KR20160029940A - 발광 소자 제조용 기판 및 이를 이용한 발광 소자 - Google Patents

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KR20160029940A
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Abstract

결정성 및 휘도 특성이 우수한 발광 소자 제조용 기판 및 이를 이용한 발광 소자에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 발광 소자 제조용 기판은 상부면이 c-면인 사파이어 기판 모재 상에 복수의 기둥이 형성되어 있고, 상기 복수의 기둥은 n개(n은 3이상의 자연수)의 변을 포함하는 다각형의 횡단면을 가지되, n이 짝수일 경우 다각형의 서로 마주보는 변의 중심점을 잇고, n이 홀수일 경우 다각형의 하나의 꼭지점과 마주보는 변의 중심점을 잇는 중심축(이하, m-축)이 상기 사파이어 기판 모재의 a-축에 틸트되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 소자 제조용 기판 및 이를 이용한 발광 소자 {SUBSTRATE FOR MANUFACTURING LIGHT EMITTING DIODE AND LIGHT EMITTING DIODE USING THE SAME}
본 발명은 질화물 반도체 발광 소자 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결정 품질, 휘도를 향상시킬 수 있는 발광 소자 제조용 기판 및 이를 이용한 발광 소자에 관한 것이다.
발광 소자는 주로 질화물 반도체를 성장기판 상에 에피 성장시켜 제조한다.
발광 소자 제조용으로 사용되는 성장기판은 질화갈륨(GaN), 사파이어, 실리콘 등의 재질을 이용한다.
질화갈륨 기판은 질화물 반도체와 격자상수 차이가 동일하거나 거의 없어, 고품질의 에피 박막을 얻을 수 있으나, 기판 자체의 가격이 매우 고가라는 점이 제한 요소로 작용한다.
그리고, 실리콘 재질의 기판은 가격이 저렴한 장점은 있으나, 질화물 반도체와의 격자상수 차이가 매우 커서 질화물 반도체의 결정 품질이 좋지 않은 문제점이 있다.
이러한 이유로, 질화갈륨 재질의 기판보다 가격은 저렴하고, 실리콘에 비하여 질화물 반도체와의 격자상수 차이가 비교적 작은 사파이어 기판이 질화물 반도체 발광 소자 제조용 기판으로 가장 많이 이용되고 있다.
종래에는 평탄한 c-plane을 갖는 사파이어 기판이 이용되었다. 그러나, 사파이어 기판의 c-plane에 요철 패턴이 형성될 경우 광 추출 향상 효과가 있으며, 또한 질화물 반도체의 결정 품질이 향상되는 점이 알려지면서, 최근에는 이른바 PSS(Patterned Sapphire Substrate)라고 불려지고 있는 표면에 요철 패턴이 형성된 사파이어 기판이 가장 많이 이용되고 있다.
도 1은 일반적인 PSS를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면 사파이어 기판(110) 표면에 요철 패턴(120)이 형성되어 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 요철 패턴(120)은 결정 품질 향상에 기여하며, 광 추출 향상에 기여한다.
그러나, 일반적인 PSS의 경우 요철 패턴(120)이 사파이어 기판(110)의 식각에 의해 형성되는 것이므로, 고가의 사파이어가 일부 제거된다.
본 발명에 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2008-0013636호(2008.02.13. 공개)에 개시된 질화물 반도체 선택 성장방법, 질화물 반도체 발광 소자 및 제조방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 결정 품질 및 휘도 향상이 가능한 발광 소자 제조용 기판 및 이를 이용한 발광 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 제조용 기판은 상부면이 c-면인 사파이어 기판 모재 상에 복수의 기둥이 형성되어 있고, 상기 복수의 기둥은 n개(n은 3이상의 자연수)의 변을 포함하는 다각형의 횡단면을 가지되, n이 짝수일 경우 다각형의 서로 마주보는 변의 중심점을 잇고, n이 홀수일 경우 다각형의 하나의 꼭지점과 마주보는 변의 중심점을 잇는 중심축(이하, m-축)이 상기 사파이어 기판 모재의 a-축에 틸트되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 복수의 기둥의 m-축과 상기 사파이어 기판 모재의 a-축이 이루는 각도가 2~8°인 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수의 기둥의 횡방향 길이가 3~9㎛인 것이 바람직하다.
