KR20150124287A - 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법이 제공된다. 상세하게는, 실리콘(Si) 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성하는 단계, 및 상기 AlN 버퍼층 상에 n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층이 순차적으로 적층된 질화물계 발광구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것으로, 상기 AlN 버퍼층은, 암모니아(NH3)가스 및 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스를 이용하여 형성하는 것이며, 상기 암모니아(NH3)가스를 펄스(pulse)방식 및 연속방식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법을 제공할 수 있다. 본 발명에 따르면, 실리콘 기판 상에 암모니아 가스를 펄스 방식 및 연속방식으로 공급하여 AlN 버퍼층 형성함으로써, 알루미늄(Al) 원자의 이동도를 향상시킬 수 있다. 또한, AlN 결정핵 그룹을 형성하고, 이를 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성함으로써, 관통전위 밀도를 감소시킬 수 있다. 아울러, 실리콘 기판 상에 고품위의 AlN 버퍼층을 형성함으로써, 상기 AlN 버퍼층 상에 형성되는 질화물계 발광구조물 또한 고품위로 형성할 수 있어, 발광다이오드의 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 발광다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘(Si) 기판 상에 AlN 버퍼층을 포함하는 질화물계 발광다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 주입된 전자와 정공이 재결합할 때 발생하는 에너지를 광(빛)으로 방출하는 다이오드로서, 다양한 광전재료 및 전자소자의 핵심 소재로 각광받고 있다. 특히, 질화물계 발광다이오드는 조명으로 사용되면서 고출력 및 고효율 LED에 대한 수요가 증가하고 있다. 이를 위하여 먼저 고품위의 기판과 대구경의 기판 사용이 필요하나, 현재 주로 사용되고 있는 사파이어(Sapphire) 기판은 6인치 이상의 대형성장이 어려워 제조비용 저가화 측면에서 한계를 가지고 있으며, 고온에서 질화물계 발광구조물을 성장시 웨이퍼 휨(wafer bowing) 현상이 발생하는 문제점이 있다. 이에, 실리콘(Si) 기판을 이용한 질화물계 발광다이오드에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 실리콘(Si) 기판 상에 질화물계 발광구조물을 성장시, 실리콘(Si) 기판과 질화물과의 격자상수 및 열팽창계수의 불일치로 인해 증착시 전위(dislocation) 및 크랙(crack)과 같은 결함이 발생하여, 활성층 내 전자와 정공의 재결합 확률을 감소시킬 수 있다. 이에 실리콘(Si) 상에 질화물계 발광구조물 성장시 결함을 최소화할 수 있는 기술에 대한 개발이 필요한 실정이다.
이를 위하여, 실리콘(Si) 기판과 질화물계 발광구조물 사이에 AlN 버퍼층을 배치하는 기술에 대하여 많이 연구되고 있다. 이는, AlN 버퍼층의 배치로 인해, 열팽창계수가 실리콘(Si) 기판과 질화물계 발광구조물의 중간값을 가져, 크랙을 제거할 수 있고, 실리콘(Si) 기판 상에 질화물계 발광구조물을 직접 성장시 실리콘(Si) 기판이 에칭되는 단점을 극복할 수 있기 때문이다.
하지만, 상기 AlN 버퍼층은, 실리콘 기판과 질화물계 발광구조물의 격자상수 불일치에 의해 형성되는 선결함을 줄이는 데에는 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 실리콘(Si) 기판 상에 AlN 버퍼층 형성시, 전위(dislocation)의 발생을 최소화하여, 고품위의 발광다이오드를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은, 실리콘(Si) 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성하는 단계, 및 상기 AlN 버퍼층 상에 n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층이 순차적으로 적층된 질화물계 발광구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것으로, 상기 AlN 버퍼층은, 암모니아(NH3)가스 및 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스를 이용하여 형성하는 것이며, 상기 암모니아(NH3)가스는 펄스(pulse)방식 이후에 연속방식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 트리메틸 알루미늄 가스를 지속적으로 공급하는 분위기하에서, 암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하여 AlN 결정핵 그룹을 형성하는 단계, 상기 암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하여 상기 AlN 결정핵 그룹을 측면방향으로 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성하는 단계, 및 상기 암모니아 가스를 연속방식으로 공급하여 상기 AlN 결정핵 그룹층을 상면방향으로 증대시켜 AlN 세로성장층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 암모니아 가스의 펄스방식은, 0.1초 내지 10초 범위의 암모니아 가스 주입시기 및 0.1초 내지 10초 범위의 암모니아 가스 미주입시기로 이루어진 주입주기에 따라 공급되는 것일 수 있다.
