KR100631414B1

KR100631414B1 - 반도체 발광 다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100631414B1
Application number: KR1020050041860A
Authority: KR
Inventors: 이재훈; 최희석; 최석범; 오정탁; 이수열
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-10-04
Also published as: US20070267640A1

Abstract

본 발명은 반도체 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 기판과, 상기 기판 상에 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 제1 언도프된 GaN층과, 상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 이차원 전자가스층을 제공하는 AlGaN층과, 상기 활성층에서 발생된 빛이 활성층 쪽으로 내부반사 되지 아니하도록 하는 요철을 가지고, 상기 AlGaN층 상에 형성되어 있는 제2 언도프된 GaN층 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 제2 언도프된 GaN층 상에 각각 접속되도록 형성되어 있는 n형 전극과 p형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 반도체 발광 다이오드의 제조방법을 제공한다.

반도체 발광 다이오드, 양자효율, 요철, 이차원 전자가스(2DEG)층

Description

반도체 발광 다이오드 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 선행기술 문헌 1(일특개 2000-196152호 공보)의 도 10에 개시된 종래의 질화물계화합물 반도체 LED 구조를 나타낸 사시도.

도 2는 선행기술문헌 1의 도 5에 개시된 종래 질화물계화합물 반도체 LED 구조를 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드의 구조를 나타내는 사시도.

도 4는 도 3에 도시된 반도체 발광 다이오드에 채용된 AlGaN/GaN 이종접합밴드구조 및 GaN/AlGaN/GaN 이종접합밴드구조를 나타낸 에너지밴드다이어그램.

도 5는 본 발명의 실시에에 따른 반도체 발광 다이오드의 볼록부가 배치되는 구조를 나타내는 사시도 및 평면도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 반도체 발광 다이오드의 볼록부가 배치되는 구조를 나타내는 평면도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드 요철 구조의 볼록부 형상의 구체적인 종류를 나타내는 사시도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드의 오목부가 배치되는 구조를 나타내는 사시도 및 평면도.

도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 기판 102 : n형 질화물 반도체층

103 : 활성층 104 : p형 질화물 반도체층

105 : p형 투명전극 106 : n형 전극

107 : p형 본딩전극 108 : 홈

210 : 제1 언도프된 GaN층 220 : AlGaN층

230a : 제1 이차원 전자가스층 230b : 제2 이차원 전자가스층

240 : 제2 언도프된 GaN층 300 : 볼록부

310 : 오목부

본 발명은 반도체 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 p형 질화물 반도체층의 손상없이 외부 양자효율을 향상시킬 수 있는 패턴을 형성하는 동시에 동작 전압을 낮추고 전류분산 효과를 향상시켜 고출력 특성을 확 보하는 반도체 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 발광 다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로서, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 발광소자를 말한다.

최근 LED는, 비약적인 반도체 기술의 발전에 힘입어, 저휘도의 범용제품에서 탈피하여, 고휘도, 고품질의 제품 생산이 가능해졌다. 또한, 고특성의 청색(Blue), 백색(White) 다이오드의 구현이 현실화됨에 따라서, LED는 디스플레이, 차세대 조명원 등으로 그 응용가치가 확대되고 있다.

특히, Ⅲ-Ⅴ족의 질화물을 이용한 화합물 반도체 LED는 천이 방식이 레이저 발진 확진 확률이 높은 직접 천이형이고 청색 레이저 발진이 가능한 특성 때문에 주목이 되고 있다. 그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른질화물계화합물 반도체 LED에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 선행기술 문헌 1(일특개 2000-196152호 공보)의 도 10에 개시된 종래의 질화물계화합물 반도체 LED 구조를 나타낸 사시도이다.

도 1을 참고하면, 종래의 LED에서는, 사파이어 기판(101)과 GaN 버퍼층(도시하지 않음)과, n형 GaN층(102)과, InGaN 활성층(103)과, p형 GaN층(104)이 순차 결정성장되어 있으며, InGaN 활성층(103) 및 p형 GaN층(104)의 일부가 식각으로 제거되어, 저면에 n형 GaN층(102)의 일부를 노출하는 홈(108)을 가지고 있다.

