KR100843455B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광추출효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 제1 도전형 질화물 반도체층; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층; 및 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 복수의 육각 피라미드 질화물 결정체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

피라미드, 질화물 결정체, 전반사, 발광, 요철, 광추출

Description

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

도 1은 종래기술에 따른 반도체층에서의 광추출 개념을 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도 3은 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 광추출 개념을 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하는 공정도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하는 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 기판 12 : 제1 도전형 질화물 반도체층

13 : 활성층 14 : 제2 도전형 질화물 반도체층

15 : 마스크 16 : 육각 피라미드 질화물 결정체

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광추출효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 내부양자효율과 광추출효율에 의해 결정된다. 특히, 광추출효율은 발광소자의 광학적 인자, 즉 각 구조물의 굴절률 및/또는 계면의 평활도(flatness) 등에 의해 결정된다.

이러한 광추출효율 측면에서 질화물 반도체 발광소자는 근본적인 제한사항을 가지고 있다. 즉, 반도체 발광소자를 구성하는 반도체층의 굴절률이 2.5로서 공기의 굴절률인 1보다 커서 외부로의 광방출이 가능하기 위해서는 소정 범위의 임계각 이내에 있어야 하는데, 만약 임계각 이상의 각도로 빛이 발생되면 내부 전반사되어 실질적으로 원하지 않는 방향으로 전파되거나 전반사과정에서 손실되어 광추출효율이 낮을 수 밖에 없다.

도 1은 종래기술에 따른 반도체층에서의 광추출 개념을 보여주는 도면이다. 도 1과 같은 구조에서는, 반도체 발광소자를 구성하는 반도체층(p-GaN)의 굴절률이 2.5로서 공기의 굴절률인 1보다 커서 외부로의 광방출이 가능하기 위해서는 전반사가 되지않는 각도, 즉 임계각(θ_c) 보다 작은 각도를 유지해야만 한다. 그러나, 만약 임계각 이상의 각도로 빛이 발생되면 내부 전반사되어 실질적으로 원하지 않는 방향으로 전파되거나 전반사과정에서 손실되는 경우가 많으므로, 이는 발광소자의 광추출효율을 현저히 저하시키는 원인이 된다.

이러한 광추출효율의 문제점을 개선하기 위해서, 일본특허공개공보 제2002- 368263호(공개일자: 2002.12.20일, 출원인: 도요타 고세이 가부시키가이샤)에서는 사파이어 기판의 하면을 거친 면으로 형성한 플립칩 질화물 발광소자를 제안하고 있다.

그러나, 일반적인 발광소자는 광산란을 위한 돌기 패턴을 형성가능한 면이 제한되므로, 거친 면을 적용함으로써 얻어질 수 있는 광추출효율의 개선효과는 충분하지 않다는 문제가 있다. 따라서, 당 기술분야에서는 광추출효율의 개선효과를 극대화할 수 있는 새로운 방안이 요구되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광추출효율을 증가시키기 위하여 질화물 반도체층의 상부면에 육각 피라미드 질화물 결정체를 형성한 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 제1 도전형 질화물 반도체층; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층; 및 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 복수의 육각 피라미드 질화물 결정체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 복수의 윈도우를 갖는 마스크를 형성하는 단계; 및 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 중 상기 복수의 윈도우에 노출된 영역에 상기 제2 도전형 질화물 반도체층의 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 복수의 육각 피라미드 질화물 결정체를 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자는 기판(11) 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(12), 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(12) 상에 형성된 활성층(13), 상기 활성층(13) 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층(14), 및 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(14) 상에 형성되는 복수의 육각 피라미드 질화물 결정체(이하, '질화물 결정체'라고 약칭함)(16)를 포함한다. 또한, 질화물 반도체 발광소자는 메사에칭되어 노출된 제1 도전형 질화물 반도체층(12)과 질화물 결정체(16)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(17,18)을 포함한다.

상기 질화물 결정체(16)는 제2 도전형 질화물 반도체가 아닌 경우에도 제2 전극(18)이 그 결정체(16) 사이에 노출된 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(14)과 접속될 수 있으나, 바람직하게는 제2 도전형 질화물 반도체물질로 제조하여 안정적인 전극접속구조를 실현할 수 있다.

