WO2012118247A1 - 질화갈륨 파우더 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 질화갈륨 파우더를 이용한 질화물계 발광소자 - Google Patents

질화갈륨 파우더 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 질화갈륨 파우더를 이용한 질화물계 발광소자 Download PDF

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진주
박건
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(주)세미머티리얼즈
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Definitions

  • the present invention relates to a gallium nitride (GaN) powder manufacturing technology and a nitride-based light emitting device manufacturing technology.
  • GaN gallium nitride
  • the light emitting device is a device in which a light emitting phenomenon generated when recombination of electrons and holes is applied.
  • a nitride light emitting device represented by GaN.
  • the nitride-based light emitting device has a large band gap energy and can implement various color lights.
  • the nitride-based light emitting device is excellent in thermal stability.
  • the nitride-based light emitting device is classified into a horizontal type structure and a vertical type structure according to the arrangement of n-electrodes and p-electrodes.
  • the n-electrode and the p-electrode are mainly arranged in a top-top shape
  • the n-electrode and the p-electrode are mainly arranged in a top-bottom shape.
  • An object of the present invention is to provide a method for easily manufacturing GaN powder using GaN etchant generated during nitride-based light emitting device manufacturing.
  • Another object of the present invention is to provide a nitride based light emitting device using GaN powder prepared from a GaN etchant.
  • a nitride based light emitting device includes: a growth substrate; A GaN powder layer formed of GaN powder on the growth substrate; And a light emitting structure formed on the GaN powder layer and having a plurality of nitride layers stacked thereon, wherein the GaN powder layer cleans, heats, and grinds the GaN etchant generated during the etching process of the GaN-based light emitting device. Characterized in that the formed GaN powder.
  • a nitride based light emitting device comprising: a growth substrate; A GaN powder layer formed of GaN powder on the growth substrate; A p-type nitride layer formed on the GaN powder layer; A light emitting active layer formed on the p-type nitride layer; And an n-type ZnO layer formed on the light emitting active layer, wherein the GaN powder layer is formed of a GaN powder prepared by cleaning, heating, and pulverizing a GaN etchant generated during an etching process of a GaN-based light emitting device. It is characterized by.
  • an expensive GaN powder may be manufactured by a simple method by using a GaN etchant generated during the manufacture of a nitride-based light emitting device.
  • the nitride-based light emitting device by forming a GaN powder layer using GaN powder prepared from GaN etching, it is possible to minimize the occurrence of predefect due to the difference in lattice constant between silicon and nitride during nitride growth. .
  • FIG. 1 shows a general horizontal nitride-based light emitting device.
  • Figure 2 shows the portion that is etched when manufacturing a horizontal nitride-based light emitting device.
  • Figure 3 is a flow chart schematically showing a GaN powder manufacturing method according to the present invention.
  • Figure 4 shows an embodiment of a nitride based light emitting device using a GaN powder according to the present invention.
  • FIG 5 shows another embodiment of a nitride based light emitting device using GaN powder according to the present invention.
  • FIG. 1 illustrates a general horizontal nitride based light emitting device, and more specifically, an example of using GaN as a nitride.
  • the horizontal nitride-based light emitting device shown in FIG. 1 includes a substrate 110, a buffer layer 120, a u-GaN layer 130, an n-GaN layer 140, and a light emitting active layer 150 from below. ) And p-GaN layer 160.
  • the illustrated light emitting device includes an n-electrode 170 in contact with the n-GaN layer 140 and a p-electrode 180 in contact with the p-GaN layer 160.
  • the n-GaN layer 140 In the horizontal nitride based light emitting device illustrated in FIG. 1, the n-GaN layer 140 must be exposed to form the n-electrode 170.
  • Figure 2 shows the portion that is etched when manufacturing a horizontal nitride-based light emitting device.
  • the p-GaN layer 160, the light emitting active layer 150, and the portion 210 of the n-GaN layer 140 are etched.
  • the etching may be an inductive coupled plasma (ICP) etching method.
  • the present invention provides a method for producing GaN powder using the etching generated in the GaN-based light emitting device manufacturing process.
  • Figure 3 is a flow chart schematically showing a GaN powder manufacturing method according to the present invention.
  • the illustrated GaN powder manufacturing method includes a GaN etching material collecting step S310, a GaN etching material cleaning step S320, an In component removing step S330, and a Gan etching powder grinding step S340. .
  • the GaN etchant generated during the GaN-based light emitting device manufacturing process is collected using a trap or a filter.
  • the cleaning of the GaN etchant can be carried out in a variety of ways.
  • As the GaN etchant cleaning method an ultrasonic cleaning method using acetone or methyl alcohol may be provided. In the case of the above method has an advantage of excellent cleaning efficiency.
  • the indium (In) component included in the GaN etchant is removed.
  • the indium component is mainly included in the light emitting active layer, and in order to increase the purity of the GaN powder, it is preferable to remove the indium component. Removal of the indium component may be performed through heating of the GaN etchant.
  • heating temperature is 900-1250 degreeC.
  • the heating temperature is lower than 900 ° C, it takes a long time for the indium component to be completely removed.
