KR100568297B1

KR100568297B1 - 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100568297B1
Application number: KR1020040021801A
Authority: KR
Inventors: 이재훈; 이정욱; 김현경; 김용천
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2006-04-05
Also published as: US7470938B2; US20050221521A1; KR20050097075A; JP2005286291A

Abstract

본 발명은 플립 칩 본딩 구조에서 빛이 방출되는 기판의 상하면에 각각 광경도를 바꿀 수 있는 패턴을 형성하여 계면에서의 전반사 특성을 감소시킴으로서 발광 효율을 개선한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 광원이 임계각내로 입사되도록 상하부면에 반구 형상의 요철이 형성되며, 질화갈륨계 반도체 물질을 성장시키기 위한 기판; 상기 기판의 일면상에 형성되는 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상의 일부 영역이 노출되도록 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 형성되는 활성층; 상기 활성층의 상부에 형성되는 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층의 상부에 형성되는 p측 전극; 및, 상기 n형 질화물 반도체층의 노출된 일부 영역 상에 형성되는 n측 전극을 포함하여 형성한다.

LED, 기판, 요철 패턴, 굴절율, 전반사,

Description

질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광 소자의 기본 구조를 나타낸 측단면도이다.

도 2는 본 발명에 의하여 개선된 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 측단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자에 있어서 기판의 상세 구조도이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자에 적용되는 기판의 다른 구조도이다.

도 5는 본 발명에 의한 플립칩 본딩된 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 측단면도이다.

도 6은 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 공정을 순차적으로 설명한 플로우챠트이다.

도 7a 내지 도 7h는 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 각 단계별 제조 공정을 나타낸 공정도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 기판(substrate)

22 : n형 질화물 반도체층

23 : 활성층(active layer)

24 : p형 질화물 반도체층

25 : P-전극

26 : N-전극

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판의 상하면에 각각 광경도를 바꿀 수 있는 패턴을 형성하여 전반사특성을 감소시킴으로서 발광 효율을 개선한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

근래에 들어, GaN을 비롯한 질화물 반도체는 우수한 물리, 화학적 특성에 기인하여 광전재료 및 전자소자의 핵심 소재로서 각광받고 있다.

그 중 GaN을 기초로 한 발광소자에 있어서는, 적색 발광다이오드가 1960년대 후반에 들어 처음으로 상용화되고, 1990년대 후반에 들어 GaN을 기초로 한 청색, 녹색 발광다이오드의 상용화 뿐만아니라, 백색광 발광다이오드 또한 GaN계 화합물 반도체로 제조가 가능하게 되었는데, 이러한 고효율의 3원색(적, 청, 녹)과 백색 발광다이오드가 등장하면서, 발광다이오드(Ligtht Emitting Diode)의 응용범위가 넓어졌는데, 예를 들어, 키패드와 액정표시장치의 백라이트(backlight), 신호등, 공항 활주로의 안내등, 항공기나 자동차등의 지향성이 높은 독성등, 조명등 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다.

특히, GaN계 백색 발광다이오드는 현재 발광효율이 약 25 lm/W 정도로서, 형광등의 발광효율에는 아직 미치지 못하고 있으나, 급속한 속도로 성능개선이 이루어지면서, 백열등뿐만아니라 형광등을 대체할 수 있는 조명장치로서 전망되고 있다.

도 1은 이러한 GaN계 반도체 발광 소자의 기본 구조를 도시한 것으로서, GaN계 반도체 발광 소자는, 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(12), 다중우물구조인 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(14)을 포함하며, 상기 p형 질화물 반도체층(14)과 활성층(13)은 그 일부 영역이 에칭되어 n형 질화물 반도체층(12)의 일부 상면이 노출된 구조를 갖는다. 그리고, 상기 p형 질화물 반도체층(14)의 상부 및 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(12)의 상면에는 각각 p측 전극(이하, P-전극이라 함)(15) 및 n측 전극(이하, N-전극이라고 함)(16)이 형 성된다.