상기 질화물 결정체(16)는 거의 동일한 성장모드로 성장되어 제2 도전형 질화물 반도체층(14)의 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 육각 피라미드구조를 갖는다. 상기 질화물 결정체(16)의 육각 피라미드구조는 실질적으로 동일한 경사각의 결정면을 가질 수 있다. 일반적인 피라미드 성장조건에서 경사면은 약 59∼63°일 수 있으나, 본 실시형태에서 채용되는 질화물 결정체는 광추출수단으로서 채용되는 것이므로, 이 범위에 한정되지는 않는다.

구체적으로, 상기 질화물 결정체(16)가 갖는 경사진 결정면은 기판(또는 제2 도전형 질화물 반도체층 상면)의 결정면에 의존하지만, 기판 상면이 C면인 경우에, (1-100)면인 M면, (1-101)면인 S면, (11-20)면인 A면, (1-102)면인 R면, (11-23)면인 N면과 그 등가인 결정면 중에서 얻어질 수 있다. 이와 같이, 상기 질화물 결정체(16)의 경사진 결정면은 통상적인 피라미드 성장조건에서 M면, S면, A면, R면 또는 N면일 수 있다.

상기 복수의 질화물 결정체(16)는 광추출수단으로서 채용되며, 이러한 효과를 고려하여 각각 1∼20㎛의 폭을 갖도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 복수의 질화물 결정체(16)는 밑변 사이의 거리로 정의되는 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 간격은 조밀한 결정체 형성을 통해 광추출효율을 효과 적으로 개선하기 위해서 10㎛이하의 간격으로 형성하는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 그 간격이 실질적으로 존재하지 않도록 배열될 수 있다. 즉, 상기 복수의 질화물 결정체(16)는 인접한 다른 질화물 결정체와 일부가 서로 연결되도록 형성될 수 있다.

본 실시형태에 따른 발광소자구조는 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(14) 상면에 형성된 복수의 윈도우를 갖는 마스크(15)를 포함할 수 있다. 이러한 마스크(15)는 육각 피라미드 결정구조의 선택적 성장을 위해서 채용된 것이다.

바람직하게, 상기 마스크(15)는 선택적 성장을 위한 두께와 광투과성 보장을 위해서 100∼500㎚의 두께를 가질 수 있다. 특히, 마스크(15)는 거의 투명인 물질을 사용하는 것이 바람직하나, 적절한 광투과성이 보장되는 소정의 굴절율을 갖는 물질을 사용하여 형성하는 경우에 마스크(15) 두께는 λ/4의 정수배를 갖는 것이 바람직하다. 대표적으로, 상기 마스크 물질로는 SiO₂ 또는 SiN가 사용될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 각 질화물 결정체(16)가 소정의 간격을 갖도록 형성되는 경우에, 필요에 따라, 마스크(15)를 전체적으로 또는 부분적으로 제거될 수 있다. 부분적으로 제거하는 공정은 통상의 에칭공정을 이용하여 노출된 마스크 부분만을 선택적 에칭공정으로 실현될 수 있으며, 마스크가 광추출의 장애요소로 작용하는 것이 방지할 수 있다. 이 경우에, 상기 마스크(15)는 상기 질화물 결정체 밑면의 일부영역에 한하여 잔류된 형태로 존재할 수 있다. 물론, 습식에칭공정을 이용하여 질화물 결정체(16)의 밑면에 위치한 마스크 부분까지 거의 완전히 제거시 킬 수도 있다.

도 3은 도 2의 질화물 반도체 발광소자의 광추출 개념을 보여주는 도면이다.

도 1의 종래의 발광소자에서는, 임계각 이상의 각도로 빛이 발생되면 빛의 전반사로 인하여 질화물 반도체층 안에 갇혀 손실되는 경우가 많아서 광추출효율이 저하되는 문제점이 있었다.

그러나, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 도전형 질화물 반도체층(14)의 상부면에 피라미드 형태의 복수개의 질화물 결정체(16)를 형성하면 입사된 빛이 질화물 결정체(16)와 공기 사이의 계면에서 새로운 입사각을 가지게 되어, 종래방식을 기준으로 임계각 보다 작은 각도의 빛 뿐만 아니라 큰 각도의 빛들도 발광소자 외부로 빠져나가게 된다. 특히, 빛이 하나의 질화물 결정체(16)의 벽면에서 전반사가 일어나더라도 다른 질화물 결정체(16)의 벽면에서 전반사를 피할 수 있는 확률을 갖게 되므로 전체적으로 볼 때 광추출효율이 상당히 증가하게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하는 공정도이다.

