WO2012118249A1 - 결정성 및 휘도가 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

결정성 및 휘도가 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a nitride-based light emitting device manufacturing technology.
  • 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 nitride based light emitting device capable of improving crystallinity and brightness by suppressing occurrence of dislocations during nitride growth on a growth substrate and a method of manufacturing the same.
  • a nitride based light emitting device for achieving the above object is a growth substrate; A lattice buffer layer formed on the growth substrate; A p-type nitride layer formed on the lattice buffer 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 lattice buffer layer is formed of a powder of a material having a Wurtzite structure.
  • the lattice buffer layer is preferably formed of ZnO powder.
  • a nitride-based light emitting device manufacturing method includes: (a) forming a lattice buffer layer on a growth substrate using a powder of a material having a Wurtzite structure; (b) forming a buffer layer on the lattice buffer layer; (c) forming a p-type nitride layer on the buffer layer; (d) forming a light emitting active layer on the p-type nitride layer; And (e) forming an n-type ZnO layer on the light emitting active layer.
  • the lattice buffer layer is preferably formed of ZnO powder.
  • step (b) is preferably carried out in an inert gas atmosphere.
  • steps (c) and (d) are performed in a hydrogen gas atmosphere, in which part or all of the ZnO powder is etched by hydrogen gas to form an air hole between the growth substrate and the buffer layer. This can contribute to the increase in luminance.
  • a nitride-based light emitting device In the method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to the present invention, after coating a powder of a material having a Wurtzite structure such as ZnO powder on a growth substrate, a nitride such as GaN is grown. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of predecessors due to the difference in lattice constant between the nitride and the growth substrate during nitride growth.
  • the nitride-based light emitting device manufacturing method according to the present invention can improve the crystal quality of the p-type nitride layer by first forming a p-type nitride layer on the growth substrate.
  • the effect on the light emitting active layer can be reduced.
  • FIG. 1 schematically shows a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows a method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a photograph showing that ZnO is etched to form an air hole during nitride growth.
  • FIG. 1 schematically shows a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the nitride-based light emitting device illustrated includes a growth substrate 110, a lattice buffer layer 120, a p-type nitride layer 130, a light emitting active layer 140, and an n-type ZnO layer 150. do.
  • the growth substrate 110 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 lattice buffer layer 120 is formed on the growth substrate 110.
  • the lattice buffer layer 120 mitigates lattice mismatching with nitrides to be grown, thereby reducing dislocations generated during nitride growth. As a result, the crystallinity of the growing nitride can be improved.
  • nitride when a silicon substrate is used as a growth substrate, a large number of predefects occur when nitride is grown on the silicon substrate due to a large lattice constant difference between silicon and nitride. This is a factor that lowers the light efficiency of the light emitting device.
  • crystal mismatching can be alleviated, thereby reducing predefects generated during nitride growth.
  • the lattice buffer layer 120 may be formed of a powder of a material having a Wurtzite structure.
  • the lattice buffer layer may be formed using ZnO powder.
  • ZnO like GaN, has a Wurtzite structure.
  • GaN grown on the ZnO powder it is possible to minimize predefects generated during GaN growth by lattice matching.
  • GaN grown on powder-type ZnO initially grows in the vertical direction, and then grows in the horizontal direction. As a result, flat GaN growth is possible.
  • the ZnO powder may be attached or fixed on the growth substrate 110 by a spin coating method.
  • irregularities having protrusions and recesses may be formed on a surface of the growth substrate 110. Unevenness may be formed in a specific pattern, it may be formed in an amorphous form. The uneven surface of the growth substrate 110 may be formed by various methods such as etching.
  • the ZnO powder may be easily attached or fixed to the unevenness of the unevenness formed on the surface of the growth substrate 110.
  • ZnO powder or the like applied to the lattice buffer layer 120 is preferably used having an average particle diameter of 10nm ⁇ 1 ⁇ m.
  • the average particle diameter of the powder was more than 1 ⁇ m, the light efficiency of the nitride-based light emitting device produced was insufficient because the above inhibitory effect of the defects was insufficient.
