KR100896583B1 - Manufacturing method of surface plasmon resonance semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 단결정 성장용 기판 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 성장시키는 단계와, 상기 제2 도전형 반도체층의 상면을 선택적으로 식각 하여 주기적인 요철구조를 형성하는 단계와, 상기 제2 도전형 반도체층의 상면 중 식각에 의해 손상된 영역에 습식 식각 공정을 적용하여 상기 손상된 영역을 제거하는 단계 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 상기 주기적인 요철구조와 같은 계면을 형성하도록 금속층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 요철구조를 형성하는 단계는, 상기 활성층에서 방출된 광에 의해 상기 금속층에 존재하는 표면 플라즈몬이 여기 될 수 있는 거리만큼 상기 요철구조의 오목부가 상기 활성층으로부터 이격 되어 위치하도록 실행되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 표면 플라즈몬 공명을 위한 요철구조의 손상을 최소화하여 내부양자효율 및 광추출효율이 향상된 표명 플라즈몬 공명을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법을 얻을 수 있다.Preparing a single crystal growth substrate, sequentially growing a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer on the single crystal growth substrate, and forming an upper surface of the second conductive semiconductor layer. Selectively etching to form a concave-convex structure, applying a wet etching process to a region damaged by etching of an upper surface of the second conductive semiconductor layer, and removing the damaged region and the second conductive semiconductor And forming a metal layer to form an interface such as the periodic concave-convex structure on the layer, wherein the forming of the concave-convex structure includes excitation of surface plasmon present in the metal layer by light emitted from the active layer. The table is characterized in that the recessed portion of the concave-convex structure is located to be spaced apart from the active layer by a distance that can be It provides a semiconductor light-emitting device manufacturing method using a plasmon resonance. According to the present invention, it is possible to obtain a method of manufacturing a semiconductor light emitting device using the expression plasmon resonance with improved internal quantum efficiency and light extraction efficiency by minimizing damage of the uneven structure for surface plasmon resonance.
발광소자, 표면 플라즈몬 공명, 요철, 건식 식각, 습식 식각 Light emitting element, surface plasmon resonance, irregularities, dry etching, wet etching
Description
도1a 내지 도1g는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법에 대한 공정별 단면도이다.1A to 1G are cross-sectional views of processes for manufacturing a semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
도2a 내지 도2d는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법에 대한 공정별 단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views of processes for manufacturing a semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
도3a는 도1의 실시 형태에 따른 p형 반도체층과 금속층의 계면 요철구조를 도시한 것이며, 도3b와 도3c는 다른 실시 형태에서 채용될 수 있는 요철구조를 도시한 것이다.3A illustrates an interfacial uneven structure of the p-type semiconductor layer and the metal layer according to the embodiment of FIG. 1, and FIGS. 3B and 3C illustrate uneven structures that may be employed in another embodiment.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
11,21: 사파이어 기판 12,22: 버퍼층11, 21:
13,23: n형 반도체층 14,24: 활성층13,23: n-
15,15`,15``,25: p형 반도체층 16,26: 금속층15,15`, 15``, 25: p-
27: 도전성 기판27: conductive substrate
본 발명은 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 표면 플라즈몬 공명을 위한 요철구조의 손상을 최소화하여 내부양자효율 및 광추출효율이 향상된 표명 플라즈몬 공명을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor light emitting device, and more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor light emitting device using the expression plasmon resonance, which has improved internal quantum efficiency and light extraction efficiency by minimizing damage of uneven structure for surface plasmon resonance.
반도체 발광소자(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p,n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 광을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 질화물 반도체 발광소자가 각광을 받고 있다.BACKGROUND A light emitting diode (LED) is a semiconductor device capable of generating light of various colors based on recombination of electrons and holes at a junction portion of a p and n type semiconductor when current is applied thereto. These LEDs have a number of advantages over filament based light emitting devices, such as long life, low power, excellent initial driving characteristics, high vibration resistance, and high tolerance for repetitive power interruptions. In recent years, group III nitride semiconductor light emitting devices capable of emitting light in a blue short wavelength region have been in the spotlight.
