(57)【要約】【課題】ＺｎＯパウダーのようなウルツ鉱型格子構造を有する物質のパウダーを用いた窒化物系発光素子及びその製造方法について開示する。【解決手段】本発明に係る窒化物系発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成される格子緩衝層と、前記格子緩衝層上に形成され、複数の窒化物層が積層されている発光構造体とを含み、前記格子緩衝層は、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで形成されることを特徴とする。このとき、前記格子緩衝層はＺｎＯパウダーで形成され、窒化物の成長時に発生する線欠陥を最少化することができる。【選択図】図１
2012182422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長基板上に形成される発光構造体を含む窒化物系発光素子であって、
成長基板と、
前記成長基板上に形成される格子緩衝層と、
前記格子緩衝層上に形成され、複数の窒化物層が積層されている発光構造体と、を含み、
前記格子緩衝層は、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで形成されることを特徴とする窒化物系発光素子。
【請求項２】
前記格子緩衝層は、ＺｎＯパウダーで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項３】
前記ＺｎＯパウダーは、平均粒径が１０ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物系発光素子。
【請求項４】
前記成長基板は、シリコン基板又はサファイア基板であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項５】
前記成長基板の表面には凹凸が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項６】
前記発光構造体は、
前記格子緩衝層上に形成されるｎ型の窒化物層と、
前記ｎ型の窒化物層上に形成される発光活性層と、
前記発光活性層上に形成されるｐ型の窒化物層と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項７】
前記成長基板は、ｎ型のシリコン基板であることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物系発光素子。
【請求項８】
前記発光素子は、前記格子緩衝層と前記ｎ型の窒化物層との間に、窒化物で形成されるバッファ層をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の窒化物系発光素子。
【請求項９】
前記バッファ層は、ＡｌＮ、ＺｒＮ及びＧａＮから選択される１種以上の窒化物で形成されることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１０】
前記バッファ層は、ｎ型の窒化物で形成されることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１１】
前記発光構造体は、前記バッファ層と前記ｎ型の窒化物層との間に形成される非ドーピング窒化物層をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１２】
成長基板上に形成される発光構造体を含む窒化物系発光素子を製造する方法であって、
成長基板上に、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーを用いて格子緩衝層を形成し、
前記格子緩衝層上に、複数の窒化物を順次成長させることによって発光構造体を形成することを含むことを特徴とする窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記格子緩衝層は、ＺｎＯパウダーで形成されることを特徴とする、請求項１２に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ＺｎＯパウダーとしては、シリコン又はサファイア基板上にＺｎＯを蒸着し、前記ＺｎＯが蒸着された基板を粉砕してパウダー化することを通して製造されたものを用いることを特徴とする、請求項１３に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記格子緩衝層上に、複数の窒化物を順次成長させることによって発光構造体を形成することは、
不活性ガス雰囲気で、前記ＺｎＯパウダーで形成された格子緩衝層上に１番目の窒化物層を形成し、
