KR101393354B1 - GaN BASED BUFFER LAYER AND METHOD OF FORMING THE SAME - Google Patents
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질화갈륨계 버퍼층 및 그것을 형성하는 방법이 개시된다. 이 버퍼층은 기판과 질화갈륨계 반도체층 사이에 개재되며, 조성비가 서로 다른 복수개의 AlxGa1-xN(0≤x≤1) 층들을 포함하고, 식각된 측면들을 포함하는 제1 적층구조 및 조성비가 서로 다른 복수개의 AlyGa1-yN(0≤y≤1) 층들을 포함하고, 상기 제1 적층구조의 식각된 측면들 중 적어도 하나에 접하여 형성된 제2 적층구조를 포함한다. 이에 따라 광의 방출방향을 변화시킬 수 있으며 발광 효율을 향상시킬 수 있다.A gallium nitride buffer layer and a method of forming the same are disclosed. The buffer layer includes a plurality of AlxGa1-xN (0? X? 1) layers interposed between the substrate and the gallium nitride semiconductor layer and having different composition ratios, and has a first laminate structure including etched side faces, And a second stacked structure including a plurality of other layers of AlyGa1-yN (0 < = y < = 1) and formed in contact with at least one of the etched side faces of the first stacked structure. Accordingly, the light emitting direction can be changed and the light emitting efficiency can be improved.
발광 다이오드, 질화갈륨, 버퍼층, 내부전반사 Light emitting diode, gallium nitride, buffer layer, total internal reflection
Description
본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화갈륨계 발광 다이오드에 사용되는 질화갈륨계 버퍼층 및 그것을 형성하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride-based light emitting diode and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a gallium nitride buffer layer used in a gallium nitride-based light emitting diode and a method of forming the same.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖기 때문에, 최근 청색 및 자외선 영역의 광전 소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.In general, nitrides of Group III elements such as gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN) have excellent thermal stability and have a direct bandgap energy band structure. Therefore, recently, nitride materials for photoelectric elements in the blue and ultraviolet region Has received a lot of attention. In particular, blue and green light emitting devices using gallium nitride (GaN) have been used in various applications such as large-scale color flat panel displays, traffic lights, indoor lighting, high-density light sources, high resolution output systems and optical communication.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 그러나, III족 원소의 질화물 반도체층이 이종기판 상에 형성될 경우, 반 도체층과 기판 사이의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여 반도체층 내에 크랙(crack) 또는 뒤틀림(warpage)이 발생하고, 전위(dislocation)가 생성된다. 반도체층 내의 크랙, 뒤틀림 및 전위는 발광소자의 특성을 악화시킨다. 따라서, 기판과 반도체층 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이에 기인한 스트레스를 완화하기 위해 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 버퍼층이 일반적으로 사용된다.The nitride semiconductor layer of the group III element may be formed by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method using a heterojunction substrate such as sapphire or silicon carbide (SiC) Process. However, when a nitride semiconductor layer of a group III element is formed on a different substrate, a crack or warpage occurs in the semiconductor layer due to a difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the semiconductor layer and the substrate , Dislocation is generated. Cracks, twists and potentials in the semiconductor layer deteriorate the characteristics of the light emitting device. Therefore, an Al x Ga 1 -xN (0 ? X ? 1) buffer layer is generally used to alleviate the stress caused by the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the substrate and the semiconductor layer.
도 1은 종래의 버퍼층을 사용한 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a conventional method of manufacturing a light emitting diode using a buffer layer.