그리고, 상기 홈(108)의 저면에 노출된 n형 GaN층(102) 상에는 n형 전극 (106)이 형성되어 있고, p형 GaN층(104) 상에는 p형 투명전극(105)이 형성되어 있다. 또한, 상기 p형 투명전극(105)의 일부 위에 p형 본딩전극(107)이 형성되어 있다.

그리고, 상기와 같은 LED는, 이하와 같이 동작한다.

상기 p형 본딩전극(107)을 통해 주입된 정공은 p형 본딩전극(107)에서 횡방향으로 확대되어, p형 GaN층(104)으로부터 InGaN 활성층(103)으로 주입되고, n형 전극(106)을 통해 주입된 전자는 n형 GaN층(102)으로부터 InGaN 활성층(103)으로 주입된다. 그리고, 상기 InGaN 활성층(103) 안에서 정공과 전자가 재결합되어 발광이 발생하게 된다. 이 광은 p형 투명전극(105)을 통해 LED 밖으로 방출된다.

그러나, 상기와 같은 종래 LED 구조에서는, 광 추출 효율(light extraction efficiency)이 낮다는 문제가 있다. 광 추출 효율이란, 활성층에서 발생한 광 중에서 LED로부터 공기 중으로 방출되는 비율이다. 광 추출 효율이 낮은 원인은, 반도체의 굴절률이 공기보다 크므로, 활성층으로부터의 광이 반도체와 공기의 계면에서 전반사되어 LED 내부에 갇히기 때문이다. 예를 들어 GaN의 굴절률은, 파장 450nm 광의 경우 약 2.45이므로 전반사가 발생하는 임계굴절각이 약 23도로 작다. 즉, 반도체와 공기의 계면에 대한 법선에서 보아, 이 임계각보다 큰 각도로 활성층에서 방사된 광은, 반도체와 공기의 계면에서 전반사되어 버리므로, 결국 활성층에서 방출되는 광의 약 4% 밖에 LED 밖으로 추출할 수 없다. 이와 같이, 종래의 질화물계화합물 반도체를 이용한 LED에서는, 외부 양자효율(LED로 투입한 전류 중, LED로부터 추출 가능한 광의 효율)이 낮은 결과, 형광등에 비해 전력변환효율(투입한 전력 중, 추출 가능한 광 출력의 효율)이 낮다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 선행기술문헌 1의 도 5에 개시된 바와 같이, LED의 표면에 요철을 형성하는 기술이 제안되었다. 도 2는 선행기술문헌 1의 도 5에 개시된 종래 질화물계화합물 반도체 LED 구조를 나타내는 사시도이다.

도 2에 나타낸 종래의 LED는, 반구형렌즈 구조의 요철이 p형 GaN층(104)에 형성되어 있다. 이 구조에서는, p형 투명전극(105)이 평면부와 공기의 계면에 대한 법선으로부터의 각도가 임계굴절각보다 큰 광이라 할지라도, 요철이 형성된 부분으로 입사되면, 입사각도가 임계굴절각보다 작아지는 경우가 있을 수 있다. 따라서, 활성층에서 발생한 광이 전반사되지 않고 LED 외부로 방출될 확률이 높아지지게 되는 바, 외부 양자효율을 향상시킬 수 있었다.

그런데, 상기와 같은 종래의 LED는, 외부 양자효율을 향상시키기 위하여 이-빔(E-beam) 리소그래픽 및 플라즈마 건식 식각 공정을 사용하여 광을 방출하는 p형 GaN층의 표면에 반구형렌즈 구조를 가지는 요철을 포함하고 있다.