水素ガス雰囲気で、前記１番目の窒化物層上に残りの窒化物層を形成することを含み、
前記水素ガス雰囲気で、前記１番目の窒化物層上に残りの窒化物層を形成するとき、前記ＺｎＯパウダーの一部又は全部がエッチングされ、前記成長基板と１番目の窒化物層との間にエアホールを形成することを特徴とする、請求項１３に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系発光素子の製造技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光素子は、電子と正孔の再結合時に発生する発光現象を応用した素子である。
【０００３】
代表的な発光素子としては、ＧａＮに代表される窒化物系発光素子がある。窒化物系発光素子は、バンドギャップエネルギーが大きいことから多様な色光を具現することができる。また、窒化物系発光素子は、熱的安定性に優れるものである。
【０００４】
窒化物系発光素子は、ｎ―電極及びｐ―電極の配置形態にしたがって水平型構造と垂直型構造に区分される。水平型構造では、ｎ―電極及びｐ―電極が主にトップ（ｔｏｐ）―トップ（ｔｏｐ）形態で配置され、垂直型構造では、ｎ―電極及びｐ―電極が主にトップ（ｔｏｐ）―ボトム（ｂｏｔｔｏｍ）形態で配置される。
【０００５】
従来は、窒化物系発光素子を製造するために、主にサファイア基板を成長基板として用いた。
【０００６】
しかし、サファイア基板は、熱的特性に優れたものではない。したがって、サファイア基板を成長基板として用いる場合、高温での窒化物の成長時に基板が反る現象、すなわち、ウェハ反り（ｗａｆｅｒ  ｂｏｗｉｎｇ）現象が発生するという問題がある。
【０００７】
また、サファイア基板を成長基板として用いる場合、サファイアの絶縁特性により、垂直型発光素子を製造することが難しいという問題がある。
【０００８】
一方、シリコン基板は、サファイア基板に比べて非常に安価で、且つ熱的特性及び電気的特性に優れるという長所を有する。しかし、窒化物系発光素子の製造時、シリコン基板は成長基板としてあまり使用されない。その理由は、シリコンと窒化物における格子定数の差が非常に大きいことから、シリコン基板上に窒化物を成長させる場合、成長される窒化物に線欠陥（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が多く発生するためである。多くの線欠陥は、窒化物系発光素子の電気的特性を阻害する要因になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、成長基板上に窒化物を成長させるときに発生する線欠陥を抑制することによって、結晶性及び輝度を向上できる窒化物系発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するための本発明の実施例に係る窒化物系発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成される格子緩衝層と、前記格子緩衝層上に形成され、複数の窒化物層が積層されている発光構造体とを含み、前記格子緩衝層は、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで形成されることを特徴とする。
【００１１】
このとき、前記格子緩衝層は、ＺｎＯパウダーで形成されることが望ましい。
【００１２】
また、前記目的を達成するための本発明の実施例に係る窒化物系発光素子の製造方法は、成長基板上に、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーを用いて格子緩衝層を形成し、前記格子緩衝層上に、複数の窒化物を順次成長させることによって発光構造体を形成することを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、成長基板上にＺｎＯパウダーなどのウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーをコーティングした後、ＧａＮなどの窒化物を成長させる。したがって、窒化物の成長時に窒化物と成長基板における格子定数の差によって発生する線欠陥を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、ｎ型のシリコン基板を用いることができる。この場合、垂直型発光素子の製造時にも、ｎ型のシリコン基板を除去するリフトオフ工程を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例に係る窒化物系発光素子を概略的に示した図である。
