KR101282774B1 - 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 결정성과 표면특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 기판과; 상기 기판 상에 위치하는 극성변환층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

GaN, 극성, 기판, 표면, 박막.

Description

질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 {Nitride based light emitting diode and method of manufacturing the same}

도 1은 일반적인 GaN 극성을 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 박막 성장을 나타내는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 5는 본 발명의 적층 시퀀스를 나타내는 개략도이다.

도 6 및 도 7은 각각 N 극성과 Ga 극성의 표면 사진이다.

도 8 및 도 9는 각각 N 극성과 Ga 극성의 AFM 이미지이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 기판 20 : 질화제어층

30 : 극성변환층 40 : 버퍼층

50 : n-형 반도체층 51 : n-형 전극

60 : 발광층 70 : p-형 반도체층

71: p-AlGaN 클래드층 72 : p-형 전극

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 결정성과 표면특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)에 의해 고출력 전자소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다. 이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

또한, 종래의 녹색 LED의 경우에는 처음에는 GaP로 구현이 되었는데, 이는 간접 천이형 재료로서 효율이 떨어져서 실용적인 순녹색 발광을 얻을 수 없었으나, InGaN 박박성장이 성공함에 따라 고휘도 녹색 LED 구현이 가능하게 되었다.

이와 같은 이점 및 다른 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

GaN 발광 다이오드의 효율은 백열등의 효율을 능가하였고, 현재는 형광등의 효율에 필적하기 때문에, GaN 계열의 LED 시장은 급속한 성장을 계속할 것으로 예상된다.

상술한 GaN 반도체 소자의 제작은 통상 육방정인 사파이어([0001] 방향)기판이 이용되고 있다. 이러한 사파이어 기판 위에는 육방정계의 Wurzite 구조를 가진 GaN 결정이 사파이어 기판의 c 축을 따라 성장한다.

도 1은 c 축을 따라 형성된 Wurzite GaN 구조를 나타내고 있다. 이러한 구조는 c 축 방향 즉, 성장 방향에는 대칭성이 없고, 결정학적으로 다른 2개의 박막성장 관계를 가진 GaN 막이 성장할 가능성을 가진다.

즉, GaN 원자로부터 N 원자의 벡터를 고려하면 하나의 박막성장 관계는 이 벡터 방향과 성장방향이 일치하는 관계이고, 또, 다른 한가지는 이 벡터의 방향과 성장방향이 180° 다른 관계이다.

이 중에서, 전자의 박막성장 관계를 가진 GaN 막의 극성을 Ga 극성, 후자를 N 극성이라 한다. 이러한 극성은 MOCVD 법을 이용하여 박막 성장 시작시 유기금속 가스를 암모니아 가스 전에 흘리거나, GaN 성장 직전에 사파이어 기판을 암모니아 에 의해서 질화시키는 등의 처리에 의해, GaN 막의 극성을 각각 Ga 극성, N 극성으로 제어하는 것이 가능하다.

특히 사파이어 기판 상면의 질화 처리(nitridation) 과정은 사파이어 기판의 거친 표면상태를 개선하여 표면에너지를 낮추며 GaN의 핵 형성시에 성장 방향 및 박막 결정성의 개선에 효과적임을 보였다.

그러나, 질화된 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 박막은 질소가 풍부한(nitrogen-rich) 표면을 갖기 때문에 육각형의 파셋 표면 형태를 나타내며 Ga 극성일 경우의 평평한 표면 형태와는 많은 차를 보이며 소자에 적용하기 위해서는 N 극성을 Ga 극성으로 변환시켜야 할 필요가 있다.

이처럼 극성에 따라 GaN을 성장 시킨 경우, 표면 구조는 표면의 극성에 따라서 결정 성장에 차이가 생기고, 성장 표면형상, 결함구조, 불순물의 주입 등에 큰 차이를 가져온다.

