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KR101047652B1 - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101047652B1
KR101047652B1 KR1020090127189A KR20090127189A KR101047652B1 KR 101047652 B1 KR101047652 B1 KR 101047652B1 KR 1020090127189 A KR1020090127189 A KR 1020090127189A KR 20090127189 A KR20090127189 A KR 20090127189A KR 101047652 B1 KR101047652 B1 KR 101047652B1
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Abstract

실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 산화갈륨 기판 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물; 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물; 및 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물 상에 발광구조물;을 포함할 수 있다.
발광소자, 산화갈륨 기판

Description

발광소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광소자는 전기에너지가 빛에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 생성될 수 있다. 발광소자는 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 에너지 갭에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 되는 것이다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 질화물 반도체 발광소자는 전극층의 위치에 따라 수평형(Lateral Type) 발광소자와 수직형(Vertical type) 발광소자로 구분할 수 있다.
그런데, 수직형 발광소자는 사파이어 기판과 같은 비전도성 기판 상에 질화물 반도체를 형성 후 비전도성 기판을 분리해야 하는 공정상의 번거로운 문제가 있다. 이에 수직형 발광소자 제조시 전도성 기판을 사용함으로써 기판을 분리할 필요가 없는 질화물 반도체 발광소자에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
예를 들어, 종래기술에 의하면 산화갈륨 기판 상에 질화물 반도체층을 형성할 수 있다.
그런데, 종래기술에 의하면 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층이 박리(剝離)되는 문제가 있다.
예를 들어, 산화갈륨은 고온에서 수소가스 분위기에서 쉽게 식각되는 속성이 있는데, 질화물 반도체층은 고온에서 암모니아와 수소 혼합 분위기에서 성장된다. 이에 따라 질화물 반도체층 성장시 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층 사이의 계면이 고온에서 수소가스에 의해 일부 불균일하게 식각된다. 이러한 불균일한 계면의 식각은 계면의 접착력을 떨어뜨려서 질화물 반도체층과 산화갈륨 기판 사이에 박리의 문제점을 야기한다.
또한, 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층은 열팽창계수가 다르다. 따라서, 질화물 반도체층 성장 후 냉각중 혹은 발광소자 제조를 위한 열처리 공정단계에서 열팽창 계수 차이에 의해 발생되는 응력에 의해 산화갈륨 기판과 질화물 반도체층 계면의 박리가 발생한다.
실시예는 고품질의 질화물 반도체층을 산화갈륨 기판상에 구현하여 고성능의 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 산화갈륨 기판 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물; 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물; 및 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물 상에 발광구조물;을 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 산화갈륨 기판이 준비되는 단계; 상기 산화갈륨 기판 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물을 형성하는 단계; 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물을 형성하는 단계; 및 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물 상에 발광구조물을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 산화갈륨 기판과 계면 결합력 강화에 따른 고품위 질화물 반도체층을 구현함으로써 신뢰성이 우수하고, 성능이 우수한 발광소자 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아 래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
실시예에 따른 발광소자는 산화갈륨 기판(100) 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110), 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110) 상에 형성된 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120) 및 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120) 상에 형성된 발광구조물(130)을 포함할 수 있다.
상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)은 GaxAlyOz(단, 0〈x≤1, 0〈y≤1,0〈z≤1)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120)은 GaxAlyNz(단, 0〈x≤1, 0〈y≤1,0〈z≤1)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광구조물(130)은 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(132), 상기 제2 도전형 반도체층(132) 상에 형성된 활성층(134) 및 상기 활성층(134) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(136)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 갈륨(Ga)과 산소(O) 사이의 결합력보다 알루미늄(Al)과 산소(O) 사이의 결합력이 더욱 강하며, 갈륨(Ga)과 질소(N) 사이의 결합력보다 알루미늄(Al)과 질소(N)의 결합력이 더욱 강하다.
이에 따라 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)과 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120) 사이의 계면 결합력이 산화갈륨 기판(100)/질화물 반도체층의 발광구조물(130) 계면 결합력보다 더욱 강하여 산화갈륨 기판과 발광구조물 사이의 박리문제를 해결할 수 있다. 또한, 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)과 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120) 사이의 계면 결합력이 갈륨산화질화물과 질화물 반도체층 계면의 결합력보다 강하여 박리문제를 해결할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 산화갈륨 기판과 계면 결합력 강화에 따른 고품위 질화물 반도체층을 구현함으로써 신뢰성이 우수하고, 성능이 우수한 발광소자 구현할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 6를 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다.
우선, 도 2와 같이 산화갈륨 기판(100)을 준비한다. 상기 산화갈륨 기판(100)은 전도성 기판일 수 있다. 상기 산화갈륨 기판(100)은 Ga2O3 기판을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 산화갈륨 기판(100)은 불순물 도핑에 의해 우수한 전기 전도성을 가질 수 있다.