  • the heating temperature exceeds 1250 ° C., there is a problem in that a device configuration for removing indium components becomes difficult.
  • the GaN etchant from which the indium component is removed is pulverized and powdered.
  • pulverization can use a ball mill etc.
  • the grinding is preferably carried out so that the average particle diameter of the GaN powder to be produced is 10nm ⁇ 1 ⁇ m. This is considered in the nitride-based light emitting device using a GaN powder to be described later, the average particle diameter of the preferred GaN powder is 10nm ⁇ 1 ⁇ m.
  • GaN powder is manufactured using the GaN etchant generated during the GaN-based light emitting device manufacturing process. Therefore, GaN powder of high purity may be manufactured by a simple process of collecting, washing, removing indium, and grinding GaN etchant.
  • the prepared GaN powder may be used as a lattice buffer layer of a nitride-based light emitting device.
  • Figure 4 shows an embodiment of a nitride based light emitting device using a GaN powder according to the present invention.
  • the illustrated nitride-based light emitting device includes a growth substrate 410, a GaN powder layer 420, and light emitting structures 430 ⁇ 470.
  • the growth substrate 410 applied to the present invention a sapphire substrate which is widely used as a growth substrate in manufacturing a nitride-based light emitting device may be used.
  • the growth substrate 110 applied to the present invention may use a silicon substrate, such as a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate.
  • the GaN powder layer 420 is formed of GaN powder on the growth substrate 410.
  • the GaN powder may be prepared by washing, heating and pulverizing the GaN etchant generated during the etching process of the GaN-based light emitting device.
  • the GaN powder layer 420 reduces lattice mismatching due to the difference in lattice constant between the nitride to be grown and the growth substrate, thereby reducing the density of dislocations generated during nitride growth. .
  • silicon and nitride show a large lattice constant difference.
  • the nitride is grown on the silicon substrate, the predefect density is very high, which causes a decrease in the light efficiency of the light emitting device.
  • crystal mismatching may be alleviated, thereby reducing predefects generated during nitride growth.
  • nitrides grown on powder GaN initially grow in a vertical direction, and then grow in a horizontal direction. As a result, even nitride growth is possible.
  • the GaN powder may be attached or fixed on the growth substrate 410 by a spin coating method.
  • irregularities having protrusions and recesses may be formed on a surface of the growth substrate 410. Unevenness may be formed in a specific pattern, it may be formed in an amorphous form. The uneven surface of the growth substrate 410 may be formed by various methods such as etching.
  • the GaN powder may be easily attached or fixed to the unevenness of the unevenness.
  • the GaN powder layer 420 may be formed by the following method.
  • GaN powder is placed on a growth substrate using a spin coater or the like. Thereafter, the growth substrate is heated to a temperature of approximately 800 to 1200 ° C. in an ammonia gas atmosphere in a chamber such as a CVD chamber so that the GaN powder is attached.
  • the growth substrate may be slightly etched, and irregularities may be formed on the surface thereof. Surface irregularities of the growth substrate facilitate the attachment or fixation of the GaN powder as described above.
  • the GaN powder layer may be formed by spin coating on a growth substrate using a GaN powder-containing solution and then drying.
  • the GaN powder-containing solution may use a variety of solvents such as acetone, methanol, ethylene glycol.
  • the GaN powder layer forming methods using the GaN powders described above may be selectively applied to any one of the two methods.
  • a solution containing GaN powder may be spin coated onto a growth substrate and then dried, followed by heating the growth substrate in a chamber.
  • the GaN powder is preferably used having an average particle diameter of 10nm ⁇ 1 ⁇ m.
  • the average particle diameter of GaN powder exceeded 1 micrometer, the light efficiency of the nitride-type light emitting element manufactured because the said effect of suppressing the said predefect is inadequate was low.
  • the manufacturing cost of the powder itself is excessively high, which may cause an increase in the manufacturing cost of the nitride-based light emitting device.
  • the light emitting structures 430 to 470 are formed on the GaN powder layer 420.
  • the light emitting structure is formed by stacking a plurality of nitride layers. More specifically, the light emitting structure includes a first conductive nitride layer 450, a light emitting active layer 460, and a second conductive nitride layer 470.
  • the first conductive nitride layer 450 may be formed on the GaN powder layer 420.
  • the first conductive nitride layer 450 may exhibit n-type or p-type characteristics depending on the doped impurities. For example, when the nitride is doped with impurities such as silicon (Si), the first conductive nitride layer 450 exhibits n-type characteristics. On the contrary, when the nitride is doped with impurities such as magnesium (Mg), the first conductive nitride layer 450 exhibits p-type characteristics.
  • impurities such as silicon (Si)
  • Mg magnesium
  • the light emitting active layer 460 is formed on the first conductive nitride layer 450.
  • the light emitting active layer 460 may have a multiple quantum well (MQW) structure.
  • MQW multiple quantum well
  • a structure in which In x Ga 1-x N (0.1 ⁇ x ⁇ 0.3) and GaN are alternately stacked may be provided.
  • light is generated as electrons flowing through the n-type nitride layer and holes flowing through the p-type nitride layer are recombined.
