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KR100682873B1 - 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100682873B1
KR100682873B1 KR1020040114343A KR20040114343A KR100682873B1 KR 100682873 B1 KR100682873 B1 KR 100682873B1 KR 1020040114343 A KR1020040114343 A KR 1020040114343A KR 20040114343 A KR20040114343 A KR 20040114343A KR 100682873 B1 KR100682873 B1 KR 100682873B1
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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, (가) 기판 상에 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층을 순차적으로 형성시키는 단계; (나) 상기 제 2반도체층 상의 일부 영역에 in-situ로 간헐적으로 상기 제 2반도체층의 표면을 개구한 마스크층을 증착하는 단계; 및 (다) 상기 제 2반도체층 및 상기 마스크층 상에 반도체 물질을 증착하여 상기 제 2반도체층 상에 요철 구조의 제 3반도체층을 선택적으로 성장시키는 단계;를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 반도체 발광 소자를 제공한다.

Description

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{Semiconductor emitting device and manufacturing method for the same}
도 1a는 굴절률이 서로 다른 물질들이 평탄한 계면을 지닌 경우 광이 방출되는 것을 나타낸 도면이다.
도 1b는 굴절률이 서로 다른 물질들이 요철 계면을 지닌 경우 광이 방출되는 것을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 의한 요철 구조를 지닌 질화물 반도체 발광 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 의한 질화물 반도체 발광 소자를 나타내며, 도 3b는 광추출 효율을 향상시키기 위한 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 의한 질화물 반도체 발광 소자의 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 4d는 도 4a 내지 도 4c에 의해 제조된 본 발명의 실시예에 의한 질화물 반도체 발광 소자의 제조 공정에 의해 제조된 요철 구조에 대한 SEM 사진이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 물질층 12... 공기층
13a... 평탄한 계면 13b... 요철 계면
21... 하부 구조체 22... p-전극
23... p-GaN층 24... InGaN 활성층
25... n-GaN층 26... n-전극
27... 요철 구조 30... 기판
31... 제 1반도체층 32... 활성층
33... 제 2반도체층 34... 마스크층
35... 제 3반도체층 36... 투명 전극
37... 제 1전극 38... 제 2전극
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 보다 상세하게는, 질화물 반도체 구조의 반도체층에 in-situ로 요철 구조를 형성시켜 광추출 효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
여기서 발광 소자(light emitting diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여, 전기 에너지를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태를 발신하는데 사용되는 소자이다. 전기 에너지를 광 에너지로 변환시키는 것은 크게 온도 복사 및 발광(luminescence)의 두가지로 구별된다. 이때, 발광에는 광에 의한 여기에 따른 photo luminescence, x 선이나 전자선의 조사로 인해 발생하는 cathode luminescence 및 EL(electro luminescence) 등이 있다. 여기서 발광 다이오드는 EL 의 일종이며, 현재 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드가 실용화 되고 있다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 직접천이형 반도체이며, 다른 반도체를 이용한 소자보다 고온에서 안정된 동작을 얻을 수 있어서, 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드(laser diode : LD) 등의 발광 소자에 널리 응용되고 있다. 이와 같은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 통상 사파이어(sapphire : Al2O3) 또는 SiC를 기판으로 이용하여 그 위에 형성되는 것이 일반적이며, 발광 효율, 즉 광의 추출 효율의 향상시키기 위하여 다양한 구조의 발광 다이오드에 관한 연구가 진행되고 있다. 그중 한가지가 발광 다이오드의 활성층 상부의 반도체층에 요철 구조를 형성시켜 광 추출 효율을 향상시키고자 하는 연구가 진행되고 있다.
도 1a 및 도 1b에는 서로 다른 굴절율을 지닌 물질층들의 계면에서 광의 진행 방향을 설명하기 위한 도면이다. 도 1a에서는 평탄한 계면을 지닌 구조를 나타내었으며, 도 1b에서는 요철(texturing) 계면을 지닌 구조를 나타낸 것이다.
