KR101009652B1 - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

3족 질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 개시는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 기판; 기판 위에 형성되며, 제1 도전성을 지니는 제1 질화물 반도체층, 제1 질화물 반도체층 위에 형성되며 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 지니는 제2 질화물 반도체층, 그리고 제1 질화물 반도체층과 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 그리고, 기판이 얕고 옴폭하게 함몰되면서 전체적으로 받침접시(saucer) 형상으로 형성되며 활성층에서 생성되어 기판으로 유입된 빛을 스캐터링하는 제1 스캐터링면과, 복수개의 3족 질화물 반도체층을 따라 형성되며 제1 스캐터링면과 다른 기울기를 지니고 하단이 제1 스캐터링면의 가장자리에 연결되어 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 제2 스캐터링면을 구비하는 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
LED, 반도체, 발광소자, 스캐터링, 외부광자효율, 광추출효율, 식각

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 발광소자 외부로의 광추출효율을 높일 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 이루어진 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides backgound informaton related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/154454호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 기재되어 있다. 바람직하게는 n형 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않는 GaN층이 성장되 며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
n형 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 기재되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 기재되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 기재되어 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
한편, n형 질화물 반도체층(300)이나 p형 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
도 2 및 3은 미국공개특허공보 제2006/0192247호에 기재된 발광소자의 예들을 나타내는 도면으로서, 도 2는 발광소자 내부(A)에서 발생한 빛이 발광소자 외부로 빠져나오지 못하고 소멸되는 것을 나타내고, 도 3은 발광소자 측면에 경사 면(120)이 형성되어, 발광소자 내부(A)에서 발생한 빛이 발광소자 외부로 빠져나오는 것을 나타낸다.
도 4는 일본공개특허공보 제2001-24222호에 기재된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 발광소자는 p측 전극(600)에서부터 n형 질화물 반도체층(300)까지 형성된 호(920;trench)를 구비한다. 이에 따라, 발광소자 내부에서 발생한 빛이 발광소자 외부로 용이하게 빠져나올 수 있게 된다. 동일한 부호에 대한 설명은 생략한다.
그러나, 이들은 발광소자 내부(A) 또는 활성층(400)에서 생성되어 기판(100)으로 입사한 빛은 반사되어 발광소자 외부로 추출이 되지 않는 문제가 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 기판; 기판 위에 형성되며, 제1 도전성을 지니는 제1 질화물 반도체층, 제1 질화물 반도체층 위에 형성되며 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 지니는 제2 질화물 반도체층, 그리고 제1 질화물 반도체층과 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 그리고, 기판이 얕고 옴폭하게 함몰되면서 전체적으로 받침접시(saucer) 형상으로 형성되며 활성층에서 생성되어 기판으로 유입된 빛을 스캐터링하는 제1 스캐터링면과, 복수개의 3족 질화물 반도체층을 따라 형성되며 제1 스캐터링면과 다른 기울기를 지니고 하단이 제1 스캐터링면의 가장자리에 연결되어 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 제2 스캐터링면을 구비하는 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10), 기판(10) 위에 성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 성장되는 n형 질화물 반도체층(30), n형 질화물 반도체층(30) 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층(40), 활성층(40) 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층(50), 그리고 개구부(90)를 포함한다.
개구부(90)는 기판(10)으로부터 버퍼층(20), n형 질화물 반도체층(30), 활성층(40), 그리고 p형 질화물 반도체층(50)을 따라 형성된다. 개구부(90)는 스캐터링면(92)과 스캐터링면(94)을 구비한다. 스캐터링면(92)은 기판(10)에 형성된다. 스캐터링면(94)은 버퍼층(20), n형 질화물 반도체층(30), 활성층(40), 그리고 p형 질화물 반도체층(50)에 형성된다.