그러나, 상기 반구형렌즈 구조의 요철은 플라즈마 건식 식각을 통해 p형 GaN층의 표면에 형성되기 때문에, 상기 플라즈마에 의한 활성층의 손상 및 p형 GaN층 표면의 손상을 초래하여 p형 GaN층의 접촉 저항을 증가시키는 문제가 있다.

또한, 상기와 같이, p형 GaN층의 접촉 저항이 증가하게 되면, LED의 특성 및 신뢰성이 낮아지게 되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, p형 질화물 반도체층의 손상없이 외부 양자효율을 향상시킬 수 있는 패턴을 형성하는 동시에 동작 전압을 낮추고 전류분산 효과를 향상시켜 고출력 특성을 확보하는 반도체 발광 다이오드를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 반도체 발광 다이오드의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 제1 언도프된 GaN층과, 상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 이차원 전자가스층을 제공하는 AlGaN층과, 상기 활성층에서 발생된 빛이 활성층 쪽으로 내부반사 되지 아니하도록 하는 요철을 가지고, 상기 AlGaN층 상에 형성되어 있는 제2 언도프된 GaN층과 상기 제2 언도프된 GaN층 상에 형성되어 있는 p형 투명전극 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 투명전극 상에 각각 접속되도록 형성되어 있는 n형 전극과 p형 본딩전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드를 제공한다.

여기서, 상기 제1 언도프된 GaN층은 50~500Å의 두께를 가지며, 상기 AlGaN층은 결정성측면을 고려하여 Al의 함량이 10~50% 범위가 되도록 형성하는 것이 바 람직하다. 이 경우에, 상기 AlGaN층은 이차원 전자가스층의 형성을 위해서, 50~500Å의 두께를 갖도록 형성한다.

또한, 상기 AlGaN층은 불순물로서 실리콘 또는 산소를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 산소는 Si와 같은 도너로서 작용할 수 있으므로, 이러한 산소는 자연산화에 의해 함유될 수 있음에도 불구하고, 고의적으로 AlGaN층을 산소분위기에서 어닐링하여 산소함량을 충분하게 확보하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 언도프된 GaN층은 1,000~10,000Å의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 볼록부와 오목부를 가지는 요철의 볼록부와 오목부의 두께가 1,000~10,000Å의 두께를 가지도록 제2 언도프된 GaN층에 형성될 수 있다.

상기한 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계와, 상기 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층과 활성층 및 p형 질화물 반도체층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계와, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 제1 언도프된 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 이차원 전자가스층이 형성되도록 상기 언도프된 GaN층 상에 AlGaN층을 형성하는 단계와, 상기 AlGaN층 상에 제2 언도프된 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 제2 언도프된 GaN층을 선택 식각하여 상기 활성층에서 발생된 빛이 활성층 쪽으로 내부반사 되지 아니하도록 하는 요철을 형성하는 단계와, 상기 요철을 가지는 제2 언도프된 GaN층 상에 p형 투명전극을 형성하는 단계 및 상기 드러난 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 투명전극 상에 n형 전극과 p형 본딩전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 AlGaN층을 형성하는 단계 후에, 산소분위기에서 상기 AlGaN층을 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 산소는 Si와 같은 도너로서 작용할 수 있기 때문에, 자연산화에 의해 함유될 수 있음에도 불구하고, 강제적으로 상기와 같이 AlGaN층을 산소분위기에서 어닐링하여 더욱 충분히 확보하기 위함이다.

또한, 상기 제2 언도프된 GaN층의 요철은 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정을 통해 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명은 p형 질화물 반도체층 상부에 외부 양자효율을 향상시키기 위한 요철 형성 시, 플라즈마 건식 식각 공정에 의해 p형 질화물 반도체층이 손상되는 것을 방지하기 위해서 p형 질화물 반도체층 상에 이차원 전자가스(2DEG)층 구조를 채용한다. 즉, 본 발명은 상기 이차원 전자가스(2DEG)층을 상기 p형 질화물 반도체 상에 구비하여 LED의 동작 전압을 낮추고 전류분산 효과를 향상시키는 역할뿐만 아니라 p형 질화물 반도체층이 손상되는 것을 방지하는 보호막 역할을 함으로써, p형 질화물 반도체층의 손상으로 인해 저항이 증가하는 것을 방지하여 반도체 발광 다이오드의 특성 및 신뢰성을 향상시킨다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설 명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드 및 및 그 제조방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 기판(101) 상에 n형 질화물 반도체층(102)과, 활성층(103) 및 p형 질화물 반도체층(104)이 순차 적층되어 있다.