  • the second conductive nitride layer 470 is formed on the light emitting active layer 460 and exhibits electrical characteristics opposite to that of the first conductive nitride layer 450.
  • the second conductive nitride layer 470 may be formed of p-type GaN.
  • GaN may be doped with Si
  • GaN may be formed by doping Mg.
  • the growth substrate 410 is n-type.
  • Silicon substrates may be used. When using an n-type silicon substrate, each layer below the light emitting active layer 460 may be formed as an n-type.
  • the silicon substrate itself may be used as the n-electrode, so that the substrate removal process and the n-electrode formation process may be omitted. Therefore, when the n-type silicon substrate is used, not only the horizontal light emitting device, but also a vertical light emitting device that can easily implement high luminance due to a relatively large light emitting area can be easily manufactured.
  • the light emitting structure illustrated in FIG. 4 may further include a buffer layer 430 formed on the GaN powder layer 420.
  • the first conductive nitride layer 450 is formed on the buffer layer 430.
  • the buffer layer 430 serves to relieve stress generated during nitride growth, which is a heterogeneous material, on the growth substrate.
  • the buffer layer 430 may be formed of nitride such as AlN, ZrN, GaN, or the like.
  • the buffer layer 430 may also be formed as an n-type. Most of the nitride forming the buffer layer 430 has high electrical resistance. However, when the buffer layer 430 is formed in the n-type, the electrical resistance of the buffer layer is lowered. Therefore, the driving efficiency of the nitride-based light emitting device to be manufactured can be improved.
  • electrons injected into the growth substrate 410 may easily move to the light emitting active layer without a barrier, thereby further increasing the light emitting device driving efficiency.
  • an undoped nitride layer 440 may be further formed on the buffer layer 430 to facilitate lattice matching.
  • the first conductive nitride layer 450 is formed on the undoped nitride layer 440.
  • the undoped nitride layer 440 is preferably applied when using an undoped substrate.
  • FIG 5 shows another embodiment of a nitride based light emitting device using GaN powder according to the present invention.
  • the nitride-based light emitting device illustrated includes a growth substrate 510, a GaN powder layer 520, a p-type nitride layer 540, a light emitting active layer 550, and an n-type ZnO layer 560. Include.
  • the growth substrate 510 and the GaN powder layer 520 are the same as the growth substrate 410 and the GaN powder layer 420 illustrated in FIG. 4, detailed descriptions thereof will be omitted. .
  • the p-type nitride layer 540 is formed on top of the GaN powder layer 520.
  • the p-type nitride layer 540 is doped with magnesium (Mg) or the like to secure electrical characteristics of the p-type.
  • a p-type nitride layer is formed in the last step after the light emitting active layer is formed.
  • the p-type nitride was formed under the growth temperature. As a result, the crystal quality of the p-type nitride was degraded, which resulted in a decrease in luminous efficiency.
  • the p-type nitride layer 540 is formed before the light emitting active layer 550 to obtain a high quality p-type nitride layer.
  • the light emitting active layer 550 is formed on the p-type nitride layer 540.
  • the light emitting active layer 550 may have a multiple quantum well (MQW) structure.
  • MQW multiple quantum well
  • As an example of the light emitting active layer 550 a structure in which In x Ga 1-x N (0.1 ⁇ x ⁇ 0.3) and GaN are alternately stacked or InxZn 1-x O (0.1 ⁇ x ⁇ 0.3) and ZnO are alternately stacked Present structures and the like.
  • the n-type ZnO layer 560 is formed on the light emitting active layer 550 and exhibits n-type electrical characteristics opposite to the p-type nitride layer 540. Although ZnO itself is n-type, its properties are insignificant compared to the n-type electrical properties due to impurities, and may only serve as a current path. Therefore, the n-type ZnO layer 560 may be doped with Si or the like.
  • ZnO has almost the same Wurtzite crystal structure as GaN.
  • ZnO can be grown at a temperature of about 700 to 800 ° C.
  • ZnO can improve crystal quality by minimizing the influence on the light emitting active layer 550 at the time of ZnO growth.
  • the n-type ZnO layer 560 applied to the present invention may replace n-type GaN growing at a high temperature of about 1200 ° C.
  • the light brightness is improved rather than when the n-type GaN is applied.
  • the p-type nitride layer 540 is first formed on the growth substrate 510, and the n-type ZnO layer 560 is formed on the light emitting active layer 550.
  • the growth substrate 510 may be a p-type silicon substrate.
  • each layer below the light emitting active layer 550 may be formed as a p-type.
  • the silicon substrate itself can be utilized as a p-electrode. Therefore, the substrate removal process may be omitted in the manufacture of the vertical light emitting device, and further, the p-electrode formation process may be omitted.
  • the p-type silicon substrate when used, not only the horizontal light emitting device, but also a vertical light emitting device that can easily implement high brightness due to a relatively large light emitting area can be manufactured.
  • a buffer layer 530 formed of nitride may be further included between the GaN powder layer 520 and the p-type nitride layer 540.
  • the buffer layer 530 may also be formed as a p-type.
  • the buffer layer 530 is formed as a p-type and a p-type silicon substrate is used as the growth substrate 510, holes easily move from the p-type silicon substrate 510 to the light emitting active layer 550 without a barrier. Therefore, the light emitting element driving efficiency can be further increased.
