KR100837846B1 - 레이저 에너지 흡수 초격자 층을 구비한 질화물 발광소자및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 발광소자의 광방출 효율을 증가시키기 위한 공정인 레이저 리프트오프 공정시 레이저 에너지가 완전하게 흡수되는 저 에너지를 가지는 초격자 층을 구비함으로써 레이저 에너지 흡수에 의한 온도 상승을 억제하고, 초격자 층으로 사용되는 물질의 열전도도가 기존의 물질보다 더 우수함을 이용하여 수직방향으로 더 쉽게 전달되는 열을 수평방향으로 우선 전달하도록 하여 열에 의한 반도체 발광소자의 퇴화를 억제하도록 하는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광소자, 레이저 리프트 오프, 레이저 에너지 흡수, 초격자 층

Description

레이저 에너지 흡수 초격자 층을 구비한 질화물 발광소자 및 그의 제조방법{Nitride Light Emitting Diode including Laser energy absorbing superlattices and fabrication method thereof}

도 1은 종래의 질화갈륨계 반도체 발광소자를 제조하는 과정 중 레이저 리프트 오프를 실시하는 과정을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 에너지 흡수층이 구비된 질화물계 발광소자의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 에너지 흡수층이 구비된 질화물계 발광소자의 제작과정을 나타낸 순서도이다.

{도면의 주요부분의 부호에 대한 설명}

1 : 사파이어기판 2 : 저온버퍼층

3 : 도핑되지 않은 질화갈륨층 4 : 제 1클래드층

5 : 활성층 6 : 제 2클래드층

7 : 오믹접합층 8 : 제 2기판층

9 : 레이저 조사 10 : 레이저 에너지 흡수층

11 : 도핑되지 않은 질화갈륨층

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 발광 소자의 광 방출효율을 증가시키기 위해서 사용하는 방법인 레이저 리프트 오프 공정 시에 저온 버퍼 층에서 흡수되지 못한 레이저의 에너지를 완전하게 흡수할 수 있는 낮은 에너지 갭을 가지는 물질을 도입한 초격자 층을 구비한 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

반도체 발광소자는 전자와 홀의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체소자로서, 반응속도, 전력소모, 발열 등의 제반특성이 종래의 광원에 비해 매우 우수하여 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다.

종래의 질화갈륨계 반도체 발광소자는 기판상에 n형층, 활성층, p형층이 순차적으로 적층되는 다층구조로 형성되며, 상기 n형층과 p형층에는 각각 전극이 부착된다.

또한, 종래의 질화물계 반도체 발광소자는 소자와 외부의 높은 굴절계수 차이로 인하여 소자 내부에서 발생한 광자의 많은 부분이 외부로 방출되지 못하고 내부에서 갇혀 있다가 소멸하여 광 방출 효율을 극히 떨어뜨리는 문제점들이 보고되어 왔다. 이는 질화물계 반도체 발광 소자의 대부분이 성장 기판으로써 사파이어 등의 이종의 기판을 사용하기 때문에 질화물 반도체 발광소자와 이종기판 사이에서의 결함에서 광자가 충돌하여 소멸하는 경우와 사파이어와 질화물 사이의 이종계면 의 굴절 계수 차이로 인하여 내부에서 광자가 구속되어 외부로 방출되지 못하는 것에 기인한다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 레이저 리프트 오프라고 불리는 공정을 시행하고 있다. 이 공정 방법은 높은 에너지를 가지는 레이저를 레이저 에너지에 대해 투명한 기판부에서 조사해주면 레이저 에너지를 흡수하는 영역에 있는 반도체 발광소자의 저온 버퍼층에서 기판과의 박리가 이루어지게 된다. 이렇게 되면 사파이어 부도체인 사파이어 기판은 제거가 되어서 전도성인 질화물 반도체 발광소자의 멤브레인만 남게 되어 광 방출을 위한 공정을 비교적 쉽게 진행할 수가 있게 된다.