특히, 상기 복수의 기둥의 m-축과 상기 사파이어 기판 모재의 a-축이 이루는 각도가 4~8°이고, 상기 복수의 기둥의 횡방향 길이가 5~9㎛인 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 복수의 기둥이 종방향 길이가 100nm 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수의 기둥은 SiO2를 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 기둥은 육각형 횡단면을 갖는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 상부면이 c-면인 사파이어 기판 모재 상에 복수의 기둥이 형성되어 있고, 상기 복수의 기둥은 n개(n은 3이상의 자연수)의 변을 포함하는 다각형의 횡단면을 가지되, n이 짝수일 경우 다각형의 서로 마주보는 변의 중심점을 잇고, n이 홀수일 경우 다각형의 하나의 꼭지점과 마주보는 변의 중심점을 잇는 중심축(이하, m-축)이 상기 사파이어 기판 모재의 a-축에 틸트되어 있는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 하부 질화물 반도체층; 상기 하부 질화물 반도체층 상에 형성되며, 질화물 반도체에 제1 도전형 불순물이 도핑되어 있는 제1 도전형 질화물 반도체로 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성되며, 질화물 반도체에 상기 제1 도전형 불순물과 반대되는 도전형을 갖는 제2 도전형 불순물이 도핑되어 있는 제2 도전형 질화물 반도체로 형성되는 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 하부 질화물 반도체층은 불순물이 도핑되지 않은 질화물 반도체 또는 제1 도전형 질화물 반도체로 형성되거나, 이들의 적층 구조로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 발광 소자 제조용 기판의 경우, 사파이어 기판 모재의 a-축에 대하여 틸트된 복수의 다각 기둥이 형성되어 있는데, 이를 이용하여 발광 소자를 제조한 결과, 종래 PSS(Patterned Sapphire Substrate)를 이용하는 경우와 동등 이상의 결정품질을 확보할 수 있었으며, 그 결과 우수한 휘도 특성을 발휘할 수 있다.
도 1은 일반적인 PSS를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 제조용 기판을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 육각 기둥이 a-축에 대하여 틸트된 것을 나타낸다.
도 8는 평면 사파이어 기판 상에 발광 소자를 제조한 경우 및 PSS 상에 발광 소자를 제조한 경우의 CL 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 SiO2 육각 기둥의 패턴 사이즈 및 틸트 각도를 달리한 사파이어 기판 상에 발광 소자를 제조한 경우의 CL 측정 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광 소자 제조용 기판 및 이를 이용한 발광 소자에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 제조용 기판을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 발광 소자 제조용 기판은 기판 모재(210) 상에 복수의 기둥(220)이 형성되어 있다.
이때, 본 발명에서는 기판 모재(210)로서, 헥사고날 구조를 가지며, 상부면이 c-면(0001)인 사파이어 기판을 이용한다.
복수의 기둥(220)은 n개(n은 3이상의 자연수)의 변을 포함하는 다각형의 횡단면을 갖는다. 복수의 기둥의 횡단면은 정다각형 형태인 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 복수의 기둥의 횡단면은 식각 공정 등을 고려할 때 삼각형 내지 팔각형의 형태인 것이 바람직하다. 특히, 육각형 횡단면을 갖는 육각 기둥의 경우, 헥사고날 구조를 갖는 질화물 반도체의 GaN와 구조적으로 같은 구조를 갖게 함으로써, 에피 성장 시 구조적 차이에서 발생하는 결함 발생을 최소화 할 수 있으므로, 보다 바람직하다.
이때, 본 발명에서는 복수의 기둥(220)의 m-축이 사파이어 기판 모재(210)의 a-축에 틸트되어 있다.