상기 n형 또는 p형 질화물 반도체층(102, 104)은 각 도전형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층일 수 있으며, 상기 활성층(103)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중우물 구조(Multi-Quantum Well)일 수 있다.

또한, 상기 활성층(103)과 p형 질화물 반도체층(104)의 일부는 식각으로 제거되어, 저면에 n형 질화물 반도체층(102)을 드러내는 홈(108)이 형성되어 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(104) 상에는 이종물질인 제1 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)이 순차적층되어 있는 이차원 전자가스(2DEG)층(230a) 구조가 형성되어 있다. 이는 p형 질화물 반도체층(104) 상부에 외부 양자효율을 향상시키기 위 한 요철 구조를 형성할 때, p형 질화물 반도체층(104)이 플라즈마에 의해 손상되는 것을 방지하는 동시에 동작 전압을 낮추고 전류분산 효과를 향상시키기 위한 것이다.

그러면, 이하, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상기와 같이, 이종물질인 언도프된 GaN층과 AlGaN층이 순차적층되어 있는 이차원 전자가스(2DEG)층 구조에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 4a를 참조하면, 상기 제1 언도프된 GaN층(210)은 AlGaN층(220)과의 에너지밴드 불연속성에 의해 그 계면에 제1 이차원 전자가스층(230a)을 갖게 된다. 따라서, 전압인가시에 상기 제1 이차원 전자가스층(230a)을 통해 n⁺-p⁺접합으로 터널링 현상이 발생되어 접촉저항을 저감시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 이차원 전자가스층(230a)에서는 높은 캐리어 이동도(약 1500㎠/Vs)가 보장되므로, 전류분산효과를 보다 크게 개선시킬 수 있다.

이러한, 상기 제1 이차원 전자가스층(230a)의 바람직한 형성 조건은 상기 제1 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)의 각 두께(t1, t2 도 3 참조)와, 상기 AlGaN층(220)의 Al함량으로 설명될 수 있다.

보다 상세하게, 상기 제1 언도프된 GaN층(210)의 두께(t1)는 상기 제1 이차원 전자가스층(230a)의 터널링 현상을 고려하여 약 50~500Å 범위인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 80~200Å의 두께를 가지도록 형성하고 있다.

또한, 상기 AlGaN층(220)의 두께(t2)는 Al의 함량에 따라 변경될 수 있으나, Al 함량이 많은 경우에는 결정성이 저하될 우려가 있으므로, 상기 AlGaN층(220)의 Al 함량은 10~50%로 한정하는 것이 바람직하며, 이러한 Al 함량 조건에서, 상기 AlGaN층(220)의 두께는 약 50~500Å 범위인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 50~350Å의 두께를 가지도록 형성하고 있다.

또한, 본 발명에서 제1 이차원 전자가스층(230a)의 형성을 위한 AlGaN층(220)으로는 n형 AlGaN층뿐만 아니라, 언도프된 AlGaN층도 채용될 수 있다. 이때, n형 AlGaN층을 형성하는 경우에는, n형 불순물로서 실리콘(Si) 또는 산소를 사용할 수 있다.

또한, 상기 GaN/AlGaN층 구조에 의한 제1 이차원 전자가스층(230a)은 비교적 높은 시트캐리어농도(약 10¹³/㎠)가 보장되지만, 보다 높은 캐리어농도를 위해서 추가적으로 산소를 불순물로 채용할 수 있다. 상기 AlGaN층(220)에 도입된 산소는 Si와 같은 도너로 작용하므로, 도핑 농도를 증가시키고 페르미준위를 고정시키게 되어 터널링 현상을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1 이차원 전자가스층(230a)으로 공급되는 캐리어를 증가시켜 캐리어농도를 보다 높일 수 있으므로, 접촉저항을 한층 더 개선시킬 수 있다.

