KR20100093982A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판 위에 형성된 천이금속 규소화합물을 이용한 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 복수의 3족-5족 화합물 반도체층을 포함한다.
반도체, 발광소자

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof}
실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다. 이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD는 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
실시 예는 기판 위에 천이금속 규소화합물을 이용한 버퍼층을 형성시키고, 그 위에 화합물 반도체층을 형성하는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예는 단결정의 천이금속 규소화합물에 의해 기판과 화합물 반도체층 간의 격자 결함을 개선시켜 줄 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판 위에 형성된 천이금속 규소화합물을 이용한 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 복수의 3족-5족 화합물 반도체층을 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 천이금속 규소화합물을 이용한 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 위에 복수의 3족-5족 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시 예는 화합물 반도체층의 격자 결함을 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예는 기판 위에 단결정의 천이금속 규소화합물을 형성시켜 줌으로써, 화합물 반도체층과 기판 간의 스트레인을 줄여줄 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 이러한 실시 예를 설명함에 있어서, 각 층의 위 또는 아래에 대한 정의는 각 도면을 기준으로 설명하기로 하며, 각 구성 요소의 두께는 일 예이며 도면을 기준으로 한정하지는 않는다.
도 1은 제1실시 예에 따른 반도체 발광소자의 측 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(112), 언도프 드 반도체층(120), 제1도전형 반도체층(131), 활성층(133), 제2도전형 반도체층(135)을 포함한다.
상기 기판(110)은 사파이어 기판(Al203) 및 유리와 같은 투과성 기판을 포함할 수 있다. 또한 상기 기판(110)은 GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 그리고 GaAs, 도전성 기판 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 그 상면은 요철 패턴이 형성될 수도 있다.
상기 기판(110) 위에는 버퍼층(112)이 형성되며, 상기 버퍼층(112)은 천이금속 규소화합물로 형성될 수 있으며, 예컨대 ReSi02 또는 MOSi02 박막으로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(112)의 결정 구조는 사방결정(tetragonal crystal) 또는 단사결정(monoclinic crystal) 등의 단결정으로 이루어진다.
여기서, 상기 기판(110) 위에 버퍼층(112)를 형성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
상기 기판(110) 위에 천이금속규소화합물의 소스 예컨대, Re 소스 또는 Mo 소스와 Si 소스를 동시에 스퍼터링(co-sputtering)하여 천이금속 규소화합물 박막으로 형성하게 된다. 이때 상기 천이금속 규소화합물의 두께는 10nm~200nm 정도로 형성될 수 있으며, 비결정질 박막으로 이루어진다.
그리고, 상기 비결정질의 천이금속 규소화합물 박막을 고온에서 열처리를 하면 결정화가 이루어지게 된다. 상기 열 처리 온도는 900~1200℃에서 수행될 수 있다. 상기 열 처리된 상기 천이금속 규소화합물 박막은 사방결정(tetragonal crystal) 또는 단사결정(monoclinic crystal) 등의 단결정의 버퍼층(112)으로 이루어진다. 상기 단결정의 버퍼층(112)은 ReSi02 또는 MOSi02 박막으로 제조될 수 있다.
상기 버퍼층(112) 위에는 복수의 3족-5족 화합물 반도체층이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 화합물 반도체층의 성장 장비는 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등에 의해 형성할 수 있으며, 이러한 장비로 한정하지는 않는다.
상기 천이금소 규소화합물을 이용한 버퍼층(112) 위에 3족-5족 화합물 반도체층이 형성되면, 상기 화합물 반도체층은 상기 버퍼층(112)에 의해 결정 결함이 줄어들 수 있고, 또한 기판(110)과의 격자 결함에 의한 스트레인을 줄일 수 있다. 이러한 격자 결함의 개선이 가능하기 때문에 실리콘 웨이퍼와 같은 기판(110)을 사용할 수 있어, 기판 선택에 대한 제한이 개선될 수 있다.
상기 천이금소 규소화합물을 이용한 버퍼층(112) 위에는 언도프드 반도체층(120)이 형성되며, 상기 언도프드 반도체층(120)은 undoped GaN계층으로 구현될 수 있다. 상기 언도프드 반도체층(120)은 형성하지 않을 수 있다.
상기 언도프드 반도체층(120) 위에는 제1도전형 반도체층(131)이 형성된다. 상기 제 1도전형 반도체층(131)은 제1도전형 도펀트가 도핑된 N형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 N형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn , Se, Te 등을 포함한다.
상기 제 1도전형 반도체층(131) 위에는 활성층(133)이 형성되며, 상기 활성층(133)은 단일 또는 다중 양자우물 구조로 형성되는 데, 예컨대, InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하여, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층(133)은 발광 재료에 따라 양자 우물층 및 양자 장벽층의 재료가 달라질 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 활성층(133)의 위 또는/및 아래에는 클래드층이 형성될 수도 있다.
상기 활성층(133) 위에는 제 2도전형 반도체층(135)이 형성되며, 상기 제 2도전형 반도체층(135)은 제2도전형 도펀트가 도핑된 P형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 P형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Be, Zn 등을 포함한다.