  • the buffer layer 530 when the buffer layer 530 is formed in a p-type, impurities such as magnesium (Mg) of the buffer layer 530 penetrate into the growth substrate 510. In this case, p-type electrical properties are imparted to the substrate. Therefore, even if a sapphire substrate having an insulating property is used as the growth substrate 510, the removal of the sapphire substrate is not required unlike in the case of manufacturing a conventional vertical light emitting device.
  • Mg magnesium
  • the method of manufacturing the nitride-based light emitting device according to the present invention by forming a GaN powder layer using GaN powder, it is possible to minimize the occurrence of predefect due to the difference in lattice constant between silicon and nitride during nitride growth. Therefore, the light extraction efficiency of the nitride-based light emitting device can be improved.

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Abstract

GaN계 발광소자 제조시 발생하는 GaN 식각물을 이용한 GaN 파우더 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 GaN 파우더를 이용한 질화물계 발광소자에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 GaN 파우더 제조 방법은 (a) GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 포집하는 단계; (b) 상기 포집된 GaN 식각물을 세정하는 단계; (c) 상기 세정된 GaN 식각물을 가열하여, 상기 GaN 식각물에 포함된 인듐(In) 성분을 제거하는 단계; 및 (d) 상기 인듐 성분이 제거된 GaN 식각물을 분쇄하여 파우더화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

질화갈륨 파우더 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 질화갈륨 파우더를 이용한 질화물계 발광소자
본 발명은 질화갈륨(GaN) 파우더 제조 기술 및 질화물계 발광소자 제조 기술에 관한 것이다.
발광소자는 전자와 정공의 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 안정성이 우수하다.
질화물계 발광소자는 n-전극 및 p-전극의 배치 형태에 따라서 수평형(lateral type) 구조와 수직형(Vertical type) 구조로 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.
본 발명의 목적은 질화물계 발광소자 제조시 발생하는 GaN 식각물을 이용하여 GaN 파우더를 쉽게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 GaN 식각물로부터 제조된 GaN 파우더를 이용한 질화물계 발광 소자를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 GaN 파우더 제조 방법은 (a) GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 포집하는 단계; (b) 상기 포집된 GaN 식각물을 세정하는 단계; (c) 상기 세정된 GaN 식각물을 가열하여, 상기 GaN 식각물에 포함된 인듐(In) 성분을 제거하는 단계; 및 (d) 상기 인듐 성분이 제거된 GaN 식각물을 분쇄하여 파우더화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 성장 기판; 상기 성장 기판 상에 GaN 파우더로 형성되는 GaN 파우더층; 및 상기 GaN 파우더층 상에 형성되며, 복수의 질화물층이 적층되어 있는 발광 구조체;를 포함하되, 상기 GaN 파우더층은 GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 세정, 가열 및 분쇄하여 제조된 GaN 파우더로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 성장 기판; 상기 성장 기판 상에 GaN 파우더로 형성되는 GaN 파우더층; 상기 GaN 파우더층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 발광 활성층; 및 상기 발광 활성층 상에 형성되는 n-타입 ZnO층;을 포함하되, 상기 GaN 파우더층은 GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 세정, 가열 및 분쇄하여 제조된 GaN 파우더로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 GaN 파우더 제조 방법은 질화물계 발광소자 제조시 발생하는 GaN 식각물을 이용함으로써 고가의 GaN 파우더를 간단한 방법으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 GaN 식각물로부터 제조된 GaN 파우더를 이용하여 GaN 파우더층을 형성함으로써, 질화물 성장시에 실리콘과 질화물의 격자 상수 차이로 인한 선결함 발생을 최소화할 수 있다.
도 1은 일반적인 수평형의 질화물계 발광소자를 나타낸 것이다.
도 2는 수평형의 질화물계 발광소자 제조시 식각되는 부분을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 GaN 파우더 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 GaN 파우더를 이용한 질화물계 발광소자의 실시예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 GaN 파우더를 이용한 질화물계 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaN 파우더 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 GaN 파우더를 이용한 질화물계 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 수평형의 질화물계 발광소자를 나타낸 것으로, 보다 구체적으로는 질화물로 GaN을 이용한 예를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 수평형의 질화물계 발광소자는 아래로 부터, 기판(110), 버퍼층(120), u-GaN층(130), n-GaN층(140), 발광활성층(150) 및 p-GaN층(160)을 포함한다. 또한, 도시된 발광소자는 n-GaN층(140)에 접촉하는 n-전극(170)과, p-GaN층(160)에 접촉하는 p-전극(180)을 포함한다.
도 1에 도시된 수평형의 질화물계 발광소자에서, n-전극(170)을 형성하기 위하여는 n-GaN층(140)이 노출되어야 한다.
도 2는 수평형의 질화물계 발광소자 제조시 식각되는 부분을 나타낸 것이다. n-GaN층(140)의 노출을 위해서, 도 2에 도시된 예와 같이, p-GaN층(160), 발광활성층(150) 및 n-GaN층(140)의 일부분(210)을 식각한다. 식각은 ICP(Inductive Coupled Plasma) 식각 방식 등이 이용될 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같이, GaN계 발광소자 제조 과정에서 발생하는 식각물을 이용하여 GaN 파우더를 제조하는 방법을 제시한다.