도 1을 참조하면, 기판(11) 상에 버퍼층(13)이 형성된다. 버퍼층(13)은 AlxGa1-xN(0≤x≤1)로 MOCVD 또는 MBE 공정등을 사용하여 형성된다.Referring to FIG. 1, a
버퍼층(13)은 단일층으로 형성될 수 있으나, 도시된 바와 같이 복수개의 층들로 형성될 수 있다. 복수개의 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층들을 조성비를 달리하여 형성함으로써 그 위에 형성될 질화물 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있다.The
그 후, 상기 버퍼층(13) 상에 P-N 접합을 갖는 GaN계열의 에피층들(17, 19, 21)을 형성하며, 상기 에피층들을 형성하기 전, 언도프트 GaN층(15)을 추가로 형성할 수도 있다. 상기 에피층들은 일반적으로 N형 반도체층(17), 활성층(19) 및 P형 반도체층(21)을 포함한다. 그 후, 상기 N형 반도체층 및 P형 반도체층(17, 21)에 전극들을 형성하여 발광 다이오드가 제조된다.Thereafter, a GaN-based
상기 종래기술에 따르면, 복수개의 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층들을 적층하여 버퍼층을 형성함으로써 에피층들의 결정성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 상기 종래기술 은 활성층(19)에서 생성된 광이 발광 다이오드 외부로 방출되는 방출방향을 제어할 수 없으며, 또한 복수개의 층들간에 또는 버퍼층과 기판 사이의 굴절률 차이에 기인하여 기판 방향으로 진행하는 광이 내부 전반사에 의해 손실되는 것을 방지하기 어렵다.According to the prior art, crystallinity of the epitaxial layers can be improved by stacking a plurality of Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1) layers to form a buffer layer. However, the above-mentioned prior art can not control the emitting direction in which the light generated in the active layer 19 is emitted to the outside of the light emitting diode, and it can not proceed in the direction of the substrate due to the difference in refractive index between the plural layers or between the buffer layer and the substrate It is difficult to prevent light from being totally lost due to total internal reflection.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 발광 다이오드에 있어서, 생성된 광의 방출방향을 제어할 수 있는 버퍼층을 제공하는 데 있다.A problem to be solved by the present invention is to provide a buffer layer capable of controlling the emission direction of generated light in a light emitting diode.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 발광 다이오드에 있어서, 내부 전반사에 의해 광이 손실되는 것을 감소시킬 수 있는 버퍼층을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a buffer layer capable of reducing loss of light due to total internal reflection in a light emitting diode.
상기 과제들을 해결하기 위해, 본 발명은 질화갈륨계 버퍼층 및 그것을 형성하는 방법을 제공한다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판과 질화갈륨계 반도체층 사이에 개재된 질화갈륨계 버퍼층에 있어서, 상기 질화갈륨계 버퍼층은 조성비가 서로 다른 복수개의 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층들을 포함하고, 식각된 측면들을 포함하는 제1 적층구조 및 조성비가 서로 다른 복수개의 AlyGa1 - yN(0≤y≤1) 층들을 포함하고, 상기 제1 적층구조의 식각된 측면들 중 적어도 하나에 접하여 형성된 제2 적층구조를 포함한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a gallium nitride-based buffer layer and a method of forming the same. According to an aspect of the present invention, in a gallium nitride buffer layer interposed between a substrate and a gallium nitride based semiconductor layer, the gallium nitride buffer layer includes a plurality of Al x Ga 1 - x N ( 0 ? X ? 1) layers comprising a plurality of Al y Ga 1 -yN (0 ? Y ? 1) layers different in composition ratio from each other and having a first laminated structure including etched side faces, And a second laminated structure formed in contact with at least one of the exposed side surfaces.
따라서, 제1 적층구조와 제2 적층구조 사이에 계면이 형성되며, 상기 계면의 경사도 및 계면을 형성하는 층들의 조성비를 제어하여 광의 방출방향을 제어할 수 있으며, 내부 전반사에 의해 손실되는 광을 감소시키어 발광 효율을 개선할 수 있다.Therefore, an interface is formed between the first laminated structure and the second laminated structure, the inclination of the interface and the composition ratio of the layers forming the interface can be controlled to control the direction of light emission, and the light lost by the total internal reflection can be controlled It is possible to improve the luminous efficiency.
