상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 상기 p형 질화물 반도체층으로부터 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 형성된 굴곡 패턴과, 상기 굴곡 패턴이 형성된 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 n형 전극을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 굴곡 패턴은, 그물코(mesh) 또는 복수의 섬(island) 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 굴곡 패턴은 상기 p형 질화물 반도체층 상에 비계면 활성제를 도포하여 요철을 형성한 다음 상기 p형 질화물 반도체층을 재성장시켜 형성된 것이 바람직하다. 이때, 상기 비계면 활성제로는 실리콘 카바이드(SiC)가 주로 사용된다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 굴곡 패턴은 상 기 p형 질화물 반도체층 상에 인듐을 소정 두께 성장시켜 p형 질화물 반도체층 표면의 결함에 비결합화합손(dangling bond)을 형성한 다음 상기 p형 질화물 반도체층을 재성장시켜 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 굴곡 패턴은 상기 p형 질화물 반도체층 상에 수소 가스를 공급하면서 p형 질화물 반도체층 표면의 결함을 건식 식각한 다음 상기 p형 질화물 반도체층을 재성장시켜 형성된 것이 바람직하다.
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 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 굴곡 패턴을 형성하는 단계와, 상기 굴곡 패턴이 형성된 p형 질화물 반도체층과 드러난 n형 질화물 반도체층 상에 p형 전극과 n형 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 굴곡 패턴을 형성하는 단계는 상기 p형 질화물 반도체층 상에 비계면 활성제를 도포하여 요철을 형성하는 단계와, 상기 요철이 형성된 p형 질화물 반도체층을 재성장시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 비계면 활성제는 실리콘 카바이드(SiC)를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 굴곡 패턴을 형성하는 단계는 상기 p형 질화물 반도체층 상에 인듐을 소정 두께 성장시켜 p형 질화물 반도체층 표면의 결함에 비결합화합손(dangling bond)을 형성하는 단계와, 상기 비결합화합손이 형성된 p형 질화물 반도체층을 재성장시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 굴곡 패턴을 형성하는 단계는 상기 p형 질화물 반도체층 상에 수소 가스를 공급하면서 p형 질화물 반도체층 표면의 결함을 건식 식각하여 제거하는 단계와, 상기 결함이 제거된 p형 질화물 반도체층을 재성장시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 굴곡 패턴을 형성하는 단계 이후에 상기 굴곡 패턴이 형성된 p형 질화물계 반도체층 상에 투명전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 광 추출 효율 및 전류확산 효율을 향상시키는 것이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하 는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
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 질화물계 반도체 발광소자 및 그의 제조방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
질화물계 반도체 발광소자
도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자는, 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층되어 이루어진 발광 구조물을 포함한다.
상기 기판(100)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(110)은, 상기 n형 질화물 반도체층(120)을 성장하기 전에 상기 기판(100)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 일반적으로 GaN 또는 Ga을 포함한 질화물 예를 들어, SiC/InGaN으로 형성되어 있으며, 이는 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략 가능하다.
상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(120, 140)과 활성층(130)은, InXAlYGa1 -X- YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다. 또한, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다. 그리고, 상기 활성층(130)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 굴곡 패턴(145)이 형성되어 있다. 상기 굴곡 패턴(145)은, 그물코(mesh) 또는 복수의 섬(island) 형상으로 형성될 수 있으며, 이는 질화물계 반도체 발광소자의 발광면에 비평면의 굴곡 즉, p형 질화물 반도체층(140) 표면에 굴곡 패턴(145)을 구비하여 상기 활성층(130)에서 발생한 광 의 광 추출 효율을 향상시키기 위함이다.
특히, 본 발명에 따른 상기 굴곡 패턴(145)은 상기 p형 질화물 반도체층(140)으로부터 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 형성되어 있다.
이와 같이, 상기 굴곡 패턴(145)이 상기 p형 질화물 반도체층(140)으로부터 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 형성되면, 재성장된 굴곡 패턴(145)의 굴절률이 약 2.4로 발광 구조물을 구성하는 전체 질화물 반도체층 즉, n형 질화물 반도체층(120)과 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)의 굴절률과 거의 동일하여 굴절률 차이에 의한 전반사 효과를 보완할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발광 구조물은 표면이 평탄한 투명 기판 상에서 성장된 에피택시 물질층으로 이루어져 있으므로, 종래 기술에 따라 PSS 또는 CIS 공정이 적용되어 비평면의 굴곡을 갖는 투명한 기판 상에서 성장되어 막질이 저하된 에피택시 물질층으로 이루어진 발광 구조물보다 누설전류 등과 같은 발광소자의 특성에 있어서, 보다 우수한 특성을 얻을 수 있다.
보다 상세하게, 상기 p형 질화물 반도체층(140)으로부터 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 형성된 굴곡 패턴(145)은, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 실리콘 카바이드와 같은 비계면 활성제를 도포하여 요철을 형성한 다음 상기 p형 질화물 반도체층(140)을 재성장시켜 형성되거나, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 인듐을 소정 두께 성장시켜 p형 질화물 반도체층 표면의 결함에 비결합화합손(dangling bond)을 형성한 다음 상기 p형 질화물 반도체층을 재 성장시켜 형성되거나, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 수소 가스를 공급하면서 p형 질화물 반도체층 표면의 결함을 건식 식각한 다음 상기 p형 질화물 반도체층을 재성장시켜 형성될 수 있다.