도 3은 본 발명에 따른 GaN 파우더 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 도시된 GaN 파우더 제조 방법은 GaN 식각물 포집 단계(S310), GaN 식각물 세정 단계(S320), In 성분 제거 단계(S330) 및 Gan 식각물 분쇄 단계(S340)를 포함한다.
GaN 식각물 포집 단계(S310)에서는 GaN계 발광소자 제조과정에서 발생하는 GaN 식각물을 트랩이나 필터를 이용하여 포집한다.
다음으로, GaN 식각물 세정 단계(S320)에서는 식각물에 포함되어 있는 이물질 등을 세정한다.
GaN 식각물의 세정은 다양한 방식으로 실시될 수 있다. GaN 식각물 세정 방식으로 아세톤 또는 메틸 알콜을 이용한 초음파 세정 방식을 제시할 수 있다. 상기 방식의 경우 세정 효율이 우수한 장점이 있다.
다음으로, In 성분 제거 단계(S330)에서는 GaN 식각물에 포함되는 인듐(In) 성분을 제거한다. 인듐 성분은 주로 발광활성층에 포함되는데, GaN 파우더의 순도를 높이기 위하여 인듐 성분을 제거하는 것이 바람직하다. 인듐 성분의 제거는 GaN 식각물의 가열을 통하여 수행될 수 있다.
가열 온도는 900 ~ 1250℃인 것이 바람직하다. 가열 온도가 900℃ 미만일 경우, 인듐 성분이 완전히 제거되는데 장시간이 소요된다. 또한, 가열 온도가 1250℃를 초과하는 경우, 인듐 성분 제거를 위한 장치 구성이 어려워지는 문제점이 있다.
다음으로, Gan 식각물 분쇄 단계(S340)에서는 인듐 성분이 제거된 GaN 식각물을 분쇄하여 파우더화한다.
이때, 분쇄는 볼 밀 등을 이용할 수 있다. 또한, 분쇄는 제조되는 GaN 파우더의 평균 입경이 10nm ~ 1㎛가 되도록 실시되는 것이 바람직하다. 이는 후술하는 GaN 파우더를 이용한 질화물계 발광소자에 있어서, 바람직한 GaN 파우더의 평균 입경이 10nm ~ 1㎛임을 고려한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 GaN계 발광소자 제조과정에서 발생하는 GaN 식각물을 이용하여 GaN 파우더를 제조한다. 따라서, GaN 식각물 포집, 세정, 인듐 제거, 분쇄 등의 간단한 과정으로 고순도의 GaN 파우더를 제조할 수 있다.
상기 제조된 GaN 파우더는 질화물계 발광소자의 격자 완충층으로 활용할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 GaN 파우더를 이용한 질화물계 발광소자의 실시예를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자는 성장 기판(410), GaN 파우더층(420), 및 발광구조체(430 ~ 470)를 포함한다.
본 발명에 적용되는 성장 기판(410)은 질화물계 발광소자 제조시 성장 기판으로 널리 이용되는 사파이어 기판이 이용될 수 있다. 또한 본 발명에 적용되는 성장기판(110)은 단결정 실리콘 기판, 다결정 실리콘 기판 등의 실리콘 기판을 이용할 수 있다.
GaN 파우더층(420)은 성장 기판(410) 상에 GaN 파우더로 형성된다.
이때, GaN 파우더는 GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 세정, 가열 및 분쇄하여 제조된 것을 이용할 수 있다.
GaN 파우더층(420)은 성장 대상이 되는 질화물과 성장 기판의 격자 상수 차이에서 기인하는 격자 미스매칭(lattice mismatching)을 감소시켜, 질화물 성장시 발생하는 선결함 (dislocation) 밀도를 감소시키는 역할을 한다.
예를 들어, 실리콘 기판을 성장 기판으로 이용하는 경우, 실리콘과 질화물은 큰 격자 상수 차이를 나타낸다. 이로 인하여 실리콘 기판 상에 질화물을 성장시 선결함 밀도가 매우 높으며, 이는 발광소자의 광 효율을 저하시키는 요인이 된다.
성장 기판 상에 GaN 파우더층을 먼저 형성한 후에 질화물을 성장시키면 결정 미스매칭이 완화되어 질화물 성장시 발생하는 선결함을 감소시킬 수 있다.
또한, 파우더 형태의 GaN 상에서 성장되는 질화물은 초기에는 수직방향으로 성장하고, 이후에는 수평방향으로 성장한다. 그 결과 평탄한 질화물 성장이 가능하다.
GaN 파우더는 스핀 코팅 방식 등에 의하여 성장 기판(410) 상에 부착 혹은 고정될 수 있다.