그러나 이러한 장점에도 불구하고 반도체 발광소자, 특히, 질화물 반도체 발광소자는 낮은 광추출효율을 보이는데, 이는 질화갈륨(굴절률 약 2.4)과 외부 물질(일반적으로 공기로서 굴절률 약 1.0) 간의 큰 굴절률 차이에 의하여 발광소자에서 발생된 빛의 상당 부분이 외부로 방출되지 않고 전반사 되어 소멸 되기 때문이다.Despite these advantages, however, semiconductor light emitting devices, especially nitride semiconductor light emitting devices, exhibit low light extraction efficiency due to the large difference in refractive index between gallium nitride (refractive index of about 2.4) and external materials (typically refractive index of about 1.0 as air). This is because a large part of the light emitted from the light emitting device is totally reflected and disappeared without being emitted to the outside.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 일반적으로 빛의 방출 방향에 존재하는 반도체층의 면 상에 요철 구조를 형성하는 방안이 사용되고 있다. 즉, 빛의 방출 방 향에 형성된 요철 구조에 의해 빛의 경로가 바뀌고 이에 따라 전반사 되는 빛의 양을 줄일 수 있는 것이다.In order to solve this problem, a method of forming an uneven structure on the surface of the semiconductor layer which is generally present in the direction of light emission is used. That is, the path of light is changed by the uneven structure formed in the direction of light emission, thereby reducing the amount of total reflection.
하지만, 이러한 요철 구조에 의해 광추출효율을 향상시키는 방법, 즉, 외부광추출효율을 향상시키는 방법은 이미 내부에서 발생한 빛이 외부로 방출이 잘 되도록 하는 것으로서 광추출효율 향상의 근본적인 방법으로 볼 수는 없다. 따라서, 발광소자의 내부에서 빛의 생성 확률을 증가시키는 등의 방법을 통하여, 발생 되는 빛의 양을 증가시킬 수 있는 방안이 요구된다.However, the method of improving the light extraction efficiency by the uneven structure, that is, the method of improving the external light extraction efficiency can be seen as a fundamental method of improving the light extraction efficiency as the light emitted from the inside is well emitted to the outside. There is no. Therefore, a method of increasing the amount of light generated through a method such as increasing the generation probability of light inside the light emitting device is required.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 표면 플라즈몬 공명을 위한 요철구조의 손상을 최소화하여 내부양자효율 및 광추출효율이 향상된 표명 플라즈몬 공명을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to minimize the damage of the concave-convex structure for the surface plasmon resonance, the semiconductor light emitting device using the expression plasmon resonance improved internal quantum efficiency and light extraction efficiency It is to provide a manufacturing method.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,In order to solve the above technical problem, the present invention,
단결정 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 단결정 성장용 기판 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 성장시키는 단계와, 상기 제2 도전형 반도체층의 상면을 선택적으로 식각 하여 주기적인 요철구조를 형성하는 단계와, 상기 제2 도전형 반도체층의 상면 중 식각에 의해 손상된 영역에 습식 식각 공정을 적용하여 상기 손상된 영역을 제거하는 단계 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 상기 주기적인 요철구조와 같은 계면을 형성하도록 금속층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 요철구조를 형성하는 단계는, 상기 활성층에서 방출된 광에 의해 상기 금속층에 존재하는 표면 플라즈몬이 여기 될 수 있는 거리만큼 상기 요철구조의 오목부가 상기 활성층으로부터 이격 되어 위치하도록 실행되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.Preparing a single crystal growth substrate, sequentially growing a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer on the single crystal growth substrate, and forming an upper surface of the second conductive semiconductor layer. Selectively etching to form a concave-convex structure, applying a wet etching process to a region damaged by etching of an upper surface of the second conductive semiconductor layer, and removing the damaged region and the second conductive semiconductor And forming a metal layer to form an interface such as the periodic concave-convex structure on the layer, wherein the forming of the concave-convex structure includes excitation of surface plasmon present in the metal layer by light emitted from the active layer. The table is characterized in that the recessed portion of the concave-convex structure is located to be spaced apart from the active layer by a distance that can be It provides a semiconductor light-emitting device manufacturing method using a plasmon resonance.
바람직하게는, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층일 수 있다.Preferably, the first conductive semiconductor layer may be an n-type semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer may be a p-type semiconductor layer.
