KR100921466B1 - 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 광 추출 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층과; 상기 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 비전도성 반도체층과; 상기 비전도성 반도체층에서 적어도 상기 제2전도성 반도체층 표면까지 형성되는 전극홈과; 상기 전극홈 내측의 제2전도성 반도체층 상에 형성되는 제1전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

발광 소자, 광결정, 광 추출 효율, 전극, 반도체.

Description

질화물계 발광 소자 및 그 제조방법{Nitride light emitting device and method of making the same}

본 발명은 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 광 추출 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광 추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자에 광 추출 구조를 형성함에 있어서, 표면 단차로 인한 분해능 저하 요인 없이 일반적인 포토 리소그래피(photolithography)로 적용 가능하고, 높은 광 추출 효율을 가지는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층과; 상기 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 비전도성 반도체층과; 상기 비전도성 반도체층에서 적어도 상기 제2전도성 반도체층 표면까지 형성되는 전극홈과; 상기 전극홈 내측의 제2전도성 반도체층 상에 형성되는 제1전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과, 발광층과, 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 제1반도체층과; 상기 제1반도체층 상에 위치하는 도핑되지 않은 제2반도체층과; 상기 제2반도체층의 상면에 형성되는 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서, 기판 상에 도핑되지 않은 제1반도체층을 형성하는 단계 와; 상기 반도체층 상에, 제1전도성 반도체층과, 발광층과, 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 다층구조의 제2반도체층을 형성하는 단계와; 상기 제2반도체층 상에 제1전극을 형성하는 단계와; 상기 제1전극 상에 지지층을 형성하는 단계와; 상기 기판을 분리하는 단계와; 상기 기판을 분리하여 드러난 제1반도체층 면에 광 추출 구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 광 추출 효율 개선을 위해 발광 소자의 광 추출 구조에 있어서, 도핑되지 않은 GaN 버퍼층 또는 이 버퍼층과 접한 고굴절률 층에 광 추출 구조를 형성함으로써, 광 추출 구조 형성시, 표면 단차로 인한 분해능 저하 요인 없이 일반적인 포토 리소그래피(photolithography)로 적용 가능하다. 또한, 도핑되지 않은 GaN층 또는 이 GaN층의 접합 면에 증착되는 고굴절률 층의 두께를 추출 효율이 포화되는 광 추출 구조의 식각 깊이보다 크게 제작할 수 있으므로 고효율의 발광 소자를 구현할 수 있는 효과가 있는 것이다.

더구나, 도핑되지 않은 GaN 층 위에 고굴절률 층 박막을 증착한 뒤 광 추출 구조를 도입하게 되면, 박막의 굴절률 크기에 따라 GaN층 내에 광 추출 구조를 도입하는 것보다 우수한 광추출 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이와 같이, 도핑되지 않은 GaN 층 또는 이에 접한 고굴절률 층에 광 추출 구조를 도입하는 것은 소자의 전기적 성질에 영향을 주지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다 음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다. 또한 여기에서 설명되는 각 실시예는 상보적인 도전형의 실시예를 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할것이다.

이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al₂O₃)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들은 도전성 기판을 포함하여 다른 기판을 사용할 수 있다. 따라서 GaP 기판상의 AlGaInP 다이오드, SiC 기판상의 GaN 다이오드, SiC 기판상의 SiC 다이오드, 사파이어 기판상의 SiC 다이오드, 및/또는 GaN, SiC, AlN, ZnO 및/또는 다른 기판상의 질화물계 다이오드 등의 조합이 포함될 수 있다. 더구나 본 발명은 활성영역은 다이오드 영역의 사용에 한정되는 것은 아니다. 또한 활성영역의 다른 형태들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라서 사용될 수도 있다.

도 1에서 도시하는 바와 같은 수평형 GaN 계열 발광 소자는 GaN에 비해 굴절률이 상대적으로 낮은 사파이어(n = 1.76) 기판(10) 위에 성장한 구조이다. GaN 반도체층(20)의 전체 두께는 약 5㎛에 이르므로, 다양한 고차 모드가 존재하는 도파로 구조로 간주할 수 있다. GaN 반도체층(20)의 상층부는 p-형 GaN 반도체층(21)부터 출발하며, 그 아래에 발광층(22) 영역에 해당하는 다중양자우물 층이 위치한다.