도 1a를 참조하면, 큰 굴절률을 지닌 물질층(11)으로부터 그 보다 작은 굴절률(n = 1)을 지닌 공기층(12)으로 광이 진행되고자 하는 경우 소정 각도 이상으로 평탄한 계면(13a)에 입사해야 한다. 소정 각도 이하로 입사하는 경우 평탄한 계면(13b)에서 전반사가 되어 광 추출 효율이 크게 감소하게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 계면의 구조를 비평탄화 하는 방법이 시도되었다.
도 1b를 참조하면, 제 1물질층(11)과 공기층(12) 사이 계면에 평탄하지 않은 요철 구조 계면(13b)를 형성시켰다. 따라서, 제 1물질층(11)으로부터 공기층(12)으로 입사하는 위치의 요철 구조 계면(13b)에서 소정 각도 이상의 입사 각을 지니도록 하여 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
도 2a는 상술한 바와 같은 요철 구조를 채용한 발광 소자의 단면을 나타낸 도면이다. 하부 구조체(21) 상에 p-전극(22), p-GaN층(23), InGaN 활성층(24), n-GaN층(25) 및 n-전극(26)이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서, n-GaN층(25)의 표면에 요철 구조(27)가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 요철 구조(27)는 GaN이 상술한 바와 같이 공기층(n = 1)보다 높은 굴절률(n = 2.5)을 지니므로, 활성층(24)에서 발생한 광을 n-GaN층(25)을 통해 공기층으로 용이하게 추출하기 위해 입사 각을 조절하기 위해 형성된 것이다. 도 2b에서는 도 2a의 요철 구조(27)를 나타낸 사진이다. 이와 같은 요철 구조는 H3PO4와 같은 물질을 이용하여 습식 에칭 등에 의해 형성시킨 것이다.
그러나, 종래 기술에서는 요철 구조를 형성시키기 위해서는 반도체 발광 소자의 구조로 형성시키는 공정을 진행한 후 별도의 화학적 에칭 공정을 실시해야 하므로 그 제조 공정이 복잡해지며, 생산 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 반도체 발광 구조체 형성 공정과 광추출 효율을 향상시키기 위한 요철 구조를 형성시키는 공정을 in-situ로 진행하여 반도체 발광 소자 구조체를 형성하는 그 제조 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
(가) 기판 상에 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층을 순차적으로 형성시키는 단계;
(나) 상기 제 2반도체층 상의 일부 영역에 in-situ로 간헐적으로 상기 제 2반도체층의 표면을 개구한 마스크층을 증착하는 단계; 및
(다) 상기 제 2반도체층 및 상기 마스크층 상에 반도체 물질을 증착하여 상기 제 2반도체층 상에 요철 구조의 제 3반도체층을 선택적으로 성장시키는 단계;를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계의 상기 마스크층은 상기 제 2반도체층 상에 Si 소스 및 N 소스를 투입하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 Si 소스는 TESi, TBSi, SiH4 또는 Si2H6중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 N 소스는 NH3를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1반도체층은 n형 반도체 물질로 형성시키며, 상기 제 2반도체층은 p형 반도체 물질로 형성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가), (나) 및 (다) 단계는 MOCVD 또는 MBE 공정에 의해 실시할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자에 있어서,
상기 제 2반도체층 표면의 일부 영역에 형성된 것으로 불규칙적으로 상기 제 2반도체층의 표면을 개구하며 형성된 마스크층; 및
상기 마스크층의 개구된 영역 내의 상기 제 2반도체층 표면에 요철 구조로 형성된 제 3반도체층;을 포함하는 것을 반도체 발광 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 마스크층은 SixNy를 물질을 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 광추출 효율이 향상된 반도체 발광 소자에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 의한 광추출 효율이 향상된 반도체 발광 소자를 나타낸 것이며, 도 3b는 특히, 광추출 효율을 향상시키기 위한 요철 구조 영역을 나타낸 도면이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 기판(30) 상에 제 1반도체층(31), 활성층(32) 및 제 2반도체층(33)이 순차적으로 형성되어 있다. 제 2반도체층(33) 상의 일부 영역에는 마스크층(34)이 형성되어 있다. 그리고, 마스크층(34)이 형성되지 않은 제 2반도체층(33) 상에는 제 3반도체층(35)이 형성되어 있다. 또한, 제 3반도체층(35) 상에는 투명 전극(36)이 형성되어 있으며, 투명 전극(36) 상에는 제 1전극(37)이 형성되어 있다. 그리고, 제 1반도체층(31) 상의 활성층(32)이 형성되지 않은 영역에 제 2전극(38)이 형성되어 있다.