상기 요철구조를 형성하는 단계는 건식 식각에 의해 실행될 수 있으며, 바람직하게는, ICP/RIE(Inductive Coupled Plasma/Reactive Ion Etching)에 의해 실행될 수 있다.The step of forming the concave-convex structure may be performed by dry etching, and preferably, may be performed by Inductive Coupled Plasma / Reactive Ion Etching (ICP / RIE).
요철구조 형성 단계에서 생성된 손상 영역을 제거하기 위한, 상기 습식 식각을 하는 단계에서 사용되는 식각액은 NaOH, KOH, HF, BOE, H3PO4으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질의 수용액인 것이 바람직하다.The etching solution used in the wet etching step to remove the damaged region generated in the uneven structure forming step is preferably an aqueous solution of a material selected from the group consisting of NaOH, KOH, HF, BOE, H 3 PO 4 .
또한, 상기 습식 식각을 하는 단계에서 사용되는 식각액에 열을 가하는 단계 를 더 포함할 수 있으며, 상기 습식 식각을 하는 단계 중에 상기 손상 영역에 자외선을 조사할 수도 있다.The method may further include applying heat to the etchant used in the wet etching step, and may irradiate the damaged area with ultraviolet rays during the wet etching step.
한편, 상기에서 소정 거리는 상기 활성층에서 방출된 광에 의해 상기 제2 도전형 반도체층과의 계면에 존재하는 표면 플라즈몬이 여기 될 수 있는 거리로서, 이 경우, 상기 요철구조의 오목부와 상기 활성층 사이의 거리는 10 ~ 50㎚인 것이 바람직하다.On the other hand, the predetermined distance is a distance at which the surface plasmon present at the interface with the second conductivity-type semiconductor layer by the light emitted from the active layer can be excited, in this case, between the recessed portion of the uneven structure and the active layer It is preferable that the distance of is 10-50 nm.
상기 금속층은 Ag, Al, Au 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것이 표면 플라즈몬 현상을 이용하기에 적합하다.The metal layer is made of a material selected from the group consisting of Ag, Al, Au, and alloys thereof, and is suitable for using the surface plasmon phenomenon.
상기 요철구조와 관련하여, 상기 요철구조의 높이는 10 ~ 500㎚인 것이 바람직하며, 상기 요철구조의 주기는 10 ~ 1000㎚, 상기 요철구조의 볼록부의 폭은 10 ~ 1000㎚인 것이 바람직하다.In relation to the concave-convex structure, the height of the concave-convex structure is preferably 10 to 500 nm, the period of the concave-convex structure is preferably 10 to 1000 nm, the width of the convex portion of the concave-convex structure is 10 to 1000 nm.
바람직하게는, 청색광 등의 단파장 광을 발광하기 위해 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 질화물로 이루어질 수 있다.Preferably, the first conductive semiconductor layer, the active layer and the second conductive semiconductor layer may be formed of nitride to emit short wavelength light such as blue light.
또한, 상기 단결정 성장용 기판 상에 제1 도전형 반도체층을 성장시키는 단계 전에, 상기 단결정 성장용 기판 상에 버퍼층을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include growing a buffer layer on the single crystal growth substrate before growing the first conductive semiconductor layer on the single crystal growth substrate.
상기 단결정 성장용 기판은 투광성 기판일 수 있으며, 이 경우, 상기 반도체 발광소자는 플립칩 형태가 될 수 있다.The single crystal growth substrate may be a light transmissive substrate, and in this case, the semiconductor light emitting device may have a flip chip shape.
또한, 상기 금속층을 형성하는 단계 후, 상기 금속층 상에 도전성 지지기판을 형성하는 단계 및 상기 단결정 성장용 기판을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 반도체 발광소자는 수직구조가 될 수 있다. 여기서, 상기 단결정 성장용 기판을 제거하는 단계는 레이저 리프트오프 또는 화학적 리프트오프 공정에 의해 실행될 수 있다.Further, after the forming of the metal layer, the method may further include forming a conductive support substrate on the metal layer and removing the single crystal growth substrate. In this case, the semiconductor light emitting device may have a vertical structure. Can be. The removing of the single crystal growth substrate may be performed by a laser liftoff or chemical liftoff process.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도1a 내지 도1g는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법에 대한 공정별 단면도이다. 1A to 1G are cross-sectional views of processes for manufacturing a semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
우선, 도1a와 같이, 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 버퍼층(12), n형 반도체층(13), 활성층(14) 및 p형 반도체층(15)을 순차적으로 성장시킨다. First, as shown in FIG. 1A, the
상기 사파이어 기판(11)은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 요철상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 요철 간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이러한 상기 사파이어 기판(11)의 C면의 경우 비교적 질화 물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 특히, 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. The
다만, 본 실시 형태에서는 단결정 성장용 투광성 기판으로 사파이어 기판을 사용하였으나 본 발명은 이에 제한되지 않으며, SiC, Si, MgAl2O, MgO, LiAlO2, LiGaO2 등과 같은 물질로 이루어진 기판이 채용될 수 있다.However, in the present embodiment, a sapphire substrate is used as the light-transmissive substrate for single crystal growth, but the present invention is not limited thereto, and a substrate made of a material such as SiC, Si, MgAl 2 O, MgO, LiAlO 2 , LiGaO 2, or the like may be employed. have.