상기 도 1의 구조는 기본구조로서, 여기에 더하여, 상기 n형 질화물 반도체층(14)과 기판(11)의 사이에 격자정합의 향상을 위한 버퍼층을 더 형성할 수 도 있고, 또한, 상기 p형 질화물 반도체층(14)과 P-전극(15)의 사이에 오믹 접촉을 형성하고 전류 주입 효율을 향상시키기 위한 투명전극층(T 메탈이라고도 함)을 더 형성하기도 한다.

상기와 같은 발광 소자, 특히 GaN계 백색 발광소자에 있어서 가장 큰 문제점은 낮은 발광 효율이다. 일반적으로, 발광 효율은 빛의 생성 효율과, 소자 밖으로 방출되는 효율, 및 형광체에 의해 빛이 증폭되는 효율에 의하여 결정되는데, 종래의 GaN계 백색 발광소자는 소자 밖으로 빛을 방출하는 효율이 낮다는 문제점이 있다. 상기의 소자 외부로 빛이 방출되는데 있어서의 가장 큰 장애요인은 내부 전반사(internal total reflection)로서, 소자의 각 레이어(layer) 간의 굴절율 차에 의하여, 계면밖으로 빠져나가는 빛은 생성된 빛의 일부인 20%정도에 해당된다. 더구나, 계면을 빠져나가지 못한 빛은 소자 내부를 이동하다가 열로 붕괴(decay)되어버려, 결과적으로 발광효율은 낮으면서 소자의 열 발생량을 늘려, 소자의 수명을 단축시키게 된다.

이에, 상기 도 1에 보인 발광 소자를 뒤집어, 기판(11)이 위를 향하게 하는 플립 칩 본딩 구조를 채택하고, 후면 반사막을 구비시켜, 전극(15,16) 방향으로 발생된 빛을 기판(11)쪽으로 반사시켜, 기판(11)을 통과해 방출되도록 하였다. 이로써, P-전극(15)의 낮은 투과율로 인해 감소되었던 빛을 살려, 발광효율을 40%때까지 개선시킬 수 있었으나, 소자 내부의 전반사에 의한 광 효율 감소 문제는 여전히 해결되지 않았다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 플립 칩 본딩 구조에서 빛이 방출되는 기판의 상하면에 각각 광경도를 바꿀 수 있는 패턴을 형성하여 계면에서의 전반사 특성을 감소시킴으로서 발광 효율을 개선한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 광원이 임계각내로 입사되도록 상부 표면에 반구형상의 볼록 패턴들을 형성하고, 하부 표면에 반구 형상의 요철 패턴을 형성하는, 질화갈륨계 반도체 물질을 성장시키기 위한 기판; 상기 기판의 일면상에 형성되는 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상의 일부 영역이 노출되도록 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 형성되는 활성층; 상기 활성층의 상부에 형성되는 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층의 상부에 형성되는 p측 전극; 및, 상기 n형 질화물 반도체층의 노출된 일부 영역 상에 형성되는 n측 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더하여, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 상기 p측 본딩전극 및 n측 전극이 회로기판에 직접 본딩되고 상기 기판을 통해 빛이 외부로 방출되는 플립 칩 타입인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 기판은 사파이어 또는 SiC 또는 GaN로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 기판은 상기 n형 질화물 반도체층이 형성되는 제1면에 반구형의 볼록패턴이 형성되고, 상기 제1면과 마주보는 제2면에 반구형의 오목패턴이 형성될 수 있고, 상기 n형 질화물 반도체층이 형성되는 제1면과, 상기 제1면과 마주보는 제2면에 각각 반구형의 볼록 패턴을 형성할 수 있으며, 또한, 상기 n형 질화물 반도체층이 형성되는 제1면에 반구형의 볼록패턴들이 형성되고, 상기 제1면과 마주보는 제2면에 그 단면형상이 삼각형인 프리즘 구조의 볼록 패턴을 형성할 수 있다.