이러한 발광층(22)의 하측에는 n-형 GaN 반도체층(23)이 위치하며, 이 n-형 GaN 반도체층(23)과 기판(10) 사이에는 버퍼층(24)이 위치할 수 있다. 또한, 기판(10)의 하측에는 반사막(도시되지 않음)을 형성할 수 있다.

수평형 GaN 계열 발광 소자는 전체 면적에 걸쳐 고르게 전류를 공급하기 위해, 대개 ITO와 같은 투명전극층(30)을 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 증착한다. 따라서, 수평형 GaN 계열 발광 소자에 광결정(40)을 도입할 때, 식각할 수 있는 최대 범위는 투명전극층(30) 두께와 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께를 합한 값이 된다. 일반적으로, 이러한 투명전극층(30)과 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께는 100 ~ 300nm 사이이다.

따라서, 수평형 GaN 계열 발광 소자에 광결정(40)을 도입할 때, 식각할 수 있는 최대 범위는 상술한 상층부의 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께(100 ~ 300nm)에 의해 제한을 받으므로, 추출효율에 있어서 한계가 있을 수 있다.

한편, 도 2에서 도시하는 바와 같은 수직형 발광 소자 구조의 일례는, GaN 반도체층(20) 성장 과정 중에 기판으로 이용되는 사파이어를 레이저 흡수법으로 제거하고, p-형 GaN 반도체층(21) 위에 거울과 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있는 Ni, Ag 등을 포함하는 다층 금속 박막을 이용하여 반사형 오믹 전극(50)을 형성한 구조이다.

일반적인 수평형 GaN 발광 소자와 구별되는 수직형 GaN 발광 소자의 차이점 중에는 절연체인 사파이어의 제거로 인해 전류 방향이 수직 방향이며, 광의 출력 면이 도 2의 경우에 역전되어 n-형 GaN 반도체층(23)으로 출력된다는 것을 들 수 있다.

수직형 발광 소자 구조 내에서 전류가 수직 방향으로 흐른다는 사실은 공급된 전류가 발광층(22)인 양자우물 층까지 이탈 없이 도달할 수 있는 확률이 크다는 것을 의미한다. 이는 곧, 내부양자효율의 향상에 기여하게 된다.

또한, 수직형 발광 소자 구조는 절연체인 사파이어를 제거하고 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 도체를 형성하였기 때문에, 열 배출이 용이하다는 특성을 가진다. 이는 특히, 고출력 발광 소자를 설계할 때, 유리한 측면으로 작용할 수 있다.

실제로, 사파이어 기판이 있는 통상적인 GaN 계열 청색 발광 소자의 경우 공급되는 전류 값이 수백 mA를 상위하게 되면, 오히려 출력이 감소하는 현상이 발생한다. 이는 사파이어 기판의 취약한 열 전도율로 인해 소자 내부의 온도가 상승하여 양자우물의 내부양자효율의 열화가 발생하기 때문으로 해석될 수 있다.

수직형 청색 발광 소자 구조는 전류의 흐름과 열 배출이 용이하다는 물리적 특성 이외에도 광 추출효율 향상과 관련하여 광학적으로도 주의 깊게 고려할만한 특징을 가지고 있다. 이를 정리하면 다음과 같다.

먼저, 수직형 발광 소자 구조의 상층부는 n-형 GaN 반도체층(23)이므로, p- 형 GaN 반도체층(21) 보다 상대적으로 두꺼운 n-형 GaN 반도체층(23) 내에 광결정과 같은 광 추출 구조(60)를 도입할 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로, 광 추출 구조(60)를 통한 추출효율 향상 효과는 추출효율이 포화되기 전까지는 식각 깊이에 비례하는 특성을 가지고 있다. 이하, 광 추출 구조(60)는 광결정을 포함한 모든 광 추출효율 향상을 위한 구조를 의미한다.