도 1은 종래의 질화갈륨계 반도체 발광소자에 대하여 레이저 리프트 오프 공정의 개념을 설명하는 간략한 그림이다.

그러나 상기의 방법은 레이저 에너지가 기판부위에서 조사되었을 때 박리가 이루어지는 부분이 질화물 반도체의 저온 버퍼 층이며 레이저 에너지의 흡수는 상기 층 부위에서만 발생하여 더 이상의 열 발생이 일어나지 않아야 하나 실제로는 레이저 에너지가 흡수되지 못하고 점차적으로 도 2에 나타낸 것과 같이 잔여 레이저 에너지가 질화물 클래드 층으로 전달이 되고 이에 의해 발생된 열이 클래드 층을 따라서 활성층으로까지 열전도가 이루어지게 된다. 활성층은 대략 700~800℃에서 성장이 이루어지게 되므로 이 이상의 온도가 가해질 경우 소자에 퇴화가 일어날 확률이 매우 높게 된다.

또한, 355nm 레이저를 사용하여 리프트 오프를 실시하는 경우 레이저의 에너지에 해당되는 파장대와 저온버퍼층으로 사용하는 물질의 에너지가 거의 비슷한 수 준에서 중첩되고 있으므로 레이저의 에너지보다 더 낮은 희생층을 요구한다. 이 희생층은 본 안출에서 의도하는 잔여 에너지의 흡수층이라기보다는 레이저 리프트 오프가 발생하기 위한 필수적인 층이며 활성층으로까지의 열전도가 발생하기 쉬운 환경을 제공한다.

레이저 리프트 오프 방식에 의해 상기 이종기판을 제거하는 것이 가능하다. 그러나 이 경우는 이종기판과 갈륨질화물 사이의 저온 버퍼층에서만 박리가 이루어지는 온도가 형성될 것을 기대하여 이종기판을 제거한 것이나, 실제로는 열이 전도되어 활성영역까지 영향을 미쳐 발광소자가 열에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.

그리고 상기의 레이저 리프트 오프 공정은 레이저의 에너지가 저온 버퍼층 및 그 주변부에서 완전히 흡수되어 질화갈륨 층을 따라서 온도가 전이되지 않는 것이 바람직하나 실제로 레이저는 잔여하는 성분이 발생하게 되고 의도했던 것보다는 더욱 두터운 영역에서 흡수가 완전하게 일어나게 된다. 이러한 현상이 생기게 되면 저온버퍼층에서 흡수된 에너지에 의해 상승되는 온도와 잔여 에너지에 의해서 흡수된 온도로 인해 1000℃ 이상 온도가 상승하게 되고 활성층으로 그 온도가 쉽게 전이될 수 있는 환경을 제공하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로써, 목표한 부분의 레이저 에너지가 흡수되어 박리가 일어나는 저온 버퍼층 이후에 잔여 레이 저 에너지를 흡수할 수 있는 낮은 밴드갭을 가지는 초격자구조를 가지는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 질화물계 발광소자는 레이저 리프트 오프시 흡수되지 않은 잔여 레이저를 흡수하는 레이저 에너지 흡수층을 포함한다.

본 발명에서 상기 레이저 에너지 흡수층 상부에는 도핑되지 않은 질화갈륨층이 더 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 레이저 에너지 흡수층은 InGaN층과 GaN층이 번갈아 적층되거나, InGaN층을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 InGaN 층의 두께는 100~500Å 인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 도핑되지 않은 질화갈륨층의 두께는 0.1~1㎛인 것이 바람직하다.