예컨대, 상기 제1 적층구조와 상기 제2 적층구조가 접하는 계면 중 적어도 일부는 조성비가 서로 다른 층들에 의해 형성될 수 있다. 조성비가 서로 다른 층들에 의해 형성되므로 상기 계면에서 광을 반사시킬 수 있어 기판 쪽으로 향하는 광의 방향을 변경시킬 수 있다. 또한, 상기 계면에 의해 기판과 버퍼층 사이 또는 기판과 에피층들 사이에서 내부 전반사를 계속하는 광들의 방향을 변경하여 내부 전반사를 감소시킴으로써 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있다. For example, at least a part of the interface where the first laminated structure and the second laminated structure are in contact may be formed by layers having different composition ratios. Since the composition ratio is formed by different layers, light can be reflected at the interface and the direction of light directed toward the substrate can be changed. Further, the amount of light emitted to the outside can be increased by reducing the total internal reflection by changing the direction of light that continues internal total reflection between the substrate and the buffer layer or between the substrate and the epilayers by the interface.
또한, 상기 식각된 측면은 상기 제1 적층구조의 적층방향에 대해 경사지게 형성된다. 상기 측면의 경사도에 따라 제1 적층구조와 제2 적층구조 사이의 계면의 경사도가 결정된다.In addition, the etched side faces are formed to be inclined with respect to the stacking direction of the first laminated structure. The inclination of the interface between the first laminated structure and the second laminated structure is determined according to the inclination of the side surface.
한편, 상기 조성비가 서로 다른 복수개의 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층들과 상기 조성비가 서로 다른 복수개의 AlyGa1 - yN(0≤y≤1) 층들은 서로 동일한 조성비를 갖는 층들로 이루어질 수 있으며, 다만 그 적층 순서가 반대일 수 있다.On the other hand, a plurality of Al y Ga 1 -yN (0 ? Y? 1) layers having different composition ratios from a plurality of Al x Ga 1 -x N (0 ? X ? 1) Composition ratio, but the stacking order may be reversed.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 질화갈륨계 버퍼층을 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 기판 상에 조성비가 서로 다른 복수개의 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층들을 포함하는 예비 버퍼층을 형성하는 것을 포함한다. 마스크가 상기 예비 버퍼층 상에 형성되고, 상기 마스크를 식각 마스크로 사용하여 상기 예비 버퍼층을 식각하여 식각된 측면들을 갖는 제1 적층구조가 형성된다. 그 후, 조성비가 서로 다른 복수개의 AlyGa1 - yN(0≤y≤1) 층들을 성장시키어 상기 식각된 측면들에 접하는 제2 적층구조가 형성된다.According to another aspect of the present invention, a method of forming a gallium nitride based buffer layer is provided. The method includes forming a spare buffer layer on the substrate, the buffer layer including a plurality of Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1) layers having different composition ratios. A mask is formed on the preliminary buffer layer, and the preliminary buffer layer is etched using the mask as an etch mask to form a first laminate structure having etched side faces. Thereafter, a second laminated structure is formed in which a plurality of Al y Ga 1 -yN (0 ? Y ? 1) layers having different composition ratios are grown and contacted with the etched side faces.
상기 마스크는 제2 적층구조를 형성하기 전 또는 그 후에 제거될 수 있다.The mask may be removed before or after forming the second laminate structure.
한편, 상기 제1 적층구조와 상기 제2 적층구조가 접하는 계면 중 적어도 일부는 조성비가 서로 다른 층들에 의해 형성될 수 있으며, 상기 측면들은 상기 제1 적층구조의 적층방향에 대해 경사지게 형성될 수 있다.At least a part of the interface between the first laminated structure and the second laminated structure may be formed by layers having different composition ratios and the sides may be formed to be inclined with respect to the lamination direction of the first laminated structure .