여기서, 상기 AlGaN층(220)에 도너로서 작용할 산소를 도입하는 방법은 AlGaN 물질이 산소와 반응성이 크므로, 별도의 추가적인 공정 없이 전극형성공정 등에서 자연산화에 의해 실현될 수 있다. 하지만, 충분한 산소의 도입이 필요한 경우, 예를 들어 언도프된 AlGaN층을 형성하는 경우에는, 강제적으로 별도의 산소 도 입공정을 실행하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에서는 p형 질화물 반도체층(104) 상에 GaN/AlGaN 이종접합구조를 채용함으로써 제1 이차원 전자가스층(230a)을 이용한 터널링효과를 통해 접촉저항 문제를 크게 개선할 수 있다. 또한, 이러한 방안은 p형 질화물 반도체층(104)의 불순물 농도를 과도하게 높이지 않으면서, p형 질화물 반도체층(104)의 접촉저항과 전류주입효율을 개선시킬 수 있다.

그리고, 본 발명은, 상기 제1 이차원 전자가스층(230a) 구조를 이루는 AlGaN층(220) 상에, 외부 양자효율을 향상시키기 위한 오목부와 볼록부로 이루어진 요철을 가지는 제2 언도프된 GaN층(240)이 형성되어 있다. 이때, 본 실시예에 따른 상기 요철은 이차원주기 구조를 가지고 있으며, 이때, 요철의 높이는 1,000Å~10,000Å 범위인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 약 5,000Å의 두께를 가지도록 형성하고 있다.

또한, 상기 요철은, 제2 언도프된 GaN층(240) 상에 레지스트(도시하지 않음)를 도포하고, 간섭 노광이나 전자빔 노광, 이-빔(E-beam) 리소그래픽 등의 방법으로 레지스트를 이차원 주기 구조의 배치로 패터닝 한 다음, 레지스트를 마스크로 건식 또는 습식 식각하여 형성된다.

여기서, 본 발명은 상기와 같은 요철을 형성하기 위해 건식 또는 습식 식각을 진행하더라도, p형 질화물 반도체층 상부에 이종물질인 제1 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)이 순차적층되어 있는 제1 이차원 전자가스(2DEG)층(230a) 구조가 구비되어 p형 질화물 반도체층(104)을 보호하는 보호막 역할을 하고 있기 때 문에 건식 또는 습식 식각에 의해 p형 질화물 반도체층(104)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 외부 양자효율을 향상시킬 수 있는 요철을 형성하기 위해 AlGaN층 상에 제2 언도프된 GaN층을 구비하여 AlGaN/GaN 이종접합구조를 채용하고 있기 때문에 AlGaN층과 제2 언도프된 GaN층에 사이 계면에 제2 이차원 전자가스층(230b)이 형성되며, 이는 제1 이차원 전자가스층(230a)와 마찬가지로 제2 이차원 전자가스층(230b)을 이용한 터널링효과를 통해 접촉저항 문제를 더욱 크게 개선할 수 있다(도 4b 참조). 즉, AlGaN층(220)을 사이에 두고 아래 위에 형성된 제1 및 제2 언도프된 GaN층(210, 240)은 각각의 이종접합구조로 인하여 이차원 전자가스층이 제1 및 제2 이차원 전자가스층(230a, 230b)으로 분할되어 형성되므로 LED의 동작전압을 낮추고 전류분산 효과를 더욱 향상시켜 고출력 특성을 확보하는 반도체 발광 다이오드를 구현할 수 있다.