더하여, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 구성수단으로서, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은 서로 평행한 제1,2면을 포함하는 기판의 제1면에 소정 형태의 요철 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판의 제1면상에 n형 질화 물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 순차배치되는 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 형성된 발광구조물의 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층에 각각 N-전극, P-전극을 형성하는 단계; 상기 기판의 제2면을 그라인딩하는 단계; 상기 형성된 N-전극 및 P-전극 면을 지그용 기판 위에 밀착시켜, 기판을 수평하게 교정하는 단계; 상기 그라인딩된 기판의 제2면에 소정 형태의 요철 패턴을 형성하는 단계; 및, 상기 지그용 기판을 분리하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은, 기판의 제1면과 제2면에 반구형의 오목 및/또는 볼록한 요철패턴을 형성하거나, 기판의 제1면에 반구형의 오목 및/또는 볼록한 요철패턴을 형성하고, 제2면에 프리즘형태의 볼록한 요철패턴을 형성하는 것이 바람직하다.

더하여, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 기판의 제1,2면에 요철을 형성하는 단계는, 요철패턴이 볼록한 반구형패턴인 경우, 기판의 해당 면에 포토레지스터를 소정 두께로 도포하는 단계; 상기 기판에서 반구형 볼록패턴이 형성될 위치의 포토레지스터만 남기고 나머지가 제거하여 포토레지스터 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판을 100~150℃의 온도에서 대략 1~5분간 리-플로우(re-flow)하여, 상기 포토레지스터 패턴을 반구형 형태로 형성하는 단계; 및 상기 기판의 해당면을 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reacitve ion etching)를 이용하여 상기 반구형의 포토레지스터 패턴을 마스크로 하여 상기 기판 을 에칭하여 반구형의 볼록패턴을 형성하는 단계로 이루어질 수 있으며, 상기 기판의 제1,2면에 요철을 형성하는 단계는, 요철패턴이 오목한 반구형패턴인 경우, 상기 기판의 해당면을 에칭하여 일정 간격으로 배치된 제1직경을 갖는 원형의 오목한 제1패턴을 형성하는 단계; 상기 기판의 해당면을 다시 에칭하여 상기 제1패턴과 중첩되고, 제1직경보다 큰 제2직경을 갖는 원형의 오목한 제2패턴을 형성하는 단계; 및 상기 기판의 제1,2패턴을 오버에칭하여, 오목한 반구형 패턴을 형성하는 단계로 이루어질 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 기본 구조를 나타낸 측단면도로서, 광원이 임계각내로 입사되도록 상하부면에 소정 형태의 요철이 형성되며, 질화갈륨계 반도체 물질을 성장시키기 위한 기판(21)과, 상기 기판(21)의 일면상에 형성되는 n형 질화물 반도체층(22)과, 상기 n형 질화물 반도체층(22) 상의 일부 영역이 노출되도록 상기 n형 질화물 반도체층(22)의 상부에 형성되는 활성층(23)과, 상기 활성층(23)의 상부에 형성되는 p형 질화물 반도체층(24)과, 상기 p형 질화물 반도체층(24)의 상부에 형성되는 p측 전극(25)과, 상기 n형 질화물 반도체층(22)의 노출된 일부 영역 상에 형성되는 n측 전극(26)을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 빛일 기판(21)을 통해 방출되는 플립 칩 타입인 경우 더욱 바람직한 효과를 얻을 수 있다.

도 5는 플립칩 본딩된 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 실시예를 보인 측단면도로서, 상기 도 2에 보인 질화물 반도체 발광소자의 P-전극(25)과 N-전극(26)을 회로패턴이 형성된 서브 마운트 기판(27)상에 본딩한다. 상기 구조에서, 서브 마운트 기판(27)의 외부단자를 통해 P-전극(25)과 N-전극(26)으로 전기신호를 전달받은 질화물 반도체 발광소자는 질화물 반도체층에서 생성된 광원이 기판(21)을 통과해 공기중으로 방출된다.

