismatching)이 크다.
초격자 구조를 갖는 버퍼층(210) 역시 GaN계 질화물의 교대 성장을 통하여 형성되므로, 기판과 GaN계 질화물의 격자 미스매칭에 따라 고품질의 버퍼층의 형성이 어려울 수 있다.
이에, 도 3에 도시된 실시예에서는 초격자 구조를 갖는 버퍼층(210)의 품질을 향상시킬 수 있도록, 기판(201) 상에 격자 완충층(310)을 먼저 형성한 후에 버퍼층(210)을 이루는 질화물층들을 형성한다. 격자 완충층(310)은 성장 대상이 되는 질화물과 격자 미스매칭을 완화하여 버퍼층을 구성하는 질화물 성장시 발생하는 선결함을 감소시킨다. 그 결과, 버퍼층을 구성하는 각각의 질화물층의 결정성을 향상시킬 수 있다.
이러한 격자완충층(310)은 증착막의 형태로 형성할 경우, 기판(201)과의 격자 미스매칭에 의하여 선결함 문제 해결이 어려우므로, 파우더 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 파우더는 발광소자를 구성하는 질화물과 동일한 격자 구조를 갖는 GaN 파우더가 가장 바람직하다. 또한, 파우더로는 GaN과 격자 구조가 유사한 ZnO 파우더가 될 수 있다.
상기의 GaN 파우더, ZnO 파우더는 스핀 코팅 방식 등에 의하여 기판(201) 상에 부착 혹은 고정될 수 있다.
상기의 파우더를 기판(201) 상에 용이하게 부착 혹은 고정하기 위하여, 기판(201)의 표면에는 요철이 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자 제조 방법은 버퍼층 형성 단계(S410), 제1도전형 질화물층 형성 단계(S420), 활성층 형성 단계(S430), 제2도전형 질화물층 형성 단계(S440) 및 전극 형성 단계(S450)를 포함한다.
버퍼층 형성 단계(S410)에서는 기판 상에 초격자 구조를 갖는 버퍼층을 형성한다.
버퍼층을 구성하는 각각의 질화물층은 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성되는 것이 결정 품질 향상에 유리하다.
또한, 버퍼층의 결정 품질 향상을 위하여, 기판 상에 GaN 파우더 등을 도포하여 격자 완충층을 미리 형성한 상태에서 버퍼층을 형성할 수 있다.(S402)
제1도전형 질화물층 형성 단계(S420)에서는 버퍼층 상에 제1도전형 질화물층을 형성한다. 버퍼층이 선결함 전파 차단 효과가 우수한 초격자 구조로 형성됨에 따라, 버퍼층 상에 형성되는 제1도전형 질화물층의 경우, 질화물에 존재하는 선결함의 수는 크게 감소될 수 있다.
활성층 형성 단계(S430)에서는 제1도전형 질화물층 상에 활성층을 형성한다.
제2도전형 질화물층(S440)에서는 활성층 상에 상기 제1도전형 질화물층과 반대되는 전기적 특성을 갖는 제2도전형 질화물층을 형성한다.
상기의 과정을 통하여 제1도전형 질화물, 활성층 및 제2도전형 질화물층을 형성한 후에는, 발광소자 구동을 위하여 n-전극 및 p-전극을 형성한다.(S450)
도 2에 도시된 발광소자의 예를 들면, 제1도전형 질화물(220)은 n-타입으로 형성되며, 이에 접촉하는 제1전극(250)은 n-전극이 된다. 또한, 제2도전형 질화물(240)은 p-타입으로 형성되며, 이에 접촉하는 제2전극(260)은 p-전극이 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 기판 상에 선결함 전파 차단 효과가 우수한 초격자 구조를 갖는 버퍼층을 형성한다. 따라서, 버퍼층 상에 형성되는 질화물층 내부의 선결함 밀도를 줄일 수 있다. 그 결과 질화물층의 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
201 : 기판 210 : 초격자 버퍼층
220 : 제1도전형 질화물층 230 : 활성층
240 : 제2도전형 질화물층 250 : 제1전극
260 : 제2전극 310 : 격자 완충층

Claims (12)

  1. 기판 상에 형성되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성되는 제1도전형 질화물층;
    상기 제1도전형 질화물층 상에 형성되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성되며, 상기 제1도전형과 반대되는 전기적 특성을 갖는 제2도전형 질화물층;을 포함하고,
    상기 버퍼층은 초격자 구조(Super Lattice Structure)로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은
    GaN층, AlGaN층 및 InGaN층 중 2종 이상의 질화물층이 교대로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 버퍼층에 포함되는 각각의 질화물층은
    1~5nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 버퍼층 사이에,
    GaN 파우더로 형성되는 격자 완충층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 버퍼층 사이에,
    ZnO 파우더로 형성되는 격자 완충층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    사파이어 기판 또는 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  7. 기판 상에 초격자 구조를 갖는 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 제1도전형 질화물층을 형성하는 단계;
    상기 제1질화물층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에, 상기 제1도전형과 반대되는 전기적 특성을 갖는 제2도전형 질화물층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1도전형 질화물층에 접촉하는 제1전극과 상기 제2도전형 질화물층에 접촉하는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층 형성 단계는
    GaN층, AlGaN층 및 InGaN층 중 2종 이상의 질화물층을 교대로 적층하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼층에 포함되는 각각의 질화물층은
    1~5nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 버퍼층은
    MOCVD 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층 형성 전에, GaN 파우더를 이용하여 상기 기판 상에 격자 완충층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층 형성 전에, ZnO 파우더를 이용하여 상기 기판 상에 격자 완충층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101462888B1 (ko) * 2013-04-09 2014-11-19 (주)지엘 보호테이프캐리어와 보호테이프 부착용 지그
KR20160018640A (ko) * 2016-02-01 2016-02-17 서울대학교산학협력단 발광 다이오드 제조 방법 및 그를 통해 제조된 발광 다이오드

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