본 발명의 질화물계 발광소자 제작방법은 기판 상부에 저온 버퍼층, 도핑되지 않은 질화 갈륨층을 적층하는 단계; 상기 질화갈륨층 상부에 레이저 리프트 오프시 흡수되지 않은 잔여 레이저를 흡수하는 레이저 에너지 흡수층을 적층하는 단계; 상기 레이저 에너지 흡수층 상부에 도핑되지 않은 질화갈륨층을 적층하는 단계; 제 1클래드층, 활성층, 제 2클래드층 및 금속반사막층을 순차적으로 적층하는 단계; 및 제 2기판층을 적층하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 금속반사막층은 오믹 접합으로 접착하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 금속반사막층은 높은 반사율을 가지는 금속인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 높은 반사율을 가지는 금속은 Ni, Au, Cr, Pt, Pd, W, Rh 중 선택되는 1종 이상의 금속인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 에너지 흡수층이 구비된 질화물계 발광소자의 단면도이다.

상기 실시예에서, 질화물계 발광소자는 기판(1), 저온 버퍼층(2), 도핑되지 않은 질화갈륨층(3), 제 1클래드층(4), 활성층(5), 제 2클래드층(6), 금속 반사층(7), 제 2 기판층(8), 레이저 에너지 흡수층(10)을 포함한다.

상기 실시예는, 레이저 에너지 흡수층(10)이 형성되는 위치를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 레이저 리프트오프를 실시하기 위해서는 사파이어 기판(1) 에 대해서는 투명하도록 레이저의 에너지가 설정되어야하고 저온 버퍼층(2)으로부터 시작되는 질화갈륨층(3)에 대해서는 흡수가 일어날 수 있는 에너지 관계가 형성되어야 리프트 오프가 일어날 수 있다.

이러한 레이저 리프트오프 공정에서 바람직하게는 저온 버퍼층(2)에서 레이저의 에너지가 모두 흡수되어 박리가 일어나야 하지만 레이저는 일정한 투과깊이를 가지며 저온 버퍼층(2)을 지나서 도핑되지 않은 질화 갈륨층(3)에도 어느 정도 흡수가 발생하게 된다.

따라서 이러한 잔여 레이저 에너지를 완전하게 흡수하기 위하여 질화 갈륨 층(3)보다 더욱 낮은 에너지를 가지는 InGaN/GaN 또는 InGaN 층을 적층 시킴으로써 이후로 형성되는 제 1클래드층(4) 및 활성층(5)으로의 레이저 에너지 흡수를 차단하도록 한다.

또한, 레이저의 에너지가 저온 버퍼층(2) 및 도핑이 되지 않은 질화 갈륨층(3)에서 대부분 흡수되더라도 질화갈륨(3)은 매우 좋은 열 전도체로써 제 1클래드 층(4) 및 활성층(5)으로 열전달이 이루어진다.

따라서 저온 버퍼층(2)으로 부터 0.3~1um 떨어진 곳에 에너지 갭이 질화갈륨 보다 작은 InGaN/GaN 초격자 또는 InGaN 층을 적층하게 되면 질화 갈륨층(3)에서 종 방향으로 우선하여 발생하였던 열전달의 기구가 횡방향으로 퍼질 수 있는 공간 및 시간을 제공하게 되어 가장 열적으로 보호되어야 할 활성층(5)으로의 열전달을 감소시킬 수 있다.

이렇게 에너지 갭이 더 낮은 층(10)을 적층한 후 다시 도핑되지 않은 질화갈 륨층(11)을 1um 두께로 성장하고 기존 발광소자에서 사용하는 구조와 같이 제 1클래드층(4) 및 활성층(5), 제 2클래드층(6)을 순서대로 적층하여 에피박막의 성장을 완성한다.