여기서, 제 1반도체층(31)이 p형 반도체 물질로 형성된 경우, 제 2반도체층(33) 및 제 3반도체층(35)은 n형 반도체 물질로 형성되어 있다. 그리고, 제 1반도체층(31)이 n형 반도체 물질로 형성된 경우, 제 2반도체층(33) 및 제 3반도체층(35)은 p형 반도체 물질로 형성되어 있다. 제 1반도체층(31), 활성층(32), 제 2반도체층(33) 및 제 3반도체층(35)은 모두 질화물 반도체 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 마스크층(34)은 질화 실리콘으로 형성되며 화학식으로 SixNy로 표현된다.
마스크층(34)이 형성되지 않은 제 2반도체층(33) 상에 제 3반도체층(35)이 형성되어 있는데, 제 3반도체층(35)은 요철 형상을 지닌다. 본 발명의 실시예에 의한 질화물 반도체 발광 소자의 경우, 마스크층(34)을 도입함으로써, 제 3반도체층(35)의 구조가 요철 형태가 되도록 유도하여 반도체 발광 소자의 활성층에서 발생된 광의 요철 구조를 통한 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 광추출 효율이 향상된 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
먼저 도 4a를 참조하면, 기판(30) 상에 제 1반도체층(31), 활성층(32) 및 제 2반도체층(33)을 순차적으로 형성시킨다. 이와 같은 공정은 종래의 일반적인 반도체 발광 소자의 구조를 형성하는 공정인 MOCVD 또는 MBE 등을 이용할 수 있다. MOCVD 장치 내에서 GaAs 기판 또는 사파이어(Al2O3), SiC, Si 또는 GaAs 기판(30)을 사용하여 그 상부에 제 1 반도체층(31)으로 n-GaN을 증착하며, 활성층(32)으로 InGaN을 증착하고, 제 2반도체층(33)으로 p-GaN을 에피탁시 증착을 할 수 있다.
다음으로, 도 4b를 참조하면, 제 2반도체층(33) 상에 마스크층(34)을 형성시킨다. 이때, 마스크층(34)은 제 2반도체층(33) 전면에 형성시키는 것이 아니고, 아일랜드 구조로 제 2반도체층(33) 상부의 일부 영역에 형성시킨다. 마스크층(33)은 도 4a의 반도체 발광 소자를 형성시키는 장치 그대로 이용하며, 바람직하게는 SixNy로 형성시킨다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
MOCVD 장치의 반응 챔버 내에서 제 2반도체층(33)까지 형성시킨 다음, Si 원료 물질과 N 원료 물질을 투입한다. Si 원료 물질은 예를 들어 TESi(TE:thriethyle), TBSi(TE:tributhyle), SiH4 또는 Si2H6를 사용할 수 있다. 그리고, N 원료 물질은 NH3(암모니아)를 사용할 수 있다. MOCVD 장치의 반응 챔버 내에 Si 원료 물질과 N 원료 물질을 투입하면, SiNx가 형성된다. 여기서, 반응 챔버 내에 투입하는 Si 원료 물질과 N 원료 물질의 양을 조절하여 비교적 작은 양을 투입하여 제 2반도체층(33) 상의 일부 영역에만 간헐적으로 SixNy 마스크층(34)이 형성되도록 한다. 마스크층(34)의 두께는 수 모노레이어(mono-layer) 내지 100 nm 정도로 형성시키며, 제 2반도체층(33)에 비해 매우 얇은 두께가 된다. 결과적으로, 제 2반도체층(33) 상의 일부 영역에만 마스크층(34)이 형성되며, 그 외의 영역은 제 2반도체층(33)이 노출된 형태가 된다.
