KR100593939B1

KR100593939B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법

Info

Publication number: KR100593939B1
Application number: KR1020050033178A
Authority: KR
Inventors: 류영호; 황해연
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-06-30

Abstract

본 발명은 광추출효율이 개선된 고휘도 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법에 관한 것으로서, p형 질화물 반도체층 및 n형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함하는 질화물 발광소자에 있어서, 상기 질화물 반도체 발광소자의 적어도 일 면에 형성되어 그 면의 표면적을 증가시키기 위한 요철패턴과, 상기 요철 표면에 형성되어 광을 산란시키기 위한 다수의 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은 건식식각공정과 습식식각공정을 적절히 결합함으로써 광추출효과가 크게 개선된 광산란면을 제공할 수 있다.

발광다이오드(light emitting diode), 광추출효율(light extraction efficiency), 건식식각(dry etching), 습식식각(wet etching)

Description

질화물 반도체 발광소자 및 제조방법{NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

도1a는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 사시도이다.

도1b는 도1a의 질화물 반도체 발광소자의 요철패턴을 나타내는 개략도이다.

도2a 내지 도2e는 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.

도3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11: 사파이어기판 12: n형 질화물 반도체층

14: 활성층 15: p형 질화물 반도체층

17: 요철패턴 18a,18b: 돌기부

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 광추출효율을 향 상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 내부양자효율(internal quantum efficiedncy)과 광추출효율(light extraction efficiency, 또는 "외부양자효율"이라고도 함)에 의해 결정된다. 특히, 광추출효율은 발광소자의 광학적 인자, 즉 각 구조물의 굴절률 및/또는 계면의 평활도(flatness) 등에 의해 결정된다.

이러한 광추출효율측면에서 질화물 반도체 발광소자는 근본적인 제한사항을 가지고 있다. 즉, 반도체 발광소자를 구성하는 반도체층은 외부대기나 기판에 비해 큰 굴절률을 가지므로, 빛의 방출가능한 입사각범위를 결정하는 임계각이 작아지고, 그 결과, 활성층으로부터 발생된 광의 상당부분은 내부 전반사되어 실질적으로 원하지 않는 방향으로 전파되거나 전반사과정에서 손실되어 광추출효율이 낮을 수 밖에 없다.

보다 구체적으로, 질화물계 반도체 발광소자에서, GaN의 굴절률은 2.4이므로, 활성층에서 발생된 광은 GaN/대기계면에서의 임계각인 23.6°보다 클 경우에 내부전반사를 일으키면서 측면방향으로 진행되어 손실되거나 원하는 방향으로 방출되지 못하여, 광추출효율은 6%에 불과하고, 이와 유사하게 사파이어기판은 1.78이므로, 사파이어기판/대기계면에서의 광추출효율은 낮다는 문제가 있다.

이러한 광추출효율의 문제점을 개선하기 위해서, 일본특허공개공보 2002- 368263호(공개일자: 2002.12.20일, 출원인: 도요타 고세이 가부시키가이샤)에서는,사파이어 기판의 하면을 거친 면으로 형성한 플립칩 질화물 발광소자를 제안하고 있다. 또한, 일본특허공개공보 1994-291368호(공개일자:1994.10.18, 출원인: 니치아 케미스트리)에서는, 반도체의 최상층(예, p형 질화물층)의 표면을 비경면하여 광추출효율을 향상시키는 방안이 개시되어 있다.

하지만, 일반적으로 발광소자는 광산란을 위한 돌기패턴을 형성가능한 면이 제한되므로, 거친면을 적용함으로써 얻어질 수 있는 광추출효율의 개선효과를 충분하지 않다는 문제가 있다. 따라서, 당 기술분야에서는 광추출효율의 개선효과를 극대화할 수 있는 새로운 방안이 요구되어 왔다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 표면적을 증가시키기 위해 거시적 구조로서 요철패턴을 채용하는 동시에 상기 요철패턴의 표면에 미세한 광산란구조인 다수의 돌기부를 형성함으로써 광추출효율을 크게 향상시키는 새로운 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은

p형 질화물 반도체층 및 n형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함하는 질화물 발광소자에 있어서, 상기 질화물 반도체 발광소자의 적어도 일 면에 형성되어 그 면의 표면적을 증가시키는 요철패턴과, 상기 요철 표면에 형성되어 광을 산란시키기 위한 다수의 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에서 상기 요철패턴은 거시적 구조로서 해당면의 표면적을 증가시키기 위해서 채용된다. 바람직하게, 상기 요철패턴의 하부폭은 1∼10㎛이며, 높이는 0.1∼3㎛일 수 있다.