따라서 수평형 GaN 계열 발광 소자에서 광결정을 도입할 때의 난점 중의 하나인 p-형 GaN 반도체층의 식각에 따른 저항 증가나 활성층인 양자우물 층 식각에 따른 표면 비발광 결합 효과 등에 대한 제약 없이, 원하는 깊이의 광결정 구조를 형성할 수 있다. 또한, 식각 깊이에 따라 최대 추출효율을 제공하는 주기가 조금씩 달라지므로, 주어진 식각 기술이 허락하는 구조적 조건을 활용할 수 있다.

또한, 수직형 발광 소자는 발광 영역인 양자우물 층(발광층; 22)과 높은 반사율을 가지는 거울(반사형 오믹 전극; 50)이 방출되는 빛의 파장보다 작은 위치 내에 놓여 있다.

즉, 상술한 바와 같이, 수직형 발광 소자의 구조는 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 거울과 전극의 역할을 동시에 수행하는 반사형 오믹 전극(50)이 형성된다. 따라서 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께가 발광 소자의 발광층(22)과 금속 거울 사이의 거리에 해당한다.

일반적으로, 발광층(22)으로부터 가까운 위치 내에 높은 반사율을 가진 거울이 존재하게 되면, 거울이 없는 경우와 비교하여 발광 성능이 크게 달라진다. 즉, 발광층(22)과 거울 사이의 거리에 따라 발광률(decay rate)이 달라지기도 하며, 방 사 패턴(radiation pattern)을 조절할 수도 있다. 이러한 특성들을 잘 이용하게 되면, 발광 소자의 광 추출효율을 획기적으로 개선할 수 있다.

광 추출 구조의 목적은 가능한 짧은 진행 거리 내에 빛을 반도체 외부로 추출하는 것이다. 소자 내에서 빛이 진행하는 거리가 증가할수록 그만큼 흡수 손실에 의해 빛의 일부가 사라지기 때문이다.

이는 곧 광 추출 구조의 회절 효율과 밀접한 관련이 있다. 광결정과 같은 광 추출 구조의 회절 효율은 구조적 인자에 의해 결정되며, 중요 인자로는 홀 또는 기둥과 같은 단위 패턴 사이의 간격인 주기(lattice constant), 단위 패턴의 크기(직경), 단위 패턴의 깊이(etch depth) 또는 높이, 및 도 3a 내지 도 3c에서 도시하는 바와 같은 격자 문양 등이 있다. 도 3a에서는 사각 격자를 나타내고 있고, 도 3b와 도 3c에서는 각각, 삼각 격자와 아키미디안(Archimedean) 격자를 나타내고 있다.

즉, 각 구조 인자의 조건에 따라 광 추출 구조에 의한 최종 효율이 결정된다. 한편, 광 추출 구조의 인자에 따른 추출효율의 변화 양상을 정량적으로 분석하기 위해서는 전사모사의 도움이 필요하다.

광 추출 구조는 발광 소자의 종류에 관계없이 적용가능하나, 논의의 편의성을 위해 수직형 GaN 계열 발광 소자 구조에 대해 광결정 효과를 계산하여 설명하기로 한다. 전산 모사(3D-FDTD) 상에 입력된 구조의 형상은 도 4와 같다.

일반적인 발광 소자의 크기는 컴퓨터 메모리의 한계로 인해 계산 구조 내에 완전히 포함할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 유한 크기(12mm)의 구조 양끝에 완전 거울을 설치한 구조를 입력하였다.

이러한 구조의 하단부에는 해석의 편의성을 위해 흡수율이 존재하는 실제 금속 거울 대신 100%의 반사율을 가지는 완전 거울(도시되지 않음)이 위치하는 경우를 적용하였다.

또한, 도 5에서와 같이, 발광 소자(100)의 발광층(양자우물 층; 22) 내부에는 흡수율(k = 0.045)을 부여하였다. 다만, 구조의 하단부에는 해석의 편의성을 위해 흡수율이 존재하는 실제 금속 거울 대신 역시 100%의 반사율을 가지는 완전 거울로 대체하였다.