상기 버퍼층(12)은 상기 사파이어 기판(11)과 상기 n형 반도체층(13) 사이에 형성되어 그 위에 형성되는 반도체층들의 응력을 완화하는 등의 기능을 한다. 일반적으로 상기 버퍼층(12)은 AlN 또는 GaN 등의 저온핵성장층이 바람직하다.The
상기 n형 반도체층(13) 및 p형 반도체층(15)은 단파장 광의 발광을 위해 질화물 반도체가 채용될 수 있으며, 구체적으로는, AlxInyGa(1-x-y)N (여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 대표적인 물질로는 GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 여기서, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.The n-
상기 사파이어 기판(11) 상에 형성되는 층들은 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE) 등과 같이 공지된 반도체층 성장 공정을 사용할 수 있다.The layers formed on the
이어서, 도1b와 같이 상기 p형 반도체층(15) 상면을 선택적으로 식각 하여 주기적인 요철구조를 형성한다. 이는 도1e에 도시된 바와 같이 상기 p형 반도체층(15)과 금속층(16)의 계면에 주기적인 요철구조를 형성하기 위한 것이다. 이는 상기 계면에 존재하는 표면 플라즈몬 파(Surface Plasmon Wave)를 상기 반도체 발광소자(10)의 외부, 특히, 상기 활성층(14)(또는 사파이어 기판(11)) 방향으로 방사될 수 있는 빛으로 전환 시키기 위한 것이다. Subsequently, as shown in FIG. 1B, the upper surface of the p-
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.This will be described in more detail as follows.
표면 플라즈몬은 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation)이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다. 한편, 금(Au)과 같은 금속에서 나타나는 광-전자 효과로서 특정 파장의 광이 금속에 조사되면 대부분의 광 에너지가 자유전자로 전이되는 공명 현상이 일어나게 된다. 그 결과 표면 전자기파가 생길 때 나타나는 현상을 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance)이라 한다.Surface plasmons are collective charge density oscillations of electrons occurring on the metal thin film surface, and the surface plasmon waves generated are surface electromagnetic waves propagating along the interface between the metal and the dielectric. On the other hand, as a photo-electron effect in metals such as gold (Au), when light of a specific wavelength is irradiated onto the metal, a resonance phenomenon occurs in which most of the light energy is transferred to free electrons. As a result, the phenomenon that occurs when surface electromagnetic waves occur is called Surface Plasmon Resonance.