상기에서, 기판(21)은 사파이어 또는 SiC 또는 GaN로 형성되며, 예를 들어, 사파이어기판의 경우 굴절률은 1.78로서 공기의 굴절률 1 보다 크다. 또한, n형 질화물 반도체층(22)의 굴절률은 약 2.54로서, 사파이어로 이루어진 기판(21)보다 굴절률이 대체적으로 크다. 플립칩 본딩된 경우, 상기 질화물 반도체 발광소자에서 생성된 광원은 n형 질화물반도체층(22)→기판(21)→공기 순으로 통과된다.

일반적으로, 빛은 굴절률이 큰 물질에서 굴절률이 작은 물질로 입사할 때, 입사각이 어느 특정 각도 이상이면 그 경계면에서 빛이 전부 전반사되어 버리는데, 이러한 전반사가 일어날 수 있는 입사각의 최소값을 임계각이라 한다. 상기 임계각 은 두 물질의 굴절률에 의하여 정해지는 것으로서, 임계각을 α₀라 하고, 두 물질의 굴절률을 n1, n2(n1＞n2)라고 하면 sinα₀=n2/n1이 된다.

따라서, 상기 질화물 반도체층에서 발생된 광은, n형 질화물 반도체층(23)에서 기판(21)으로 입사하거나, 기판(21)에서 공기중으로 입사되는 경우, 굴절률이 큰 물질에서 작은 물질로 입사하기 때문에, 각 경계면에서의 임계각 이상으로 입사된 광에 대하여 전반사가 발생한다.

이에, 상기 도 2 및 도 5에 도시된 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에서는, 공기 또는 n형 질화물 반도체층(22)과 접하는 기판(21)의 상하면에 광경도를 변경시키는 소정 형태의 요철 패턴이 형성되어, 대체적인 광원의 입사각이 임계각이하가 되도록 한다.

이하, 설명의 편의를 위하여 상기 기판(21)에 있어서, n형 질화물 반도체층(22)과 접하는 면을 제1면이라 하고, 공기와 접하는 면을 제2면이라 한다.

상기 도 2의 실시예에 보인 질화물 반도체 발광소자는, 상기 기판(21)의 제1면에 반구형의 볼록패턴이 형성되고, 상기 제1면과 마주보는 제2면에 반구형의 오목패턴이 형성된다. 상기 요철 경계면에서 빛의 입사각이 변하여 굴절률에 기인한 전반사 문제를 감소시킬 수 있게 된다. 이로 인하여, 상기 제1,2면에서 빠져나가지 못하고, 소자 내부에서 이동하던 빛이 열로 전환되는 것을 방지하여 열 발생량을 줄일 수 있게 된다.

도 3은 상기 기판(21)의 구조를 더 상세하게는 나타낸 투과 사시도로서, 기판(21)의 제1,2면에 각각 반구형의 오목 또는 볼록 패턴이 일정 간격으로 규칙적으로 배열된다. 상기 기판(21)의 제1,2면에 형성된 반구형의 오목 또는 볼록 패턴은 높이가 약 1~5㎛이고, 지름이 약 3~5㎛이다. 더불어, 반구형 오목 또는 볼록 패턴간의 간격은 2~5㎛로 하는 것이 제조에 있어서 더 효율적이다.

본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는 다른 실시예로서, 상기 기판(21) 제1,2면에 형성되는 패턴형태를 변경할 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 다른 실시예에 의한 기판 구조만을 도시한다.

도 4a에 도시된 다른 실시예에 있어서, 기판(21a)은 제1,2면상에 동일하게 반구형의 볼록 패턴을 형성하고 있다. 이 경우, 반구형 볼록패턴도 마찬가지로 높이가 약 1~5㎛이고, 지름이 약 3~5㎛, 패턴간의 간격이 2~5㎛로 하는 것이 효율적이다.

도 4b에 도시된 다른 실시예에 있어서, 기판(21b)은 제1면상에 프리즘 형상 의 볼록패턴을 형성하고, 제2면상에는 앞서의 실시예와 마찬가지로 반구형의 볼록 패턴을 형성한다. 상기 프리즘 구조의 패턴은 빛의 방출각도를 수직방향으로 변환시킴으로서 발광효율을 더 높힐 수 있다. 도면에는 첨부하지 않았지만, 상기 프리즘 형상의 패턴의 기판의 양면에 동일하게 형성할 수 도 있다.