상기 암모니아 가스의 펄스방식은, 2초의 암모니아 가스 주입시기 및 7초의 암모니아 가스 미주입시기로 이루어진 주입주기에 따라 공급되는 것일 수 있다.
상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는, 800℃ 내지 1100℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있다.
상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스의 유량은, 상기 암모니아(NH3)가스의 유량은 30sccm 내지 80sccm인 것일 수 있다.
상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 AlN 버퍼층의 두께가 1㎛ 내지 10㎛인 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판 상에 암모니아 가스를 펄스 방식 및 연속방식으로 공급하여 AlN 버퍼층 형성함으로써, 알루미늄(Al) 원자의 이동도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기와 같이, AlN 결정핵 그룹을 형성하고, 이를 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성함으로써, 관통전위 밀도를 감소시킬 수 있다.
아울러, 실리콘 기판 상에 고품위의 AlN 버퍼층을 형성함으로써, 상기 AlN 버퍼층 상에 형성되는 질화물계 발광구조물 또한 고품위로 형성할 수 있어, 발광다이오드의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예1 내지 실시예4, 및 비교예1에 따른 발광다이오드들의 XRD 반치폭(FWHM)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예1 내지 실시예4의 발광다이오드 및 비교예1의 발광다이오드의 광발광(Photoluminescence, PL)강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예1 내지 실시예4, 및 비교예1에 따른 발광다이오드들의 XRD 반치폭(FWHM)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예1 내지 실시예4의 발광다이오드 및 비교예1의 발광다이오드의 광발광(Photoluminescence, PL)강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
본 발명의 일 측면은 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실리콘 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법은 1) 실리콘(Si) 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성하는 단계, 2) 상기 AlN 버퍼층 상에 n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층이 순차적으로 적층된 질화물계 발광구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 AlN 버퍼층은, 암모니아(NH3)가스 및 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스를 이용하여 형성하는 것이며, 상기 암모니아(NH3)가스는 펄스(pulse)방식 이후에 연속방식으로 공급하는 것일 수 있다.
상기 단계 1)은 실리콘(Si) 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성하는 단계이다.
상기 실리콘(Si)기판은 질화물계 발광구조물의 단결정 성장이 가능한 기판일 수 있다. 상기 실리콘 기판은 결정방향이 (100), (110), 또는 (111)인 단결정 실리콘 기판일 수 있으나, 또는 다결정 실리콘 기판일 수도 있다. 실리콘 기판은 사파이어 기판에 비해 가격이 1/10로 저렴하고, 열적 특성 및 전기적 특성이 우수하며 가공하기 쉬운 장점이 있다.
상기 실리콘 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는, 암모니아(NH3)가스 및 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스를 이용하여 형성하는 것이며, 상기 암모니아(NH3)가스는 펄스(pulse)방식 이후에 연속방식으로 공급하는 것일 수 있다. 반면에, 상기 트리메틸 알루미늄 가스를 지속적으로 공급하는 것일 수 있다.
상기 펄스 방식은 일정 시간 간격 단위로, 암모니아 가스를 주입하는 것을 말하는 것일 수 있으며, 구체적으로, 암모니아 가스 주입시기 및 암모니아 가스 미주입시기로 이루어진 주입주기를 가질 수 있다. 상기 실리콘 기판 상에 AlN 버퍼층 형성시 상기 암모니아 가스 및 상기 트리메틸 알루미늄 가스는 캐리어 가스와 함께 공급되어 전달되는 것일 수 있다. 상기 캐리어 가스는, 예를 들어, 수소 가스 또는, He, Ar과 같은 불활성 가스일 수 있다.