이러한 표면 플라즈몬 공명이 일어나기 위한 조건으로는 입사광의 파장, 금속과 접하는 물질의 굴절률 등이 있으며, 특히, 발광층과 금속 박막 간의 거리가 매우 중요하다. 즉, 발광층과 금속 박막 간의 거리가 소정 거리 이하가 되어야 표면 플라즈몬 공명이 일어날 수 있으며, 본 실시 형태에서는 상기 활성층(14)과 상기 금속층(16) 간의 거리가 이에 해당한다. The conditions for the surface plasmon resonance to occur is the wavelength of the incident light, the refractive index of the material in contact with the metal, and the like, in particular, the distance between the light emitting layer and the metal thin film is very important. That is, surface plasmon resonance may occur when the distance between the light emitting layer and the metal thin film is less than or equal to a predetermined distance. In this embodiment, the distance between the
따라서, 본 실시 형태에서는 표면 플라즈몬 공명을 이용하기 위해, 상기 활성층(14)과 상기 금속층(16) 간의 거리, 즉, 상기 활성층(14)에서 상기 요철구조의 오목부 - 금속층(16)에 형성된 요철구조를 기준으로 한다면, 볼록부 - 까지의 거리가 소정 거리 이내, 구체적으로는, 10 ~ 50㎚인 것이 바람직하다. 여기서, 거리의 하한을 10㎚로 정한 것은 활성층(14)에서 요철구조까지의 거리가 너무 가까운 경우에는 금속층(16)에서 대부분의 빛이 열 등의 형태로 손실될 수 있기 때문이다.Therefore, in this embodiment, in order to use surface plasmon resonance, the distance between the
한편, 상술한 바와 같이 입사광에 의해 여기 되어 형성된 표면 플라즈몬 파는 금속층이 평평한 면을 갖는 경우에는, 금속 표면으로부터 내부 또는 외부로 전파되지 않는 특징이 있다. 이와 같이 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되지 않고 금속 내부에 갇혀 있다면 발광효율은 현저히 저하될 것이므로, 표면 플라즈몬 파를 빛으로 외부에 방출시킬 필요가 있다.On the other hand, the surface plasmon wave formed by being excited by the incident light as described above is characterized in that it does not propagate from the metal surface to the inside or the outside when the metal layer has a flat surface. In this way, if the surface plasmon wave is not emitted to the outside but trapped inside the metal, the luminous efficiency will be significantly lowered. Therefore, it is necessary to emit the surface plasmon wave to the outside as light.
이를 위해, 본 실시 형태에서는 상기 p형 반도체층(15)과 상기 금속층(16)의 계면에 형성된 요철구조를 채용한 것이다. To this end, in the present embodiment, an uneven structure formed at the interface between the p-
표면 플라즈몬 파를 외부로 방출시키기 위해서는 상기 p형 반도체층(15)에서 광의 파수 벡터와 표면 플라즈몬의 파수 벡터를 일치시켜 주어야 하며, 이는 상기 p형 반도체층(15)과 상기 금속층(16)의 계면에 형성된 요철구조에 의해 달성될 수 있는 것이다. In order to emit the surface plasmon wave to the outside, the wave vector of the light and the wave vector of the surface plasmon in the p-
이러한 목적을 달성할 수 있는 요철구조로서 채용될 수 있는 형태를 도3a 내 지 도3d에 도시하였다.Figures 3a to 3d is a form that can be employed as a concave-convex structure that can achieve this purpose.
도3a의 n형 반도체층(35)은 도1의 n형 반도체층(15) 구조에 채용가능한 일 예로서. 상면에 형성된 요철구조는 직각기둥 형태의 볼록부와 이에 인접한 오목부를 갖는다. 이 경우, 표면 플라즈몬 파를 효과적으로 외부에 방사시키기 위한 측면을 고려하였을 때, 요철구조의 주기(s)와 볼록부의 폭(w)은 10 ~ 1000㎚인 것이 바람직하며, 요철구조의 높이(h)는 10 ~ 500㎚인 것이 바람직하다. 또한, 상술한 바와 같이, 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위해, 활성층에서 오목부까지의 거리(t)는 10 ~ 50㎚인 것이 바람직하다. 이와 유사하게, 도3b에 도시된 바와 같이, n형 반도체층과 금속층의 계면의 요철구조(35')는 볼록부의 단면이 반원이거나 볼록부가 원기둥 형상인 형태도 가능하다. The n-