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 기판(21) 상에 제1 도전형 질화물 반도체층(22), 활성층(23), 및 제2 도전형 질화물 반도체층(24)을 순차적으로 형성한다.

다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 소정의 포토리소그래피 공정을 통하여, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(24) 상에 복수의 윈도우를 갖는 마스크(25)를 형 성한다.

다음에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(24) 중 상기 복수의 윈도우에 노출된 영역에 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(24)의 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 복수의 질화물 결정체(26)를 선택적으로 성장시킨다. 이때, 상기 복수의 질화물 결정체(26)는 인접한 다른 질화물 결정체와 일부가 서로 연결되도록 형성될 수 있다.

다음에, 도 4d에 도시된 바와 같이, 메사에칭후 노출된 제1 도전형 질화물 반도체층(22) 및 상기 복수의 질화물 결정체(26) 상에 제1 및 제2 전극(27, 28)을 각각 형성한다.

한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하는 공정도로서, 복수의 윈도우를 갖는 마스크(35)가 제거되는 실시예를 보여주고 있다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이, 기판(31) 상에 제1 도전형 질화물 반도체층(32), 활성층(33), 및 제2 도전형 질화물 반도체층(34)을 순차적으로 형성한다.

다음에, 도 5b에 도시된 바와 같이, 소정의 포토리소그래피 공정을 통하여, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(34) 상에 복수의 윈도우를 갖는 마스크(35)를 형성한다.

다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(34) 중 상기 마스크(35)의 복수의 윈도우에 노출된 영역에 상기 제2 도전형 질화물 반 도체층(34)의 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 복수의 질화물 결정체(36)를 선택적으로 성장시킨다.

이어, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 결정체(36) 사이에 위치한 상기 마스크(35)를 선택적으로 에칭한다. 예를들면, 습식에칭을 이용한 선택적인 에칭을 통하여 상기 마스크(35)를 완전히 제거할 수 있다. 특히, SiO₂ 또는 SiN와 같은 통상적인 마스크 물질은 질화물 단결정과 높은 선택성을 갖는 조건으로 용이하게 에칭될 수 있다.

다음으로, 도 5e에 도시된 바와 같이, 메사에칭후 노출된 제1 도전형 질화물 반도체층(32) 및 상기 복수의 질화물 결정체(36) 상에 제1 및 제2 전극(37, 38)을 각각 형성한다.

상술한 실시형태에서는 메사에칭된 구조를 갖는 발광구조, 즉 전극 배열이 수평구조인 플래너 질화물 반도체 발광구조로 한정하여 설명하였으나, 본 발명에 따른 선택적인 성장에 의한 질화물 결정체는 기판을 분리하거나 전도성 기판을 사용하여 수직구조의 질화물 반도체 발광소자에도 광추출수단으로서 유익하게 사용될 수 있다.

이와 같이, 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 질화물 반도체층의 상부면에 피라미드 형태의 요철 패턴을 형성함으로써 외부와 접촉하고 있는 질화물 반도체층의 상부면에서 공기중으로 방출되는 빛의 광추출효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (20)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계;

    상기 활성층 상에 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;

    상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 복수의 윈도우를 갖는 마스크를 형성하는 단계; 및

    상기 제2 도전형 질화물 반도체층 중 상기 복수의 윈도우에 노출된 영역에 상기 제2 도전형 질화물 반도체층의 상면에 대해 경사진 결정면을 갖는 복수의 육각 피라미드 질화물 결정체를 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 질화물 결정체는 제2 도전형 질화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
13. 제11항에 있어서,

    상기 질화물 결정체의 경사진 결정면은 M면, S면, A면, R면 및 N면 중 어느 한 결정면을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
14. 제11항에 있어서,

    상기 마스크는 100∼500㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
15. 제11항에 있어서,

    상기 마스크는 SiO₂ 또는 SiN 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
16. 제11항에 있어서,

    적어도 상기 질화물 결정체 사이에 위치한 마스크 부분이 제거되도록 상기 마스크를 선택적으로 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
17. 제16항에 있어서,

    상기 마스크를 선택적으로 에칭하는 단계는, 습식에칭을 이용하여 상기 마스크를 완전히 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
18. 제11항에 있어서,

    상기 복수의 질화물 결정체는 각각 1∼20㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
19. 제11항에 있어서,

    상기 복수의 질화물 결정체는 10㎛이하의 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
20. 제19항에 있어서,

    상기 복수의 질화물 결정체는 인접한 다른 질화물 결정체와 일부가 서로 연결되도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.

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