상기 암모니아 가스의 펄스방식은, 0.1초 내지 10초 범위의 암모니아 가스 주입시기 및 0.1초 내지 10초 범위의 암모니아 가스 미주입시기로 이루어진 주입주기에 따라 공급되는 것일 수 있다. 상기 암모니아 가스의 펄스방식에 있어서 주입시기 및 미주입시기가 상기 주입주기를 충족하지 않는 경우, 알루미늄(Al)원자가 충분히 확산하기 어려워, 후술하는 AlN 결정핵 그룹의 밀도제어가 어려워질 수 있다.
상기 암모니아 가스의 펄스방식은, 2초의 암모니아 가스 주입시기 및 7초의 암모니아 가스 미주입시기로 이루어진 주입주기에 따라 공급되는 것일 수 있다. 상기 범위 내에서 알루미늄(Al) 원자의 확산이 가장 촉진될 수 있고, 필요치 않은 부가반응으로 생성되는 실리콘 기판 상의 나노입자로 인해 결정질이 저하되는 것을 최소화시킬 수 있다. 상기 실리콘 기판 상에 상기 암모니아 가스 및 상기 트리메틸 알루미늄 가스를 공급하는 것은 열을 함께 공급할 수 있는 반응로에 주입되는 것일 수 있으며, 이는 공지된 장치들을 사용할 수 있어, 특별히 한정하지는 않는다.
구체적으로, 상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 트리메틸 알루미늄 가스를가 지속적으로 공급하는 분위기하에서, a) 암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하여 AlN 결정핵 그룹을 형성하는 단계, b) 상기 암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하여 상기 AlN 결정핵 그룹을 측면방향으로 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성하는 단계, 및 c) 상기 암모니아 가스를 연속방식으로 공급하여 상기 AlN 결정핵 그룹층을 상면방향으로 증대시켜 AlN 세로성장층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기와 같이 본 발명의 AlN 버퍼층은, 단계 a) 내지 단계 c)를 통해 형성된 상기 AlN 결정핵 그룹, 상기 AlN결정핵 그룹층, 및 상기 AlN 세로 성장층으로 이루어진 것일 수 있다.
먼저, 단계 a)는 상기 실리콘 기판 상에 상기 트리메틸 알루미늄 가스를 지속적으로 공급하는 분위기하에서, 암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하여, 상기 실리콘 기판 상에 AlN 결정핵 그룹을 형성하는 것으로, 상기 AlN 결정핵 그룹은 상기 실리콘 기판 상에 섬 모양을 가진 복수개의 AlN 결정핵들로 이루어진 것일 수 있다. 상기 AlN 결정핵 그룹은 상기 AlN 버퍼층의 씨드(seed) 역할을 하는 것일 수 있으며. 상기 암모니아 가스의 펄스방식의 주입주기에 따라 상기 AlN 결정핵 그룹의 크기가 달라질 수 있다. 상기 AlN 결정핵 그룹의 복수개의 AlN 결정핵들의 직경 크기는, 예를 들어, 5nm 내지 25nm의 범위의 크기를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기와 같이, 트리메틸 알루미늄 가스를 지속적으로 공급하면서, 암모니아 가스는 펄스 방식으로 공급하기 때문에, 암모니아의 미주입시기에는 상기 실리콘 기판 상에 트리메틸 알루미늄 가스만 공급될 수 있다. 즉, 암모니아 미주입시기에는 상기 실리콘 기판 상에 알루미늄(Al) 원자만이 실리콘 기판과 결합할 수 있게 되는 것일 수 있다. 이에, 알루미늄 원자가 충분히 확산될 수 있으므로, 알루미늄(Al)원자의 이동도가 향상될 수 있다. 이는, 종래의 트리메틸 알루미늄과 암모니아를 함께 지속적으로 공급하여 AlN 버퍼층 형성시, 트리메틸 알루미늄 가스와 암모니아 가스의 부가반응에 의해 기판 상에 나노입자가 형성되고, 이에, 상기 AlN 버퍼층의 결정질이 저하되는 한계를 개선한 것일 수 있다.
