KR100593912B1 - 질화갈륨계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결정성 및 전기전도성의 저하없이 p형 클래드층의 상부 표면에 나노 치수의 미세 요철 구조를 형성함으로서 광추출효율을 향상시킨 질화갈륨계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 기판의 상부에, 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층과 활성층을 통상의 성장 조건으로 성장 한 후, MgN 계열의 단결정으로 이루어진 극성변환층을 개재하여 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층을 성장함으로서, 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층의 극성을 N 극성으로 변환 성장시켜, 거친 표면을 얻도록 한 것이다.

질화갈륨계, 발광 소자, 활성층, 극성변환층, MgN

Description

질화갈륨계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법{GALLIUM NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND FABRICATION METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 질화갈륨계 반도체 발광소자의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 질화갈륨계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 3은 Ga 극성에 의해 성장된 GaN 박막의 표면상태를 나타낸 주사현미경 사진이다.

도 4는 본 발명에 있어서 N 극성에 의해 성장된 GaN 박막의 표면상태를 나타낸 주사현미경 사진이다.

도 5는 본 발명에 있어서, N 극성에 의해 성장된 후 식각공정을 거친 GaN 박막 표면 상태를 나타낸 주사현미경 사진이다.

도 6은 본 발명에 의한 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법을 나타낸 플로우챠트이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 기판

22 : n형 클래드층

22 : 활성층

23 : 극성변환층

24 : p형 클래드층

본 발명은 광전자 소자에 사용되는 질화갈륨계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 결정성 및 전기전도성의 저하없이 p형 클래드층의 상부 표면에 나노 치수의 미세 요철 구조를 형성함으로서 광추출효율을 향상시킨 질화갈륨계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨계 반도체 발광소자는, 질화갈륨계, 특히 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+1≤1 임)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 통해 청색 또는 녹색 파장대의 광을 방출하는 반도체층을 형성하여 이루어진 것으로서, 보통 도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어 또는 SiC와 같은 이종 물질로 이루어진 기판(11)상에 제1도전형 질화갈륨계(이하, GaN이라 한다) 반도체층(12)과, 활성층(13)과, 제2도전형 GaN 반도체층(14)을 차례로 성장시킨 것이다.

이러한 GaN계를 이용한 발광소자의 개발은 휘도를 향상시켜 기존의 광원으로 사용되던 백열등, 형광등, 할로겐등, 네온등 등을 대체하는 방향으로 진행되고 있 다. 1994년 AlGaInN을 이용한 청색 발광소자가 상용화되긴 하였으나, 이때는 GaN 반도체층의 결정성이 열악하여 내부 양자 효율(Internal Quantu Efficiency, IQE)이 매우 낮았다. 이렇게 결정성이 낮았던 이유는 AlGaInN의 격자 상수에 일치하는 기판 재료를 찾지 못했기 때문인데, 현재에도 격자상수가 일치하는 적절한 기판 재료는 발견되지 못했으나, 박막 성장 기술의 발달로 결정성의 기준이 되는 박막 내부의 결정 결함 밀도는 거의 감소되고 있다.

이에, 최근에는 질화갈륨계 반도체 발광소자의 휘도 특성을 개선하기 위한 방법으로, 광추출 효율을 극대화시키기 위한 연구가 이루어지고 있다.

일반적으로, 질화갈륨계 반도체 발광소자에 이용되는 반도체 물질들의 굴절률은 공기 혹은 패키지(PKG) 재료보다 높은 편이다. 예를 들어, 질화갈륨계 물질의 굴절률도 2.4 이상으로 패키지 재료로 흔히 사용되는 실리콘계 혹은 에폭시계의 굴절률(1.5 이하)보다 크다.

따라서, 상기 반도체층에서 발광된 빛의 일부는 패키지와의 경계면에서 전반사되어 패키지 외부로 빠져나가지 못한다. 이러한 내부 전반사를 감소시키기 위한 방법으로, 빛이 최종적으로 빠져나가는 제2도전형 GaN 반도체층(14)의 상부 표면에 나노크기의 미세 요철 구조를 형성함으로서, 발광된 빛의 입사각이 임계각 이하가 되도록 하여, 전반사율을 감소시키고, 그 결과 광추출 효율을 향상시키게 된다.

이와 같이, 제2 GaN 반도체층(14)의 상부 표면의 표면 거칠기를 형성하는 방법으로서, 기판(11)상에 제1 GaN 반도체층(12), 활성층(13)을 차례로 성장한 후, 제2 GaN 반도체층(14)을 대략 400~1000도의 낮은 온도에서 성장하는 방법이 있다.

그런데, 상기 방법은 제2 GaN 반도체층(14)을 낮은 온도에서 바로 성장시키면, 산과 골로 이루어진 표면의 미세 요철 구조에서 일부의 골이 활성층(13)의 내부로까지 내려갈 수 있으며, 이 경우, 활성층(13)의 결정성이 저하되어 발광 효율이 떨어지고, 과전류가 흐르는 경우 골에 집중된 전류가 활성층(13) 아래로 전파되어, ESD에 매우 취약해질 우려가 있다. 이러한 문제를 해결하고자, 활성층(13)의 성장 후에, 고온에서 평탄한 표면을 갖는 p-클래드층의 일부를 설장시킨 후, 다시 낮은 온도에서 나머지 p-클래드층을 형성시키기도 하지만, 공정이 번거롭고 표면거칠기가 감소될 수 있다.