상기 산화갈륨 기판(100)에 대해 습식 세척을 하여 산화갈륨 기판(100)상의 유기물 및 무기물을 제거할 수 있다.
다음으로, 도 3과 같이 상기 산화갈륨 기판(100) 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)을 형성한다. 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)은 GaxAlyOz(단, 0〈x≤1, 0〈y≤1,0〈z≤1)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)은 원자간 결합력이 강하여 에너지 갭이 크다. 따라서 전기전도성이 산화갈륨 기판보다 작을 수 있으므로 두께를 1 ㎛ 이하로 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)을 형성하는 단계는 상기 산화갈륨 기판(100) 상에 박막증착장비로 증착하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 액상에피택시, 기상에피택시, 분자선에피택시, 스퍼터링 등으로 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또는, 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)을 형성하는 단계는 상기 산화갈륨 기판(100) 상에 알루미늄층(미도시)을 형성한다. 이후, 산소분위기하에서 열처리하여 알루미늄층의 Al 원자가 상기 산화갈륨 기판(100)으로 확산하게 하여 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 산화갈륨 기판(100) 상에 Al 박막층을 형성한 후, 챔버에 산소 가스 또는 산소 가스를 주된 가스로 포함하는 혼합가스를 주입하고 약 500-1200℃ 온도에서 상기 산화갈륨 기판(100)에 대한 열처리를 수행함으로써 갈륨알루 미늄을 포함하는 산화물(110)을 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110) 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120)을 형성한다.
상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120)은 GaxAlyNz(단, 0〈x≤1, 0〈y≤1,0〈z≤1)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120)은 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110) 상에 박막증착장비로 증착할 수 있다. 예를 들어, 액상에피택시, 기상에피택시, 분자선에피택시 등으로 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또는, 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120)을 형성하는 단계는 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)의 일부를 질화처리하여 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 산화갈륨 기판(100) 상에 알루미늄층(미도시)을 형성한다. 이후, 산소분위기하에서 열처리하여 알루미늄층의 Al 원자가 상기 산화갈륨 기판(100)으로 확산하게 하여 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)을 형성한다. 이후, 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)의 일부를 암모니아 분위기에서 고온의 질화처리하여 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120)을 형성할 수 있다.
상기 고온 질화처리는 챔버에 암모니아 가스, 또는 암모니아 가스와 산소 가스의 혼합가스, 또는 암모니아 가스와 질소 가스의 혼합가스를 주입하여 실시할 수 있다.
이때, 상기 챔버에 주입되는 가스에 불순물 가스를 주입함으로써 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120)의 전기 전도성을 향상시킬 수도 있다.
실시예에 의하면 갈륨(Ga)과 산소(O) 사이의 결합력보다 알루미늄(Al)과 산소(O) 사이의 결합력이 더욱 강하며, 갈륨(Ga)과 질소(N) 사이의 결합력보다 알루미늄(Al)과 질소(N)의 결합력이 더욱 강하다.
이에 따라 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물(110)과 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120) 사이의 계면 결합력이 산화갈륨 기판(100)/질화물 반도체층의 발광구조물(130) 계면 결합력보다 더욱 강하여 산화갈륨 기판과 발광구조물 사이의 박리문제를 해결할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 산화갈륨 기판과의 계면 결합력 강화에 따른 고품위 질화물 반도체층을 구현함으로써 신뢰성이 우수하고, 성능이 우수한 발광소자 구현할 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120) 상에 발광구조물(130)을 형성할 수 있다. 도 6은 발광구조물(130)에 대한 부분 확대도이다.
상기 발광구조물(130)은 상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물(120) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(132), 상기 제2 도전형 반도체층(132) 상에 형성된 활성층(134) 및 상기 활성층(134) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(136)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서의 발광소자의 발광구조물(130)은 GaN, GaAs, GaAsP, GaP 등의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, Green~Blue LED는 GaN(InGaN), Yellow~Red LED는 InGaAIP, AIGaAs를 사용할 수 있으며, 물질의 조성의 변경에 따라 Full Color 구현 도 가능하다.
상기 제2 도전형 반도체층(132)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(134)은 제1 도전형 반도체층(136)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(132)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(134)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(134)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 InGaN/GaN 구조를 갖는 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 도전형 반도체층(136)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(136)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
이후, 상기 산화갈륨 기판(100)의 하측에 제2 전극(미도시)을 형성하고, 상기 제1 도전형 반도체층(136) 상에 제1 전극(미도시)을 형성할 수 있다.
상기 제2 전극은 오믹층(미도시), 반사층(미도시) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 전극은 오믹층을 포함할 수 있으며, 정공주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 오믹층은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
또한, 상기 제2 전극이 반사층을 포함하는 경우 Al, Ag, 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 산화갈륨 기판과의 계면 결합력 강화에 따른 고품위 질화물 반도체층을 구현함으로써 신뢰성이 우수하고, 성능이 우수한 발광소자 구현할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 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 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2 내지 도 6은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도.