단계 b)는 상기 AlN 결정핵 그룹이 형성된 상기 실리콘 기판 상에 상기 트리메틸 알루미늄 가스를 지속적으로 공급하는 분위기하에서, 상기 암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하여 상기 AlN 결정핵 그룹을 측면방향으로 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성하는 단계이다. 상기 암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하는 것은 앞서 상술한 AlN 결정핵 그룹 형성시의 방식과 동일할 수도 있으나, 실시예에 따라 암모니아 가스의 주입주기를 다르게 구성할 수도 있다.
상기 실리콘 기판 상에 AlN 결정핵 그룹이 측면방향으로 증대되면서, 상기 실리콘 기판 상에 AlN 결정핵 그룹이 형성되지 않은 영역이 충진 또는 매립될 수 있다. 이에, 상기 실리콘 기판 상에 AlN 결정핵 그룹을 포함하는 AlN 결정핵 그룹층을 형성할 수 있다. 상기 AlN 결정핵 그룹층은 상면에 비교적 평탄한 경계면을 가질 수 있으나, 일부 AlN 결정핵 그룹의 윗면의 돌출로 인해 평탄하지 않은 경계면을 가질 수도 있다.
상기와 같이, AlN 결정핵 그룹을 측면방향으로 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성함으로써, 상기 AlN 결정핵 그룹의 복수개의 AlN 결정핵들이 형성되지 않은 영역에 제2의 AlN 결정핵이 새로이 생성되지 않게 할 수 있다. 이에, AlN 결정핵 그룹의 밀도가 증가하지 않게 할 수 있으며, 이를 통해, 상기 AlN 결정핵 그룹층을 포함하는 AlN 버퍼층의 관통전위 밀도가 감소될 수 있는 효과를 가질 수 있다.
단계 c)는 상기 AlN 결정핵 그룹층이 형성된 상기 실리콘 기판 상에 상기 트리메틸 알루미늄 가스를 지속적으로 공급하는 분위기하에서, 상기 암모니아 가스를 연속방식으로 공급하여 상기 AlN 결정핵 그룹층을 상면방향으로 증대시켜 AlN 세로성장층을 형성하는 단계이다.
상기 단계 a) 및 단계 b)와 달리, 단계 c)에서는 상기 암모니아 가스를 상기 트리메틸 알루미늄 가스와 함께 연속방식으로 공급할 수 있다. 이에, 상기 AlN 결정핵 그룹층이 상면방향, 즉 상기 실리콘 기판과 수직한 방향으로 고속 성장시켜, 상기 일정 두께를 가진 AlN 세로성장층을 형성할 수 있다. 이에, 상기 AlN 세로성장층의 경계면이 평탄해질 수 있어, 상기 AlN 버퍼층 상에 후술하는 질화물계 발광구조물의 형성이 더욱 용이해질 수 있다.
상기 실리콘 기판 상에 AlN 결정핵 그룹, AlN 결정핵 그룹층, 및 AlN 세로 성장층으로 이루어진 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는, 800℃ 내지 1100℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 이는, 상기 실리콘 기판의 열화현상으로 인해 기판 상에 형성되는 AlN 버퍼층의 결정질이 저하되지 않도록 최적화된 범위일 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판 상에 AlN 결정핵 그룹, AlN 결정핵 그룹층, 및 AlN 세로성장층으로 이루어진 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스 및 상기 암모니아(NH3) 가스의 유량을 30sccm 내지 80sccm의 범위로 공급하여 수행하는 것일 수 있다. 상기 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스 및 상기 암모니아(NH3) 가스의 유량이 상기 범위를 충족하지 않는 경우, AlN 결정핵 그룹 및 AlN 결정핵 그룹층 형성시, 결정핵의 크기 및 주입주기의 조절이 어려워질 수 있어, 이에 따른 본 발명의 효과가 감소할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 AlN 버퍼층 상의 제2 버퍼층을 추가적으로 구성할 수 있으며, 상기 제2 버퍼층은 일반적인 질화물계 발광다이오드에 배치되는 버퍼층일 있어 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어, AlGaN 또는 GaN 등으로 이루어진 단일층 또는 다층을 추가적으로 형성할 수 있다.