본 발명의 실시예들에 따르면, 질화갈륨계 버퍼층이 제1 적층구조와 제2 적층구조 사이에 계면을 가짐으로써 광의 방출방향을 제어할 수 있으며, 또한 광이 내부 전반사에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있어 발광효율을 향상시킬 수 있다.According to the embodiments of the present invention, the gallium nitride based buffer layer has an interface between the first laminated structure and the second laminated structure, so that the direction of light emission can be controlled and also the light can be prevented from being lost by total internal reflection And the luminous efficiency can be improved.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 버퍼층(53)을 갖는 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 상기 질화갈륨계 버퍼층(53)을 확대도시한 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode having a gallium
도 2를 참조하면, 상기 발광 다이오드는 기판(51), 버퍼층(53), 언도프트 GaN층(55), N형 반도체층(57), 활성층(59) 및 P형 반도체층(61)을 포함한다.2, the light emitting diode includes a
기판(51)은 질화갈륨계 에피층들을 성장시키기에 적합한 기판이면 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 사파이어, 탄화실리콘(SiC), 스피넬 등의 기판일 수 있다.The
버퍼층(53)은 제1 적층구조(52), 제2 적층구조(54) 및 이들 사이의 계면들(53s)을 포함한다. 제1 적층구조(52)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 조성비가 서로 다른 복수개의 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층들(52a, 52b, 52c, 52d, 52d)을 포함한다. 기판(51)으로부터 멀어질수록 상기 복수개의 층들의 Al의 조성비는 순차적으로 감 소할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, Al의 조성비는 기판으로부터 멀어짐에 따라 증가하다가 감소될 수 있으며, 불규칙하게 뒤섞여 있을 수도 있다.The
상기 버퍼층(53)은 식각된 측면들을 포함하며, 상기 식각된 측면들이 제1 적층구조와(52)와 제2 적층구조(54) 사이의 계면(53s)을 형성한다. 식각된 측면들은 복수개의 AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 층들을 성장시킨 후, 이들 층들의 일부분을 식각에 의해 제거함으로써 형성되며, 이들 측면들은, 도시된 바와 같이, 경사지게 형성된다.The
제2 적층구조(54)는 조성비가 서로 다른 복수개의 AlyGa1 - yN(0≤y≤1) 층들(54a, 54b, 54c, 54d, 54e)을 포함하고, 상기 제1 적층구조(52)의 식각된 측면들 에 접하여 형성된다. 따라서, 제1 적층구조(52)와 제2 적층구조(54) 사이에 계면들(53s)이 형성된다.The
상기 계면들(53s) 중 적어도 일부는 서로 다른 조성비를 갖는 층에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 적층구조(52)의 제1층(52a), 제2층(52b), 제3층(52c), 제4층(52d), 또는 제5층(52e)은 각각 제2 적층구조(54)의 제1층(54a), 제2층(54b), 제3층(54c), 제4층(54d), 또는 제5층(54e)과 그 조성비가 다를 수 있다. 바람직하게, 상기 계면들(53s)은 서로 다른 층들에 의해 형성될 수 있다.At least some of the
서로 다른 조성비를 갖는 층들에 의해 형성된 계면들은 그 계면들로 입사된 광에 대해 굴절률이 바뀌고 따라서 광을 반사 및/또는 굴절시킬 수 있다. 이에 따라, 광의 진행 경로를 변경함으로써 광의 방출 방향을 제어할 수 있으며, 또한 광이 내부 전반사를 반복하여 손실되는 것을 감소시킬 수 있다.The interfaces formed by the layers having different composition ratios can change the refractive index with respect to the light incident on the interfaces and thus reflect and / or refract light. Accordingly, it is possible to control the direction of light emission by changing the traveling path of light, and it is also possible to reduce the loss of repeated total internal reflection of light.