상기의 GaN 파우더를 성장 기판(410) 상에 용이하게 부착 혹은 고정하기 위하여, 성장 기판(410)의 표면에는 돌부와 요부를 갖는 요철이 형성되어 있을 수 있다. 요철은 특정한 패턴으로 형성될 수 있으며, 비정형의 형태로 형성될 수도 있다. 성장 기판(410) 표면의 요철은 식각 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
성장 기판(410) 표면에 요철이 형성되어 있는 경우, GaN 파우더는 요철의 요부에 쉽게 부착 혹은 고정될 수 있다.
GaN 파우더층(420)은 보다 구체적으로, 다음과 같은 방법으로 형성될 수 있다.
우선, 스핀코터 등을 이용하여 성장 기판에 GaN 파우더를 올려놓는다. 이후, CVD 챔버와 같은 챔버 내에서 성장 기판을 암모니아 가스 분위기에서 대략 800~1200℃의 온도로 가열하여, GaN 파우더가 부착되도록 한다. 이 경우, 성장 기판은 약간의 식각이 이루어지면서 표면에 요철이 형성될 수 있다. 성장 기판의 표면 요철은 전술한 바와 같이 GaN 파우더의 부착 혹은 고정을 용이하게 한다.
또한, GaN 파우더층은 GaN 파우더 함유 용액을 이용하여 성장 기판 상에 스핀코팅한 후 건조하는 방법으로 형성될 수 있다. 이때, GaN 파우더 함유 용액은 아세톤, 메탄올, 에틸렌 글리콜 등 다양한 종류의 용매를 이용할 수 있다.
상기 제시된 GaN 파우더를 이용한 GaN 파우더층 형성 방법들은 어느 하나의 방법이 선택적으로 적용될 수 있으며, 2가지 방법 모두 적용될 수 있다. 예를 들어, GaN 파우더를 함유하는 용액을 이용하여 성장 기판 위에 스핀코팅한 후 건조하고, 이후 챔버 내에서 성장 기판을 가열할 수 있다.
한편, 상기 GaN 파우더는 평균 입경이 10nm ~ 1㎛인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 파우더의 평균 입경이 작을수록 질화물 성장시 발생하는 선결함의 억제 효과가 더 우수하였다. GaN 파우더의 평균 입경이 1㎛를 초과하는 경우, 상기의 선결함의 억제 효과가 불충분하여 제조되는 질화물계 발광소자의 광효율이 낮았다. 다만, GaN 파우더의 평균 입경이 10nm 미만일 경우, 파우더 자체의 제조 비용이 과다하게 소요되어 질화물계 발광소자의 제조 비용 상승의 원인이 될 수 있다.
다음으로, 발광 구조체(430 ~ 470) 는 GaN 파우더층(420) 상에 형성된다.
발광 구조체는 복수의 질화물층이 적층되어 형성된다. 보다 구체적으로, 발광 구조체는 제1도전형 질화물층(450), 발광 활성층(460) 및 제2도전형 질화물층(470)을 포함한다.
제1도전형 질화물층(450)는 GaN 파우더층(420) 상부에 형성될 수 있다.
제1도전형 질화물층(450)은 도핑되는 불순물에 따라 n-타입 혹은 p-타입의 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 질화물에 실리콘(Si) 등의 불순물이 도핑된 경우, 제1도전형 질화물층(450)은 n-타입 특성을 나타낸다. 반대로, 질화물에 마그네슘(Mg) 등의 불순물이 도핑된 경우, 제1도전형 질화물층(450)은 p-타입 특성을 나타낸다.
발광 활성층(460)은 제1도전형 질화물층(450) 상부에 형성된다. 발광 활성층(460)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.
발광 활성층(460)에서는 n-타입 질화물층을 통하여 흐르는 전자와 p-타입 질화물층을 통하여 흐르는 정공이 재결합되면서, 광이 발생된다.
제2도전형 질화물층(470)은 발광 활성층(460) 상부에 형성되며, 제1도전형 질화물층(450)과 반대되는 전기적 특성을 나타낸다.
예를 들어, 제1도전형 질화물층(450)이 n-타입 GaN으로 형성되는 경우, 제2도전형 질화물층(470)은 p-타입 GaN으로 형성될 수 있다. n-타입 GaN의 경우 GaN에 Si가 도핑되어 형성될 수 있고, p-타입 GaN의 경우 GaN에 Mg가 도핑되어 형성될 수 있다.
상기와 같이, 제1도전형 질화물층(450)이 n-타입 GaN으로 형성되고, 제2도전형 질화물층(470)이 p-타입 GaN으로 형성되는 경우, 성장 기판(410)은 n-타입 실리콘 기판이 이용될 수 있다. n-타입 실리콘 기판을 이용할 경우, 발광 활성층(460) 하부의 각 층이 n-타입으로 형성될 수 있다. 또한 n-타입 실리콘 기판을 이용하는 경우, 실리콘 기판 자체를 n-전극으로 활용할 수 있어 기판 제거 공정 및 n-전극 형성 공정을 생략할 수 있다. 따라서, n-타입 실리콘 기판을 이용하는 경우 수평형 발광소자 뿐만 아니라, 발광면적이 상대적으로 넓어 고휘도를 쉽게 구현할 수 있는 수직형 발광소자까지 쉽게 제조할 수 있다.