【図２】本発明の実施例に係る窒化物系発光素子の製造方法を概略的に示した図である。
【図３】窒化物の成長過程でＺｎＯがエッチングされることによってエアホールが形成された例を示した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例に係るウルツ鉱パウダーを用いた窒化物系発光素子及びその製造方法について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施例に係る窒化物系発光素子を概略的に示した図である。
【００１８】
図１を参照すると、図示した窒化物系発光素子は、成長基板１１０、格子緩衝層１２０及び発光構造体１３０を含む。
【００１９】
本発明に適用される成長基板１１０としては、窒化物系発光素子の製造時に成長基板として広く用いられるサファイア基板を用いることができる。また、本発明に適用される成長基板１１０としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板などのシリコン基板を用いることができる。
【００２０】
従来は、成長基板と窒化物の格子ミスマッチング（Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｍｉｓｍａｔｃｈｉｎｇ）により、成長する窒化物における線欠陥密度が高かった。これは、窒化物系発光素子の光効率を低下させる要因になった。
【００２１】
そのため、本発明では、このような格子ミスマッチングを減少させるために、成長基板１１０上に格子緩衝層１２０を先に形成した後、窒化物を成長させる。
【００２２】
格子緩衝層１２０は、成長基板１１０の上部に形成される。格子緩衝層１２０は、成長対象になる窒化物との格子ミスマッチングを緩和し、窒化物の成長時に発生する線欠陥を減少させる。その結果、成長する窒化物の結晶性を向上させることができる。
【００２３】
例えば、シリコン基板を成長基板として用いる場合、シリコンと窒化物における大きな格子定数の差により、シリコン基板上に窒化物を成長させるときに線欠陥が多く発生する。これは、発光素子の光効率を低下させる要因になる。しかし、シリコン基板上に格子緩衝層を先に形成した後、窒化物を成長させると、結晶ミスマッチングが緩和され、窒化物の成長時に発生する線欠陥を減少させることができる。
【００２４】
このような格子緩衝層１２０は、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで形成することができる。
【００２５】
より望ましくは、ＺｎＯパウダーを用いて格子緩衝層を形成することができる。
【００２６】
例えば、窒化物系発光素子で広く用いられるＧａＮは、ウルツ鉱型構造を有し、ａ＝３.１８９Å、ｃ＝５.１８５Åの格子定数を有する。
【００２７】
ＺｎＯは、ＧａＮと同様にウルツ鉱型構造を有する。また、ＺｎＯは、格子定数がａ＝３.２４９Å、ｃ＝５.２０７Åであって、ＧａＮと非常に類似する格子構造を有する。
【００２８】
したがって、ＺｎＯパウダー上にＧａＮを成長させる場合、格子マッチングによってＧａＮの成長時に発生する線欠陥を最少化することができる。 また、パウダー状のＺｎＯ上で成長するＧａＮは、初期は垂直方向に成長し、その後は水平方向に成長する。その結果、平坦な窒化物の成長が可能である。
【００２９】
このようなＺｎＯパウダーは、スピンコーティング方式などによってシリコン基板１１０上に付着又は固定される。
【００３０】
前記パウダーを成長基板１１０上に容易に付着又は固定するために、成長基板１１０の表面には突部と凹部を有する凹凸が形成されてもよい。凹凸は、特定のパターンで形成されてもよく、非定型の形態で形成されてもよい。成長基板１１０の表面の凹凸は、エッチングなどの多様な方法で形成することができる。
【００３１】
成長基板１１０の表面に凹凸が形成されている場合、ＺｎＯパウダーなどは、成長基板１１０の表面に形成された凹凸の凹部に容易に付着又は固定される。
【００３２】
一方、格子緩衝層１２０に適用されるＺｎＯパウダーなどは、平均粒径が１０ｎｍ〜１μｍであることが望ましい。パウダーの平均粒径が小さいほど、窒化物の成長時に発生する線欠陥の抑制効果により優れていた。パウダーの平均粒径が１μｍを超える場合、前記線欠陥の抑制効果が不十分であり、製造される窒化物系発光素子の光効率が低かった。ただし、パウダーの平均粒径が１０ｎｍ未満である場合、パウダー自体の製造費用が非常に嵩み、窒化物系発光素子の製造費用上昇の原因になり得る。
【００３３】
次に、発光構造体１３０は、格子緩衝層１２０上に形成される。
【００３４】
発光構造体１３０は、複数の窒化物層が積層されて形成される。
【００３５】