  • the average particle diameter of the powder is less than 10nm, excessive manufacturing cost of the powder itself may be excessive, which may cause an increase in the manufacturing cost of the nitride-based light emitting device.
  • the p-type nitride layer 130 is formed on the lattice buffer layer 120.
  • the p-type nitride layer 130 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 130 is formed before the light emitting active layer 140 is formed to obtain a high quality p-type nitride layer.
  • the light emitting active layer 140 is formed on the p-type nitride layer 130.
  • the light emitting active layer 140 may have a multiple quantum well (MQW) structure.
  • MQW multiple quantum well
  • An example of the light emitting active layer 140 is a structure in which In x Ga 1-x N (0.1 ⁇ x ⁇ 0.3) and GaN are alternately stacked, or In x Zn 1-x O (0.1 ⁇ x ⁇ 0.3) and ZnO alternately.
  • the laminated structure etc. can be presented.
  • the n-type ZnO layer 150 is formed on the light emitting active layer 140 and exhibits n-type electrical characteristics opposite to the p-type nitride layer 130. 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 150 may be doped with Si or the like.
  • ZnO has a Wurtzite lattice structure that is nearly identical to GaN, as described above.
  • ZnO can be grown at a temperature of approximately 700 to 800 ° C.
  • ZnO can improve crystal quality by minimizing the influence on the light emitting active layer 140 at the time of ZnO growth. Therefore, the n-type ZnO layer 150 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 n-type GaN is applied.
  • the p-type nitride layer 130 is first formed on the growth substrate, and the n-type ZnO layer 150 is formed on the light emitting active layer.
  • the growth substrate 110 may be a p-type silicon substrate.
  • each layer below the light emitting active layer 140 may be formed as a p-type.
  • the p-type silicon substrate is used as the growth substrate 110, the silicon substrate itself may be used as the 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 160 may be further included between the lattice buffer layer 120 and the p-type nitride layer 130.
  • the buffer layer 160 serves to relieve stress generated when nitride, which is a heterogeneous material, is grown on the growth substrate.
  • the buffer layer 160 may be formed of nitride such as AlN, ZrN, GaN, or the like.
  • the buffer layer 160 may be formed in a p-type. Most of the nitride forming the buffer layer 160 has high electrical resistance. However, when the buffer layer 160 is formed in the p-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.
  • the buffer layer 160 when the buffer layer 160 is formed in a p-type and a p-type silicon substrate is used as the growth substrate 110, holes can easily move from the p-type silicon substrate to the light emitting active layer 140 without a barrier. The light emitting device driving efficiency can be further increased.
  • the buffer layer 160 when the buffer layer 160 is formed in a p-type, impurities such as magnesium (Mg) of the buffer layer 160 penetrate into the growth substrate 110. 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 110, the removal of the sapphire substrate is not required, unlike when manufacturing a conventional vertical light emitting device.
  • Mg magnesium
  • FIG. 2 schematically shows a method of manufacturing a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • a lattice buffer layer is formed of powder of a material having a Wurtzite lattice structure on a growth substrate such as a silicon substrate or a sapphire substrate.
  • the lattice buffer layer may be formed of ZnO powder.
  • the ZnO powder may be a commercially available one.
  • the ZnO powder may be prepared by depositing ZnO on a silicon or sapphire substrate, more preferably, a substrate made of the same material as the growth substrate, and pulverizing the ZnO-deposited substrate to powderize it. have.
  • a MOCVD method or a sputtering method may be used as the deposition. In this case, since the ZnO powder contains not only the pure ZnO component but also the substrate component, the adhesion of the ZnO powder to the growth substrate can be improved.
  • the lattice buffer layer using the ZnO powder could be formed by the following method.
  • a ZnO 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 500 to 800 ° C. in a nitrogen gas atmosphere in an apparatus such as a CVD chamber, so that the ZnO powder is attached. Since the ZnO powder may be etched when the heating temperature exceeds 800 ° C., the heating is preferably performed at a lower temperature.
  • 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 fixing of the powder as described above.