Claims (14)

  1. 산화갈륨 기판 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물;
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물; 및
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물 상에 발광구조물;을 포함하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물은,
    GaxAlyOz(단, 0〈x≤1, 0〈y≤1,0〈z≤1)을 포함하는 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물은,
    1㎛ 이하로 형성하는 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물은,
    GaxAlyNz(단, 0〈x≤1, 0〈y≤1,0〈z≤1)을 포함하는 발광소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 발광구조물은,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물 상에 제2 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제1 도전형 반도체층;을 포함하는 발광소자.
  6. 산화갈륨 기판이 준비되는 단계;
    상기 산화갈륨 기판 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물을 형성하는 단계;
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물 상에 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물을 형성하는 단계; 및
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물 상에 발광구조물을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물을 형성하는 단계는,
    GaxAlyOz(단, 0〈x≤1, 0〈y≤1,0〈z≤1)을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물은,
    1㎛ 이하로 형성하는 발광소자의 제조방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물을 형성하는 단계는,
    상기 산화갈륨 기판 상에 박막증착장비로 증착하는 발광소자의 제조방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물을 형성하는 단계는,
    상기 산화갈륨 기판상에 알루미늄층을 형성하는 단계;
    산소분위기하에서 열처리하여 상기 알루미늄이 상기 산화갈륨 기판으로 확산하게 하여 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물을 형성하는 단계는,
    GaxAlyNz(단, 0〈x≤1, 0〈y≤1,0〈z≤1)을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물을 형성하는 단계는,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물 상에 박막증착장비로 증착하는 발광소자의 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물을 형성하는 단계는,
    상기 산화갈륨 기판상에 알루미늄층을 형성하는 단계;
    산소분위기하에서 열처리하여 상기 알루미늄이 상기 산화갈륨 기판으로 확산하게 하여 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물을 형성하는 단계;
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 산화물의 일부를 암모니아 분위기에서 질화처리하여 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  14. 제6 항에 있어서,
    상기 발광구조물은,
    상기 갈륨알루미늄을 포함하는 질화물 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
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