한편, 양자우물층(22) 내부에는 실제의 흡수율을 부여하여 빛의 진행 거리가 늘어날수록 그 세기가 약해지도록 하였다. 양자우물층(22) 내에는 무작위 방향을 가진 전기 쌍극자를 배치하여, 도 6과 같이, 실제와 유사한 구면파의 방사 패턴이 발생하도록 하였다. 방사 패턴을 자세히 보면, 각도에 따라 미세한 간섭 무늬가 관찰되나 근사적으로 구면파로 간주해도 무방하다.

광결정과 같은 광 추출 구조(60)의 주기에 대한 추출효율 변화를 살펴보면, 도 7에서와 같이, 최대 추출효율을 얻을 수 있는 주기(a)는 약 800nm 부근이며, 추출효율의 상대적 증대비는 약 2배 정도이다. 이때, 식각 깊이는 225nm, 광결정을 이루는 홀(61)의 반지름은 250 nm이다(주기를 a라 할 때, 0.25a).

다음으로, 광 추출 구조(60)를 이루는 홀(61)의 크기에 따른 추출효율의 변화를 보면 도 8과 같다. 이때, 식각 깊이는 225nm로 고정하였으며, 주기는 800nm를 선택하였다. 결과를 살펴보면, 광 추출 구조(60)의 홀(61)의 크기가 0.35a일 때, 추출 효율은 최대가 되며, 상대적 증가분은 2.4배까지 커지는 것을 알 수 있다.

또한, 도 9에서와 같이, 광 추출 구조(광결정) 형성을 위한 식각 깊이를 순차적으로 변경하면서 이 식각 깊이에 따른 최적 주기를 조사하였고, 도시하는 바와 같이, 식각 깊이 또한 추출 효율의 중요 변수임을 쉽게 알 수 있다.

지금까지 계산에서 다룬 광 추출 구조의 형상은 주기성 있는 사각형 격자 구조(square lattice)를 이용하였다. 그러나, 빛이 광 추출 구조와의 회절 결합 과정을 통해 추출된다는 점을 상기하면, 도 10a 내지 도 10e에서 도시하는 바와 같은 광 추출 구조의 개별 홀(또는 기둥)들이 배치해 있는 격자 문양 또한 중요 변수가 된다.

도 10a와 도 10b는 각각 사각 격자와 삼각 격자 구조를 나타내고 있고, 도 10c는 아키미디언(Archimedean) 격자구조를 나타내고 있다. 또한, 도 10d는 홀(또는 기둥)들의 평균 거리가 일정한 슈도 랜덤(pseudo random) 구조이고, 도 10e는 랜덤 구조를 나타낸다. 이들은 모두 유한 공간 내에 동수의 복수 홀을 가진 광 추출 구조를 나타내고 있다.

또한, 도 11a와 도 11b는 각각 도 10a와 도 10d의 선에서 바라본 단면을 나타내고 있다.

도 12에서는 도 10a 내지 도 10e에 도시된 구조에 대한 광 추출 효율을 그래프로 나타내고 있다. 이러한 구조의 광 추출 구조를 이루는 개별 단위 구조(홀 또는 기둥)의 크기는 지름이 350 nm이고, 평균 거리는 700 nm이다. 이 평균 거리는 도 10a 및 도 10b와 같은 사각 격자 구조와 삼각 격자 구조에서는 주기에 해당한다.

종합하면, 광추출 구조를 이루는 여러 인자들은 추출효율과 밀접한 상관 관계에 있음을 알 수 있다.

상술한 계산 결과를 종합하면, 고효율 발광 소자에 적용 가능한 광 추출 구조를 제작하기 위해서는 대략 1 mm 이하의 미세 패턴을 구현할 수 있는 리소그래피(lithography) 도구가 필요하다.

또한, 제품의 양산성을 고려한다면, 대량의 미세 패턴을 빠르게 제작할 수 있는지의 여부 또한 중요하게 고려해야 하는 사항이다. 이에 부합되는 방법으로는 포토 리소그래피(Photolithography), 스테퍼(Stepper) 공정 등을 들 수 있다. 두 공정 모두 미세 패턴을 제작할 때 만족되어야 할 시료의 성질로는 공정이 수행되는 소자의 표면이 단차 없이 평평해야 한다는 점을 들 수 있다.