스캐터링면(92)은 기판(10)이 얕고 옴폭하게 함몰되면서 전체적으로 받침접시(saucer) 형상으로 형성되어, 활성층(40)에서 생성되어 기판(10)으로 입사한 빛을 스캐터링할 수 있게 된다. 스캐터링면(94)은 기판(10)으로부터 버퍼층(20), n형 질화물 반도체층(30), 활성층(40), 그리고 p형 질화물 반도체층(50)을 따라 좁아지도록 형성되어, 활성층(40)에서 생성된 빛을 스캐터링할 수 있게 된다. 개구부(90)는 스캐터링면(92)과 스캐터링면(94)을 함께 구비해도 좋고, 각각 구비해도 좋지만, 활성층(40)에서 생성된 빛이 발광소자 외부로 빠져나가는 것(이하, 광추출효 율)을 보다 유리하게 하기 위해서는 함께 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 발광소자는 광추출효율을 높이기 위해서 복수개의 개구부(90)를 구비하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 사진으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 발광소자의 측면 둘레에 스캐터링면(96)과 스캐터링면(98)을 포함한다.
스캐터링면(96)은 기판(10)에 형성되고, 스캐터링면(98)은 버퍼층(20), n형 질화물 반도체층(30), 활성층(40), 그리고 p형 질화물 반도체층(50)에 형성된다. 스캐터링면(96)과 스캐터링면(98)은 전체적으로 쐐기형상을 이룬다. 발광소자는 스캐터링면(96)과 스캐터링면(98)을 함께 구비해도 좋고, 각각 구비해도 좋지만, 광추출효율을 보다 유리하게 하기 위해서는 함께 구비되는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 상세히 설명한다. 도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자 제조방법의 일 예를 나타낸다.
먼저, 기판(10)을 준비하고, 기판(10) 위에 질화물 반도체층들(20,30,40,50)을 성장시킨다. 다음으로, 질화물 반도체층들(20,30,40,50) 위에 보호막(77)을 형성한다. 보호막(77)은 SiO2 등으로 이루어질 수 있다. (도 7의(a)참조). 본 개시에서 기판(10)은 사파이어 기판으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 보호막(77) 위에 패턴(78)을 형성한다. (도 7의(b)참조). 도 8은 본 개시에서 사용될 수 있는 패턴(78)의 다양한 형태를 나타내며, 원모양이나 육각형모양 등이 사용될 수 있다.
다음으로, 패턴이 형성된 기판(10)을 BOE용액(Buffered oxide etchant)에 담가 패턴에 따라 보호막(77)을 식각하여 패턴에 따라 보호막을 제거한다. (도 7의(c)참조).
다음으로, 건식식각을 통해 패턴에 따라 기판(10)이 노출되도록 질화물 반도체층들(20,30,40,50)을 식각한다. 이때, 개구부(90)가 형성된다. 건식식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma)등을 이용할 수 있다. (도 7의(d)참조).
다음으로, 기판(10) 및 질화물 반도체층들(20,30,40,50)을 개별 발광소자로 분리한다. 개별 발광소자로의 분리는 레이저 스크라이빙을 이용할 수 있다. 레이저 스크라이빙에 의한 절단면의 깊이(D)는, 물리적인 힘을 가해 쉽게 개별 발광소자로 분리될 수 있는, 기판(10) 면으로부터 0.5㎛ 내지 30㎛가 바람직하다. 0.5㎛이하일 경우, 물리적으로 개별 발광소자를 분리하는 과정에서 발광소자의 표면 및 내부에 균열을 초래하거나 전기적 특성에 불량을 초래할 수 있다. 30㎛이상일 경우, 개별 발광소자를 만드는 공정 도중에 쉽게 발광소자가 깨지는 현상이 발생해서 생산성을 저하시킬 수 있다. (도 7의(e)참조).