  • the lattice buffer layer using the ZnO powder may be formed by spin coating on a growth substrate using the ZnO powder-containing solution and then drying.
  • the ZnO powder-containing solution may use a variety of solvents such as acetone, methanol, ethylene glycol.
  • the lattice buffer layer forming methods using the ZnO powders described above may be selectively applied to any one of the two methods.
  • a solution containing ZnO powder may be used to spin coat the growth substrate and then dry, and then heat the growth substrate in the chamber.
  • a plurality of nitrides are sequentially grown on the lattice buffer layer to form a light emitting structure.
  • the buffer layer is preferably formed in an inert gas atmosphere such as helium (He) gas, argon (Ar) gas. This is because when the buffer layer is formed in a hydrogen gas atmosphere, the ZnO powder is etched by the hydrogen gas, and the buffer layer is not properly formed.
  • an inert gas atmosphere such as helium (He) gas, argon (Ar) gas.
  • the p-type nitride layer and the light emitting active layer are preferably carried out in a hydrogen gas atmosphere to improve the crystal quality.
  • the buffer layer is already formed even by the hydrogen gas atmosphere, the formation of each layer is not affected by the etching of the ZnO powder.
  • some or all of the ZnO powder is etched to form an air hole between the growth substrate and the buffer layer. The air hole serves as a diffuse reflection layer, contributing to the increase in luminance of the nitride-based light emitting device.
  • 3 is a photograph showing that ZnO is etched to form an air hole during nitride growth.
  • n-type ZnO is grown on the light emitting active layer in an atmosphere of nitrogen (N 2), helium (He), oxygen (O 2), and the like at a low temperature of approximately 700 to 800 ° C.
  • a p-type nitride layer is first formed on a growth substrate, and an n-type ZnO layer capable of growing at a relatively low temperature is grown on the light emitting active layer.
  • the nitride-based light emitting device manufacturing method by forming a lattice buffer layer with a powder of a material having a Wurtzite structure, such as ZnO powder, it is possible to minimize the occurrence of predecessor due to the difference in the lattice constant of silicon and nitride during nitride growth Can, and grow a flat nitride.
  • a powder of a material having a Wurtzite structure such as ZnO powder

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Abstract

결정성 및 휘도를 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 성장 기판; 상기 성장 기판 상에 형성되는 격자완충층; 상기 격자완충층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 발광 활성층; 및 상기 발광 활성층 상에 형성되는 n-타입 ZnO층;을 포함하고, 상기 격자완충층은 Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 격자완충층은 ZnO 파우더로 형성되어, 질화물 성장시 발생하는 선결함(dislocation)을 최소화할 수 있다.

Description

결정성 및 휘도가 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법
본 발명은 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 성장 기판 상에 질화물 성장시 선결함(dislocation) 발생을 억제함으로써 결정성 및 휘도를 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 성장 기판; 상기 성장 기판 상에 형성되는 격자완충층; 상기 격자완충층 상에 형성되는 p-타입 질화물층; 상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 발광 활성층; 및 상기 발광 활성층 상에 형성되는 n-타입 ZnO층;을 포함하고, 상기 격자완충층은 Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 격자완충층은 ZnO 파우더로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 (a) 성장 기판 상에, Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더를 이용하여 격자완충층을 형성하는 단계; (b) 상기 격자완충층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; (c) 상기 버퍼층 상에 p-타입 질화물층을 형성하는 단계; (d) 상기 p-타입 질화물층 상에 발광 활성층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 발광 활성층 상에 n-타입 ZnO층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 격자완충층은 ZnO 파우더로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 (b) 단계는 불활성 가스 분위기에서 실시되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계는 수소 가스 분위기에서 실시되어, 수소 가스에 의하여 상기 ZnO 파우더의 일부 또는 전부가 식각되어 상기 성장 기판과 버퍼층 사이에 에어 홀(air hole)을 형성하여, 휘도 상승에 기여할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 성장 기판 상에 ZnO 파우더 같은 Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더를 코팅한 후 GaN과 같은 질화물을 성장시킨다. 따라서, 질화물 성장시에 질화물과 성장기판의 격자 상수 차이로 인한 선결함 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 성장 기판 상에 p-타입 질화물층을 먼저 형성함으로써 p-타입 질화물층의 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 GaN에 비하여 상대적으로 저온에서 성장이 가능한 n-타입 ZnO층을 발광 활성층 상에 성장시킨 결과, 발광활성층에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 질화물 성장 과정에서 ZnO가 식각되어 에어 홀을 형성하는 것을 나타낸 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 결정성 및 휘도가 우수한 질화물계 발광소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자는 성장 기판(110), 격자완충층(120), p-타입 질화물층(130), 발광 활성층(140) 및 n-타입 ZnO층(150)을 포함한다.