가령, 포토 리소그래피의 경우 광 추출 구조의 형상이 프린트되어 있는 마스크(mask)와 시료가 공간적으로 완벽히 밀착될 때, 높은 해상력을 얻을 수 있다(이를 기술적으로는 hard-contact mode 혹은 vacuum-contact mode라고 부른다.).

수직형 질화갈륨(GaN) 발광 소자를 레이저 흡수법으로 기판을 제거한 뒤의 상태는 도 13과 같은 구조를 가질 수 있다. 즉, 반도체 또는 금속으로 이루어지는 전도성의 지지층(70) 상에 p-형 전극(50)이 위치하고, 그 위에는 순차적으로 p-형 반도체층(21), 발광층(22), n-형 반도체층(23), 및 도핑되지 않은 비전도성 반도체층(24)가 위치한다.

이러한 비전도성 반도체층(24)은 기판 상에 반도체 박막 성장시, 초기에 저온에서 도핑되지 않는 상태로 성장되는 버퍼층(buffer layer)이며, 이런 구조에서 전기 소자로 구동하기 위해서는 이러한 버퍼층으로 증착된 비전도성 반도체층(24; undoped GaN)을 식각하여 n-형 반도체층(23)을 노출시키는 것이다. 이와 같이 노출된 n-형 반도체층(23) 위에는 n-형 전극이 형성된다.

그러나, 이와 같이 버퍼층에 해당하는 비전도성 반도체층(24)을 제거하고, n-형 반도체층 영역에 광 추출 구조를 형성하는 경우에는, 도 14에서 도시하는 바와 같이, 광 추출 구조를 형성하기 위한 마스크층(90)과 n-형 반도체층(23) 사이에 비전도성 반도체층(24) 두께만큼의 단차가 발생하여 원하는 형상의 광 추출 구조를 구현하는데 어려움이 있다. 이러한 상태에서 형성된 광 추출 구조의 형상이 도 15에 나타나 있다(도 14에서 n-형 반도체층(23) 하측의 구조는 생략되었으나, 도 13과 같은 구조를 가질 수 있다.).

따라서, 본 발명에서는 도 16에서와 같이, 비전도성 반도체층(24)을 제거하지 않고, 이 비전도성 반도체층(24)에 광 추출 구조(60)를 구현하고, n-형 전극(80)이 형성될 일부 영역에 전극홈(81)을 형성하여 n-형 반도체층(23)을 노출시킬 수 있다.

즉, 광 추출 효율을 증대하는 역할은 실질적으로 비전도성 반도체층(24) 상에 형성되는 광 추출 구조(60)에서 이루어질 수 있다.

이러한 비전도성 반도체층(24)의 두께는 박막 성장 방식에 따라 0.5 내지 2.0 ㎛의 두께를 가진다. 따라서, n-형 반도체층(23)을 직접 식각하는 것과 마찬가지로 추출 효율이 포화되는 식각 깊이까지 비전도성 반도체층(24) 내에 광 추출 구조(60)를 도입하는 것이 가능하다.

이는 곧, 본 발명 구조에서 광 추출 구조(60)와 관련하여 측면형 발광 소자 와 비교하여 수직형 발광 소자 구조가 가지는 장점을 그대로 유지할 수 있다는 것을 의미한다.

이러한 비전도성 반도체층(24)을 직접 식각하여 형성되는 광 추출 구조(60)는 상술한 광결정 구조의 특징을 모두 가질 수 있다.

이와 같은 광 추출 구조의 특징을 정리하면, 홀(61)의 깊이 또는 기둥 구조의 높이는 50nm 내지 2000nm이고, 홀(61) 또는 기둥 구조의 직경은, 상기 광결정의 주기를 a라 할 때, 0.25a 내지 0.45a이며, 광결정의 주기는 0.8 내지 5㎛일 때 광 추출 효율의 향상을 가져올 수 있다.

한편, 도 18에서와 같이, 비전도성 반도체층(24)에 광 추출 구조(60)를 형성하는 대신에, 이러한 비전도성 반도체층(24) 상에 통상적인 GaN 반도체와 굴절률이 같거나 큰 박막을 증착하여 광 추출 구조(60)를 가지는 광추출층(62)을 형성할 수 있다.