또한, 성장 기판으로 n-타입 실리콘 기판을 이용한 결과, 고온에서의 질화물 성장시 실리콘 기판의 휨(bowing) 현상이 미미하여, 고온에서 질화물의 균질한 성장이 가능하였다.
한편, 도 4에 도시된 발광 구조체는 GaN 파우더층(420) 상부에 형성되는 버퍼층(430)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제1도전형 질화물층(450)은 버퍼층(430) 상부에 형성된다.
버퍼층(430)는 성장 기판 상에 이종의 물질인 질화물 성장시 발생하는 응력(stress)을 완화시키는 역할을 한다. 이러한 버퍼층(430)은 AlN, ZrN, GaN 등의 질화물로 형성될 수 있다.
제1도전형 질화물층(450)이 n-타입일 경우, 버퍼층(430)도 n-타입으로 형성할 수 있다. 버퍼층(430)을 형성하는 질화물은 대부분 전기저항이 크다. 그러나, 버퍼층(430)을 n-타입으로 형성하는 경우 버퍼층의 전기저항이 낮아진다. 따라서, 제조되는 질화물계 발광소자의 구동 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 성장 기판(410)으로 n-타입의 실리콘 기판을 이용할 경우, 성장 기판(410)으로 주입되는 전자가 발광활성층까지 장벽없이 쉽게 이동할 수 있으므로, 발광소자 구동 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 버퍼층(430) 상부에는 격자 매칭을 보다 용이하게 하기 위하여 비도핑 질화물층(440)이 더 형성될 수 있다. 이 경우, 제1도전형 질화물층(450)은 비도핑 질화물층(440) 상부에 형성된다. 비도핑 질화물층(440)은 비도핑 기판을 이용할 경우에 적용하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 GaN 파우더를 이용한 질화물계 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자는 성장 기판(510), GaN 파우더층(520), p-타입 질화물층(540), 발광 활성층(550) 및 n-타입 ZnO층(560)을 포함한다.
도 5에 도시된 예에서, 성장 기판(510) 및 GaN 파우더층(520)은 도 4에 도시된 성장 기판(410) 및 GaN 파우더층(420)과 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
p-타입 질화물층(540)는 GaN 파우더층(520)의 상부에 형성된다. p-타입 질화물층(540)에는 p-타입의 전기적 특성을 확보하기 위하여 마그네슘(Mg) 등이 도핑되어 있다.
종래 대부분의 질화물계 발광소자 제조 방법은 p-타입 질화물층을 발광 활성층 형성 후, 마지막 단계에서 형성하였다. 이때, p-타입 질화물층 형성과정에서 발광 활성층에 미치는 영향을 최소화하기 위하여, 성장 온도를 낮춘 상태에서 p-타입 질화물을 형성하였다. 그 결과 p-타입 질화물의 결정 품질이 저하되었으며, 이는 발광 효율 저하를 가져왔다.
그러나, 도 5에 도시된 실시예에서는 p-타입 질화물층(540)을 발광 활성층(550) 형성 이전에 형성함으로써 고품질의 p-타입 질화물층을 얻을 수 있었다.
발광 활성층(550)은 p-타입 질화물층(540) 상부에 형성된다. 발광 활성층(550)은 MQW(Multiple Quantum Well) 구조를 가질 수 있다. 발광 활성층(550)의 예로 InxGa1-xN(0.1≤x≤0.3)과 GaN이 교대로 적층되어 있는 구조 혹은 InxZn1-xO(0.1≤x≤0.3)과 ZnO가 교대로 적층되어 있는 구조 등을 제시할 수 있다.
n-타입 ZnO층(560)은 발광 활성층(550) 상부에 형성되며, p-타입 질화물층(540)과 반대되는 n-타입의 전기적 특성을 나타낸다. ZnO 자체가 n-타입이기는 하나, 그 특성은 불순물에 의한 n-타입의 전기적 특성에 비하여 미미하며, 전류 패스 정도의 역할만 할 수 있다. 따라서, n-타입 ZnO층(560)에는 Si 등이 도핑되어 있을 수 있다.
ZnO는 GaN과 거의 동일한 Wurtzite 결정 구조를 갖는다. 또한, ZnO는 대략 700~800℃의 온도에서도 성장이 가능하므로, ZnO 성장시 하부의 발광 활성층(550)에 미치는 영향을 최소화하여 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 적용되는 n-타입 ZnO층(560)은 1200℃ 정도의 고온에서 성장하는 n-타입 GaN을 대체할 수 있다.
또한, n-타입 ZnO층(560)을 적용한 결과, n-타입 GaN을 적용한 경우보다 오히려 광휘도가 향상되는 결과를 나타내었다.
상기와 같이 도 5에 도시된 실시예에서는 성장 기판(510) 상에 p-타입 질화물층(540)이 먼저 형성되고, 발광 활성층(550) 상에 n-타입 ZnO층(560)이 형성된다.
이때, 성장 기판(510)은 p-타입 실리콘 기판이 이용될 수 있다. p-타입 실리콘 기판을 이용할 경우, 발광 활성층(550) 하부의 각 층이 p-타입으로 형성될 수 있다. p-타입 실리콘 기판을 이용하는 경우, 실리콘 기판 자체를 p-전극으로 활용할 수 있다. 따라서, 수직형 발광소자 제조시에도 기판 제거 공정을 생략할 수 있으며, 나아가 p-전극 형성 공정을 생략할 수 있다.