도3a 및 도3b와 달리, 본 발명에 채용가능한 요철구조(45,45')는 도3c 및 도3d와 같이 볼록부와 오목부가 각각 종방향 및 횡방향으로 배열된 형태일 수도 있다. 도시된 바와 같이, 각 볼록부는 단면이 사각 또는 원형과 같이 다양한 형태일 수 있다. 각 볼록부는 다만, 본 발명에서 상기 요철구조는 도시된 실시 형태에만 제한되는 것은 아니며, 표면 플라즈몬 파를 외부에 방사시킬 수 있는 다양한 구조, 예를 들면, 도3a 내지 도3d에서 오목부와 볼록부가 역전된 형태 등이 가능할 수 있다. 3A and 3B, the concave-
상기에서 설명한 요철구조를 형성하는 방법과 관련하여, p형 반도체층(15) 상면을 건식 식각 하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 포토리소그라피 또는 기타 방 법으로 패턴(P)을 형성하고 ICP/RIE(Inductive Coupled Plasma/Reactive Ion Etching) 등과 같은 공정을 사용할 수 있다. 다만, 요철구조 형성 방법은 본 발명의 가장 넓은 기술적 범위를 제한하지 않으며 다만 본 발명을 실시하기 위한 다양한 선택적 방법의 일부이다.In connection with the method of forming the concave-convex structure described above, it is preferable to dry-etch the upper surface of the p-
한편, 이와 같이 p형 반도체층(15)을 건식 식각 하는 경우에는, 도1c에 도시된 바와 같이 식각된 영역을 중심으로 손상 영역(D)이 발생될 수 있다. Meanwhile, in the case of dry etching the p-
즉, p형 반도체층, 특히, p-GaN 층에 거칠기 또는 굴곡을 주기 위해서 건식 식각을 하는 경우, 식각 후 반도체 표면에 공공, 불순물, 건식 식각 잔류물 등과 같은 결함들이 발생하여 소자 효율성이 감소 된다. 더구나 건식 식각에 의한 질소의 우선적인 탈착으로 인해 비화학양론적인 표면이 형성되어 소자의 신뢰성이 저하될 뿐 아니라 소자의 수명이 단축되는 문제가 있다. 특히, 질소 원자가 빠져나가 생긴 질소 공공(N-vacancy)는 억셉터로 작용하여 발광효율 저하의 원인이 될 수 있다.That is, when dry etching is performed to give roughness or curvature to the p-type semiconductor layer, in particular, the p-GaN layer, defects such as voids, impurities, and dry etching residues occur on the semiconductor surface after etching, thereby reducing device efficiency. . Moreover, due to the preferential desorption of nitrogen by dry etching, a non-stoichiometric surface is formed, thereby reducing the reliability of the device and shortening the life of the device. In particular, the nitrogen vacancy (N-vacancy) generated by the escape of the nitrogen atom acts as an acceptor and may cause a decrease in luminous efficiency.
이를 해결하기 위해, 도1d와 같이, 상기 손상된 영역(D)을 습식 식각 공정에 의해 제거한다. 상기 손상된 영역(D)은 손상되지 않은 상기 p형 반도체층(15)에 비하여 습식 식각에 의해 용이하게 제거될 수 있다. 이 경우, 상기 습식 식각을 하는 단계에서 사용되는 식각액은 NaOH, KOH, HF, BOE, H3PO4으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질의 수용액인 것이 바람직하다. 또한, 식각이 보다 잘 이루어지도록 상기 습식 식각을 하는 단계에서 사용되는 식각액에 열을 가하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 습식 식각을 하는 단계 중에 상기 손상 영역에 자외선을 조사할 수도 있으며, 전기적인 바이어스(bias)를 걸어줄 수도 있다. In order to solve this problem, as illustrated in FIG. 1D, the damaged region D is removed by a wet etching process. The damaged region D may be easily removed by wet etching as compared to the undamaged p-
이어서, 도1e와 같이, 상기 p형 반도체층(15) 상에 금속층(16)을 형성한다. 상기 금속층(16)에 대한 설명은 상술한 바와 같으며, 증착, 도금 등의 일반적인 금속층 형성 공정에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 금속층(16)은 표면 플라즈몬 현상을 나타낼 수 있는 금속으로 이루어지는 것이 바람직하며, 구체적으로는 Au, Ag, Al 등과 같은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 주로 사용될 수 있다. 이 중에서 가장 예리한 표면 플라즈몬 공명 피크를 보이는 Ag와 우수한 표면 안정성을 나타내는 Au가 보편적으로 선택될 수 있으며, 더불어, 상기의 금속들의 합금도 상기 금속층(16)으로 사용할 수 있다. 또한, 상기 금속층(16)은 오믹콘택 성능 향상을 위해, Ni, Pt 등을 사용하여, Au, Ag, Al 등과 함께 다중층 형태가 될 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 1E, the