이러한 광추출층(62) 박막 내의 광 추출 구조(60)가 효과적으로 빛을 추출하기 위해서는 광추출층(62)의 굴절률이 GaN의 굴절률과 비슷해야 한다. 정확히 말해, 박막의 굴절률이 커질수록 광 추출 구조(60)에 의한 효율 향상 효과는 증대될 수 있다.

이에 상응하는 대표적인 물질로는 TiO₂, Si₃N₄ 등을 들 수 있다. 새롭게 증착된 광추출층(62) 내의 광 추출 구조(60)는 일반적인 식각 과정을 통하여 도 18과 같은 구조로 형성될 수 있고, 또한, 박막을 증착 후 리프트 오프(lift-off) 방법을 이용하여 도 19와 같은 구조로 형성될 수 있다.

즉, 제거되어야 할 부분을 패턴으로 갖는 마스크층(도시되지 않음) 상에 광추출층(62)을 이루는 박막을 형성하고, 이 마스크층을 제거하면 마스크층에 형성된 패턴과 함께 광추출층(62)의 일부가 함께 제거되어 도 19와 같은 패턴을 형성할 수 있다.

이러한 도 18 및 도 19와 같은 구조에서 모두, n-형 전극(80)을 형성하기 위한 전극홈(81)은 n-형 반도체층(23)이 노출될 때까지 형성할 수 있다.

상술한 광추출층(62) 박막의 두께는 증착 시간에 비례하여 자유롭게 정할 수 있으므로, n-형 반도체층(23) 또는 비전도성 반도체층(24)을 직접 식각하여 광 추출 구조를 형성할 경우와 마찬가지로 식각 깊이에 대한 제약 없이 최대의 추출 효율을 가지는 광 추출 구조(60)를 형성하는 것이 가능하다.

도 20에서는 상술한 바와 같이, 비전도성 반도체층(24)에 광 추출 패턴(60)을 형성한 수직형 발광 소자 구조의 일례가 나타나 있다.

이러한 발광 소자의 구조는 상술한 바와 같이, 전도성의 지지층(70) 상에 p-형 반도체층(21), 발광층(22), n-형 반도체층(23), 및 비전도성 반도체층(24)으로 이루어지는 반도체 박막 구조가 이루어진다.

이러한 반도체 박막 구조의 p-형 반도체층(21)과 지지층(70) 사이에는 p-형 전극(50)이 위치할 수 있고, 이러한 p-형 전극(50)은 반사율이 높은 금속으로 형성될 수 있다. 한편, 별도의 반사형 전극(도시되지 않음)을 더 포함할 수도 있다.

또한, 이러한 p-형 전극(50)과 지지층(70) 사이에는 금속 간의 결합을 돕는 결합금속(seed metal)과 같은 결합층(51)이 더 형성될 수 있고, 이러한 결합층(51)은 확산방지층(도시되지 않음)을 더 포함할 수도 있다.

도 21에서는 이러한 수직형 발광 소자 구조의 발광면을 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, n-형 전극(80)의 형상과 동일한 형상대로 전극홈(81)이 형성되는 것을 알 수 있으며, 최상면의 비전도성 반도체층(24)에는 광 추출 구조(60)가 형성되어 있다. 이러한 전극 홈(81)의 깊이는 n-형 반도체층(23)과 비전도성 반도체층(24)의 경계면까지 형성할 수 있으나, 통상 n-형 반도체층(23)의 표면보다는 깊은 깊이로 형성될 수 있다.

도 21에서는 n-형 전극(80)의 형상의 일례를 나타내고 있으나, 이러한 n-형 전극(80)은 도시된 형상 외에 다양한 구조 및 형상으로 형성될 수 있으며, 이때 전극홈(81)은 이와 같은 다양한 형상의 n-형 전극(80)과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.

이때, 이러한 n-형 전극(80) 또는 전극홈(81)이 차지하는 면적은 전체 발광면의 10% 수준으로 유지되는 것이 바람직하다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1은 광결정 구조를 가지는 수평형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 2는 광결정 구조를 가지는 수직형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 3a 내지 도 3c는 광결정 패턴의 예를 나타내는 개략도이다.

