KR20130067159A - 질화물계 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

질화물계 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 질화물계 발광 소자의 제조방법은, 기판 상에 다수개의 돌기 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 돌기 패턴들이 형성된 기판 상에 스핀 코팅 방법에 따라 시드층을 형성하고, 시드 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 기판 상의 시드 패턴들을 성장시켜 나노 와이어 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 나노 와이어 패턴들이 형성된 기판 상에 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제2 도전형 반도체층이 형성된 기판 상에 투명도전층을 형성하는 단계와, 상기 투명도전층이 형성된 기판 상에 제 1 및 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법은, 돌기 패턴들이 형성된 사파이어 기판 상에 나노 와이어 패턴들을 형성하여, 광추출 효율을 개선한 효과가 있다.

Description

질화물계 발광소자 및 그 제조방법{Nitride light emitting device and method for fabricating the same}
본 발명은 질화물계 발광소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판 상에 나노 와이어 패턴들을 형성하여 광효율을 개선한 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질화물계 발광소자는 보통 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)로 불리며, 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자이다. 발광 다이오드에 의해 방출되는 빛의 파장은 상기 발광 다이오드를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따라 결정된다. 이는 방출된 빛의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따라 결정되기 때문이다.
최근 발광 다이오드는 휘도가 점차 증가하게 되어 디스플레이용 광원, 자동차용 광원 및 조명용 광원으로 사용이 증가하고 있으며, 형광 물질을 이용하거나 다양한 색의 발광 다이오드를 조합함으로써 효율이 우수한 백색광을 발광하는 발광 다이오드로 구현이 가능하다.
한편, 발광 다이오드의 휘도는 활성층의 구조, 빛을 외부로 효과적으로 추출할 수 있는 광 추출 구조, 칩의 크기, 발광 다이오드를 포위하는 몰딩부재의 종류 등 다양한 조건들에 의해 좌우된다.
특히, 발광 다이오드는 활성층에서 발생하는 극히 일부만이 외부로 추출되는데, 일반적으로 발광 다이오드의 외부 양자효율은 높은 내부 양자효율에도 불구하고 20%를 넘지 않는다.
이것은 발광 다이오드를 형성하는 반도체 물질의 굴절률과 주변의 에폭시 또는 공기와의 굴절률 차이로 인하여, 발광다이오드 내부에서 발생한 빛 중에서 칩과 에폭시 또는 칩과 공기 계면의 전반사각도 보다 작은 각으로 입사되는 빛만 방출될 수 있기 때문이다. 그리고 전반사 각도보다 큰 각도로 계면에 입사된 빛은 발광다이오드 내부에서 전반사를 계속 할 수밖에 없고, 결국 내부에 다시 흡수되어 열로 바뀌게 된다.
상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 최근에는 발광다이오드 칩 표면을 거칠게 하는 형성방법을 사용하거나, 발광다이오드 내부에 이물을 광산란점으로 집어넣고 성장하는 방법과, 사파이어 기판에 돌기 패턴들을 형성하는 방법이 개발되고 있다.
상기 사파이어 기판 상에 돌기 패턴들을 형성하는 방법(patterned sapphire substrate: PSS)은 사파이어 기판 표면에 벌집 형태의 돌기 패턴들을 형성하고, 돌기들 사이의 공간을 최소로 할 수 있는 이점이 있다.
하지만, 사파이어 기판에 돌기 패턴들을 형성함으로써, 이후 반도체층 성장시 표면이 거친 부분을 중심으로 에피텍셜 성장이 일어나 질화물층의 결함을 유발하고, 광추출 효율을 저하시키는 단점이 있다.