그리고, 상기 요철이 형성된 제2 언도프된 GaN층(240) 상에는 p형 투명전극(105)이 형성되어 있다. 이때, 상기 p형 투명전극(105)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전성 금속산화물만이 아니라, LED 발광 파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택 저항이 낮은 금속박막으로도 이루어질 수 있다.

한편, 상기 p형 투명전극(105)이 금속박막으로 이루어져 있을 경우에는, 투과율을 확보하기 위해 금속의 막 두께를 50nm 이하로 유지하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 막 두께 10nm의 Ni과 막 두께 40nm의 Au이 순차 적층되어 있는 구조를 가질 수 있다.

그리고, 상기 홈(108)의 저면에 드러난 n형 질화물 반도체층(102) 상에는 Ti/Al 등으로 이루어진 n형 전극(106)이 형성되어 있다.

또한, 상기 요철이 형성되지 않은 영역의 제2 언도프된 GaN층(240) 상에 형성된 p형 투명전극(105) 상에는 Au 등으로 이루어진 p형 본딩전극(107)이 형성되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드는, p형 질화물 반도체층 상부에 위치하는 제2 언도프된 GaN층의 표면에 오목부와 볼록부를 가지는 요철을 포함하고 있으므로, 활성층(103)에서 발생한 광이 전반사되지 않고 LED 외부로 방출될 확률이 높아지게 되므로, 외부 양자효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드는, 요철이 한 방향으로만 주기구조가 있는 회절격자와는 달리, 이차원주기 구조를 가지고 있기 때문에 어떤 방향으로 방사된 광에 대해서도 회절작용을 일으키므로, 광 추출 효율을 향상시키는 효과가 높다.

그러면, 이하, 이차원주기 구조의 구체적인 종류에 대하여, 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시에에 따른 반도체 발광 다이오드의 볼록부가 배치되는 구조를 나타내는 사시도 및 평면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 반도체 발광 다이오드의 볼록부가 배치되는 구조를 나타내는 평면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드 요철 구조의 볼록부 형상의 구체적인 종류를 나타내는 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다 이오드의 오목부가 배치되는 구조를 나타내는 사시도 및 평면도이다.

우선, 도 5a는 볼록부(300)가 3각격자로 배치되는 경우를 나타내며, 도 5b는 볼록부(300)가 정방격자로 배치되는 경우를 나타낸다. 이들 볼록부(300)가 실제로 p형 투명전극(105)의 상면에 형성되면, 각각 도 5b, 도 5d에 도시된 구조로 된다.

한편, 상기 볼록부(300)의 주기는 방향에 따라 달라질 수 있으며, 구체적으로는 도 6a, 도 6b에 도시된 바와 같이, 서로 인접하는 블록부(300)의 간격이 그 방향에 따라 다른 3각격자 또는 정방격자로 배치되는 것이 가능하다.

또한, 상기 볼록부(300)의 주기는 영역에 따라 달라질 수도 있으며, 구체적으로는 도 6c에 나타낸 바와 같이, p형 투명전극(105)의 중앙부에서 볼록부(300)가 밀집된 상태로 형성되고, p형 투명전극(105)의 상하에서는 중앙부보다 성긴 상태로 볼록부(300)가 형성되는 등의 상태로 형성되는 것이 가능하다.

또한, 상기 요철은 p형 투명전극(105)의 일부에만 형성될 수도 있으며, 이는 구체적으로는 도 6d에 나타낸 바와 같이, p형 투명전극(105)의 중심에 대하여 볼록부(300)가 회전대칭으로 배치되거나, 도 6e에 나타낸 바와 같이, p형 투명전극(105) 중 중앙부에만 볼록부(300)가 배치되며, 그 중앙부의 주위는 평탄하게 된다.

이때, 상기 요철의 형상이 원주 이외의 형상을 가지더라도 외부 양자효율을 향상시키는 점에 있어서는 무관하며, 구체적으로는 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같이, 볼록부(300)가 4각주나 6각주의 형상을 가질 수도 있다.