본 발명의 실리콘 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법에 있어서, 단계 2)는 상기 AlN 버퍼층 상에 n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층이 순차적으로 적층된 질화물계 발광구조물을 형성하는 단계이다.
상기 AlN 버퍼층 상에 형성하는 상기 n형 질화물층은 n형 도펀트로 도핑되어 있는 질화물로 형성할 수 있으며, 일반적으로 AlxInyGazN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤x+y+z≤1)의 화학식으로 표현되는 화합물 중 선택되는 물질로 형성할 수 있다. 상기 n형 도펀트로는 실리콘(Si), 주석(Sn), 또는 게르마늄(Ge) 등이 될 수 있다. 상기 n형 질화물층은, 예를 들어, 실리콘(Si)으로 도핑된 n-GaN층으로 형성할 수 있다.
상기 n형 질화물층 상에 형성하는 상기 활성층은 상기 n형 질화물층과 후술하는 p형 질화물층 사이에서, 상기 n형 질화물층을 통하여 흐르는 전자(electron)와, 상기 p형 질화물층을 통하여 흐르는 정공(hole)이 재결합(re-combination)되면서 발광하는 것으로, 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조로 이루어질 수 있다. 상기 활성층은 예를 들어, 양자장벽층 및 양자우물층이 반복되어 형성된 다중양자우물구조로 형성할 수 있으며, 일반적으로 AlxInyGazN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤x+y+z≤1)로 나타낼 수 있으며, 실시예에 따라 다양하게 조성할 수 있다. 상기 활성층은 30㎛ 내지 60㎛ 범위의 두께로 형성할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 활성층 상에 형성하는 상기 p형 질화물층은 p형 도펀트로 도핑되어 있는 질화물로 형성할 수 있으며, 일반적으로 AlxInyGazN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤x+y+z≤1)의 화학식으로 표현되는 화합물 중 선택되는 물질로 형성할 수 있다. 상기 p형 도펀트로는 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 또는 바륨(Ba) 등이 될 수 있다. 상기 p형 질화물층은, 예를 들어, 마그네슘(Mg)으로 도핑된 p-GaN층으로 형성할 수 있다.
상기 n형 질화물층 및 p형 질화물층의 각각의 상기 도펀트의 도핑농도는 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 달라질 수 있다. 상기 n형 질화물층 및 p형 질화물층은 각각 1㎛ 내지 10㎛ 범위의 두께로 형성할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층은 일반적인 반도체 증착방법을 통해 수행할 수 있으며, 예를 들어, 금속유기화학 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화물 기상성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 전자빔 증착기(E-beam Evaporator), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 플라즈마 레이저 증착법(Plasma Laser Deposition, PLD), 또는, 스퍼터링법(Sputtering) 등의 증착방법을 통해 수행할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 AlN 버퍼층 상에 n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층이 순차적으로 적층된 질화물계 발광구조물을 형성한 이후에, 상기 n형 질화물층 및 상기 p형 질화물층과 각각 전기적으로 접속되어 있는 n형 전극 및 p형 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 n형 전극은, 상기 질화물계 발광구조물의 n형 질화물층의 일부가 노출되도록 상기 질화물게 발광구조물의 일부를 메사식각하여 형성하는 것일 수 있다. 상기 p형 전극은 상기 질화물계 발광구조물의 p형 질화물층 상에 형성하는 것일 수 있다. 상기 n형 전극 및 p형 전극은 일반적인 전극형성물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, Au, Ag, Ni, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Ir, Cr, Mn, Mo, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Zn, La 계열 원소의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 금속으로 이루어진 것일 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법을 설명하기 위한 모식도들이다.