본 발명은, 돌기 패턴들이 형성된 사파이어 기판 상에 나노 와이어 패턴들을 형성하여, 광추출 효율을 개선한 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 돌기 패턴들이 형성된 사파이어 기판 상에 나노 와이어 패턴들을 형성함으로써, 반도체 결정층 성장시 균일한 결함 밀도 및 스트레스 분포를 제어할 수 있어 안정된 소자 특성을 구현할 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물계 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제 1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 기판 상에는 다수개의 돌기 패턴들이 형성되어 있고, 상기 돌기 패턴들이 형성된 기판 표면에는 다수개의 나노 와이어 패턴들이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 질화물계 발광 소자 제조 방법은, 기판 상에 다수개의 돌기 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 돌기 패턴들이 형성된 기판 상에 스핀 코팅 방법에 따라 시드층을 형성하고, 시드 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 기판 상의 시드 패턴들을 성장시켜 나노 와이어 패턴들을 형성하는 단계와, 상기 나노 와이어 패턴들이 형성된 기판 상에 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제2 도전형 반도체층이 형성된 기판 상에 투명도전층을 형성하는 단계와, 상기 투명도전층이 형성된 기판 상에 제 1 및 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법은, 돌기 패턴들이 형성된 사파이어 기판 상에 나노 와이어 패턴들을 형성하여, 광추출 효율을 개선한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법은, 돌기 패턴들이 형성된 사파이어 기판 상에 나노 와이어 패턴들을 형성함으로써, 반도체 결정층 성장시 균일한 결함 밀도 및 스트레스 분포를 제어할 수 있어 안정된 소자 특성을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자에 나노 와이어 패턴들을 형성하는 공정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 기판의 구조를 확대한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라 기판 상에 ZnO 나노 와이어 패턴들이 형성된 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 나노 와이어 패턴들이 형성된 발광소자의 광추출 효율을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자(100)는 기판(200), 버퍼층(112), 언도프 반도체층(113) 제1 도전형 반도체층(114), 활성층(150), 제2 도전형 반도체층(116), 투명전극층(117), 제1 전극(120) 및 제 2 전극(130)을 포함할 수 있다.
상기 기판(200)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 투명전극층(116)은 ITO, IZO 및 ITZO와 같은 투명성 도전물질로 형성할 수 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)의 기판(200)과 버퍼층(112) 사이에는 기판(200) 표면에 다수개의 돌기 패턴들이 형성되어 있고, 돌기 패턴들이 형성된 기판(200)의 표면에는 다수개의 나노 와이어 패턴들이 형성되어 있다. 이에 대한 구체적인 구조는 도 3을 참조한다.
상기 버퍼층(112), 언도프 반도체층(113), 제1 도전형 반도체층(114), 활성층(150) 및 제2 도전형 반도체층(116)은 화학증착방법(CVD), 분자선 에피택시법(MBE), 스퍼터링법(Sputtering), 수산화물 증기상 에피택시법(HVPE) 등의 방법에 의해 상기 기판(200) 상에 형성될 수 있으며 이에 대해 한정되지는 않는다.
상기 버퍼층(112)은 상기 기판(200)과 상기 언도프 반도체층(113) 사이의 격자 상수 차이를 줄이기 위해 형성될 수 있으며 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN,InGaN, AlInGaN 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 언도프트 반도체층(113)은 예를 들어, 언도프트(Undoped) GaN 층일 수 있으며 이에 대해 한정하지는 않는다.
한편, 상기 버퍼층(112)과 상기 언도프트 반도체층(113)은 적어도 한 층이 형성되거나, 두 층 모두 존재하지 않을 수 있다.
상기 언도프트 반도체층(113) 상에는 상기 제1 도전형 반도체층(114)이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(114)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있는데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑된다.
상기 제1 도전형 반도체층(114)은 챔버에 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리에틸 갈륨(TEGa), 암모니아(NH3), 질소(N2) 및 상기 n형 도펀트가 주입되어 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(114) 상에는 상기 활성층(150)이 형성될 수 있다.
상기 활성층(150)은 제1, 제 2 활성층들과 같이 복수개의 활성층들을 적층하여 형성할 수 있다. 상기 활성층(150)은 제1 도전형 반도체층(114)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(116)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(150)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(150)은 복수개의 활성층들로 형성될 경우, 380nm 내지 500nm의 파장대 빛을 방출할 수 있다.
