KR100916297B1 - 비평면의 ｐ형 화합물 반도체 형성방법 및 화합물 반도체발광소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광소자에 있어서 내부에 비평면의 p형 화합물 반도체층을 형성하는 방법 및 그러한 p형 화합물 반도체층을 가지는 화합물 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 위에 n형 화합물 반도체층 및 활성층을 순차로 형성하는 단계 및 반응온도, 반응시간, 반응가스의 유입량 및 p형 불순물 원료 소스의 유입량을 조절하여 비평면의 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 화합물 반도체 발광소자를 제조함에 있어서, 최상위의 p형 반도체층의 일면을 비평면층으로 패터닝하여 광추출 효율을 높임과 동시에 에피 박막층의 증착공정의 단일 공정을 통해 비평면층을 형성시킬 수 있어 공정상 경제적이므로 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
화합물 반도체, 발광소자, 비평면, p형 화합물 반도체층, 에피 박막층
Description
본 발명은 발광소자에 있어서 내부에 비평면의 p형 화합물 반도체층을 형성하는 방법 및 그러한 p형 화합물 반도체층을 가지는 화합물 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 질화물계 반도체 발광소자를 제조함에 있어서 p형 반도체층, 즉 p형 도전층의 비평면층 패턴을 형성시켜 광추출 효율을 높이는 방법에 대한 것이다.
본 발명은 화합물 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서 에피 박막층의 증착 공정이라는 단일 공정을 통해 비평면층을 형성시킬 수 있어 간편한 제조방법을 제공하고, 이를 통해 광추출 효율이 높으면서도 제조단가의 비용이 저렴한 발광소자를 얻을 수 있는 경제적인 발광소자의 생산 방법에 관한 것이다.
본 발명은 발광소자에 있어서 내부에 비평면의 p형 화합물 반도체층을 형성하는 방법 및 그러한 p형 화합물 반도체층을 가지는 화합물 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광소자인 발광다이오드(Light Emitting Diode: 이하 LED라고 함)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데, 사용되는 반도체의 일종으로 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종자동화 기기 등에 사용된다.
상기 LED의 동작원리는 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 양극과 음극(Positive-negative)의 접합(junction)부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데, 전자와 정공의 결합에 의하여 에너지 준위가 떨어져 빛이 방출되는 것이다.
또한, LED는 보편적으로 0.25㎟로 매우 작은 크기로 제작되며, 에폭시 몰드와 리드 프레임 및 PCB에 실장된 구조를 하고 있다. 현재 가장 보편적으로 사용하는 LED는 5㎜(T 1 3/4) 플라스틱 패키지(Package)나 특정 응용 분야에 따라 새로운 형태의 패키지를 개발하고 있다. LED에서 방출하는 빛의 색깔은 반도체 칩 구성원소의 배합에 따라 파장을 만들며 이러한 파장이 빛의 색깔을 결정짓는다.
특히, LED는 정보 통신 기기의 소형화, 슬림화(slim) 추세에 따라 기기의 각종 부품인 저항, 콘덴서, 노이즈 필터 등은 더욱 소형화되고 있으며 PCB(Printed Circuit Board: 이하 PCB라고 함) 기판에 직접 장착하기 위하여 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있다.
이러한 발광소자 즉, LED의 효율에 있어서 주로 중점적으로 연구되는 것은 LED의 발광부에서 생성된 빛이 내부 전반사에 의하지 않고 효과적으로 외부로 방출되는 광추출효율의 향상에 관한 것이다.
최근 들어 발광소자의 원료로서 화합물 반도체, 특히 질화물 반도체 박막을 적층한 화합물 반도체 발광소자의 개발이 본격화되고 있다.
일반적으로, 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하여 풀 컬러 구현을 가능하게 한 고출력 광소자로 알려져 있다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 질화알루미늄인듐갈륨(AlxInyGa(1-x-y)N) 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 단결정으로 제조된다.
화합물 반도체 발광소자의 광추출 효율을 개선하기 위한 여러 방법들이 시도되고 있는 가운데, 광 발생층인 각 박막층의 표면의 유효면적을 증가시켜 효율을 향상시키거나 반사막층을 형성하여 효율을 개선시키는 등의 연구가 진행되고 있다.
광추출 효율을 개선하기 위한 광 발생층의 유효면적을 증가시키기 위한 방법들로는 700℃ 내지 900℃ 정도의 저온에서 p-형 질화갈륨(GaN)층을 성장하는 방법이 있고, 고온에서의 p-형 클래드 성장 후 700℃ 내지 900℃로 낮추어 질화인듐갈륨(InGaN) 또는 질화알루미늄인듐갈륨(AlInGaN)을 200~3000Å 성장한 후 1000℃ 이상 증가시켜 표면층의 인듐(In) 조성의 불균일(증발)로 인한 굴곡을 형성하는 방법이 있다.