여기서, 사파이어 기판 모재(210)의 a-축은 사파이어 기판 모재의 c-면에 평행한 축으로서, c-면 사파이어 기판의 플랫 존(flat zone)과 직교하는 축이 될 수 있다.
본 발명에서, 복수의 기둥의 m-축은 변의 수(n)에 따라 결정된다. n이 짝수, 즉 사각형, 육각형일 경우 다각형의 서로 마주보는 변의 중심점을 잇는 중심축이 m-축이 된다. 반면, n이 홀수, 즉 삼각형, 오각형 등일 경우 다각형의 하나의 꼭지점과 마주보는 변의 중심점을 잇는 중심축이 m-축이 된다.
이하에서는 다각 기둥이 육각 기둥인 것을 예를 들어, 본 발명에 따른 발광 소자용 기판을 설명하기로 한다.
도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 육각 기둥 형성시에 오리엔테이션 변화를 준 결과, 기존 PSS와 유사한 결정 품질을 나타낼 수 있었다.
특히, 육각 기둥의 m-축과 사파이어 기판 모재의 a-축이 이루는 각도(Θ)(이하, 틸트 각도)는 2~8°인 것이 바람직하다. 틸트 각도가 2° 미만일 경우, 육각 기둥의 오리엔테이션 변화에 의한 결정 품질 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 틸트 각도가 8°를 초과하는 경우, 지나친 오리엔테이션 변화로 인하여 결정 품질 향상 효과가 감소할 수 있다.
또한, 복수의 기둥의 횡방향 길이가 3~9㎛인 것이 바람직하다. 예를 들어, 육각 기둥의 경우, 육각형의 꼭지점과 마주보는 꼭지점의 길이가 횡방향 길이가 되며, 이하 패턴 사이즈라 한다. 패턴 사이즈가 3㎛ 미만으로 너무 작은 경우 기둥 형성에 의한 결정 품질 향상 효과가 불충분할 수 있다. 또한 패턴 사이즈가 9㎛를 초과하여 너무 큰 경우 평평한 표면을 얻기 어려워지므로, 발광 소자의 특성 저하를 발생시킬 수도 있다.
보다 바람직하게는 틸트 각도(Θ)가 4~8°이고, 패턴 사이즈가 5~9㎛인 것이다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이 틸트 각도가 5° 및 7°인 경우, 그리고 패턴 사이즈가 6㎛ 및 8㎛인 경우가 비발광 영역 감소가 현저한 것을 볼 수 있다. 도 9를 참조할 때, 틸트 각도(Θ)가 4~6°이고, 패턴 사이즈가 7~9㎛일 때, 비발광 영역 감소가 가장 현저한 바, 가장 바람직한 틸트 각도 및 패턴 사이즈라 볼 수 있다.
한편, 복수의 기둥(220)은 SiO2를 포함할 수 있다. 즉, 복수의 기둥(220)은 SiO2로 형성되거나, SiO2/TiO2, SiO2/T2O5 등의 DBR(Distributed Bragg Reflector)로도 형성이 가능하다. 전자의 경우, 증착 및 식각이 용이한 장점이 있으며, 후자의 경우, 반사를 통한 발광 효율 향상에 기여할 수 있는 장점이 있다.
또한, 복수의 기둥(220)은 100nm 이상의 종방향 길이(패턴 높이)로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 100~300nm인 것이 보다 바람직하다. 기둥 패턴의 높이가 100nm 미만일 경우, 기둥 높이가 너무 낮아, 기판 상에 기둥 형성을 통한 에피 박막 성장시 결정 품질 향상효과가 불충분할 수 있다.
본 발명에 따른 발광 소자 제조용 기판의 복수의 기둥은 기판 모재에 복수의 기둥이 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 마스크를 형성한 상태에서 SiO2를 증착하는 방법으로 형성될 수 있다. 다른 방법으로는, 기판 모재에 SiO2를 증착한 후, 복수의 기둥이 형성될 부분에 마스크를 형성한 상태에서 나머지 부분의 SiO2를 식각하는 방법을 제시할 수 있다.