より具体的に、発光構造体１３０は、第１の導電型窒化物層１３１、発光活性層１３２及び第２の導電型窒化物層１３３を含む。
【００３６】
第１の導電型窒化物層１３１は、格子緩衝層１２０の上部に形成される。
【００３７】
第１の導電型窒化物層１３１は、ドーピングされる不純物によってｎ型又はｐ型の特性を示すことができる。例えば、窒化物にシリコン（Ｓｉ）などの不純物がドーピングされた場合、第１の導電型窒化物層１３１はｎ型の特性を示す。その一方、窒化物にマグネシウム（Ｍｇ）などの不純物がドーピングされた場合、第１の導電型窒化物層１３１はｐ型の特性を示す。
【００３８】
発光活性層１３２は、第１の導電型窒化物層１３１の上部に形成される。発光活性層１３２は、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造を有することができる。その例として、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０.１≦ｘ≦０.３）とＧａＮが交互に積層されている構造を提示することができる。
【００３９】
発光活性層１３２では、ｎ型の窒化物層を通して流れる電子とｐ型の窒化物層を通して流れる正孔とが再結合しながら、光が発生する。
【００４０】
第２の導電型窒化物層１３３は、発光活性層１３２の上部に形成され、第１の導電型窒化物層１３１とは反対の電気的特性を示す。
【００４１】
例えば、第１の導電型窒化物層１３１がｎ型のＧａＮで形成される場合、第２の導電型窒化物層１３３はｐ型のＧａＮで形成される。ｎ型のＧａＮの場合、ＧａＮにＳｉがドーピングされて形成されてもよく、ｐ型のＧａＮの場合、ＧａＮにＭｇがドーピングされて形成されてもよい。
【００４２】
前記のように、第１の導電型窒化物層１３１がｎ型のＧａＮで形成され、第２の導電型窒化物層１３３がｐ型のＧａＮで形成される場合、成長基板１１０としてはｎ型のシリコン基板を用いることができる。ｎ型のシリコン基板を用いる場合、発光活性層１３２の下部の各層がｎ型に形成される。また、ｎ型のシリコン基板を用いる場合、シリコン基板自体をｎ―電極として活用することができる。したがって、垂直型発光素子の製造時にも、成長基板を除去するリフトオフ工程を省略することができ、さらに、ｎ―電極形成工程を省略することができる。
【００４３】
したがって、ｎ型のシリコン基板を用いる場合、水平型発光素子のみならず、発光面積が相対的に広いことから高輝度を容易に具現できる垂直型発光素子も容易に製造することができる。
【００４４】
また、成長基板としてｎ型のシリコン基板を用いる場合、高温での窒化物の成長時における基板の反り現象が微々たるものになり、高温での窒化物の均質な成長が可能であった。
【００４５】
一方、発光構造体１３０は、格子緩衝層１２０の上部に形成されるバッファ層１３４をさらに含むことができる。この場合、第１の導電型窒化物層１３１はバッファ層１３４の上部に形成される。
【００４６】
バッファ層１３４は、シリコン基板上に異種の物質である窒化物を成長させるときに発生する応力を緩和させる役割をする。このようなバッファ層１３４は、ＡｌＮ、ＺｒＮ、ＧａＮなどの窒化物で形成することができる。
【００４７】
第１の導電型窒化物層１３１がｎ型である場合、バッファ層１３４もｎ型に形成することができる。バッファ層１３４を形成する窒化物のほとんどは、大きな電気抵抗を有する。しかし、バッファ層１３４をｎ型に形成する場合、バッファ層の電気抵抗が低くなる。したがって、製造される窒化物系発光素子の駆動効率を向上させることができる。
【００４８】
一方、ＺｎＯは、ｎ型の電気的特性を有する。したがって、成長基板１１０としてｎ型のシリコン基板を用い、バッファ層１３４及び第１の導電型窒化物１３１をｎ型に形成する場合、シリコン基板に注入される電子が発光活性層１３２まで障壁なく容易に移動することができる。したがって、この場合、発光素子の駆動効率をさらに高めることができる。
【００４９】
また、バッファ層１３４の上部には、格子マッチングをより容易にするために非ドーピング窒化物層１３５がさらに形成される。この場合、第１の導電型窒化物層１３１は、非ドーピング窒化物層１３５の上部に形成される。非ドーピング窒化物層１３５は、非ドーピングシリコン基板を用いる場合に適用することが望ましい。
【００５０】
図２は、本発明の実施例に係る窒化物系発光素子の製造方法を概略的に示した図である。
【００５１】
図２を参照すると、図示した窒化物系発光素子の製造方法は、格子緩衝層形成段階（Ｓ２１０）及び発光構造体形成段階（Ｓ２２０）を含む。
【００５２】
格子緩衝層形成段階（Ｓ２１０）では、シリコン基板、サファイア基板などの成長基板上に、ウルツ鉱型格子構造を有する物質のパウダーで格子緩衝層を形成する。
