KR100996451B1 - 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 돌기가 형성된 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 복수개의 반도체층의 측면에서 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 요철;로서, 요부가 돌기 위의 복수개의 반도체층이 제거되어 형성되는 요철;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

반도체, 발광소자, 질화물, 활성층, 외부양자효율, 식각, 스크라이빙

Description

반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법{SEMICONDUCTOR LIGGT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 대표적으로 기판에 형성된 돌기를 이용하여 반도체층의 측면에 요철을 형성하여 외부양자효율을 향상시킨 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 여기서 3족 질화물 반도체는 GaN계 반도체를 의미하지만, SiCN와 같은 반도체를 추가적으로 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.

도 1은 미국특허 제5,429,954호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자(1)는 측면에 요철(10)을 구비하며, 요철(10)을 이용해 활성층(6)으로부터 발생된 빛이 외부로 취출되는 양을 증가시킨다.

도 2는 미국특허 제6,809,340호에 개시된 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, n형 질화물 반도체층(103), p형 질화물 반도체층(106), p측 전극(107) 그리고 n측 전극(108)이 도시되어 있으며, p형 질화물 반도체층(106)의 측면에 요철(109)이 형성되어 있다. 요철(109)은 마스크를 사용한 식각을 통해 형성될 수 있다.

본 발명은 발광소자의 외부양자효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 소자의 칩핑 공정에서 소자에 잔존하는 잔류물(debris)을 제거하여 발광소자의 외부양자효율을 향상시킨 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기판에 구비된 패턴 또는 돌기에 의해 반도체층 측에 형성된 스캐터링 면을 이용하여 외부양자효율을 향상시킨 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기판에 형성된 패턴 또는 돌기를 이용하여 반도체층의 측면에 요철을 형성하여 외부양자효율을 향상시킨 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 돌기가 형성된 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 복수개의 반도체층의 측면에서 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 요철;로서, 요부가 돌기 위의 복수개의 반도체층이 제거되어 형성되는 요철;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다. 바람직하게는 기판은 사파이어로 이루어지며, 복수개의 반도체층은 3족 질화물 반 도체로 이루어진다. 이때 활성층은 주로 InGaN으로 이루어진다. 복수개의 반도체층의 최하층에서는 기판과의 불일치(mismatch)을 해소하기 위해 버퍼층이 이용될 수 있는데, 이 버퍼층은 AlGaN, AlN, SiC와 같은 물질로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명은 복수개의 반도체층의 측면의 적어도 일부가 경사면을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판에 요철을 형성하는 제1 단계; 기판 위에 복수개의 반도체층을 성장시키는 제2 단계; 그리고, 복수개의 반도체층의 측면 및 기판과 복수개의 반도체층의 계면을 식각하여, 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 형성되며 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 요철을 형성하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다. 여기서 기판의 요철은 기판에 돌기 및/또는 오목부를 형성함으로써 형성될 수 있다. 식각은 건식 식각 및/또는 습식 식각 모두가 가능하며, 제3 단계의 요철은 기판의 요철과 별개의 것이다.

또한 본 발명은 제3 단계에 앞서, 복수개의 반도체층의 측면 및 기판과 복수개의 반도체층의 경계면을 노출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다. 노출은 레이저 및/또는 다이아몬드 커터에 의해 이루어질 수 있으며, 공정 속도의 관점에서는 레이저가 바람직하다. 다만 레이저를 사용하는 경우에 스크라이빙 후 소자에 잔류물이 생성되어 소자의 외부양자효율에 좋지 못한 영향을 줄 수 있다.

또한 본 발명은 사파이어 기판에 요철을 형성하는 제1 단계; 사파이어 기판 위에 복수개의 질화물 반도체층을 성장시키는 제2 단계; 그리고, 복수개의 질화물 반도체층의 측면 및 사파이어 기판과 복수개의 질화물 반도체층의 계면을 식각함으로써, 복수개의 질화물 반도체층의 적층 방향을 따라 형성되며 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 요철을 사파이어 기판의 요철을 이용하여 형성하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법를 제공한다.