상술한 실시예들도 앞서 설명한 바와 같은 원리에 의하여, 광경도를 변화시켜 광의 입사각이 임계각이하로 될 수 있도록 함으로서, 전반사를 감소시켜 발광 효율을 향상시키게 된다.

이상과 같은 구조의 질화물 반도체 발광소자는 이하에서 설명하는 방법에 의하여 제조 될 수 있다.

도 6은 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 공정을 순차적으로 설명하는 플로우챠트이고, 도 7a 내지 도 7h는 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 공정을 나타낸 공정도이다.

상기 도 6를 참조하여 제조 순서를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 질화물 반도체 층을 성장시키기 위한 마련된 기판(21)의 상면에 패턴을 형성한다(601).

그 다음, 상기 요철패턴이 형성된 기판(21)의 제1면상에 n형 질화물 반도체 층(22), 활성층(23) 및 p형 질화물 반도체층(24)이 순차배치되는 발광구조물과, P-전극(25) 및 N-전극(26)을 형성한다(602). 그리고, 제2면상의 요철패턴 형성을 위하여, 상기 기판(21)의 제2면을 그라인딩한 후, 지그형 기판상에 상기 형성된 N-전극(26) 및 P-전극(27) 면을 밀착시켜, 기판을 수평하게 교정한다(603).

상기와 같이 수평하게 교정된 기판(21)의 제2면에 요철 패턴을 형성한(604), 지그용 기판을 제거하여(605), 도 2에 도시된 바와 같은, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자를 제조한다.

도 2에 보인 질화물 반도체 발광소자에 대한 제조 공정을 도 7a 내지 도 7b를 참조하여 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 기판의 제1면에 요철패턴을 형성하는 단계(601)는, 도 7a에 도시된 바와 같이, 발광구조물을 성장시키기 위하여 마련된 기판(81)의 제1면상에 소정 두께(예를 들어, 3~5㎛로서, 형성된 반구형 볼록 패턴의 높이보다 다소 높게 설정한다)로 포토레지스터(82)를 도포한다. 그리고, 포토공정을 이용하여, 도 7b에 도시된 바와 같이, 포토레지스터(82)를 사각형태의 패턴으로 형성한다. 이때 형성된 포토레지스터(82) 패턴들은 설계된 반구형 볼록패턴보다 높고 좁게, 그리고 넓은 간격으로 형성되는 것이 바람직하다. 그 다음, 상기 포토레지스터(82)를 100~150℃의 온도에서 1~5분간 리-플로우(re-flow)한다. 이에, 포토레지스터(82)가 7c에 도시된 바와 같이 반구형으로 변환된다.

그리고, 상기와 같이 형성된 반구형의 포토레지스터(82)를 마스크로 하여, 기판(81)의 제1면에 유도결합 플라즈마 반응성 이온에칭(Inductively Coupled Plasma RIE, 이하 ICP-RIE라 한다) 공정을 수행하여, 상기 반구형 포토레지스터(82)의 두께에 반비례하는 깊이로 기판(81)의 제1면을 에칭하면, 도 7d에 도시된 바와 같이, 기판(81)의 제1면에 반구형 포토레지스터 패턴(82)과 대체적으로 일치되는 형성의 반구형 볼록 패턴이 형성된다. 상기 ICP-RIE공정에서는 에칭가스로서 BC1₃과 HBr 가스를 이용한다.

이상에서 설명한 상기 도 7a 내지 도 7d에 보인 공정은 도 4a 내지 도 4b에 도시된 실시예에서와 같이, 기판(21a,21b)의 제2면에 반구형 볼록패턴이 형성되는 경우, 도 6의 단계606에서도 동일하게 적용될 수 있다.

그리고, 상기와 같이 제1면에 반구형 볼록 패턴이 형성된 기판(81)의 제1면상에는 단계 602에 의하여, 도 7e와 같이, n형질화물 반도체층(82), 활성층(83), p형질화물 반도체층(84), P-전극(85) 및 N-전극(86)이 순차적으로 형성된다.