본 발명에 적용되는 성장 기판(110)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.
격자완충층(120)은 성장 기판(110) 상부에 형성된다. 격자완충층(120)은 성장 대상이 되는 질화물과 격자 미스매칭(lattice mismatching)을 완화하여 질화물 성장시 발생하는 선결함 (dislocation)을 감소시킨다. 그 결과, 성장하는 질화물의 결정성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 실리콘 기판을 성장 기판으로 이용하는 경우, 실리콘과 질화물의 큰 격자 상수 차이로 인하여 실리콘 기판 상에 질화물을 성장시 선결함이 많이 발생한다. 이는 발광소자의 광 효율을 저하시키는 요인이 된다. 그러나, 실리콘 기판 상에 격자완충층을 먼저 형성한 후에 질화물을 성장시키면 결정 미스매칭이 완화되어 질화물 성장시 발생하는 선결함을 감소시킬 수 있다.
이러한 격자완충층(120)은 Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더로 형성될 수 있다.
보다 바람직하게는, ZnO 파우더를 이용하여 격자완충층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 질화물계 발광소자에서 널리 이용되는 GaN은 Wurtzite 구조를 가지며, a=3.189Å, c=5.185Å의 격자상수를 갖는다.
ZnO은 GaN과 마찬가지로 Wurtzite 구조를 가진다. 또한 ZnO는 격자상수가 a=3.249Å, c=5.207Å으로서, GaN과 매우 유사한 격자 구조를 갖는다.
따라서, ZnO 파우더 상에 GaN을 성장시킬 경우, 격자 매칭에 의하여 GaN 성장시 발생하는 선결함을 최소화할 수 있다. 또한, 파우더 형태의 ZnO 상에서 성장되는 GaN은 초기에는 수직방향으로 성장하고, 이후에는 수평방향으로 성장한다. 그 결과 평탄한 GaN 성장이 가능하다.
이러한 ZnO 파우더는 스핀 코팅 방식 등에 의하여 성장 기판(110) 상에 부착 혹은 고정될 수 있다.
상기의 파우더를 성장 기판(110) 상에 용이하게 부착 혹은 고정하기 위하여, 성장 기판(110)의 표면에는 돌부와 요부를 갖는 요철이 형성되어 있을 수 있다. 요철은 특정한 패턴으로 형성될 수 있으며, 비정형의 형태로 형성될 수도 있다. 성장 기판(110) 표면의 요철은 식각 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
성장 기판(110) 표면에 요철이 형성되어 있는 경우, ZnO 파우더 등은 성장 기판(110)의 표면에 형성된 요철의 요부에 쉽게 부착 혹은 고정될 수 있다.
한편, 격자완충층(120)에 적용되는 ZnO 파우더 등은 평균 입경이 10nm ~ 1㎛ 인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 파우더의 평균 입경이 작을수록 질화물 성장시 발생하는 선결함의 억제 효과가 더 우수하였다. 파우더의 평균 입경이 1㎛를 초과하는 경우, 상기의 선결함의 억제 효과가 불충분하여 제조되는 질화물계 발광소자의 광효율이 낮았다. 다만, 파우더의 평균 입경이 10nm 미만일 경우, 파우더 자체의 제조 비용이 과다하게 소요되어 질화물계 발광소자의 제조 비용 상승의 원인이 될 수 있다.