또한 본 발명은 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 복수개의 반도체층의 측면에서 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 요철;로서, 철부가 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 폭이 넓어지도록 형성되는 요철;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 요철이 형성된 기판;으로서, 요철의 적어도 일부가 노출되는 기판; 그리고, 노출되지 않은 요철을 덮도록 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;으로서, 경사진 측면을 구비하는 복수개의 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 발광소자의 외부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 소자의 칩핑 공정에서 소자에 잔존하는 잔류물(debris)를 제거하여 발광소자의 외부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 기판에 구비된 패턴 또는 돌기에 의해 반도체층 측에 형성된 스캐터링 면을 이용하여 외부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 의하면, 기판에 형성된 패턴 또는 돌기를 이용하여 반도체층의 측면에 요철을 형성하여 외부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 사파이어 기판(100), 사파이어 기판(100) 위에 에피성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 에피성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 투명전극층(600), 투명전극층(600) 위에 형성되는 p측 접촉 금속층(700), p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n측 접촉금속층(800)을 포함한다. 한편 사파이어 기판(100)에는 질화물 반도체층 측에 스캐터링 면을 형성하기 위한 원형의 돌기(101)가 형성되어 있다.

도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 복수개의 반도체층과 기판 사이의 계면을 확대하여 나타내는 도면으로서, 사파이어 기판(100)의 돌기(101)로부터 이격되어 버퍼층(200)에 빛을 스캐터링하는 스캐터링 면(104)이 위를 향해 볼록하게 형성되어 있다. 본 발명은 이러한 스캐터링 면(104)을 이용함으로써 반도체 발광소자의 외부양자효율을 높이는 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 사진으로서, 사파이어 기판(100)에 돌기(101)가 형성되어 있고, 돌기(100)와 간격을 두고 스캐터링 면(104)이 형성되어 있다.

도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 단면의 일 예를 나타내는 사진으로서, 사파이어 기판(100)에 돌기(101)가 형성되어 있으며, 스캐터링 면(104)은 돌기(101)의 형상을 따라 소자 외부로부터 내부로 가면서 돌기(101)와 간격이 좁아진다.

도 7은 본 발명에 따른 스캐터링 면의 전체 형상을 나타내는 사진으로서, 돌기가 형성하는 표면보다 훨씬 큰 스캐터링 면이 형성됨을 알 수 있으며, 외부 즉 공기와 반도체층 사이에서 스캐터링 면이 형성된다.

도 8은 식각 전의 사진으로서, 점선으로 표시된 부분에 사파이어 기판(100)의 돌기가 보여야 하나, 잔류물(102)에 의해 돌기가 보이지 않고 있다.

스캐터링 면의 형성

3족 질화물 반도체 발광소자를 개개의 소자로 절단하는 단계(칩핑하는 단계)는 레이저를 사용하여 진행할 수 있으며, 기판에 대한 절단면의 깊이 및 너비는 물리적인 힘을 가해 쉽게 개개의 발광소자가 분리될 수 있는 0.5um~30um의 깊이로 형성하는 것이 바람직하다(예: 15um). 0.5um 이하일 경우에는 다이아몬드 팁(tip)을 이용한 절단 방법과 비슷하게 발광소자의 표면을 얇게 절단하여 물리적으로 개개의 발광소자를 분리하는 과정에서 발광소자 표면 및 내부에 균열을 초래하거나 전기적 특성에 불량을 초래할 수 있다. 반대로 30um 이상일 경우에는 발광소자를 만드는 공정 도중에 쉽게 소자가 깨지는 현상이 발생해서 생산성을 저하되는 문제점을 가질 수 있다.

3족 질화물 반도체 발광소자의 측면을 식각하는 단계 이전에 보호막을 부착하는 단계를 더 포함할 수 있고, 보호막은 산화규소, 감광제, 규소 등 식각에 강한 물질 중의 어느 하나 또는 이들 하나 이상의 조합일 수 있다.