이때, 복수의 다각 기둥 형성에 있어, m-축이 상기 사파이어 기판 모재의 a-축에 틸트되도록 하기 위해서, 사파이어 기판 모재의 a-축을 확인한다. 사파이어 기판 모재의 a-축은 주사전자현미경(SEM)과 같은 장비로도 확인이 가능하며, 사파이어 웨이퍼의 경우, 통상 플랫존과 수직한 축이 a-축인 바, 이러한 방식에 따라 사파이어 기판 모재의 a-축을 확인할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 제조 과정의 예를 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 발광소자는 기판(210), 하부 질화물 반도체층(410), 제1 도전형 질화물 반도체층(420), 활성층(430) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(440)을 포함한다.
기판(210)은 전술한 바와 같이, 상부면이 c-면인 사파이어 기판 모재 상에 복수의 기둥(220)이 형성되어 있되, 복수의 기둥(220)은 다각형의 횡단면을 가지고, 복수의 기둥의 m-축이 사파이어 기판 모재의 a-축에 틸트되어 있다. 기판(210)에 관하여는 도 2 및 도 3에 대하여 설명한 바와 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
하부 질화물 반도체층(410)은 기판(210) 상에 형성된다.
하부 질화물 반도체층(410)은 도 4에 도시된 예와 같이 기판(210) 및 기둥(220)의 평평한 면 상에 수평 및 수직 성장하여, 도 5에 도시된 예와 같이 머징(merging)되는 형태로 형성된다.
하부 질화물 반도체층(410)은 불순물이 도핑되지 않은 질화물 반도체 또는 제1 도전형 질화물 반도체로 형성될 수 있으며, 이들의 적층 구조로 형성될 수 있다.
제1 도전형 질화물 반도체층(420)은 하부 질화물 반도체층(410) 상에 형성되며, 질화물 반도체에 제1 도전형 불순물이 도핑되어 있는 제1 도전형 질화물 반도체로 형성된다.
활성층(430)은 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되어, 예를 들어 InGaN/GaN이 교대 적층된 구조로 형성될 수 있다. 활성층(430)에는 예를 들어 n형 질화물 반도체층에서 공급되는 전자와 p형 질화물 반도체층에서 공급되는 정공이 재결합하면서 정해진 파장을 갖는 광이 발생한다.
제2 도전형 질화물 반도체층(440)은 활성층(430) 상에 형성되며, 질화물 반도체에 상기 제1 도전형 불순물과 반대되는 도전형을 갖는 제2 도전형 불순물이 도핑되어 있는 제2 도전형 질화물 반도체로 형성된다.
예를 들어, 제1 도전형 불순물이 Si와 같은 n형 불순물이라면, 제2 도전형 불순물은 Mg와 같은 p형 불순물이 될 수 있다.
도 8는 평면 사파이어 기판 상에 발광 소자를 제조한 경우 및 PSS 상에 발광 소자를 제조한 경우의 CL(Cathode Luminescence) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 SiO2 육각 기둥의 패턴 사이즈 및 틸트 각도를 달리한 사파이어 기판 상에 발광 소자를 제조한 경우의 CL 측정 결과를 나타낸 것이다.
CL 측정을 위하여, 각각의 조건을 갖는 c-plane 사파이어 기판 상에 동일한 두께로 un-GaN 및 n-GaN, 활성층 및 p-GaN을 형성하였다. 기판의 두께는 모두 650㎛이었으며, 육각 기둥은 높이 0.2㎛, 기둥간 간격 3.2㎛를 적용하였다.
PSS의 요철은 높이 1.6㎛, 길이 2.45㎛, 요철간 간격 0.3㎛를 적용하였으며, 반구형으로 형성하였다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 육각 기둥 형성시 오리엔테이션 변화가 이루어지지 않은 경우(0° tilt)는 비발광 영역이 PSS 상에 발광 소자를 제조한 경우보다 매우 넓은 것을 볼 수 있다.