다음으로, p-타입 질화물층(130)은 격자완충층(120) 상부에 형성된다. p-타입 질화물층(130)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, 본 발명에서는 p-타입 질화물층(130)을 발광 활성층(140) 형성 이전에 형성함으로써 고품질의 p-타입 질화물층을 얻을 수 있었다.
발광 활성층(140)은 p-타입 질화물층(130) 상부에 형성된다. 발광 활성층(140)은 MQW(Multiple Quantum Well) 구조를 가질 수 있다. 발광 활성층(140)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.
발광 활성층(140)에서는 n-타입 ZnO층(150)을 통하여 흐르는 전자와 p-타입 질화물층(130)을 통하여 흐르는 정공이 재결합되면서, 광이 발생된다.
n-타입 ZnO층(150)은 발광 활성층(140) 상부에 형성되며, p-타입 질화물층(130)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(150)에는 Si 등이 도핑되어 있을 수 있다.
ZnO는 전술한 바와 같이, GaN과 거의 동일한 Wurtzite 격자 구조를 가진다. 또한, ZnO는 대략 700~800℃의 온도에서도 성장이 가능하므로, ZnO 성장시 하부의 발광 활성층(140)에 미치는 영향을 최소화하여 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 적용되는 n-타입 ZnO층(150)은 1200℃ 정도의 고온에서 성장하는 n-타입 GaN을 대체할 수 있다.
또한, n-타입 ZnO층(150)을 적용한 결과, n-타입 GaN을 적용한 경우보다 오히려 광휘도가 향상되는 결과를 나타내었다.
상기와 같이 본 발명에서는 성장기판 상에 p-타입 질화물층(130)이 먼저 형성되고, 발광 활성층 상에 n-타입 ZnO층(150)이 형성된다.
이때, 성장 기판(110)은 p-타입 실리콘 기판이 이용될 수 있다. p-타입 실리콘 기판을 이용할 경우, 발광 활성층(140) 하부의 각 층이 p-타입으로 형성될 수 있다. 성장 기판(110)으로 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 1을 참조하면, 격자완충층(120)과 p-타입 질화물층(130) 사이에 버퍼층(160)을 더 포함할 수 있다. 버퍼층(160)는 성장 기판 상에 이종의 물질인 질화물 성장시 발생하는 응력(stress)을 완화시키는 역할을 한다. 이러한 버퍼층(160)은 AlN, ZrN, GaN 등의 질화물로 형성될 수 있다.
버퍼층(160)은 p-타입으로 형성할 수 있다. 버퍼층(160)을 형성하는 질화물은 대부분 전기저항이 크다. 그러나, 버퍼층(160)을 p-타입으로 형성하는 경우 버퍼층의 전기저항이 낮아진다. 따라서, 제조되는 질화물계 발광소자의 구동 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 버퍼층(160)을 p-타입으로 형성하고, 성장 기판(110)으로 p-타입 실리콘 기판을 이용할 경우, p-타입 실리콘 기판에서 발광 활성층(140)까지 정공이 장벽없이 쉽게 이동할 수 있으므로, 발광소자 구동 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 버퍼층(160)을 p-타입으로 형성하는 경우, 버퍼층(160)의 마그네슘(Mg) 등의 불순물이 성장 기판(110)으로 침투하게 된다. 이 경우, 기판에 p-타입의 전기적 특성이 부여된다. 따라서, 성장 기판(110)으로 절연 특성을 갖는 사파이어 기판을 이용하더라도 종래의 수직형 발광소자 제조 시와는 달리 그 제거를 요하지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 질화물계 발광소자 제조 방법은 격자완충층 형성 단계(S210), 버퍼층 형성 단계(S220), p-타입 질화물층 형성 단계(S230), 발광 활성층 형성 단계(S240) 및 n-타입 ZnO층 형성 단계(S250)를 포함한다.
격자완충층 형성 단계(S210)에서는 실리콘 기판, 사파이어 기판 등의 성장 기판 상에, Wurtzite 격자 구조를 갖는 물질의 파우더로 격자완충층을 형성한다.