다음으로, 발광소자를 습식식각한다. 예를 들면, 습식식각은, 기판(10)이 평면 기판일 경우, 발광소자를 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)이 3:1의 비율로 섞인 용액에 280℃에서 13분간 담가둠으로써 이루어질 수 있다. 이 과정에서, 기판(10)과 버퍼 층(20), n형 질화물 반도체층(30), 활성층(40), 그리고 p형 질화물 반도체층(50)의 식각률 차이에 의해, 개부구(90)의 스캐터링면(92)과 스캐터링면(94), 그리고 발광소자 측면의 스캐터링면(96)과 스캐터링면(98)이 형성된다. 스캐터링면들(92,94,96,98)의 거칠기는 수십㎚이하가 되도록 함이 바람직하다. 스캐터링면들(92,94,96,98)의 거칠기가 수십㎚이상이 되면 불순물의 잔해와 같은 역할을 하여 발광소자의 광추출효율을 저하시킬 수 있다. (도 7의(f)참조).
도 9는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에 형성된 개구부(90)의 일 예를 나타내는 사진으로서, 스캐터링면(92)이 기판(10)에 형성되고, 스캐터링면(94)이 질화물 반도체층들(20,30,40,50)에 형성되어 있다.
도 10은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 사진이고, 도 11은 도 10의 발광소자를 일부 확대한 사진으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자에 개구부(90)가 형성되어 있다. 개구부(90)는 한변의 길이가 4㎛인 6각형 패턴을 12㎛의 간격으로 형성함으로써 형성될 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 제1 스캐터링면은 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(2) 제1 스캐터링면은 기판이 옴폭하게 함몰되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(3) 제2 스캐터링면은 복수개의 3족 질화물 반도체층에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(4) 제2 스캐터링면은 개구부가 기판으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층을 향해 좁아지면서 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(5) 개구부는 복수개인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(6) 발광소자는 습식식각에 의해 제1 스캐터링면과 제2 스캐터링면이 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(7) 제1 스캐터링면은 기판이 옴폭하게 함몰되어 형성되고, 제2 스캐터링면은 복수개의 3족 질화물 반도체층이 기판으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층을 따라 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(8) 발광소자는 측면에 쐐기형상의 스캐터링면을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 하나의 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자의 광추출효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 개시에 따른 다른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자의 기판에 입사한 빛의 광추출효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 개시에 따른 또 다른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 질화물 반도체층들에서의 광추출효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국공개특허공보 제2006/0192247에 기재된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 미국공개특허공보 제2006/0192247에 기재된 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 4는 일본공개특허공보 제2001-24222호에 기재된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 6은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 패턴의 다양한 형태를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에 형성된 개구부의 일 예를 나타내는 사진,
도 10은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 사진,
도 11은 도 10의 발광소자를 일부 확대한 사진.

Claims (7)

  1. 기판;
    기판 위에 형성되며, 제1 도전성을 지니는 제1 질화물 반도체층, 제1 질화물 반도체층 위에 형성되며 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 지니는 제2 질화물 반도체층, 그리고 제1 질화물 반도체층과 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 그리고,
    기판이 얕고 옴폭하게 함몰되면서 전체적으로 받침접시(saucer) 형상으로 형성되며 활성층에서 생성되어 기판으로 유입된 빛을 스캐터링하는 제1 스캐터링면과, 복수개의 3족 질화물 반도체층을 따라 형성되며 제1 스캐터링면과 다른 기울기를 지니고 하단이 제1 스캐터링면의 가장자리에 연결되어 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 제2 스캐터링면을 구비하는 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에서,
    제2 스캐터링면은 개구부가 기판으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층을 향해 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  6. 청구항 1에서,
    제1 스캐터링면은 기판이 식각되어 제2 스캐터링면의 하단에 제1 스캐터링면의 가장자리가 완만하게 연결되게 형성되고, 제2 스캐터링면은 개구부가 복수개의 3족 질화물 반도체층을 향해 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  7. 청구항 6에서,
    발광소자는, 측면에 쐐기 형상의 스캐터링면을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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