다음으로, 도 4c를 참조하면, 제 2반도체층(33) 상에 제 3반도체층(35)을 증착한다. 여기서, 제 3반도체층(35)은 제 2반도체층(33)의 물질과 동일한 물질로 형 성시킬 수 있으며, 예를 들어 제 2반도체층(33)을 p-GaN으로 형성시키고, 제 3반도체층(35)도 p-GaN으로 형성시킬 수 있다.
제 3반도체층(35)은 제 2반도체층(33)의 표면에서만 에피탁시 성장이 일어나며, SixNy 마스크층(34)에서는 성장이 잘 일어나지 않는다. 즉, 우선 성장면 방향으로 성장이 되며, 그 구조는 도 4c에 나타낸 바와 같이, 마스크층(34)이 형성된 부분에서는 성장이 되지 않으며, 제 2반도체층(33)의 노출 영역에서만 성장이 되어 결과적으로 제 3반도체층(35)은 요철 구조로 성장하는 것을 알 수 있다. 그 성장 형태를 살펴보면, 먼저 노출된 제 2마스크층(33)의 표면에서 상방으로 에피 성장이 되며, 마스크층(34)보다 높은 위치에서는 그 측면으로 에피 성장이 된다. 그리고, 제 3반도체층(35) 상의 일부 영역에 투명 전극(미도시) 등을 형성시키면 반도체 발광 소자를 완성할 수 있다.
도 4c에 나타낸 바와 같은 요철 구조는 종래 기술에 관한 도 2a에 나타낸 요철 구조와 대응되며, 활성층(32)에서 발생하는 광을 발광 소자 외부로의 추출 효율을 향상시키게 된다. 본 발명의 실시예에 의한 추출 효율을 향상시킨 반도체 발광 소자의 제조 방법에서는 제 2반도체층(33) 상의 일부 영역에 SixNy 마스크층(34)을 형성시킴으로써 하나의 공정 장비 내에서 별도의 식각 공정이 없이 간단하게 요철 구조를 형성시킬 수 있다.
도 4d에는 상술한 도 4a 내지 도 4c에 나타낸 제조 공정에 의해 형성된 본 발명에 의한 반도체 발광 소자의 요철 구조의 표면을 SEM으로 촬영한 것을 나타내 었다. 도 4d를 참조하면, 제 2반도체층 상에 제 3반도체층(35)이 형성되어 있으며, 제 2반도체층의 일부 영역에 마스크층(34)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면, 종래 반도체 성장 공정과 별도의 식각 공정을 통하여 형성하였던 요철 구조를 지닌 반도체 발광 소자의 제조 공정을 단순히 하여, 하나의 제조 장비 내에서 반도체 소자의 에피 성장 공정과 결합하여 반도체층에 요철 구조를 형성하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서,
    (가) 기판 상에 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층을 순차적으로 형성시키는 단계;
    (나) 상기 제 2반도체층 상의 일부 영역에 in-situ로 간헐적으로 상기 제 2반도체층의 표면을 개구한 마스크층을 증착하는 단계; 및
    (다) 상기 제 2반도체층 및 상기 마스크층 상에 반도체 물질을 증착하여 상기 제 2반도체층 상에 요철 구조의 제 3반도체층을 선택적으로 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (나) 단계는,
    상기 마스크층은 상기 제 2반도체층 상에 Si 소스 및 N 소스를 투입하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 Si 소스는 TESi, TBSi, SiH4 또는 Si2H6중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 N 소스는 NH3인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1반도체층은 n형 반도체 물질로 형성시키며, 상기 제 2반도체층은 p형 반도체 물질로 형성시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (가), (나) 및 (다) 단계는 MOCVD 또는 MBE 공정에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
  7. 제 1반도체층, 활성층 및 제 2반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자에 있어서,
    상기 제 2반도체층 표면의 일부 영역에 형성된 것으로 불규칙적으로 상기 제 2반도체층의 표면을 개구하며 형성된 마스크층; 및
    상기 마스크층의 개구된 영역 내의 상기 제 2반도체층 표면에 요철 구조로 형성된 제 3반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 마스크층은 SixNy를 물질을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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