그러나, 육각 기둥 형성시 오리엔테이션 변화가 이루어진 경우(3°, 5°, 7° 9° tilt), 전체적으로 비발광 영역이 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한, 틸트 각도가 9°인 경우에 비하여, 틸트 각도가 3°, 5°, 7°인 경우에 전체적으로 비발광영역 감소가 현저한 것을 볼 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면 틸트 각도가 클수록, 또한 패턴 사이즈가 증가할수록 비발광 영역이 감소하는 경향을 나타냄을 볼 수 있으며, 특히, 틸트 각도 5°, 7° 및 패턴 사이즈 6㎛, 8㎛의 경우, 도 8의 PSS를 이용하여 발광 소자를 제조하였을 때 대비 동등 이상의 비발광 영역을 나타냄을 볼 수 있다.
표 1은 틸트 각도에 따른 발광 효율 변화를 나타낸 것이다.
발광 효율은 적분구 발광출력 값으로 평가하였으며, PSS 상에 발광 소자를 제조하였을 때의 적분구 발광출력을 100%로 하고, 나머지는 이에 대한 상대적인 값을 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 육각 기둥의 m-축이 사파이어 기판 모재의 a-축에 틸트되어 있는 시편 3~6의 경우, PSS를 이용한 시편 1의 발광 효율에 비하여 동등 이상을 나타내었다. 또한, 육각 기둥의 틸트 각도가 3~7°에 해당하는 시편 3~5의 경우 발광 효율이 더 향상되는 것을 볼 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
210 : 기판 모재
220 : 복수의 기둥
410 : 하부 질화물 반도체층
420 : 제1 도전형 질화물 반도체층
430 : 활성층
440 : 제2 도전형 질화물 반도체층
450a : 제1 전극
450b : 제2 전극

Claims (9)

  1. 상부면이 c-면인 사파이어 기판 모재 상에 복수의 기둥이 형성되어 있고,
    상기 복수의 기둥은 n개(n은 3이상의 자연수)의 변을 포함하는 다각형의 횡단면을 가지되, n이 짝수일 경우 다각형의 서로 마주보는 변의 중심점을 잇고, n이 홀수일 경우 다각형의 하나의 꼭지점과 마주보는 변의 중심점을 잇는 중심축(이하, m-축)이 상기 사파이어 기판 모재의 a-축에 틸트되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조용 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기둥의 m-축과 상기 사파이어 기판 모재의 a-축이 이루는 각도가 2~8°인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조용 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기둥의 횡방향 길이가 3~9㎛인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조용 기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기둥의 m-축과 상기 사파이어 기판 모재의 a-축이 이루는 각도가 4~8°이고,
    상기 복수의 기둥의 횡방향 길이가 5~9㎛인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조용 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기둥이 종방향 길이가 100nm 이상인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조용 기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기둥은 SiO2를 포함하는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조용 기판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기둥은 육각형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조용 기판.
  8. 상부면이 c-면인 사파이어 기판 모재 상에 복수의 기둥이 형성되어 있고, 상기 복수의 기둥은 n개(n은 3이상의 자연수)의 변을 포함하는 다각형의 횡단면을 가지되, n이 짝수일 경우 다각형의 서로 마주보는 변의 중심점을 잇고, n이 홀수일 경우 다각형의 하나의 꼭지점과 마주보는 변의 중심점을 잇는 중심축(이하, m-축)이 상기 사파이어 기판 모재의 a-축에 틸트되어 있는 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 하부 질화물 반도체층;
    상기 하부 질화물 반도체층 상에 형성되며, 질화물 반도체에 제1 도전형 불순물이 도핑되어 있는 제1 도전형 질화물 반도체로 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층;
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성되며, 질화물 반도체에 상기 제1 도전형 불순물과 반대되는 도전형을 갖는 제2 도전형 불순물이 도핑되어 있는 제2 도전형 질화물 반도체로 형성되는 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하부 질화물 반도체층은 불순물이 도핑되지 않은 질화물 반도체 또는 제1 도전형 질화물 반도체로 형성되거나, 이들의 적층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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