바람직하게 상기 요철패턴은 미세 산란구조인 돌기부가 용이하게 형성될 수 있도록 상부를 향해 경사진 측면을 갖는다.

본 발명에 채용되는 요철패턴은 표면적을 충분히 증가시킬 뿐만 아니라, 광학적 렌즈구조로서 작용할 수 있도록, 반구형 또는 단면이 반원형인 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 요철패턴은 충분한 표면적 증가효과를 얻기 위해서, 10㎛이하의 간격을 갖도록 배열하며, 보다 바람직하게는 상기 요철패턴은 조밀하게 형성되도록 서로 접하여 가능한 조밀하게 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 광산란을 위한 미세구조로서 채용되는 다수의 돌기부는 0.001∼ 1㎛범위의 주기로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 각 돌기부 높이는 0.001∼2㎛범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함하는 질화물 발광소자 제조방법에 있어서, 상기 질화물 반도체 발광소자의 적어도 일 면에 그 면의 표면적이 증가되도록 요철패턴을 형성하는 단계와, 적어도 상기 요철패턴 표면에서 광이 산란되도록 그 표면에 다수의 돌기부를 형성하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 요철패턴을 형성하는 단계는, 상기 발광소자의 일면에 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴이 원하는 단면형상을 갖도록 포토레지스트 패턴을 가공하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴이 형성된 상기 일면에 건식식각을 실행하여 상기 요철패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 포토레지스트 패턴을 가공하는 단계는, 상기 포토레지스트 패턴이 상부를 향해 경사진 측면을 갖도록 상기 포토레지스트 패턴을 열처리하는 단계일 수 있다.

또한, 상기 요철 표면에 다수의 돌기패턴을 형성하는 단계는 요철패턴이 형성된 면에 습식식각을 실행하는 단계일 수 있다. 이와 같이, 바람직하게는 요철패턴을 형성하는 건식식각공정과 광산란을 위한 돌기부를 형성하기 위한 습식식각공 정을 결합하여 고휘도 질화물 반도체 발광소자를 제조할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도1a에 도시된 질화물 반도체 발광소자는, 사파이어 기판(11)과 그 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(14) 및 p형 질화물 반도체층(15)을 포함한다. 또한, 상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 n형 질화물 반도체층(12)과 상기 p형 질화물 반도체층(15)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(19a,19b)을 포함한다.

본 실시형태에서, 상기 p형 질화물 반도체층(15)의 상면에는 반구형인 요철패턴(17)이 형성된다. 상기 요철패턴(17)은 2차원적으로, 즉 종과 횡방향으로 배열된다. 상기 요철패턴(17)에 의해 상기 p형 질화물 반도체층(15) 상면의 실질적인 표면적이 증가된다. 이러한 요철패턴(17)은 그 형상에 의해 한정되지는 않지만, 본 실시형태와 같이 반구형인 경우에는 면적증가율을 보다 크게 할 수 있으며, 우수한 광학적 렌즈로서 작용할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 상기 요철패턴(17)의 표면에 다수의 돌기부(18a)가 추가적으로 형성된다. 상기 돌기부(18a,18b)는 습식에칭공정에 의해 형성될 수 있으므로, 도시된 바와 같이, 요철패턴(17)의 사이영역에도 다수의 돌기부(18b)가 형성될 수 있다. 상기 다수의 돌기부(18a,18b)는 요철패턴(17)에 비해 미세한 구조로 서, 방출광의 파장을 표면에서 산란시켜 광추출효율을 개선시킬 수 있다. 또한, 이러한 돌기부(18a,18b)를 용이하게 형성하기 위해서, 상기 요철(17)의 측면은 상부를 향해 경사지도록 형성하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서 채용된 요철패턴(17)은 도1b에 보다 구체적으로 도시되어 있다.

도1b를 참조하면, p형 질화물 반도체층(15) 상면에는 표면적을 증가시키기 위한 비교적 큰 요철패턴(17)이 형성되어 있다. 상기 요철패턴(17)의 크기는 충분히 표면적을 증가시키는 동시에, 광학적 측면을 고려하여 결정된다. 바람직하게 상기 요철패턴(17)은 1∼10㎛의 하부폭(w)과 0.1∼3㎛의 높이(h)를 갖는 것이 바람직하다.