그리고, 상기 굴곡 패턴(145)이 형성된 p형 질화물 반도체층(140) 상에 p형 전극(150)이 형성되어 있다. 이때, 상기 p형 전극(150)은, 소자의 특성에 따라 상기 굴곡 패턴(145)과 중첩되거나 중첩되지 않게 형성될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 본 발명은 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 p형 전극(150) 사이에 형성된 전류확산층을 더 구비하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 전류확산층은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전성 금속산화물만이 아니라, 발광소자의 발광 파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택 저항이 낮은 금속박막으로도 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전류확산층이 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 굴곡 패턴(145)이 형성된 p형 질화물 반도체층(140)과 활성층(130)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 n형 질화물 반도체층(120)의 일부를 노출하고 있다.
상기 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상의 일부분에는 Cr/Au 등으로 이루어져 n형 전극(160)이 형성되어 있다.
질화물계 반도체 발광소자의 제조방법
도 4a 내지 도 4d를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.
우선, 도 4a에 도시한 바와 같이, 광 투과성인 기판(100) 상에 버퍼층(110)과 n형 질화물 반도체층(120)과 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)을 순차적으로 성장시켜 발광 구조물을 형성한다.
상기 기판(100)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게는 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(100)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(110)은, 상기 기판(100) 상에 n형 질화물 반도체층(120)을 성장시키기 전에 상기 기판(100)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.
상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(120, 140)과 활성층(130)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 물질일 수 있으 며, MOCVD 및 MBE 공정과 같은 공지의 질화물 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(110)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용하며, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용한다.
그 다음, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 그물코 또는 복수의 섬 형상을 갖는 굴곡 패턴(145)을 형성한다.
본 발명에 따른 상기 굴곡 패턴(145)은 상기 p형 질화물 반도체층(140)으로 부터 에피택시 자체의 재성장에 의한 인-시츄(in-situ) 방법으로 형성한다.
그러면, 이하 도시하지는 않았으나, 상기 굴곡 패턴(145)을 형성하는 방법에 대하여 다수의 실시예를 통해 구체적으로 설명한다.
실시예
1
우선, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 인-시츄(in-situ) 방법으로 실리콘 카바이드와 같은 비계면 활성제를 도포하여 요철을 형성한다.
그런 다음, 상기 요철이 형성된 p형 질화물 반도체층을 재성장시키면 상기 p형 질화물 반도체층 표면 상에 러프닝(roughening) 효과를 준 것과 같은 굴곡 패턴이 형성된다.
실시예
2
우선, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 인-시츄(in-situ) 방법으로 인듐을 nm 수준의 얇은 두께로 성장시킨다. 그러면, 상기 인듐은 p형 질화물 반도체층의 표면 결함이 있는 비결합화합손(dangling bond)에 우선적으로 반응하게 되며, 이러한 반응은 결합을 통한 성장으로 연결된다.
즉, 상기 인듐을 통한 비결합화합손에 의해 상기 p형 질화물 반도체층 상에 복수의 섬 형상을 갖는 표면 러프닝(roughening)을 형성한다.
그런 다음, 표면 러프닝이 형성된 상기 p형 질화물 반도체층을 재성장시키면 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 복수의 섬 형상을 갖는 표면 러프닝(roughening)에 의해 이와 동일한 형상의 굴곡 패턴이 형성된다.
실시예
3
우선, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 인-시츄(in-situ) 방법으로 수소(H2) 가스를 공급하면서 p형 질화물 반도체층 표면의 결함만을 건식 식각하여 제거한다. 그러면, 상기 p형 질화물 반도체층 표면은 식각된 부분과 식각되지 않은 부분으로 구분되다.
그런 다음, 식각된 부분과 식각되지 않은 부분으로 구분된 상기 p형 질화물 반도체층을 재성장시키면, 이러한 식각된 부분과 식각되지 않은 부분에 의해 굴곡 패턴이 형성된다.
이어서, 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 일부 영역이 노출되도록 상기 p형 질화물 반도체층(140)와 활성층(130)의 일부 영역을 제거하는 메사 식각(mesa etching) 공정을 실시한다. 이는 질화물계 반도체 발광소자 중 수평 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자를 형성하기 위한 것으로, 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 굴곡 패턴(145)을 형성하기 전에 진행할 수 있다.
그 다음, 도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 굴곡 패턴(145)이 형성된 p형 질화물 반도체층(140) 및 드러난 n형 질화물 반도체층(120) 상에 각각 p형 전극(150) 및 n형 전극(160)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 활성층(130)에서 생성된 빛이 발광하는 발광면 즉, p형 질화물 반도체층(140)에 이와 유사한 굴절률을 갖는 굴곡 패턴(145)을 고가의 장비 없이 용이하게 형성함으로써, 외부 양자효율을 향상시켜 고휘도를 구현할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명은 도시하지는 않았으나, 상기 굴곡 패턴(145)이 형성된 p형 질화물 반도체층(140) 상에 p형 전극(150)을 형성하기 전에 전류 확산 효과를 향상시키기 위하여 전류확산층을 더 형성하는 것이 가능하다.
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 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.