또한, 이상에 서술한 각 구조에서는 볼록부가 아닌 오목부가 이차원주기로 배열되더라도 외부 양자효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로는 도 8a에 나타낸 바 와 같이, 오목부(310)가 3각 격자로 배치될 수도 있으며, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 오목부(310)가 정방격자로 배치될 수도 있다. 이들 오목부(310)가 실제로 p형 투명전극(105)의 상면에 형성되면, 각각 도 8b, 도 8d에 도시된 구조로 된다.

그러면, 이하, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드의 제조 방법에 대하여 도 9a 내지 9e와 앞서의 도 3을 참고로 하여 상세히 설명한다.

도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.

우선, 도 9a에 도시한 바와 같이, 기판(101) 상에 n형 질화물 반도체층(102), 활성층(103) 및 p형 질화물 반도체층(104)을 순차적으로 형성한다. 상기 p형 및 n형 질화물 반도체층(102, 104) 및 활성층(103)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 물질일 수 있으며, MOCVD 및 MBE 공정과 같은 공지의 질화물 증착공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 기판(101)은 질화물반도체단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 사파이어 기판 및 실리콘카바네이트(SiC) 기판과 같은 이종 기판 또는 질화물 기판과 같은 동종 기판일 수 있다.

이어, 도 9b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(104) 상에 제1 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)으로 구성된 이종접합구조를 형성한다.

상기 제1 언도프된 GaN층(210)과 AlGaN층(220)은 앞서 설명한 질화물층의 증 착공정이 실시되는 챔버 내에서 연속적으로 실시될 수 있다. 또한, 이차원 전자가스층(230)에 의한 터널링현상을 보장하기 위해서 제1 언도프된 GaN층(210)의 두께(t1)는 80~200Å 범위로 하며, 상기 AlGaN층(220)은 바람직한 Al함량을 고려하여 50~350Å 범위로 하는 것이 바람직하다. 상기 AlGaN층(220)은 바람직한 Al함량을 고려하여 과도한 Al함량에 의한 결정성 저하를 방지하고자 10~50% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

추가적으로, 상기 AlGaN층(220)은 n형 불순물인 Si가 도프된 n형 AlGaN 물질일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며 언도프된 AlGaN층을 사용할 수도 있다.

다음으로, 상기 AlGaN층(220)에 대한 어닐링 공정을 산소(O₂) 분위기에서 실시할 수 있다. 본 공정은 필요에 따라 선택적으로 실행될 수 있는 공정으로, 도너로 작용하는 산소의 양을 강제적으로 증가시키는 방안으로 사용된다. 앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 결정성 향상을 위해 어닐링공정이 채용되므로, 본 발명에 따른 어닐링공정은 분위기가스를 산소로 설정함으로써 용이하게 실현될 수 있다.

이어, 도 9c에 도시한 바와 같이, 상기 n형 질화물 반도체층(102)의 일부가 드러나도록 상기 AlGaN층(220), 제1 언도프된 GaN층(210), p형 질화물 반도체층(104) 및 활성층(103)의 일부 영역을 제거하는 메사 식각(mesa etching) 공정을 진행한다.

그리고, 도 9d에 도시한 바와 같이, 상기 AlGaN층(220) 상에 오목부와 볼록부로 이루어진 요철을 가지는 제2 언도프된 GaN층(240)을 형성한다.

상기 요철을 가지는 제2 언도프된 GaN층(240)은 우선, 상기 AlGaN층(220) 상에 언도프된 GaN층(도시하지 않음)을 1,000~10,000Å 두께로 성장시킨 다음, 성장된 언도프된 GaN층 상에 레지스트(도시하지 않음)를 도포하고, 간섭 노광이나 전자빔 노광, 이-빔(E-beam) 리소그래픽 등의 방법으로 레지스트를 이차원 주기 구조의 배치로 패터닝 한 다음, 레지스트를 마스크로 건식 또는 습식 식각하여 형성한다.