도 1a를 참조하면, 먼저, 실리콘 기판(100) 상에 AlN 결정핵 그룹(201)을 형성할 수 있다. 이는, 트리메틸 알루미늄 가스를 지속적으로 공급하고, 암모니아 가스를 펄스 방식으로 공급하여 형성한 것일 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 실리콘 기판(100) 상에 섬 모양을 가진 복수개의 AlN 결정핵들로 이루어진 상기 AlN 결정핵 그룹(201)에 지속적으로 트리메틸 알루미늄 가스를 공급하고, 암모니아 가스를 펄스 방식으로 공급하면, 상기 AlN 결정핵 그룹(201)이 측면방향으로 증대되면서 AlN 결정핵 그룹층(202)을 형성할 수 있다. 상기 AlN 결정핵 그룹층(202)은 상기 AlN 결정핵 그룹(201)이 측면방향으로 증대하면서 성장하여 복수개의 AlN 결정핵들이 포개어져 상기 실리콘 기판(100) 상에 상기 AlN 결정핵 그룹(201)이 형성되어 있지 않은 영역을 충진 또는 매립하여 형성한 것일 수 있다. 도 1b와 같이, 상기 AlN 결정핵 그룹층(202) 상에는 일부 AlN 결정핵 그룹(201)의 상부가 노출될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 실리콘 기판(100) 상에 형성된 상기 AlN 결정핵 그룹층(202)에 지속적으로 트리메틸 알루미늄 가스를 공급하고, 동시에 암모니아 가스도 함께 연속방식으로 공급하면, 상기 AlN 결정핵 그룹층(202)이 상면방향으로 증대된 AlN 세로성장층(203)을 형성할 수 있다. 상기 AlN 세로성장층(203)은 상기 AlN 결정핵 그룹(201)을 포함하는 AlN 결정핵 그룹층(202)이 상기 실리콘 기판(100)과 수직한 방향인, 세로로 성장한 AlN층일 수 있다. 상기 AlN 버퍼층(200)은 상기 AlN 결정핵 그룹(201), 상기 AlN 결정핵 그룹층(202), 및 상기 AlN 세로성장층(203)으로 이루어진 것일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 실리콘 기판 상에 암모니아 가스 및 트리메틸 알루미늄 가스를 이용하여 AlN 버퍼층 형성시, 암모니아 가스를 펄스방식 및 연속방식으로 공급할 수 있다. 이는 종래의 기술에 있어서, 실리콘 기판 상에 암모니아 가스 밑 트리메틸 알루미늄 가스를 동시에 연속적으로 공급하여 AlN 버퍼층 형성시, 트리메틸 알루미늄 가스의 알루미늄(Al) 원자가 상기 암모니아 가스의 질소(N) 원자와의 큰 결합에너지(cohesive energy)에 의해 알루미늄 원자가 이동도가 작아져 확산이 불충분하게 이루어짐에 의해 결정질이 저하되는 것을 개선한 것일 수 있다. 상기 암모니아 가스를 펄스 방식으로 공급하여 AlN 결정핵 그룹을 형성하고, 이를 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성하며, 상기 AlN 결정핵 그룹층을 증대시켜 AlN 세로성장층을 형성하는 단계별 성장방법을 통해 AlN 버퍼층을 형성하여, AlN 버퍼층 및 상기 AlN 버퍼층 상에 형성하는 질화물계 발광구조물의 결함을 최소화시킬 수 있다. 즉, 종래의 기술에 있어서, 실리콘 기판 상에 형성되는 AlN 버퍼층과의 격자불일치에 의해 스레딩 전위(Threading dislocation)의 수가 증가되는 한계점을 개선한 것으로서, AlN의 결정핵 그룹의 site를 감소시킬 수 있고, AlN 결정핵 그룹을 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성하는 과정에서 그레인 사이즈(grain size)를 증가시킬 수 있다. 