도시된 바와 같이, 상기 요철패턴(17)은 간격없이 배열된 것으로 예시되어 있으나, 표면적을 충분히 증가시키기 위해서 10㎛을 초과하지 않는 범위에서 적절한 간격을 가질 수도 있다. 상기 요철패턴(17)의 표면 상에 상대적으로 미세한 구조인 다수의 돌기부(18a)가 형성된다. 상기 다수의 돌기부(18a)는 요철패턴(17)에 의해 증가된 표면에 형성되므로, 전체적으로 광추출효율을 크게 향상시킬 수 있다. 즉, 활성층으로부터 발생된 광(a)은 요철패턴(17)에 의해 확대된 표면에 도달하여 그 양이 증가되며, 표면에 도달된 광(b)은 다수의 돌기부(18a)에 의해 산란되어 효과적으로 외부로 방출될 수 있다. 이러한 광산란효과를 충분히 얻기 위해서, 상기 다수의 돌기부(18a)는 0.001∼1㎛ 주기를 가지며, 각각 0.001∼2㎛범위의 높이를 갖는 것이 바람직하다.

도2a를 참조하면, n형 및 p형 질화물 반도체층(23,25)과 그 사이에 활성층(24)이 형성된 질화물 반도체 구조가 도시되어 있다. 본 질화물 반도체 구조는 사파이어 기판(미도시)이 제거된 상태를 나타내는 것으로서, n형 및 p형 질화물층(23,24)에 각각 대향하는 전극이 형성된 수직구조 발광다이오드를 제조하는 공정으로 이해될 수 있다.

도2b와 같이, n형 질화물 반도체층(23) 상면에 레지스트패턴(26)을 소정의 간격으로 형성한다. 상기 레지스트패턴(26)은 리소그래피공정을 통해 원하는 간격과 폭으로 형성될 수 있다. 이러한 포토레지스트물질은 요철패턴이 형성될 층, 즉 n형 질화물 반도체층(23)과 유사한 에칭률을 갖는 것을 선택하는 것이 바람직하다.

이어, 도2c와 같이, 상기 포토레지스트패턴(26)을 열처리하여 원하는 형상의 포토레지스트패턴(26')을 형성하고, 상기 포토레지스트패턴(26')을 이용하여 건식식각공정을 실시한다. 열처리공정에서 상기 패턴(26)의 상부가 일부 녹아내려, 원하는 반구형상을 얻을 수 있다. 이 경우에, 도2b의 포토레지스트패턴(26)을 스트라이프형상으로 형성함으로써 단면이 반원형인 스트라이프패턴의 포토레지스트패턴 (26')을 얻을 수 있다. 상기 열처리된 포토레지스트패턴(26')은 후속공정에서 형성될 요철패턴의 형상과 거의 일치할 수 있다. 따라서, 원하는 크기와 형상의 요철패턴을 얻기 위해서, 상기 패턴 폭 및 높이의 설계와 열처리공정조건을 적절히 조절할 필요가 있다. 상기 건식식각공정은 RIE(reactive ion etching) 또는 ICP(inductively coupled plasma etching) 등에 의해 실행될 수 있다.

도2d와 같이, 건식식각의 이방성에칭효과에 의해 포토레지스트패턴(26')이 제거되는 동시에, 그 패턴(26')의 형상 및 크기에 대응되는 요철패턴(27)이 형성된다. 본 건식식각공정으로부터 얻어진 반구형 요철패턴(27)은 n형 질화물 반도체층의 표면적을 증가시키므로, 유효한 광방출면을 증가시킬 수 있으며, 광학적 렌즈로 작용할 수도 있다. 이어, 상기 요철패턴(27)이 형성된 면에 대해 습식식각공정을 실시한다.

습식식각공정에 의해 도2e와 같이 상기 요철(27)의 표면에는 다수의 돌기부가 형성된다. 상기 돌기부(28)의 방향 및 구조는 식각되는 층의 결정방향에 의해 결정되며, 광산란효과를 갖는 미세한 구조를 가질 수 있다. 본 도면에는 도시되지 않았으나, 본 습식식각공정에서, 요철패턴(27)이 형성되지 않은 부분에도 유사한 돌기부(28)가 형성될 수 있다. 바람직한 돌기부(28)를 얻기 위한 본 습식식각공정은 약 75∼100℃온도에서 KOH와 같은 식각액(0.1∼1M)을 이용하여 1 내지 20분간 실시될 수 있다.

도2a 내지 도2e에 도시된 공정은 도3에 도시된 질화물 반도체 발광소자를 제조하기 위한 공정으로 이해될 수 있다. 도3에는 수직구조의 질화물 반도체 발광소자가 도시되어 있다.