상기 발광구조물의 형성후, 단계 603에서, 기판(81)의 제2면상에 요철패턴을 형성하기 위하여, 상기 제2면을 평평하게 그라인딩하게 되는데, 이때, 기판(81)과 질화물 반도체 간의 열적 스트레스차에 의하여 기판(81)이 휘는 현상이 발생한다. 따라서, 기판(81)을 평평하게 만들어 줄 필요가 있다.

이를 위하여, 상기 단계604는, 도 7f에 도시된 바와 같이, 발광구조물이 형성된 기판(81)의 P-전극(85) 및 N-전극(86)을 포토레지스터 또는 폴리머(87)가 도포된 지그용 기판(88)에 밀착시키고, 하드베이킹(hard baking)한 후, 지그를 이용하여 수평하게 조정하는 과정으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 지그용 기판(82)는 실제 소자의 기판(81)과는 두께가 다른 사파이어 기판이나 Si기판으로 이용할 수 있다.

다음으로, 상기 기판의 제2면에 패턴을 형성하는 단계606은, 형성할 패턴인 도 4a에 도시한 바와 같이, 반구형의 볼록 패턴인 경우, 앞서 설명한 도 7a 내지 도 7d의 공정에 의해 이루어질 수 있다. 반대로, 도 2에 보인 실시예에서와 같이 반구형의 오목 패턴인 경우에는 다음과 같이 이루어질 수 있다.

도 7f와 같이 지그용 기판(88)에 밀착된 기판(82)의 그라인딩된 제2면에 ICP-RIE 공정을 이용하여, 일정 간격으로 배치된 제1직경을 갖는 원형의 오목한 제1패턴을 형성한다. 이때, 제1직경은 대략 1~2㎛로서, 작은 직경을 갖는다. 그리고 나서, 상기 기판(88)의 제2면을 다시 ICP-RIE 공정을 이용하여 에칭하는데, 이때는 상기 제1패턴과 중첩되고, 제1직경보다 큰 제2직경을 갖는 원형의 오목한 제2패턴이 형성된다. 이에, 기판(88)의 제2면에는 계단형의 오목패턴이 형성되게 된 다. 이러한 상태에서, 상기 제1,2패턴이 형성된 부위를 다시 오버에칭하여, 반구형 의 오목패턴을 형성한다. 도 7g는 이러한 공정에 의하여 변화된 기판(82)의 제2면상태를 보인 측단면도이다.

상기와 같이 기판(81)의 제2면에 패턴형성이 완료된 후에는, 포토레지스터를 제거함에 의하여, 지그용기판(88)을 분리시킴으로서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자가 제조된다.

본 발명에 의한 특성의 개선정도를 비교하기 위하여, 종래의 플립 칩 발광소자와, 기판(21)의 제1면에만 반구형 볼록 패턴을 형성한 발광소자와, 기판(21)의 제1,2면 모두에 도 2에 도시된 바와 같이, 반구형 패턴을 형성한 소자에 대한 광효율 특성에 대한 차이를 시뮬레이션을 통하여 알아보았다. 이때, 조건으로서 반구형 패턴의 높이는 약 1.5㎛, 지름은 3㎛, 간격은 3㎛로 정의하였고, 그외의 조건은 동일하게 하였다.

그 결과, 각 구조별로 발생되는 광자의 수 및 발생비율은 다음의 표 1과 같이 나타났다.