또한, 상면방향으로 이를 성장시킴으로써, 발광다이오드 내 관통전위 밀도를 감소시키는 효과를 가질 수 있다. 이에, 상기 AlN 버퍼층 상에 고품위의 질화물계 발광구조물을 형성할 수 있으며, 또한, 고품위의 발광구조물을 통해 발광다이오드의 효율도 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예1
실리콘 기판 상에 AlN 버퍼층 형성시, 반응로 내부에 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스와 이를 운반하는 수소기체를 지속적으로 공급하면서, AlN 결정핵 그룹 형성 단계와 AlN 결정핵 그룹층 형성 단계를 위한 암모니아(NH3) 가스를, 운반기체인 수소기체와 함께, 2초의 주입시기 및 3초의 미주입시기로 이루어진 주입주기에 따라 공급하여 형성하고, 상기 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스와 암모니아 가스를 연속방식으로 공급하여 AlN 세로성장층을 형성하였다. 상기와 같이 성장된 AlN 버퍼층 상에 질화물계 발광구조물 및 n형 전극, p형 전극을 형성하여 발광다이오드를 제조하였다.
실시예2
실시예2의 경우, 실시예1과 비교하여 상기 암모니아 가스 펄스방식의 주입주기가 2초의 주입시기 및 5초의 미주입시기인 것을 제외하곤, 같은 공정 조건으로 발광다이오드를 제조하였다.
실시예3
실시예3의 경우, 실시예1과 비교하여 상기 암모니아 가스 펄스방식의 주입주기가 2초의 주입시기 및 7초의 미주입시기인 것을 제외하곤, 같은 공정 조건으로 발광다이오드를 제조하였다.
실시예4
실시예4의 경우, 실시예1과 비교하여 상기 암모니아 가스 펄스방식의 주입주기가 2초의 주입시기 및 9초의 미주입시기인 것을 제외하곤, 같은 공정 조건으로 발광다이오드를 제조하였다.
비교예1
비교예1의 경우, 실시예1과 비교하여 상기 AlN 버퍼층 형성시 초기부터 상기 암모니아 가스를 상기 트리메틸 알루미늄 가스를 동시에 지속적으로 공급하여 AlN 버퍼층을 형성한 것을 제외하곤, 같은 공정 조건으로 발광다이오드를 제조하였다.
도 2는 본 발명의 실시예1 내지 실시예4, 및 비교예1에 따른 발광다이오드들의 XRD 반치폭(FWHM)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 결과가 하기 표 1과 같다.
| 미주입시기 /주입시기 |
질화물계 발광구조물(002) |
질화물계 발광구조물(102) |
AlN 버퍼층 (002) |
|
| 비교예1 |
_ | 1270 |
1580 |
2970 |
| 실시예1 |
3/2 sec |
714 |
1079 |
2316 |
| 실시예2 |
5/2 sec |
563.4 |
760.3 |
1255.6 |
| 실시예3 |
7/2 sec |
389 |
589.3 |
1337 |
| 실시예4 |
9/2 sec |
448 |
581 |
1237 |
본 발명의 실시예들에 따라 제조된 AlN 버퍼층을 형성한 발광다이오드들을 XRD 분석 장치를 이용하여, 상기 AlN 버퍼층 형성시 암모니아 가스 및 트리메틸 알루미늄 가스의 주입시간에 따른 반치폭(full width at half maximum, FWHM; 단위: arcsec) 값의 변화를 측정하였다.