상기 버퍼층(53) 상에 질화갈륨 계열의 에피층들로 형성된 N형 반도체층(57), 활성층(59) 및 P형 반도체층(61)이 위치하며, 상기 에피층들과 버퍼층(53) 사이에 언도프트 GaN층(55)이 개재될 수 있다. 이들 에피층들의 순서는 특별히 제한되지 않으며, 또한 언도프트 GaN층(55)은 상기 에피층들 내에 발생될 수 있는 결함을 감소시키기 위한 것으로, 도핑된 층으로 형성될 수도 있다.An N-
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 버퍼층(53)을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.4 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of forming the gallium
도 4를 참조하면, 기판(51) 상에 조성비가 서로 다른 복수개의 AlxGa1-xN(0≤x≤1) 층들을 포함하는 예비 버퍼층(63)을 형성한다. 기판(51)은 질화갈륨계 에피층들을 성장시키기에 적합한 기판이면 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 사파이어, 탄화실리콘(SiC), 스피넬 등의 기판일 수 있다.Referring to FIG. 4, a
예비 버퍼층(63)은 MOCVD 또는 MBE를 이용하여 형성될 수 있으며, Al과 Ga의 소스 유량을 조절하여 AlxGa1-xN(0≤x≤1) 층들의 조성비를 조절할 수 있다. 상기 예비 버퍼층(63)의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대 약 1 um의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.The
상기 예비 버퍼층(63) 상에 마스크(65)가 형성된다. 상기 마스크는 실리콘 산화층과 갖은 절연층 및/또는 포토레지스트로 형성될 수 있으며, 마스크가 형성되지 않은 부분에 예비 버퍼층(63)이 노출된다.A
도 5를 참조하면, 상기 마스크(65)를 식각마스크로 사용하여 상기 예비 버퍼층(63)의 일부를 식각한다. 이때 상기 마스크(65)의 패턴 형상 또는 식각 기술을 이용하여 예비 버퍼층(63)을 경사지게 식각할 수 있다. 이에 따라, 식각된 측면들을 갖는 제1 적층구조(52)가 형성된다.Referring to FIG. 5, a part of the
예비 버퍼층(63)은 기판(51)이 노출될 때까지 식각되어 기판(51)의 영역들이 노출될 수 있다. 이와 달리 기판(51)이 노출되기 전에 예비 버퍼층의 식각 공정이 중단될 수도 있다.The
도 5에서 하나의 제1 적층구조(52)를 예시하고 있으나, 일반적으로, 하나의 기판 상에 복수개의 발광 다이오드들이 형성되므로, 기판(51) 상에 복수개의 제1 적층구조(52)들이 형성된다. 이때, 식각된 부분의 바닥면은 평평할 수 있다.5, a plurality of
도 6을 참조하면, 상기 식각된 부분에 조성비가 서로 다른 복수개의 AlyGa1 -yN(0≤y≤1) 층들을 성장시키어 상기 식각된 측면들에 접하는 제2 적층구조(53)를 형성한다.Referring to FIG. 6, a
상기 마스크(65)는 제2 적층구조(53)를 형성하기 전에 제거될 수 있으며, 또는 제2 적층구조(53)를 형성한 후에 제거될 수도 있다.The
제2 적층구조(53)는 기판(51) 상에서 식각된 부분을 채워 제1 적층구조(52)와 계면을 이룬다. 또한, 상기 제2 적층구조(53)의 일부는 상기 제1 적층구조(52)를 덮을 수도 있다.The second stacking
상기 제2 적층구조(53) 또한 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 특히 측면 성장이 우세한 2차원 성장 조건에 의해 성장될 수 있으며, 이에 따라 버퍼층(53)이 완성된다.The
그 후, 버퍼층(53) 상에 질화갈륨계 에피층들이 성장되어 도 2의 발광 다이오드가 제조될 수 있다. 상기 에피층들은 예컨대, N형 반도체층(57), 활성층(59) 및 P형 반도체층(61)을 포함한다.Thereafter, gallium nitride epitaxial layers are grown on the
또한, 상기 에피층들(57, 59, 61)을 성장시키기 전, 언도프트 또는 도핑된 GaN층(55)을 추가로 성장시킬 수 있다. GaN층(55)은 버퍼층(53)의 결정결함이 에피층들(57, 59, 61)로 전사되는 것을 완화시킨다.Further, an undoped or doped
도 1은 종래기술에 따른 버퍼층을 갖는 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode having a buffer layer according to the prior art.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 버퍼층을 갖는 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode having a gallium nitride buffer layer according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 질화갈륨계 버퍼층을 확대도시한 단면도이다.FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the gallium nitride buffer layer of FIG. 2. FIG.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨계 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.4 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of forming a gallium nitride buffer layer according to an embodiment of the present invention.
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KR20090070259A (en) | 2009-07-01 |
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