한편, 본 실시예에서는 p형 질화물 반도체층 상부에 제1 이차원 전자가스층(230a)을 가지는 제1 언도프된 GaN층(210) 및 AlGaN층(220)을 보호막으로써 형성하고 있다. 이에 따라, 플라즈마를 이용한 건식 식각을 통해 요철을 형성함에도 불구하고, 상기 p형 질화물 반도체층(104)이 상기 플라즈마에 의해 손상되어 저항을 증가시키는 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.

그 다음, 도 9e에 도시한 바와 같이, 상기 요철을 가지는 제2 언도프된 GaN층(240) 상에 p형 투명전극(105)을 형성한다.

그리고, 상기 p형 투명전극(105) 중 요철이 형성되지 않은 부분 및 드러난 n형 질화물 반도체층(102) 상에 각각 p형 본딩전극(107) 및 n형 전극(106)을 형성한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개 념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 p형 질화물 반도체층 상부에 언도프된 GaN/AlGaN/언도프된 GaN의 이종접합구조를 채용하여 AlGaN층을 사이에 두고 분할된 제1 및 제2 이차원 전자가스층에 의한 터널링현상을 통해 p형 질화물 반도체층의 저항은 최소화하는 동시에 반도체 발광 다이오드의 동작 전압을 낮추고 전류분산 효과를 향상시켜 고출력 특성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명은 이차원 전자가스층에 의해 높은 캐리어이동도와 캐리어농도를 보장할 수 있기 때문에 전류주입효율 측면에서 탁월한 효과를 창출한다.

또한, 본 발명은 외부 양자효율을 향상시키고자 하는 요철 형성 공정으로 부터 p형 질화물 반도체층이 손상되는 것을 방지하여 p형 질화물 반도체층의 저항을 최소화할 수 있다.

따라서, 본 발명은 반도체 발광 다이오드의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에 수율 또한 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

기판;

상기 기판 상에 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층;

상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 제1 언도프된 GaN층;

상기 언도프된 GaN층 상에 형성되어 상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 이차원 전자가스층을 제공하는 AlGaN층;

상기 활성층에서 발생된 빛이 활성층 쪽으로 내부반사 되지 아니하도록 하는 요철을 가지고, 상기 AlGaN층 상에 형성되어 있는 제2 언도프된 GaN층;

상기 제2 언도프된 GaN층 상에 형성되어 있는 p형 투명전극; 및

상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 투명전극 상에 각각 접속되도록 형성되어 있는 n형 전극과 p형 본딩전극을 포함하는 반도체 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 제1 언도프된 GaN층은 50~500Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 AlGaN층의 Al 함량은 10~50%인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 AlGaN층은 50~500Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 AlGaN층은 언도프된 AlGaN층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 AlGaN층은 n형 불순물이 도핑된 AlGaN층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 AlGaN층은 불순물로서 실리콘 또는 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 제2 언도프된 GaN층은 1,000~10,000Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 요철은 1,000~10,000Å 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계;

상기 활성층 위에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

상기 p형 질화물 반도체층과 활성층 및 p형 질화물 반도체층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 제1 언도프된 GaN층을 형성하는 단계;

상기 언도프된 GaN층의 접합계면에 이차원 전자가스층이 형성되도록 상기 언도프된 GaN층 상에 AlGaN층을 형성하는 단계;

상기 AlGaN층 상에 제2 언도프된 GaN층을 형성하는 단계;

상기 제2 언도프된 GaN층을 선택 식각하여 상기 활성층에서 발생된 빛이 활성층 쪽으로 내부반사 되지 아니하도록 하는 요철을 형성하는 단계;

상기 요철을 가지는 제2 언도프된 GaN층 상에 p형 투명전극을 형성하는 단계; 및

상기 드러난 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 투명전극 상에 n형 전극과 p형 본딩전극을 각각 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 AlGaN층을 형성하는 단계 후에, 산소분위기에서 상기 AlGaN층을 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 제2 언도프된 GaN층의 요철 구조는 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드의 제조방법.