또 다른 방법으로는, 제1 GaN 반도체층(12)과 활성층(13)을 성장한 후, 제2 GaN 반도체층(14)을 낮은 온도에서 아모퍼스 상태로 성장하고, 이어서 열처리를 통하여 제2 GaN 반도체층(14)의 상부면의 표면 거칠기를 증대시키는 방법이 있다. 그런데, 통상적으로 제2 GaN 반도체층(14)의 특성, 즉, 결정성 및 전기 전도성은 1000도 이상의 고온에서 성장되어야만 얻어지는 것으로, 상술한 종래의 방법에 의하면 결정성이 저하될 우려가 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 결정성 및 전기전도성의 저하없이 p형 클래드층의 상부 표면에 나노 치수의 미세 요철 구조를 형성함으로서 광추출효율을 향상시킨 질화갈륨계 반도체 발광소 자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명에 의한 질화갈륨계 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판의 상면에 형성된 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층; 상기 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층 상에 Ga 극성으로 성장된 활성층; 상기 활성층상에 형성된 MgN계 단결정으로 이루어진 극성변환층; 및 상기 극성변환층 상에 N 극성으로 성장되고 그 표면에 요철을 갖는 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층으로 이루어진다.

상기 본 발명에 의한 질화갈륨계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 극성변환층은 조성식 (Al_xGa_yIn_z)Mg_3-(x+y+z)N₂을 만족하는 물질로 이루어지며(0≤x,y,z ≤1, 0< x+y+z < 3), MBE 또는 MOCVD법으로 형성될 수 있다. 더하여, 상기 극성변환층은 광 투과효율을 저하시키지 않도록 500Å 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

더하여, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 구성수단으로서, 본 발명은 기판상에 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층 상에 다중 양자 우물 구조를 갖는 Ga 극성으로 성장되는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 극성변환층을 형성하는 단계; 및 상기 극성변환층의 상부에 N 극성으로 성장되는 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층은 그 표면에 요철을 갖는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

앞서와 마찬가지로, 상기 극성변환층은 조성식 (Al_xGa_yIn_z)Mg_3-(x+y+z)N₂을 만족하는 물질로 형성되며, 상기 조성식에서 0≤x,y,z ≤1, 0< x+y+z < 3이다. 또한, MBE 또는 MOCVD 법으로 형성될 수 있고, 500Å 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

더하여, 상기 본 발명에 의한 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법은 상기 제2 도전형 질화갈륨계 반도체 층의 상부 표면을 습식 식각법에 의해 식각하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 단계에 의하여 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층의 표면 거칠기는 더 증대될 수 있다. 이때, 상기 식각 용액은 용융 수산화칼륨 (Molten KOH solution), 인산, 황산, 인산+황산 용액중에서 선택하여 사용할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 질화갈륨계 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 질화갈륨계 반도체 발광소자를 나타낸 단면구성도이다.

상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 질화갈륨계 반도체 발광소자는

기판(21)과, 상기 기판(21)의 상면에 형성된 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(22)과, 상기 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(22) 상에 Ga 극성으로 성장된 활성층(23)과, 상기 활성층(23) 상에 형성된 MgN계 단결정으로 이루어진 극성변환층(24)과, 상기 극성변환층(24) 상에 형성되어 N 극성으로 성장되는 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)을 포함한다.

상기에서, 극성변환층(polarity conversion layer)(24)은 그 극성변환층을 기준으로 상하면에 위치한 GaN계 반도체층의 극성을 서로 반대로 변환시키는 층으로서, 조성식 (Al_xGa_yIn_z)Mg_3-(x+y+z)N₂ (0≤x,y,z ≤1, 0< x+y+z < 3)을 만족하는 MgN계 물질로 이루어지며, 통상의 발광다이오드 소자의 성장법인 MBE 또는 MOCVD법에 의해서 성장될 수 있다.

통상의 성장 조건 하에서, GaN 박막은 Ga 극성(polar)의 성질을 가지면서 성장한다. 그러나, MgN계의 극성변환층을 사용하게 되면 Ga 극성으로 성장되던 박막을 N 극성으로 전환할 수 있다. 일반적으로, Ga 극성을 갖는 박막의 표면은 경면을 보이고, N 극성을 갖는 박막의 표면은 거친 표면을 갖는다.

도 3은 Ga 극성을 갖는 박막 표면을 주사현미경으로 촬영한 것이고, 도 4는 N 극성을 갖는 박막의 표면을 주사현미경으로 촬영한 것으로서, Ga 극성의 박막 표면은 매끈하지만, N 극성의 박막 표면은 거친 것을 알 수 있다.