【００５３】
このとき、前記格子緩衝層は、ＺｎＯパウダーで形成することができる。
【００５４】
このとき、ＺｎＯパウダーとしては、シリコン又はサファイア基板、より望ましくは、成長基板と同一の材質の基板上にＺｎＯを蒸着する段階と、前記ＺｎＯが蒸着された基板を粉砕してパウダー化する段階を通して製造されたものを用いることができる。蒸着時には、ＭＯＣＶＤ方法又はスパッタ方法などを用いることができる。この場合、ＺｎＯパウダーには純粋なＺｎＯ成分のみならず、基板成分も含まれるので、成長基板に対するＺｎＯパウダーの付着力を向上させることができる。
【００５５】
ＺｎＯパウダーを用いた格子緩衝層は、次のような方法で形成することができる。
【００５６】
まず、スピンコーターなどを用いて成長基板にＺｎＯパウダーなどを載せる。その後、ＣＶＤチャンバなどの装置の内部で成長基板を窒素ガス雰囲気で約５００〜８００℃の温度で加熱し、ＺｎＯパウダーを付着させる。加熱温度が非常に高い場合、ＺｎＯパウダーがエッチングされるので、８００℃以下の温度で工程を行うことが望ましい。成長基板には、若干のエッチングが行われながら表面に凹凸が形成される。成長基板の表面に形成された凹凸は、上述したようにパウダーの付着又は固定を容易にする。
【００５７】
また、ＺｎＯパウダーを用いた格子緩衝層は、前記ＺｎＯパウダー含有溶液を用いて成長基板上にスピンコーティングした後、乾燥する方法で形成することができる。このとき、ＺｎＯパウダー含有溶液としては、アセトン、メタノール、エチレングリコールなどの多様な種類の溶媒を用いることができる。
【００５８】
前記の提示されたＺｎＯパウダーを用いた格子緩衝層形成方法のうちいずれか一つの方法が選択的に適用されてもよく、二つの方法が共に適用されてもよい。例えば、ＺｎＯパウダーを含有する溶液を用いて成長基板上にスピンコーティングした後で乾燥し、その後、チャンバ内で成長基板を加熱することができる。
【００５９】
次に、発光構造体形成段階では、格子緩衝層上に複数の窒化物を順次成長させることによって発光構造体を形成する。
【００６０】
発光構造体は、第１の導電型窒化物層、発光活性層及び第２の導電型窒化物層が順次積層される形態で形成される。場合に応じては、第１の導電型窒化物層を形成する前に、バッファ層や非ドーピング窒化物層をさらに形成することができる。
【００６１】
このとき、発光構造体を形成するための複数の窒化物層のうち格子緩衝層上に形成される１番目の窒化物層（例えば、バッファ層）は、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガス雰囲気で形成することが望ましい。前記層を水素ガス雰囲気で形成すると、水素ガスによってＺｎＯパウダーがエッチングされ、バッファ層が完全に形成されないためである。
【００６２】
そして、残りの窒化物層は、結晶品質の向上のために水素ガス雰囲気で形成ことが望ましい。この場合、水素ガス雰囲気によっても既に１番目の窒化物層が形成されているので、１番目の窒化物層上に他の窒化物層を形成するとき、ＺｎＯパウダーのエッチングの影響を受けない。
【００６３】
また、１番目の窒化物層を除いては、水素雰囲気で各窒化物を形成する場合、図３に示した例のように、ＺｎＯパウダーが一部又は全部エッチングされ、成長基板と１番目の窒化物層との間にはエアホールが形成される。このようなエアホールは、乱反射層の役割をし、窒化物系発光素子の輝度上昇に寄与する。
【００６４】
上述したように、本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、ＺｎＯパウダーのようにウルツ鉱型格子構造を有する物質のパウダーを用いて、成長基板上に格子緩衝層を形成した状態で窒化物を成長させる。したがって、ＧａＮのような窒化物の成長時に格子ミスマッチングによって発生する線欠陥を減少させることができる。したがって、製造される窒化物系発光素子の結晶性及び輝度を向上させることができる。
【００６５】
以上、本発明は、実施例を中心に説明したが、当業者の水準で多様な変更や変形が可能である。このような変更と変形は、本発明の範囲を逸脱しない限り、本発明に属するものといえる。したがって、本発明の権利範囲は、以下で記載する特許請求の範囲によって判断しなければならない。
【符号の説明】
【００６６】
１１０：成長基板、１２０：格子緩衝層、１３０：発光構造体、１３１：第１の導電型窒化物層、１３２：発光活性層、１３３：第２の導電型窒化物層、１３４：バッファ層、１３５：非ドーピング窒化物層
【図１】
2012182422.tif 000003
【図２】
2012182422.tif 000004
【図３】
2012182422.tif 000005