도 4는 컴퓨터 전산모사를 위한 수직형 발광 소자 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 5는 도 4의 구조에서 발광층의 흡수율을 표시한 단면도이다.

도 6은 발광층이 거울로부터 충분히 먼 경우의 방사 패턴을 나타내는 도이다.

도 7은 광결정의 주기를 변경하면서 광 추출효율을 조사한 그래프이다.

도 8은 광결정의 홀의 크기에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 9는 광결정의 식각 깊이에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 10a 내지 도 10e는 유한 공간 내에 동수의 복수 홀을 가진 광 추출 구조의 형상을 나타내는 개략도이다.

도 11a 및 도 11b는 각각 도 10a와 도 10d의 선에서 바라본 단면도이다.

도 12는 도 10a 내지 도 10e에서 도시하는 각 형상에 대한 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.

도 13은 수직형 발광 소자 구조를 나타내는 단면도이다.

도 14는 비전도성 반도체층을 제거하고 광 추출 구조를 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.

도 15는 도 14의 과정에 의하여 형성된 광 추출 구조의 사진이다.

도 16은 비전도성 반도체층에 광 추출 구조를 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.

도 17은 도 16의 과정에 의하여 형성된 광 추출 구조의 사진이다.

도 18은 광추출층에 식각에 의하여 광 추출 구조를 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.

도 19는 광추출층에 리프트 오프에 의하여 광 추출 구조를 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.

도 20은 비전도성 반도체층에 광 추출 구조를 도입한 수직형 발광 소자 구조의 단면도이다.

도 21은 도 20의 평면도이다.

Claims (15)

1. 질화물계 발광 소자에 있어서,

   전도성의 지지층과;

   상기 지지층 상에 위치하는 결합층과;

   상기 결합층 상에 위치하는 제2전극과;

   상기 제2전극 상에 위치하는 제1전도성 반도체층과;

   상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과;

   상기 발광층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층과;

   상기 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 비전도성 반도체층과;

   상기 비전도성 반도체층에서 적어도 상기 제2전도성 반도체층 표면까지 형성되는 전극홈과;

   상기 전극홈 내측의 제2전도성 반도체층 상에 형성되는 제1전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전극홈의 형상은, 상기 제1전극의 형상과 동일한 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제1전도성 반도체층은 p-형 반도체층이고, 상기 제2전도성 반도체층은 n-형 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 비전도성 반도체층은, 도핑되지 않은 GaN 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 비전도성 반도체층에는, 광 추출 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
6. 제 1항에 있어서, 상기 비전도성 반도체층 상에는, 광 추출 구조가 형성된 광추출층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
7. 제 6항에 있어서, 상기 광추출층은, 상기 반도체층과 굴절률이 같거나 큰 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
8. 제 6항에 있어서, 상기 광추출층은, TiO₂ 또는 Si₃N₄로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
9. 삭제
10. 제 1항에 있어서, 상기 제2전극과 상기 결합층 사이에는 반사전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
11. 삭제
12. 제 5항에 있어서, 상기 광 추출 구조를 이루는 단위 구조의 직경은 상기 광 추출 구조의 주기를 a라 할 때 0.25a 내지 0.45a인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
13. 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서,

    기판 상에 도핑되지 않은 제1반도체층을 형성하는 단계와;

    상기 반도체층 상에, 제1전도성 반도체층과, 발광층과, 제2전도성 반도체층으로 이루어지는 다층구조의 제2반도체층을 형성하는 단계와;

    상기 제2반도체층 상에 제1전극을 형성하는 단계와;

    상기 제1전극 상에 결합층을 형성하는 단계와;

    상기 결합층 상에 전도성의 지지층을 형성하는 단계와;

    상기 기판을 분리하는 단계와;

    상기 기판을 분리하여 드러난 제1반도체층 면에 광 추출 구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
14. 제 13항에 있어서, 상기 제1반도체층 상에, 적어도 상기 제1전도성 반도체층에 이르는 전극홈을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 전극홈 내측의 제1전도성 반도체층 면에, 제2전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.

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