본 발명의 실시예들에 따라 AlN 버퍼층을 형성한 발광다이오드들 내 질화물계 발광구조물의 (002) 반치폭이 1270 arsec 에서 389 arsec로 감소하고, (102) 반치폭이 1580 arsec 에서 589 arsec로 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는, 본 발명이 암모니아 가스를 펄스 방식 및 연속 방식으로 공급하여 AlN 버퍼층을 형성함으로써, 상기 AlN 버퍼층 상에 고품위의 질화물계 발광구조물을 형성하게 것을 의미하는 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예1 내지 실시예4의 발광다이오드 및 비교예1의 발광다이오드의 광발광(Photoluminescence, PL)강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 비교예1의 일반적인 제조방법으로 형성된 AlN 버퍼층을 포함하는 발광다이오드에 비해 본 발명의 실시예들에 따른 제조방법으로 형성된 AlN 버퍼층을 포함하는 발광다이오드들의 광발광(PL) 강도가 73% 증가한 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 실리콘(Si) 기판
200: AlN 버퍼층
201: AlN 결정핵 그룹 202: AlN 결정핵 그룹층
203: AlN 세로성장층 300: 질화물계 발광구조물
310: n형 질화물층 320: 활성층
330: p형 질화물층 400: n형 전극
500: p형 전극
201: AlN 결정핵 그룹 202: AlN 결정핵 그룹층
203: AlN 세로성장층 300: 질화물계 발광구조물
310: n형 질화물층 320: 활성층
330: p형 질화물층 400: n형 전극
500: p형 전극
Claims (7)
- 실리콘(Si) 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 AlN 버퍼층 상에 n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층이 순차적으로 적층된 질화물계 발광구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것으로,
상기 AlN 버퍼층은, 암모니아(NH3)가스 및 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스를 이용하여 형성하는 것이며, 상기 암모니아(NH3)가스는 펄스(pulse)방식 이후에 연속방식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는,
상기 트리메틸 알루미늄 가스를 지속적으로 공급하는 분위기하에서,
암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하여 AlN 결정핵 그룹을 형성하는 단계;
상기 암모니아 가스를 펄스방식으로 공급하여 상기 AlN 결정핵 그룹을 측면방향으로 증대시켜 AlN 결정핵 그룹층을 형성하는 단계; 및
상기 암모니아 가스를 연속방식으로 공급하여 상기 AlN 결정핵 그룹층을 상면방향으로 증대시켜 AlN 세로성장층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 암모니아 가스의 펄스방식은,
0.1초 내지 10초 범위의 암모니아 가스 주입시기 및 0.1초 내지 10초 범위의 암모니아 가스 미주입시기로 이루어진 주입주기에 따라 공급되는 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 암모니아 가스의 펄스방식은,
2초의 암모니아 가스 주입시기 및 7초의 암모니아 가스 미주입시기로 이루어진 주입주기에 따라 공급되는 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는,
800℃ 내지 1100℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는,
상기 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스의 유량은,
상기 암모니아(NH3)가스의 유량은 30sccm 내지 80sccm인 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 AlN 버퍼층을 형성하는 단계는,
상기 AlN 버퍼층의 두께가 1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법.
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| KR1020140050994A KR20150124287A (ko) | 2014-04-28 | 2014-04-28 | 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140050994A KR20150124287A (ko) | 2014-04-28 | 2014-04-28 | 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150124287A true KR20150124287A (ko) | 2015-11-05 |
Family
ID=54600529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140050994A KR20150124287A (ko) | 2014-04-28 | 2014-04-28 | 실리콘(Si) 기판을 이용한 발광다이오드의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20150124287A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020115555A (ja) * | 2020-03-25 | 2020-07-30 | 日機装株式会社 | 窒化物半導体素子 |
| CN114032611A (zh) * | 2021-08-24 | 2022-02-11 | 重庆康佳光电技术研究院有限公司 | 一种外延层生长方法及外延层 |
-
2014
- 2014-04-28 KR KR1020140050994A patent/KR20150124287A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020115555A (ja) * | 2020-03-25 | 2020-07-30 | 日機装株式会社 | 窒化物半導体素子 |
| CN114032611A (zh) * | 2021-08-24 | 2022-02-11 | 重庆康佳光电技术研究院有限公司 | 一种外延层生长方法及外延层 |
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