이때, 상기 격자완충층은 ZnO 파우더로 형성될 수 있다.
상기 ZnO 파우더는 시판 중인 것을 이용할 수 있다.
또한, ZnO 파우더는 실리콘 또는 사파이어 기판, 보다 바람직하게는 성장 기판과 동일한 재질의 기판 상에 ZnO를 증착하는 단계와, 상기 ZnO가 증착된 기판을 분쇄하여 파우더화하는 단계를 통하여 제조된 것을 이용할 수 있다. 증착은 MOCVD 방법 혹은 스퍼터 방법 등이 이용될 수 있다. 이 경우, ZnO 파우더에는 순수한 ZnO 성분 뿐만 아니라 기판 성분도 포함되므로, 성장 기판에 대한 ZnO 파우더의 부착력을 향상시킬 수 있다.
ZnO 파우더를 이용한 격자완충층은 다음과 같은 방법으로 형성될 수 있었다.
우선, 스핀코터 등을 이용하여 성장 기판 위에 ZnO 파우더를 올려놓는다. 이후, CVD 챔버와 같은 장치 내부에서 성장 기판을 질소 가스 분위기에서 대략 500~800℃의 온도로 가열하여, ZnO 파우더가 부착되도록 한다. 가열온도가 800℃를 초과하는 경우 ZnO 파우더가 식각될 수 있으므로, 이보다는 낮은 온도에서 가열이 이루어지는 것이 좋다.
이 경우, 성장 기판은 약간의 식각이 이루어지면서 표면에 요철이 형성될 수 있다. 성장 기판의 표면 요철은 전술한 바와 같이 파우더의 부착 혹은 고정을 용이하게 한다.
또한, ZnO 파우더를 이용한 격자완충층은, 상기 ZnO 파우더 함유 용액을 이용하여 성장 기판 위에 스핀코팅한 후 건조하는 방법으로 형성될 수 있다. 이때, ZnO 파우더 함유 용액은 아세톤, 메탄올, 에틸렌 글리콜 등 다양한 종류의 용매를 이용할 수 있다.
상기 제시된 ZnO 파우더를 이용한 격자완충층 형성 방법들은 어느 하나의 방법이 선택적으로 적용될 수 있으며, 2가지 방법 모두 적용될 수 있다. 예를 들어, ZnO 파우더를 함유하는 용액을 이용하여 성장 기판 위에 스핀코팅한 후 건조하고, 이후 챔버 내에서 성장 기판을 가열할 수 있다.
다음으로, 버퍼층 형성 단계(S220), p-타입 질화물층 형성 단계(S230) 및 발광 활성층 형성 단계(S240)에서는 격자완충층 상에 복수의 질화물을 순차적으로 성장시켜 발광 구조체를 형성한다.
이때, 버퍼층은 헬륨(He) 가스, 아르곤(Ar) 가스 등의 불활성 가스 분위기에서 형성되는 것이 바람직하다. 버퍼층을 수소가스 분위기에서 형성하면, 수소 가스에 의하여 ZnO 파우더가 식각되어, 버퍼층이 제대로 형성되지 못하기 때문이다.
반면, p-타입 질화물층 및 발광 활성층은 결정 품질의 향상을 위하여 수소 가스 분위기에서 실시되는 것이 바람직하다. 이 경우, 수소 가스 분위기에 의하여도 이미 버퍼층이 형성되어 있으므로, 각 층의 형성시 ZnO 파우더의 식각의 영향을 받지 않는다. 또한, 이 경우, ZnO 파우더가 일부 또는 전부 식각되어, 성장 기판과 버퍼층 사이에는 에어 홀(air hole)이 형성된다. 이러한 에어 홀은 난반사층의 역할을 하여, 질화물계 발광소자의 휘도 상승에 기여한다.
도 3은 질화물 성장 과정에서 ZnO가 식각되어 에어 홀을 형성하는 것을 나타낸 사진이다.