상기 활성층(150)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)는 투명전극층(117), 제1 전극(120) 및 제 2 전극(130)이 형성된 상태에서 적층된 각각의 층들을 보호하기 위해 보호층이 형성될 수 있으며, 보호층은 SiO2 계열의 절연막으로 형성될 수 있다. 상기 보호층은 질화물계 발광소자(100)의 측면을 따라 이물질에 의해 각각의 층들이 쇼팅되거나 손상되는 것을 방지하기 위해 형성된다.
특히, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)는 광추출 효율을 개선하기 위해 기판(200) 표면에 다수개의 돌기 패턴들을 형성한 후, 돌기 패턴들을 포함하는 기판(200) 표면에 다수개의 나노 와이어 패턴들을 형성하여, 활성층(150)에서 발생하는 광의 광추출 효율을 개선하였다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자에 나노 와이어 패턴들을 형성하는 공정을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 본 발명의 질화물계 발광소자는, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 구성된 기판(200) 상에 PSS 공정에 따라 표면에 다수개의 돌기 패턴들(200a)을 형성하였다.
그런 다음, 나노 와이어 패턴들을 형성하기 위한 시드(seed) 패턴들을 형성하기 위하여 기판(200)의 전면에 스핀 코팅 방법으로 시드층(300)을 형성한다. 상기 시드층(300)은 30~100nm의 두께로 형성될 수 있고, 패터닝 공정에 따라 시트패턴들(310)을 기판(200)과 돌기 패턴들(200a) 상에 형성한다.
상기와 같이, 1차적으로 시드패턴들(310)이 기판(200)과 돌기 패턴들(200a) 상에 형성되면, 도 2c에 도시한 바와 같이, Ni, Pt, Au, Si, InP, GaN, ZnO, SiO2, TiO2 등과 같은 물질이 포함된 용액(S)을 이용하여 나노 와이어 패턴들(320)을 성장시킨다. 이때, 고온의 육성조에서 온도구배를 준다음 용해도 차에 의해 재결정을 하는 수열법(Hydro-Thermal)을 이용하여 나노 와이어를 성장시킬 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 나노 와이어 패턴들(320)은 기판(200)과 돌기 패턴들(200a) 상에 수직한 바(bar) 형태로 성장된 것을 볼 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 질화물계 발광소자의 기판 상에 다수개의 나노 와이어 패턴들을 형성함으로써, 광추출 효율을 개선하였다. 아울러, 나노 와이어 패턴들은 밀도 조절되거나 나노 와이어 패턴들에 의해 층간 계면에서의 스트레스 조절할 수 있다. 이로 인하여 기판 상에 적층되는 반도체층이 결함없는 균일한 층을 유지할 수 있어, 이후 성장되는 반도체층의 결함을 최소화하여 소자 안정화를 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 사파이어 기판의 구조를 확대한 단면도로서, 도시된 바와 같이, 기판(200)과 돌기 패턴들(200a) 상에 다수개의 나노 와이어 패턴들(320)이 형성되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 기판(200) 상에는 버퍼층(112)과 언도프 반도체층(113) 들이 순차적으로 성장되는데, 종래 기술에서는 기판(200) 상에 형성된 돌기 패턴들(200a)에 의해 특정 영역에서만 반도체층이 먼저 성장되는 등 불균일한 성장 특성으로 각각의 반도체층들에 결함들이 발생되었다.
하지만, 본 발명에서와 같이 기판(200)과 돌기 패턴들(200a) 상에 다수개의 나노 와이어 패턴들(320)이 형성되어 있어, 이후 형성되는 반도체층들이 보다 안정하게 성장되도록 하였다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라 사파이어 기판 상에 ZnO 나노 와이어 패턴들이 형성된 모습을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 나노 와이어 패턴들이 형성된 발광소자의 광추출 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 기판의 표면에는 다수개의 돌기 패턴들이 형성되어 있고, 돌기 패턴들의 구조는 원뿔형 구조를 하고 있다.