도3에 도시된 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물 반도체층(33), 활성층(34) 및 p형 질화물 반도체층(35)을 포함한다. 상기 n 및 p형 질화물 반도체층(33,35)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(39a,39b)은 메사구조없이 대향된 위치에 형성된 수직구조를 갖는다.

본 실시형태에서, 다수의 돌기부(38)를 갖는 요철패턴(37)은 n형 질화물 반도체층(33) 상면에 형성된다. 이러한 요철패턴(37) 및 돌기부(38)의 형성공정은 도2a 내지 도2e의 공정을 통해 얻어질 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 거시적 구조인 요철패턴과, 상기 요철패턴의 표면에 형성된 미세구조인 다수의 돌기부를 동시에 형성함으로써 광추출효 율을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 특히, 요철패턴은 표면적인 증가를 통해 유효 광방출면을 증가시킬 뿐만 아니라, 반구형 등으로 형성하여 자체 광학적 구조로도 광추출효율을 개선시킬 수 있다.

Claims

p형 질화물 반도체층 및 n형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함하는 질화물 발광소자에 있어서,

상기 질화물 반도체 발광소자의 적어도 일 면에 형성되어 그 면의 표면적을 증가시키기 위한 요철패턴과, 상기 요철 표면에 형성되어 광을 산란시키기 위한 다수의 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 요철패턴의 하부폭은 1∼10㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서

상기 요철패턴의 높이는 0.1∼3㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 요철패턴은 상부를 향해 경사진 측면을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제4항에 있어서

상기 요철패턴은 종과 횡으로 배열된 반구형상 패턴인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제4항에 있어서,

상기 요철패턴은 서로 평행하게 배열된 스트라이프 패턴으로 이루어진 것을 톡징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 스트라이프 패턴의 측단면은 반원형인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서

상기 요철패턴은 10㎛이하의 간격을 갖도록 배열된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 요철패턴 사이의 영역에 추가적으로 형성된 다수의 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 다수의 돌기부의 형성주기는 0.001∼1㎛범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서

상기 다수의 돌기부 높이는 각각 0.001∼2㎛범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 p 및 n형 질화물 반도체층에 각각 접속된 p측 및 n측 전극이 대향하는 양면에 배치된 구조를 가지며,

상기 요철패턴은 상기 n형 질화물 반도체층 중 상기 n측 전극이 형성될 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함하는 질화물 발광소자 제조방법에 있어서,

상기 질화물 반도체 발광소자의 적어도 일 면에 그 면의 표면적이 증가되도록 요철패턴을 형성하는 단계와,

적어도 상기 요철패턴 표면에서 광이 산란되도록 그 표면에 다수의 돌기부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제13항에 있어서,

상기 요철패턴의 하부폭은 1∼10㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제13항에 있어서

상기 요철패턴의 높이는 0.1∼3㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제13항에 있어서,

상기 요철패턴을 형성하는 단계는,

상기 발광소자의 일면에 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴이 원하는 단면형상을 갖도록 포토레지스트 패턴을 가공하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴이 형성된 상기 일면에 건식식각을 실행하여 상기 요철패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제16항에 있어서,

상기 포토레지스트 패턴을 가공하는 단계는, 상기 포토레지스트 패턴이 상부를 향해 경사진 측면을 갖도록 상기 포토레지스트 패턴을 열처리하는 단계인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제17항에 있어서

상기 원하는 포토레지스트 패턴은 종과 횡으로 배열된 반구형상 패턴인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제17항에 있어서,

상기 원하는 포토레지스트 패턴은 서로 평행하게 배열된 스트라이프 패턴으로 이루어진 것을 톡징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제17항에 있어서,

상기 스트라이프 패턴의 측단면은 반원형인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제13항에 있어서

상기 요철 표면에 다수의 돌기부를 형성하는 단계는 상기 요철패턴이 형성된 면에 습식식각을 실행하는 단계인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제21항에 있어서,

상기 다수의 돌기부의 형성주기는 0.001∼1㎛범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제21항에 있어서

상기 다수의 돌기부 높이는 각각 0.001∼2㎛범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제13항에 있어서,

상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 p 및 n형 질화물 반도체층에 각각 접속된 p측 및 n측 전극이 대향하는 양면에 배치된 구조를 가지며,

상기 요철패턴이 형성되는 면은 상기 n형 질화물 반도체층 중 상기 n측 전극이 형성될 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.