따라서 GaN 계열 박막 제조 분야에서는 발광 구조물 성장을 위한 고품질 반도체 결정층을 성장시키기 위한 최적의 조건을 만족하는 결정막이 성장되도록 그 제조방법이 요구되고 있으며 특히, 그 중 극성을 결정하고 제어하는 것은 매우 중요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, Ga 극성의 표면을 갖는 GaN 반도체층을 성장시킴으로써 GaN 반도체를 이용한 발광 소자의 결정성과 표면특성을 개선할 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위해, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 기판과; 상기 기판 상에 위치하는 극성변환층을 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

상기 기판은 질화처리된 것이 바람직하고, 이때, 상기 기판과 극성변환층 사이에는, 상기 질화된 표면을 제어하는 질화제어층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이러한 질화제어층은, 5 내지 10 원자층(monolayer) 두께의 AlN 층일 수 있다.

상기 극성변환층은, 2 내지 10 원자층의 Al 층일 수 있으며, 경우에 따라, B, Al, Ga, In 중 어느 하나의 질화물 또는 Zn, Cd, Mg 중 어느 하나와 O, S, Se 중 어느 하나의 화합물을 이용할 수 있다.

이러한 극성변환층은, N 극성을 Ga 극성으로 변환하는 것이 바람직하다.

상기 극성변환층 상에는, 버퍼층과; 상기 버퍼층 상에 위치하는 n-형 반도체층과; 상기 n-형 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 위에 위치하는 p-형 반도체층을 더 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 기판은, 사파이어, GaN, ZnO 중 어느 하나일 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 다른 관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서, 기판을 질화시키는 단계와; 상기 질화된 기판 위에 AlN 층을 형성하는 단계와; 상기 AlN 층 위에 극성변환층을 형성하는 단계와; 상기 극성변환층 위에 GaN 층을 성장시키는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 AlN 층 또는 극성변환층은, MEE(migration enhanced epitaxy) 법으로 형성될 수 있다.

이때, 상기 극성변환층은, B, Al, Ga, In 중 어느 하나의 질화물, Zn, Cd, Mg 중 어느 하나와 O, S, Se 중 어느 하나의 화합물, 및 Al 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 발광 소자는, 먼저, 사파이어 기판(10) 상에 1000 내지 1150℃에서 질화된다.

이러한 사파이어 기판(10) 상면의 질화 처리(nitridation) 과정은 사파이어 기판(10)의 거친 표면상태를 개선하여 표면에너지를 낮추며 GaN의 핵 형성시에 성장 방향 및 박막 결정성의 개선에 효과적이다.

이러한 질화처리된 기판(10)에는 1000 내지 1150℃의 온도에서 MEE(migration enhanced epitaxy) 법에 의해 성장된 5 내지 10 원자층(monolayer) 두께의 AlN 층이 형성된다.

이와 같이, 기판(10)에 형성되는 AIN 층은 마이그레이션 효과를 높이는 질화제어층(20)으로 작용하게 된다.

이후, 이러한 질화제어층(20) 위에는 550 내지 1100℃ 사이의 온도 범위 내에서 TMAl 원료만을 주입하여 극성변환층(30)을 형성하게 된다.

이러한 극성변환층(30)은 알루미늄(Al) 2 내지 10 원자층의 두께를 가지며, 이는 결정성이 우수한 Ga 극성 GaN 반도체층을 이루도록 성장시킬 수 있다. 이러한 극성변환층(30)도 또한 MEE 법으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 극성변환층(30)은 B, Al, Ga, In 등의 3족 원소 질화물로 형성이 가능하고, 또한 Zn, Cd, Mg 등의 2족원소와 O, S, Se 등의 6족 원소와의 화합물로 구성 가능하다.

한편, 이러한 극성변환층(30)은 사파이어 기판(10) 이외에 GaN 단결정 기판(10) 외에도 유리 등의 비결정성 기판(10) 상의 다결정막(ZnO)에도 적용할 수 있다.