상기 제1도전형 반도체층(131), 활성층(133) 및 제2도전형 반도체층(135)은 발광 구조물(130)로 정의될 수 있다. 상기 제2도전형 반도체층(135) 위에는 제1도전형 도펀트가 도핑된 반도체층(이하, 제3도전형 반도체층) 예컨대, 상기 제1도전형 반도체층(131)과 동일 극성의 반도체층이 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 발광 구조물은 상기의 N-P 접합 구조뿐만 아니라, P-N 접합, N-P-N 접합, P-N-P 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 3족-5족 화합물 반도체층(120,131,133,135)의 각 층 위 또는/ 및 아래에는 다른 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한 상기 제2도전형 반도체층(135) 또는 제3도전형 반도체층 위에는 투명전극층 또는 반사 전극층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 2는 도 1을 이용한 수평형 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다. 상기 도2를 설명함에 있어서, 도 1과 동일 구성 요소에 대해서는 도 1을 참조하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 반도체 발광소자(101)는 메사 에칭하여 제1도전형 반도체층(131) 위에 제1전극(171)을 형성하고, 제2도전형 반도체층(135) 또는/및 투명전극층(미도시) 위에 제2전극(175)를 형성시켜 줄 수 있다.
도 3 내지 도 5는 도 1을 이용한 수직형 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면이다. 상기 수직형 반도체 발광소자를 설명함에 있어서, 도 1과 동일 구성 요소에 대해서는 도 1을 참조하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 기판(110) 위에 천이금속 규소화합물을 이용한 단결정의 버퍼층(112)을 형성하고, 상기 단결정의 버퍼층(112)에 의해 격자 결함이 줄어든 3족-5족 화합물 반도체층(120,131,133,135)이 적층되면, 수직형 반도체 발광소자를 제조할 수 있다.
3족-5족 화합물 반도체층의 최상층인 제2도전형 반도체층(135) 위에 전극층(140)을 형성하고, 상기 전극층(140)은 반사전극 물질 예컨대, Al, Ag, Pd, Rh, Pt, Ir 등을 포함하며, 상기 전극층(140) 위에 전도성 지지부재(150)을 형성하게 된다. 상기 전도성 지지부재(150)은 구리, 금, 캐리어 웨이퍼(예: Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 등) 등으로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 전도성 지지부재(150)가 형성되면, 상기 기판(110) 및 버퍼층(112)을 제거하게 된다. 상기 기판(110)은 레이저를 이용하여 분리 방식(LLO : Laser Lift Off)을 이용하여 분리시킬 수 있으며, 상기 버퍼층(112)을 습식 또는/및 건식 에칭 방식으로 제거할 수 있다. 또한 상기 버퍼층(112)에 직접 습식 액을 주입하여 상기 기판(110) 및 버퍼층(112)을 제거할 수 있으며, 이러한 방식에 대해 한정하지는 않는다.
도 5를 참조하면, 상기 제1도전형 반도체층(131) 아래에 제1전극(171)을 형성하게 된다.
실시 예는 기판 위에 천이금소 규소화합물을 이용한 버퍼층(112)을 형성한 후, 상기 버퍼층(112) 위에 3족-5족 화합물 반도체층이 형성할 수 있다. 이때의 화합물 반도체층은 기판(110)과의 격자 결함이 개선되므로, 소자로 사용될 때 스트레인 감소로 인해 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명의 실시 예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다.
도 2는 도 1을 이용한 수평형 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 1을 이용한 수직형 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면이다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 천이금속 규소화합물을 이용한 버퍼층;
    상기 버퍼층 위에 복수의 3족-5족 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 ReSiO2 또는 MOSi02를 포함하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 정방결정(tetragonal crystal) 또는 단사결정(monoclinic crystal)을 포함하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은 상기 버퍼층 위에 형성된 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층 위에 형성된 활성층 및 상기 활성층 위에 형성된 제2도전형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 버퍼층과 상기 제1도전형 반도체층 사이에 형성된 언도프드 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2도전형 반도체층 위에 제1도전형 도펀트가 도핑된 반도체층 및 투명전극층, 제2전극 부재 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
  7. 기판 위에 천이금속 규소화합물을 이용한 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 위에 복수의 3족-5족 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층 형성 단계는, Re 소스 또는 Mo소스와 Si소스를 상기 기판 위에 금속 규소화합물 박막으로 증착하는 단계; 상기 증착된 금속 규소화합물 박막을 열 처리하여 단결정의 버퍼층으로 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 규소화합물 박막은 비결정질이며 900~1310℃에서의 열 처리되면 단결정으로 변화되는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층은 ReSiO2 또는 MOSi02를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은 상기 버퍼층 위에 제1도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1도전형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 제2도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 버퍼층과 상기 제1도전형 반도체층 사이에 언도프드 반도체층을 형성하고,
    상기 제2도전형 반도체층 위에 제1도전형 도펀트가 도핑된 반도체층, 투명전극층 및 제2전극 부재 중 적어도 하나를 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
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