	종래 구조	기판의 제1면에만 반구형패턴형성	기판의 제1,2면에 반구형 패턴형성
포톤수	27,798	58,375	72,275
비율	1	2.1	2.6

상기 표 1의 결과로부터, 종래 구조에 비하여, 기판의 제1면에만 반구형 패턴을 형성한 경우, 빛의 수가 약 2배 이상 증가되며, 기판의 제1,2면 모두에 반구형 패턴을 형성한 경우에는 빛의 수가 종래에 비하여 약 2.6이상으로, 가장 높은 광특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자는 소자 내부의 전반사율을 감소시킴으로서, 광발생량을 증가시키면서 소장의 수명을 증가시켜, 소장 특성을 개선할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims

광원이 임계각 이하의 각도로 입사되도록 상부 표면에 반구 형상의 볼록패턴들이 형성되고, 하부 표면에 입사된 광원이 임계각 이하의 각도로 입사되도록 요철 패턴이 형성되며, 그 상부표면에 질화갈륨계 반도체 물질을 성장시키기 위한 기판;

상기 기판의 상부 표면상의 일부 영역에 박막성장에 의하여 형성되는 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상부에 형성되는 활성층;

상기 활성층의 상부에 형성되는 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층의 상부에 형성되는 p측 전극; 및

상기 n형 질화물 반도체층의 노출된 영역 상에 형성되는 n측 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 p측 전극 및 n측 전극이 회로기판에 직접 본딩되고 상기 기판을 통해 빛이 외부로 방출되는 플립 칩 타입인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 또는 SiC 또는 GaN로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1 항에 있어서, 상기 기판의 하부면에 형성되는 요철 패턴은 반구 형상의 오목 패턴인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1 항에 있어서, 상기 기판의 하부면에 형성되는 요철 패턴은 반구 형상의 볼록 패턴인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1 항에 있어서, 상기 기판의 하부면에 형성되는 요철 패턴은 프리즘 형상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
서로 평행한 제1,2면을 포함하는 기판의 제1면에 반구 형상의 볼록 패턴을 형성하는 제1 단계;

상기 기판의 제1면상에 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 순차 배치되는 발광구조물을 성장시키는 제2 단계;

상기 발광구조물의 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층에 각각 N-전극, P-전극을 형성하는 제3 단계;

상기 기판의 제2면을 그라인딩하는 제4 단계;

상기 형성된 N-전극 및 P-전극 면을 지그용 기판 위에 밀착시켜, 기판을 수평하게 교정하는 제5 단계;

상기 그라인딩된 기판의 제2면에 상기 발광 구조물에서 생성된 광의 입사각을 임계각 이하로 조정하기 위한 요철 패턴을 형성하는 제6 단계; 및,

상기 지그용 기판을 분리하는 제7 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제6 단계는 기판의 제2 면에 반구형의 오목 또는 볼록한 요철 패턴을 형성하는 단계임을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제6 단계는 기판의 제2 면에 프리즘 형상의 요철 패턴을 형성하는 단계임을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 제1 단계 및 제6 단계는

기판의 해당 면에 포토레지스터를 도포하는 단계;

상기 기판에서 반구형 볼록패턴이 형성될 위치의 포토레지스터만 남기고 나머지가 제거하여 포토레지스터 패턴을 형성하는 단계;

상기 기판을 100~150℃의 온도에서 대략 1~5분간 리-플로우(re-flow)하여, 상기 포토레지스터 패턴을 반구형 형태로 형성하는 단계; 및

상기 기판의 해당면을 ICP-RIE를 이용하여 상기 반구형의 포토레지스터 패턴을 마스크로 하여 상기 기판을 에칭하여 반구형의 볼록패턴을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 제6 단계는

상기 기판의 해당면을 에칭하여 일정 간격으로 배치된 제1직경을 갖는 원형의 오목한 제1패턴을 형성하는 단계;

상기 기판의 해당면을 다시 에칭하여 상기 제1패턴과 중첩되고, 제1직경보다 큰 제2직경을 갖는 원형의 오목한 제2패턴을 형성하는 단계; 및

상기 기판의 제1,2패턴을 오버에칭하여, 오목한 반구형 패턴을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 제5 단계는,

상기 포토레지스터 또는 폴리머가 도포된 지그용 기판에 상기 N-전극 및 P-전극면을 밀착시키고, 하드베이킹(hard baking)후 지그로 수평하게 조정하는 단계임을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 지그용 지판은 상기 기판과 두께가 다른 사파이어 기판 또는 Si기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.