또한 p-형 질화갈륨(GaN)층 상에 질화알루미늄인듐갈륨(AlInGaN)층을 형성한 후 산화규소나 질화규소막을 형성하여 선택적으로 사진 식각하는 방법 등이 개시된 바 있다.
이러한 경우는 비평면 형상의 p-형 질화갈륨층을 성장하기 위해 이전 단계의 고온 공정조건에서 온도를 낮추어 안정화시키는 공정 조건이 필요하게 되므로 온도 보정에 따른 추가적인 공정시간이 필요하게 되므로 공정이 복잡해지는 문제가 있으며 이로 인한 제반 생산비용이 증가될 수 있다.
본 발명의 목적은 화합물 반도체 발광소자의 제조 시 에피 박막 증착 공정에서 고온에서의 단일공정을 통해 비평면층의 p형 반도체층을 형성하고 이러한 p형 반도체층이 포함되는 발광소자를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 단일 공정을 통해 p형 반도체층의 표면을 비평면층으로 형성하여 이를 통해 광추출 효율이 개선된 발광소자를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 비평면의 p형 화합물 반도체 형성방법은 기판 위에 n형 화합물 반도체층 및 활성층을 순차로 형성하는 단계, 및 반응온도, 반응시간, 반응가스의 유입량 및 p형 불순물 원료 소스의 유입량을 조절하여 비평면의 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 화합물 반도체층의 원료는 특별히 한정하지 않으나, 질소가 포함된 2원자계 또는 3원자계 Ⅲ-Ⅴ족 반도체로 구성될 수 있다.
특히 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화알루미늄인듐갈륨(AlInGaN) 등의 물질을 이용하여 박막을 성장시킬 수 있다.
화합물 반도체층과 활성층 등의 박막 증착법은 당업자라면 공지의 방법 중에 서 선택할 수 있으며 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 유기금속화학기상증착법 또는 분자선 에피택시법을 사용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 반응온도는 950℃ 내지 1050℃ 일 수 있다.
또한 반응시간은 특별히 한정되지 않으나 바람직하게는 1분 내지 30분일 수 있다.
본 발명에서, 상기 반응가스는 수소(H2)가스 또는 암모니아(NH3)가스일 수 있다.
또한 상기 p형 불순물 원료 소스는 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 붕소(B), 인듐(In)으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 물질일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 화합물 반도체 발광소자의 제조방법은 기판 상에 n형 화합물 반도체층, 활성층을 순차적으로 성장시키는 단계, 및 상기 활성층 위에 p형 화합물 반도체층의 표면이 비평면이 되도록 950℃ 내지 1050℃의 온도에서 수소(H2)가스 또는 암모니아(NH3)가스의 유입량 및 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga) 소스의 유입량을 조절하여 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 화합물 반도체는 질화물계 반도체일 수 있으며, 바람직하게는 질화갈륨계 반도체일 수 있다.
본 발명의 화합물 반도체 발광소자는 상위층의 p형 반도체층을 비평면층 패턴을 형성시켜 효율을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다. 이러한 비평면층을 형 성시키게 되면 이를 통해 광자들이 외부로 빠져나오는 탈출콘의 확장효과를 가지게 된다. 이에 화합물 반도체 발광소자의 제조 시 에피 박막증착 공정에서 단일공정을 통한 비평면층을 형성시키는 것이다.
화합물 반도체 발광소자의 단면도는 사파이어 기판상에 n형 화합물 반도체층, 활성층 및 p형 화합물 반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 또한, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층에 n측 및 p측 전극이 각각 형성될 수 있다.
이러한 화합물 반도체 발광소자에서, p형 화합물 반도체층은 추가적으로 p형 불순물을 활성화시키는 공정이 요구된다. 각각의 화합물 반도체층은 기상에피택시법 중 하나인 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)을 이용하여 트리메틸갈륨, 트리메틸알루미늄 등의 반응가스를 주입하여 성장되는데, p형 질화물 반도체층의 Mg, B, Al, Ga, In과 같은 p형 불순물은 분위기가스인 암모니아의 수소와 쉽게 결합하는 성질을 갖는다. 이로 인해, 불순물의 이동도가 떨어지고 결과적으로 소자의 구동전압이 증가하는 문제를 야기한다. 따라서, 반응가스인 암모니아 또는 수소의 유입량과 p형 불순물의 유입량의 조절을 통해 p형 도전층의 p형 불순물을 전기적으로 활성화시킨다.
p형 도전층은 p형 화합물 반도체층을 의미하는 것으로 정의한다.