상기 MEE 법은 도 3에서 도시하는 바와 같이, MOCVD와 같은 기상 증착 방법에서 소스 원료의 셔터를 제어함으로써 원자층 두께로 성장을 제어하는 방법이다.

즉, 상기 AlN 층을 예로 들면, Al은 TMAl(tri-methyl aluminum)을 소스로 하여 캐리어 가스인 수소 가스에 의하여 전달되고, N은 NH₃(암모니아) 가스를 소스로 역시 수소 가스에 의하여 전달된다.

이때, 각 소스의 온 오프 타임 사이에 시간 간격(a)을 두면, 이 시간동안에는 각 원자층 중에서 하나의 원자층만 하층과 결합되고 나머지 원자층은 이 시간 간격(a) 동안에 흐르는 캐리어 가스(H₂)에 의하여 제거된다.

따라서, 이러한 캐리어 가스만이 흐르는 시간 간격(purging time)에 의하여 원자층 단위로 성장이 가능한 것이다.

상기 극성변환층(30) 위에는 버퍼층(40), n-형 반도체층(50), 발광층(60), p-형 반도체층(70)이 순차적으로 형성된다.

상기 버퍼층(40)은 GaN으로 성장되는 저온 버퍼층, 고온 버퍼층으로 구성될 수 있으며, 상기 발광층(60)과 p-형 반도체층(70) 사이에는 p-AlGaN 클래드층(71)이 추가로 형성될 수 있다.

상기 발광층(60)은 InGaN, AlGaN, AlInGaN, GaN과 같은 물질로 형성될 수 있다.

이와 같이 성장된 구조에서 상기 n-형 반도체층(50)이 드러나도록 시각된 후에 각각 n-형 전극(51)과 p-형 전극(72)이 형성되어 발광 소자의 구조를 이룬다.

한편, 도 4에서와 같이, 상기 성장된 구조에서 기판(10)이 제거된 상태에서, 기판(10)이 제거된 면에 n-형 전극(51)이 결합되어 수직형 발광 소자의 구조를 이룰 수도 있다.

이때, 기판(10)과 함께, 상술한 버퍼층(40)과 극성변환층(30) 및 질화제어층(20)도 함께 제거될 수 있다.

이와 같이, 기판(10)이 제거된 구조는 상하가 역전되며, p-형 전극(72) 하측에는 반사전극(73)과, 기판(10) 제거과정에서 전체 구조를 지지하는 지지판(80)이 구성될 수 있다.

이하, 상술한 질화제어층(20)과 극성변환층(30)의 작용을 도 5를 참고하여 상세히 설명한다. 도 5에서는 극성변환층(30)으로서 Al 2 원자층을 이용한 실시예를 나타낸다.

상술한 질화된 사파이어 기판(10) 위에 GaN 박막이 바로 성장된다면, 상기 기판(10)은 질소가 풍부한(nitrogen-rich) 표면을 갖기 때문에 육각형의 파셋 표면 형태를 나타낸다.

이러한 기판(10)에 적층되는 GaN 박막이 N 극성일 경우에는 소자에 적용하기 위해서 N 극성을 Ga 극성으로 변환시켜야 할 필요가 있다.

즉, 질화처리된 기판(10) 위에 극성변환층(30)의 형성 없이 GaN 박막을 성장 할 경우 Wurzite GaN는 Ga를 A, N을 B라 할 때, (AB)(AB)(AB)라는 구조의 적층 시퀀스를 가지게 된다.

이때, 상기 극성변환층(30)을 형성하게 되면 그 이후에 적층되는 GaN 박막의 적층 시퀀스는 (AB)(AB)(AB)(AA')(BA)(BA)로 바뀌어서 극성이 N 극성으로부터 Ga 극성으로 바뀔 수 있다. 여기서 (AA')은 극성변환층(30)을 나타낸다.