3족 질화물 반도체 발광소자의 측면을 식각하는 단계에서는 염산(HCl), 질산(HNO₃) 불산(HF), 황산(H₂SO₄) 또는 인산(H₃PO₄) 등이 사용될 수 있다. 식각된 측면의 거칠기는 수십 nm 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 수십 nm 이상이 되면 불순물 잔해와 같은 역할을 하여 발광소자의 광추출 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이때, 식각액은 150℃ 이상의 온도로 가열된 상태에서 사용되는 것이 바람직하다. 식각액의 온도가 150℃ 이하가 되면 측면의 식각률이 떨어지며, 본 발명에서 소자의 모양을 광추출이 용이하도록 바꾸는데 제한을 갖는다. 한편 건식식각이 이용되는 경우에, BCL₃, Cl₂, HBr, 또는 Ar이 식각 가스로 사용될 수 있다. 이때 사파이어 기판과 반도체의 계면에서 식각이 일어나는 이유는 이 경계면은 에피성장에 의해 발생하는 서로 다른 물질간의 계면이므로 불안정하여 식각이 활발히 일어나는 것으로 판단된다. 또한 BOE(Buffered Oxide Etchant)가 식각 용액으로 사용될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 사진으로서, 사파이어 기판(100)에 돌기(101)가 형성되어 있고, 돌기(101)와 간격을 두고 스캐터링 면(104)이 형성되어 있다. 도 7에 도시된 측면과 달리, 식각이 더 진행되어(예: 200~300℃에서, 5~10분간 습식 식각), 측면이 경사면(105)을 이루며, 스캐터링 면(104)의 식각이 심화되어, p형 질화물 반도체층(500)의 상면에 까지 이어져서, 요철(104a,104b; 스캐터링 면(104)이 요부(104b)를 형성)이 형성되어 있다. 따라서 경사면(105)을 이용해 외부로 취출되는 빛을 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 요철(104a,104b)을 통해서 외부로 취출되는 빛을 늘릴 수 있게 된다. 따라서 본 발명은 종래와 달리 별도의 패턴의 사용없이 에피의 성장 방향을 따라 형성된 요철(104a,104b) 및/또는 경사면(105)을 식각의 시간을 조절함으로써 형성할 수 있게 된다.

도 1은 미국특허 제5,429,954호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 2는 미국특허 제6,809,340호에 개시된 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 복수개의 반도체층과 기판 사이의 계면을 확대하여 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 사진,

도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 단면의 일 예를 나타내는 사진,

도 7은 본 발명에 따른 스캐터링 면의 전체 형상을 나타내는 사진,

도 8은 식각 전의 사진,

도 9는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 사진.

Claims (18)

1. 돌기가 형성된 기판;

   기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;

   복수개의 반도체층의 측면에서 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하고, 요부가 돌기 위의 복수개의 반도체층이 제거되어 형성되는 요철;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   복수개의 반도체층의 측면의 적어도 일부가 경사면을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,

   기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
5. 제 2 항에 있어서,

   활성층은 3족 질화물 반도체로 된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
6. 기판에 요철을 형성하는 제1 단계;

   기판 위에 복수개의 반도체층을 성장시키는 제2 단계; 그리고,

   복수개의 반도체층의 측면 및 기판과 복수개의 반도체층의 계면을 식각하여, 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 형성되며 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 요철을 형성하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   제3 단계의 요철은 기판의 요철에 의해 형상 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   제3 단계에서, 요철은 복수개의 반도체층의 상부까지 이어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   제3 단계에 앞서, 복수개의 반도체층의 측면 및 기판과 복수개의 반도체층의 경계면을 노출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
10. 제 6 항에 있어서,

    기판은 사파이어 기판로 이루어지며, 복수개의 반도체층은 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    제3 단계의 식각은 습식 식각인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    제3 단계에 앞서, 복수개의 질화물 반도체층의 측면 및 기판과 복수개의 질화물 반도체층의 경계면을 노출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
13. 기판;

    기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;

    복수개의 반도체층의 측면에서 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하고, 철부가 복수개의 반도체층의 적층 방향을 따라 폭이 넓어지도록 형성되는 요철;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
14. 제 13 항에 있어서,

    기판은 돌기를 구비하며,

    요부는 돌기 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
15. 제 14 항에 있어서,

    활성층은 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제

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