이어서, 도1f와 같이, 메사 에칭에 의해 상기 금속층(16), p형 반도체층(15), 활성층(14)의 일부를 제거하여 n형 반도체층(13)의 일부를 노출시킨다. 다만, 본 발명에서 메사 에칭에 의해 n형 반도체층(13)의 일부를 노출시키는 공정은 상기 금속층(16)을 형성하는 단계 전에 실행될 수도 있다.Next, as shown in FIG. 1F, a portion of the n-
마지막으로, 도1g와 같이, 상기 금속층(16) 상면의 일부 영역과 상기 n형 반도체층(13)의 노출면에 각각 p측 본딩전극(17b) 및 n측 전극(17a)을 형성한다. 상기 전극구조의 형성 과정은 APCVD, LPCVD, PECVD 등을 이용한 금속박막증착 등이 사용될 수 있다. 상기와 같은 전극 형성 공정을 거친 최종 발광소자는 도1g에 도시된 반도체 발광소자(10)와 같다.Lastly, as shown in FIG. 1G, p-
도2a 내지 도2d는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법에 대한 공정별 단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views of processes for manufacturing a semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
우선, 도2a와 같이 사파이어 기판(21) 상에, 순차적으로 버퍼층(22), n형 반도체층(23), 활성층(24) 및 p형 반도체층(25)을 성장시키고, 상기 p형 반도체층(25) 상면을 식각 하여 요철구조를 형성한다. 이후, 상기 p형 반도체층(25) 상면에 금속층(26)을 형성한다. 사파이어 기판(41) 상에 성장되는 각각의 층들의 성장 공정과 요철구조 형성 방법은 도1의 실시 형태에서 설명한 바와 같다.First, as shown in FIG. 2A, the
이어서, 도2b와 같이 상기 금속층(26) 상면에 도전성 기판(27)을 형성한다. 상기 도전성 기판(27)은 최종 발광소자에 포함되는 요소로서, 최종 발광소자의 p측 전극 역할과 함께 상기 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할을 수행한다. 구체적으로, 상기 도전성 기판(27)은 Si, Cu, Ni, Au, W, Ti 등이 채용될 수 있다. 상기 도전성 기판(27)은 증착, 도금 공정 등을 통하여 형성될 수 있으며, 공정 효율 측 면에서 도금 공정이 바람직하다. 이 경우, 도금 공정으로는 전해도금, 비전해도금, 증착도금 등의 공지의 도금 공정을 포함하며, 이 중에서, 도금 시간이 적게 소요되는 전해도금법을 이용하는 것이 바람직하다. 다만, 이와 같이 상기 금속층(26)의 상면에 직접 형성되는 방법 외에도 상기 도전성 기판(27)을 상기 금속층(26)의 상면에 접합시키는 방법을 사용할 수도 있다.Next, as illustrated in FIG. 2B, a
이어서, 도2c와 같이, 레이저 리프트오프 공정, 즉, 상기 사파이어 기판(21) 하면으로 레이저빔(L)을 조사하여 n형 및 p형 반도체층, 활성층, 금속층 및 도전성 기판으로 구성된 발광구조물로부터 상기 사파이어 기판(21)을 제거한다. 이 경우, 상기 레이저빔(L)은 사파이어 기판(21)의 전면에 조사되는 것이 아니라, 상기 사파이어 기판(21) 상에 형성된 최종 발광소자의 크기로 분리된 발광구조물 각각에 정렬되어 복수 회 조사되는 것이 바람직하다. 상기 사파이어 기판(21)을 제거하는 단계는 본 실시 형태와 같이 레이저 리프트오프 공정이 가장 바람직하나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 기계적 또는 화학적 리프트오프 공정을 통하여서도 분리가 가능하다. Subsequently, as shown in FIG. 2C, the laser lift-off process, that is, the laser beam L is irradiated to the lower surface of the
마지막으로, 도2d와 같이, 상기 도전성 기판(27) 상면과 상기 버퍼층(22)의 하면에 각각 n측 및 p측 전극(28a,28b)을 형성한다. Finally, as shown in FIG. 2D, n-side and p-
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.It is intended that the invention not be limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, but rather by the claims appended hereto. Accordingly, various forms of substitution, modification, and alteration may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, which are also within the scope of the present invention. something to do.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 표면 플라즈몬 공명을 위한 요철구조의 손상을 최소화하여 내부양자효율 및 광추출효율이 향상된 표명 플라즈몬 공명을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법을 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device using the expressed plasmon resonance with improved internal quantum efficiency and light extraction efficiency may be obtained by minimizing damage of the uneven structure for surface plasmon resonance.
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