따라서, p-타입 실리콘 기판을 이용하는 경우 수평형 발광소자 뿐만 아니라, 발광면적이 상대적으로 넓어 고휘도를 쉽게 구현할 수 있는 수직형 발광소자까지 쉽게 제조할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 실시예에서는, GaN 파우더층(520)과 p-타입 질화물층(540) 사이에 질화물로 형성된 버퍼층(530)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서 버퍼층(530)은 p-타입으로도 형성할 수 있다.
특히, 버퍼층(530)을 p-타입으로 형성하고, 성장 기판(510)으로 p-타입 실리콘 기판을 이용할 경우, p-타입 실리콘 기판(510)에서 발광 활성층(550)까지 정공이 장벽없이 쉽게 이동할 수 있으므로, 발광소자 구동 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 버퍼층(530)을 p-타입으로 형성하는 경우, 버퍼층(530)의 마그네슘(Mg) 등의 불순물이 성장 기판(510)으로 침투하게 된다. 이 경우, 기판에 p-타입의 전기적 특성이 부여된다. 따라서, 성장 기판(510)으로 절연 특성을 갖는 사파이어 기판을 이용하더라도 종래의 수직형 발광소자 제조시와는 달리 그 제거를 요하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 GaN 파우더를 이용하여 GaN 파우더층을 형성함으로써, 질화물 성장시에 실리콘과 질화물의 격자 상수 차이로 인한 선결함 발생을 최소화할 수 있다. 따라서, 제조되는 질화물계 발광소자의 광추출 효율을 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.

Claims (20)

  1. GaN 파우더 제조 방법에 있어서,
    GaN 파우더의 원료로, GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 이용하는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 GaN 파우더 제조 방법은
    (a) GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 포집하는 단계;
    (b) 상기 포집된 GaN 식각물을 세정하는 단계; 및
    (c) 상기 세정된 GaN 식각물을 가열하여, 상기 GaN 식각물에 포함된 인듐(In) 성분을 제거하는 단계; 및
    (d) 상기 인듐 성분이 제거된 GaN 식각물을 분쇄하여 파우더화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    아세톤 또는 메틸 알콜을 이용한 초음파 세정 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    900 ~ 1250℃의 온도로 GaN 식각물을 가열하는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 (d) 단계는
    제조되는 GaN 파우더의 평균 입경이 10nm ~ 1㎛가 되도록 실시되는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더 제조 방법.
  6. GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 포집하여 세정하고, 상기 세정된 GaN 식각물을 가열하여 상기 GaN 식각물에 포함된 인듐(In) 성분을 제거한 후, 상기 인듐 성분이 제거된 GaN 식각물을 분쇄하여 제조되는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세정은
    아세톤 또는 메틸 알콜을 이용한 초음파 세정 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가열은
    900 ~ 1250℃의 온도로 GaN 식각물을 가열하는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 분쇄는
    제조되는 GaN 파우더의 평균 입경이 10nm ~ 1㎛가 되도록 실시되는 것을 특징으로 하는 GaN 파우더.
  10. 성장 기판;
    상기 성장 기판 상에 GaN 파우더로 형성되는 GaN 파우더층; 및
    상기 GaN 파우더층 상에, 복수의 질화물이 적층되어 형성되는 발광 구조체;를 포함하되,
    상기 GaN 파우더층은
    GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 세정, 가열 및 분쇄하여 제조된 GaN 파우더로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발광 구조체는
    상기 GaN 파우더층 상에 형성되는 n-타입 질화물층;
    상기 n-타입 질화물층 상부에 형성되는 발광 활성층; 및
    상기 발광 활성층 상부에 형성되는 p-타입 질화물층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 성장 기판은
    n-타입 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 발광 구조체는
    상기 GaN 파우더층과 상기 n-타입 질화물층 사이에 형성되는 버퍼층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 버퍼층은
    AlN, ZrN 및 GaN 중에서 선택되는 1종 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 버퍼층은
    n-타입 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  16. 제13항에 있어서
    상기 발광 구조체는
    상기 버퍼층과 상기 n-타입 질화물층 사이에 형성되는 비도핑 질화물층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  17. 성장 기판;
    상기 성장 기판 상에 GaN 파우더로 형성되는 GaN 파우더층;
    상기 GaN 파우더층 상에 형성되는 p-타입 질화물층;
    상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 발광 활성층; 및
    상기 발광 활성층 상에 형성되는 n-타입 ZnO층;을 포함하되,
    상기 GaN 파우더층은
    GaN계 발광소자의 식각 과정에서 발생하는 GaN 식각물을 세정, 가열 및 분쇄하여 제조된 GaN 파우더로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  18. 제17항에 있어서
    상기 성장 기판은
    p-타입 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 발광 소자는
    상기 GaN 파우더층과 상기 p-타입 질화물층 사이에, 질화물로 형성되는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  20. 제19항에 있어서
    상기 버퍼층은
    p-타입 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
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