상기 돌기 패턴들은 기판 표면에 벌집 구조 형태로 촘촘히 형성되는데, 본 발명의 나노 와이어 패턴 형성 공정에 따라 돌기 패턴들 사이 영역과 돌기 패턴들 표면에 다수개의 나노 와이어 패턴들이 형성된 것을 볼 수 있다.
상기 나노 와이어 패턴들의 밀도는 도 2a 내지 도 2d에서 설명한 바와 같이, 나노 와이어 패턴 형성을 위한 시트 패턴들의 밀도 또는 나노 와이어 패턴을 성장시키기 위해 나노 와이어 물질이 포함된 용액의 농도에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래 기판 상에 단순히 돌기 패턴들만 형성한 경우의 질화물계 발광소자(돌기구조)와 나노 와이어 패턴들을 형성한 본 발명의 질화물계 발광소자(돌기구조+나노와이어)의 광추출 효율을 비교하면 나노 와이어 패턴들이 형성된 소자의 광추출 효율이 높은 것을 볼 수 있다.
즉, 종래 돌기 구조의 질화물계 발광소자의 광추출 에너지는 56.6mW이나, 본 발명의 나노 와이어 패턴들이 형성된 질화물계 발광소자에서는 62.8mW의 광추출 에너지를 갖는 것을 볼 수 있다.
따라서, 나노 와이어 패턴들이 기판 상에 형성된 구조가 돌기 패턴들만 형성된 기판 구조보다 훨씬 높은 광추출 효율을 갖는 것을 볼 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법은, 돌기 패턴들이 형성된 사파이어 기판 상에 나노 와이어 패턴들을 형성하여, 광추출 효율을 개선한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법은, 돌기 패턴들이 형성된 사파이에 기판 상에 나노 와이어 패턴들을 형성함으로써, 반도체 결정층 성장시 균일한 결함 밀도 및 스트레스 분포를 제어할 수 있어 안정된 소자 특성을 구현할 수 있는 효과가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: 질화물계 발광소자 112: 버퍼층
113: 언도프 반도체층 114: 제1 도전형 반도체층
150: 활성층 116: 제2 도전형 반도체층
117: 투명전극층 120: 제1 전극
130: 제 2 전극 320: 나노 와이어 패턴

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제 1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하며,
    상기 기판 상에는 다수개의 돌기 패턴들이 형성되어 있고, 상기 돌기 패턴들이 형성된 기판 표면에는 다수개의 나노 와이어 패턴들이 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 복수개의 활성층이 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판과 제 1 도전형 반도체층 사이에는 버퍼층과 언도프트 반도체층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노 와이어 패턴들은 상기 돌기 패턴들 사이의 기판과 상기 돌기 패턴들 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노 와이어 패턴들은 Ni, Pt, Au, Si, InP, GaN, ZnO, SiO2 및 TiO2 들 중 어느 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  6. 기판 상에 다수개의 돌기 패턴들을 형성하는 단계와,
    상기 돌기 패턴들이 형성된 기판 상에 스핀 코팅 방법에 따라 시드층을 형성하고, 시드 패턴들을 형성하는 단계와,
    상기 기판 상의 시드 패턴들을 성장시켜 나노 와이어 패턴들을 형성하는 단계와,
    상기 나노 와이어 패턴들이 형성된 기판 상에 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계와,
    상기 제2 도전형 반도체층이 형성된 기판 상에 투명도전층을 형성하는 단계와,
    상기 투명도전층이 형성된 기판 상에 제 1 및 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 발광 소자 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 나노 와이어 패턴들을 형성하는 방법은, 상기 시드 패턴들이 형성된 기판에 나노 와이어 형성 물질이 포함된 용액에 담가, 나노 와이어 패턴들을 성장하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 활성층은 복수개의 활성층을 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판과 제 1 도전형 반도체층 사이에는 버퍼층과 언도프트 반도체층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 나노 와이어 패턴들은 상기 돌기 패턴들 사이의 기판과 상기 돌기 패턴들 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 나노 와이어 패턴들은 Ni, Pt, Au, Si, InP, GaN, ZnO, SiO2 및 TiO2 들 중 어느 하나의 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자 제조방법.
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