이와 같이 Ga 극성 표면을 갖는 GaN계 반도체층은 N 극성 표면에 비해 불순물로 작용하는 물질과 결합이 잘 이루어지지 않으며, 결정성장에 방해가 되는 육각형면 형상을 갖지 않으므로, 고품질의 결정성을 갖는 GaN계 반도체층으로 발광구조물을 형성할 수 있다.

도 6과 도 7은 각각 N 극성과 Ga 극성을 갖는 GaN 박막의 표면 사진을 나타내고 있다. 상기 극성변환층(30)이 없는 경우, 박막은 N 극성을 띨 수 있다.

도 8과 도 9는 각각 N 극성과 Ga 극성을 갖는 GaN 박막의 AFM 이미지를 나타내고 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 질화제어층(20)은 마이그레이션 효과를 높이고, 극성변환층(30)을 형성함으로써 결정성이 우수한 Ga 극성 GaN 반도체층을 갖도록 성장시킬 수 있는 것이다.

본 발명의 극성변환층(30)은 MBE 또는 MOCVD법으로 형성될 수 있다.

본 발명에서, 극성변환층(polarity conversion layer: 30)이라는 용어는, GaN 반도체층이 성장 초기 단계의 질화 과정에 의해 형성된 N 극성 표면 위에 성장 될 경우 GaN 박막이 Ga 극성의 표면을 가질 수 있도록 형성된 결정층을 말한다.

이와 같이, 본 발명은 이러한 극성변환층(30)을 질화 처리된 사파이어 기판(10) 위, 즉 GaN 버퍼층(40) 형성 직전에 제공함으로써 후속 성장 될 GaN 반도체층의 결정성과 표면특성을 향상시킬 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 발광 소자를 이루는 GaN 박막을 성장함에 있어서 용이하게 GaN 박막의 극성을 제어할 수 있다.

둘째, N 극성 표면을 갖는 GaN 반도체층에 비하여 전위와 결함이 없는 우수한 결정성과 표면특성을 갖는 Ga 극성을 갖는 GaN 반도체층의 성장이 가능하다.

셋째, 이러한 고품질 GaN 계열 반도체층으로 발광 소자를 형성 함으로써 GaN 계열 반도체 발광 소자의 발광 광도 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

1. 질화물계 박막을 포함하는 발광 소자에 있어서,

   질화처리된 기판과;

   상기 기판 상에 위치하며 2 내지 10 원자층의 두께를 갖는 극성변환층과;

   상기 기판과 상기 극성 변환층의 사이에 배치되며, 질화된 표면을 제어하는 질화제어층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 질화제어층은, 5 내지 10 원자층 두께의 AlN 층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 극성변환층은, Al 층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
6. 제 1항에 있어서, 상기 극성변환층은, B, Al, Ga, In 중 어느 하나의 질화물 또는 Zn, Cd, Mg 중 어느 하나와 O, S, Se 중 어느 하나의 화합물인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
7. 제 1항에 있어서, 상기 극성변환층은, 상기 질화물계 박막을 N 극성에서 Ga 극성으로 변환하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
8. 제 1항에 있어서, 상기 극성변환층 상에는,

   버퍼층과;

   상기 버퍼층 상에 위치하는 n-형 반도체층과;

   상기 n-형 반도체층 상에 위치하는 발광층과;

   상기 발광층 위에 위치하는 p-형 반도체층을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
9. 제 1항에 있어서, 상기 기판은, 사파이어, GaN, ZnO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
10. 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서,

    기판을 질화시키는 단계와;

    상기 질화된 기판 위에 AlN 층을 형성하는 단계와;

    상기 AlN 층 위에 극성변환층을 형성하는 단계와;

    상기 극성변환층 위에 GaN 층을 성장시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 AlN 층 또는 극성변환층은, MEE(migration enhanced epitaxy) 법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
12. 제 10항에 있어서, 상기 극성변환층은,

    B, Al, Ga, In 중 어느 하나의 질화물, Zn, Cd, Mg 중 어느 하나와 O, S, Se 중 어느 하나의 화합물, 및 Al 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.

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