본 발명에서 p형 도전층을 형성하는 공정을 통해 단일 공정으로 표면의 비평면화를 유도하여 p형 불순물을 전기적으로 활성화시킴과 동시에 광추출의 효율을 개선한다.
비평면층의 p형 질화갈륨 성장을 위해 본 발명에서는 Mg 및 NH3와 H2 분위기의 적절한 조합을 기본으로 하며, 성장온도의 경우 바람직하게는 1000℃ 및 1040℃에서 성장할 수 있다.
마그네슘 액적(Mg droplet)에 의한 러프닝(roughening) 효과를 위해 Mg rich 분위기를 유지하는 시간을 주는 것을 주요한 공정 조건으로 하여 성장할 수 있다.
Mg rich 분위기를 위한 Mg과 H2의 공급 시간을 0, 5, 15, 20, 25, 30, 40, 60초 등으로 변화시켜가며 성장한 경우 비평면층 p형 질화갈륨층의 AFM 분석을 통해 얻어진 Ra 값을 보면 20초간 Mg과 H2 분위기를 유지했을 때가 가장 Ra 값이 증가하는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면 고온에서 성장된 효과적인 비평면을 가지는 p형 반도체층의 패턴을 형성하여 탈출콘의 확장을 통한 광추출 효율의 증가로 인하여 화합물 반도체 발광소자의 광학적 특성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비평면 p형 반도체층을 포함하는 발광소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 위에 광을 방출하는 발광부로서 n형 반도체층(140), 활성층(160) 및 p형 반도체층(180)을 두고 있으며, 이들 발광부들은 특히 화합물 반도체 박막으로 이루어질 수 있다.
기판과 화합물 반도체 박막의 접촉저항을 줄이기 위하여 그 사이에 버퍼층(120)을 추가로 더 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 가장 최상위의 p형 반도체층의 표면은 생성된 광을 효율적으로 외부로 방출하기 위하여 비평면층으로 형성하여 유효면적을 증가시킨다.
p형 반도체층(180)의 표면부의 비평면층의 단면은 특정한 형태로 한정되지 않으며 p형 반도체층을 형성할 때 p형 불순물 원료 가스 소스의 유입량, 이들 소스와 반응하는 가스의 유입량, 반응시 온도 및 반응시간 등의 변수를 조정하여 비평면층으로 형성할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 위에 버퍼층, 및 n형 화합물 반도체층, 활성층을 순차적으로 적층한 후 최상위에 화합물 반도체 박막을 증착 한다.
상기 최상위의 화합물 반도체 박막을 p형으로 도핑시키는 p형 불순물 원료로서 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga)가스의 유입량을 자동 유량 공급 조절 장치를 이용하여 조절한다.
이때의 반응가스인 암모니아 또는 수소는 그 양을 자동 유량 공급 조절 장치로 유입하여 조절하고 이를 통해 상기 p형 반도체층의 표면에 요철구조를 형성한다.
상기의 반응시간과 반응온도는 각각 1000~1040℃에서 수분 동안 수행한다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비평면 p형 반도체층을 포함하는 발광소자의 단면도.
{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}
100 : 기판 120 : 버퍼층
140 : n형 반도체층 160 : 활성층
180 : 비평면 p형 반도체층
Claims (6)
- 기판 위에 n형 화합물 반도체층 및 활성층을 순차로 형성하는 단계; 및950℃ 내지 1050℃의 온도에서 5초 내지 60초의 시간 동안, p형 불순물 원료 소스와 수소(H2)가스 및 암모니아(NH3)가스 중 어느 하나의 반응가스를 반응시켜 비평면의 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 비평면의 p형 화합물 반도체 형성방법.
- 제 1항에 있어서,상기 온도는 1000℃ 내지 1040℃인 것을 특징으로 하는 비평면의 p형 화합물 반도체 형성방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 p형 불순물 원료 소스는 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 붕소(B), 인듐(In)으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 비평면의 p형 화합물 반도체 형성방법.
- 삭제
- 기판 상에 n형 화합물 반도체층, 활성층을 순차적으로 성장시키는 단계; 및950℃ 내지 1050℃의 온도에서 5초 내지 60초의 시간동안, 수소(H2)가스 및 암모니아(NH3)가스 중 어느 하나의 반응가스와 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga) 소스를 반응시켜 상기 활성층 위에 표면이 비평면인 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하는 화합물 반도체 발광소자의 제조방법.
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