이후에 레이저 리프트 오프 시에 에피박막을 기계적으로 지탱시켜 줄 수 있고 열전달이 용이하게 이루어질 수 있는 제 2 기판(8)을 접합하는 과정을 필요로 하게 되는데 이때 접합제로 사용되는 물질은 제 2클래드층(6)인 p-형 질화물과 오믹 접촉이 이루어져야 하고 제 2기판(8)으로 진행하는 광자가 전반사가 발생할 수 있는 높은 반사율을 가지는 물질이 되어야 한다. p-형 오믹 접합을 하면서 동시에 높은 반사율을 가지는 금속으로는 Ni, Au, Cr, Pt, Pd, W, Rh 등의 금속 및 이의 합금이 될 수 있다. 또한, 제 2 기판으로는 전기 전도성을 가지며 열전도도가 우수한 물질이 적용가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 에너지 흡수층이 구비된 질화물계 발광소자의 제작과정을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하면, 기판 위에 질화갈륨계 물질로 이루어진 저온 버퍼층, 도핑이 되지 않은 두께 0.3~1um 질화갈륨층을 적층하는 단계(S301), 낮은 에너지 갭을 가지는 InGaN층과 GaN층을 번갈아 적층하는 단계 또는 InGaN 층을 100~500Å 적층하는 단계(S302), 제1 클래드층, 활성층 및 질화갈륨계 물질로 이루어진 제2 클래드층을 순차적으로 적층하는 단계(S304), 상기 제2 클래드층의 윗면에 금속 반사막 층을 오믹 접착으로 접합하는 단계 및 리프트오프 공정 시 기판을 기계적으로 지탱시켜줄 수 있는 추가적인 기판을 접합하는 단계(S305)를 포함한다.

상기 낮은 에너지 갭을 가지는 InGaN층과 GaN층을 번갈아 적층하는 단계 또는 InGaN 층을 100~500Å 적층하는 단계(S302) 이후에는 도핑되지 않은 질화갈륨층을 적층하는 단계(S303)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 도 3의 각 단계에 대한 설명은 상기 도 2의 설명과 중복되므로 그 자세한 설명은 생략하도록 한다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 낮은 에너지 갭을 가지는 InGaN/GaN 초격자 또는 InGaN 층을 저온 버퍼 층 가까이에 위치시키게 되어 저온 버퍼 층에서 흡수되지 않은 잔여 에너지를 흡수할 수 있는 보완층이 될 수 있고 레이저 에너지가 흡수되었을 때 발생하는 열을 고립시킬 수 있는 공간 및 시간을 제공할 수 있다.

따라서, 기존의 레이저 리프트 오프 공정에서 발생할 수 있는 활성층으로의 열 전이를 상당부분 차단할 수 있는 여건을 제공한다. 따라서, 소자의 신뢰성 향상에 기여할 수 있고 열에 의해서 발생하는 발광소자의 퇴화를 방지할 수 있다.

Claims (10)

1. 질화물계 발광소자에 있어서,

   레이저 리프트 오프시 흡수되지 않은 잔여 레이저를 흡수하는 레이저 에너지 흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 에너지 흡수층 상부에는 도핑되지 않은 질화갈륨층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 레이저 에너지 흡수층은 InGaN층과 GaN층이 번갈아 적층되는 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 레이저 에너지 흡수층은 InGaN층을 이용하는 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자.
5. 제 4항에 있어서, 상기 InGaN 층의 두께는 100~500Å 인 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자.
6. 제 2항에 있어서, 상기 도핑되지 않은 질화갈륨층의 두께는 0.1~1㎛인 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자.
7. 기판 상부에 저온 버퍼층, 도핑되지 않은 질화 갈륨층을 적층하는 단계;

   상기 질화갈륨층 상부에 레이저 리프트 오프시 흡수되지 않은 잔여 레이저를 흡수하는 레이저 에너지 흡수층을 적층하는 단계;

   상기 레이저 에너지 흡수층 상부에 도핑되지 않은 질화갈륨층을 적층하는 단계;

   제 1클래드층, 활성층, 제 2클래드층 및 금속반사막층을 순차적으로 적층하는 단계; 및

   제 2기판층을 적층하는 단계를 포함하는, 질화물계 발광소자 제작방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 금속반사막층은 오믹 접합으로 접착하는 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자 제작방법.
9. 제 7항에 있어서, 상기 금속반사막층은 높은 반사율을 가지는 금속인 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자 제작방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 높은 반사율을 가지는 금속은 Ni, Au, Cr, Pt, Pd, W, Rh 중 선택되는 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는, 질화물계 발광소자 제작방법.

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