도 3을 참조하면, 수소 분위기에서 질화물을 성장시킬 경우, ZnO가 식각되며, 식각된 부분은 에어 홀을 형성하는 것을 볼 수 있다.
n-타입 ZnO층 형성 단계(S250)에서는 대략 700~800℃의 저온에서 질소(N2), 헬륨(He), 산소(O2) 등의 분위기 하에서 발광 활성층 상에 n-타입 ZnO를 성장시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 성장 기판 상에 p-타입 질화물층을 먼저 형성하고, 상대적으로 저온에서 성장이 가능한 n-타입 ZnO층을 발광 활성층 상에 성장시킨다. 그 결과, p-타입 질화물층의 결정 품질을 향상시킬 수 있었으며, 또한, n-타입 ZnO 성장시 발광활성층에 미치는 영향을 최소화할 수 있었다.
또한, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 제조 방법은 ZnO 파우더와 같은 Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더로 격자완충층을 형성함으로써, 질화물 성장시에 실리콘과 질화물의 격자 상수 차이로 인한 선결함 발생을 최소화할 수 있으며, 평탄한 질화물을 성장시킬 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. 성장 기판;
    상기 성장 기판 상에 형성되는 격자완충층;
    상기 격자완충층 상에 형성되는 p-타입 질화물층;
    상기 p-타입 질화물층 상에 형성되는 발광 활성층; 및
    상기 발광 활성층 상에 형성되는 n-타입 ZnO층;을 포함하고,
    상기 격자완충층은 Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격자완충층은
    ZnO 파우더로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 ZnO 파우더는
    평균 입경이 10nm ~ 1㎛ 인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 성장 기판은
    실리콘 기판 또는 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 성장 기판은
    표면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는
    상기 격자완충층과 상기 p-타입 질화물층 사이에, 질화물로 형성되는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  7. 제6항에 있어서
    상기 버퍼층은
    AlN, ZrN 및 GaN 중에서 선택되는 1종 이상의 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  8. 제6항에 있어서
    상기 버퍼층은
    p-타입 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  9. (a) 성장 기판 상에, Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더를 이용하여 격자완충층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 격자완충층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 버퍼층 상에 p-타입 질화물층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 p-타입 질화물층 상에 발광 활성층을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 발광 활성층 상에 n-타입 ZnO층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 격자완충층은
    ZnO 파우더로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 ZnO 파우더는
    실리콘 또는 사파이어 기판 상에 ZnO를 증착하는 단계와, 상기 ZnO가 증착된 기판을 분쇄하여 파우더화하는 단계를 통하여 제조된 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 불활성 가스 분위기에서 실시되고,
    상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계는 수소 가스 분위기에서 실시되어, 수소 가스에 의하여 상기 ZnO 파우더의 일부 또는 전부가 식각되어 상기 성장 기판과 버퍼층 사이에 에어 홀(air hole)을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 제조 방법.
  13. 성장 기판 상에, Wurtzite 구조를 갖는 물질의 파우더를 이용하여 격자완충층을 형성하고, 상기 격자완충층 상에 버퍼층, p-타입 질화물층, 발광 활성층 및 n-타입 ZnO층을 순차적으로 형성하여 제조되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 격자완충층은
    ZnO 파우더로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 ZnO 파우더는
    평균 입경이 10nm ~ 1㎛ 인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 성장 기판은
    실리콘 기판 또는 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 성장 기판은
    표면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  18. 제13항에 있어서
    상기 버퍼층은
    p-타입 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 ZnO 파우더는
    실리콘 또는 사파이어 기판 상에 ZnO를 증착한 후, 상기 ZnO가 증착된 기판을 분쇄하여 파우더화하여 제조된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 버퍼층은 불활성 가스 분위기에서 형성되고,
    상기 p-타입 질화물층 및 발광 활성층은 수소 가스 분위기에서 형성되어,
    상기 p-타입 질화물층 및 발광 활성층 형성시에, 수소 가스에 의하여 상기 격자완충층에 포함되는 ZnO 파우더의 일부 또는 전부가 식각되어 상기 성장 기판과 버퍼층 사이에 에어 홀(air hole)을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
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