따라서, 상기 극성변환층(24) 상에 형성된 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)은 성장온도에 관계없이 거친 표면을 갖게 된다. 즉, 상기 질화갈륨계 반도체층은 1000도의 고온에서 성장되더라도 거친 표면을 나타내므로, 저온 성장으로 인한 결정성, 전기적 전도성의 저하 문제가 없어진다.

이때, 상기 극성변환층은 활성층(23)에서 발생된 빛이 손실없이 투과될 수 있도록, 500Å 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

도 6의 상술한 구조의 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법을 나타낸 플로우챠트이다.

도 6을 참조하면, 상기 질화갈륨계 반도체 발광소자는 기판(21)상에 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(22)과 활성층(23)을 통상과 같이 MOCVD 법에 의하여 차례로 성장시킨다(s61, s62).

이때, 상기 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층(22) 및 활성층(23)은 통상의 성장 조건에 의해서 성장되는 것으로서, Ga 극성을 나타내며, 그 표면이 도 3에 도시된 바와 같이, 경면을 갖는다.

다음으로, 상기 활성층(23)의 상부면에 MgN계의 극성변환층(24)을 형성한다(s63).

상기 극성변환층(24)은 조성식 (Al_xGa_yIn_z)Mg_3-(x+y+z)N₂ (0≤x,y,z ≤1, 0< x+y+z < 3이다)을 만족하는 물질로 형성되며, 상기 극성변환층은 MBE 또는 MOCVD 법으로 형성된다. 이때, 상기 극성변환층(24)의 두께는 500Å 이하로 얇게 형성한다.

이어서, 상기 극성변환층(24)의 상부에 상기 극성변환층(24)에 의해서 N 극성으로 성장되는 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)을 형성한다(s64).

상기와 같이 성장된 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)의 표면은 도 4에 도시된 바와 같이, 거친 표면을 나타낸다.

이에 더하여, 상기 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)의 표면을 적절한 전기화학적 습식 에칭(electrochemical wet etching) 또는 습식 에칭(wet etching) 등을 통하여 에칭할 수 있으며(s65), 이 경우 상기 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)의 표면 거칠기는 더 커진다. 도 5는 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)의 표면을 적절히 에칭한 후 주사현미경으로 촬영한 것으로서, 도 4와 대비하여 볼때, 표면 거칠기의 산과 골이 더 커졌음을 알 수 있다. 이때, 상기 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층(25)의 식각 용액은 갈륨계 반도체물질을 식각할 수 있는 용액으로서, 일반적으로 알려진 바와 같이, 용융 수산화칼륨(Moltem KOH solution), 인산, 황산, 인산+황산 용액중에서 선택적으로 사용할 수 있다.

상술한 방법에 의하여 제조된 질화갈륨계 반도체 발광소자는, 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층의 표면을 거칠게 형성함으로서, 내부 전반사율을 감소시켜 활성층(23)에서 발광된 빛의 추출 효율을 더욱 향상시킨다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 극성변환층을 이용함으로서 성장온도에 관계없이 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층의 표면을 거칠게 성장할 수 있게 됨으로서, 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층 자체의 결정성, 전기적 전도성 저하없이도 요구되는 표면거칠기를 얻을 수 있으며, 그 결과 내부 전반사율을 감소시켜 발광소자의 광추출효율을 더욱 개선시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (10)

1. 기판;

   상기 기판의 상면에 형성된 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층;

   상기 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층 상에 Ga 극성으로 성장된 활성층;

   상기 활성층상에 형성된 MgN계 단결정으로 이루어진 극성변환층; 및

   상기 극성변환층 상에 형성되어 N 극성으로 성장되고 그 표면에 요철을 갖는 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층을 포함한 질화갈륨계 반도체 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 극성변환층은 조성식 (Al_xGa_yIn_z)Mg_3-(x+y+z)N₂을 만족하는 물질로 이루어지며, 상기 조성식에서 0≤x,y,z ≤1, 0< x+y+z < 3인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 극성변환층은 MBE 또는 MOCVD법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 극성변환층은 500Å 이하의 두께인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자.
5. 기판상에 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 제1 도전형 질화갈륨계 반도체층 상에 다중 양자 우물 구조를 갖는 Ga 극성으로 성장되는 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층 상에 극성변환층을 형성하는 단계; 및

   상기 극성변환층의 상부에 N 극성으로 성장되는 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함하고,

   상기 제2 도전형 질화갈륨계 반도체층은 그 표면에 요철을 갖는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광 소자의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 극성변환층은 조성식 (Al_xGa_yIn_z)Mg_3-(x+y+z)N₂을 만족하는 물질로 형성되며, 상기 조성식에서 0≤x,y,z ≤1, 0< x+y+z < 3인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 극성변환층은 MBE 또는 MOCVD 법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 극성변환층은 500Å 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 제2 도전형 질화갈륨계 반도체 층의 상부 표면을 습식 식각법에 의해 식각하는 단계를 더 포함하는 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 식각 용액은 용융 수산화칼륨(Moltem KOH solution), 인산, 황산, 인산+황산 용액중 하나인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조 방법.

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