KR101020961B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 요철 형상을 포함하는 요철 반도체층; 상기 요철 반도체층에 형성된 반사체; 상기 요철 반도체층과 상기 반사체의 위에 형성된 제 1도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제 1도전성 반도체층과 적어도 하나의 반사체 사이에 형성된 캐비티를 포함한다.
반도체, 발광소자, 반사체, 캐비티
Description
실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 발광소자는 자외선, 청색 및 녹색 영역을 포괄하는 발광 영역을 가진다. 특히, GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색/녹색 LED의 광소자 및 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HEMT (Hetero junction Field - Effect Transistors) 등의 고속 스위칭 소자, 고출력 소자, 조명 분야에 응용되고 있다.
예컨대, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다. 이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제 품의 광원으로 응용되고 있다.
실시 예는 발광 구조물 하부에 적어도 하나의 요철구조 반사체층을 형성시켜 줌으로써, 광 적출 효율을 개선시켜 줄 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예는 반도체 발광소자의 내부에서 발광된 빛을 반사, 산란, 회절 또는 굴절시켜 줌으로써, 내부 전반사 비율을 감소시키고 광 적출효율을 개선시켜 줄 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 요철 형상을 포함하는 요철 반도체층; 상기 요철 반도체층에 형성된 반사체; 상기 요철 반도체층과 상기 반사체의 위에 형성된 제 1도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제 1도전성 반도체층과 적어도 하나의 반사체 사이에 형성된 캐비티를 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 다수개의 요철 형상이 규칙적으로 배열되는 요철 반도체층; 상기 요철 반도체층에 형성된 반사체; 상기 요철 반도체층과 상기 반사체 위에 형성된 제 1도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 요철 형상으로 형성된 요철 반도체층을 형성하는 단계; 상기 요철 반도체층에 반사체를 형성하는 단계; 상기 요철 반도체층 및 반사체의 위에 제 1도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 반도체 발광소자의 내부에서 발광된 빛을 반사, 산란, 회절 또는 굴절시켜 줌으로써, 내부 전반사 비율을 감소시키고 광 적출효율을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 반도체 발광소자의 광 특성 및 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명하기로 한다.
도 1은 제 1실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 아일랜드층(112), 요철 반도체층(120), 반사체(123), 발광구조물로서 제 1도전성 반도체층(130), 활성층(140) 및 제 2도전성 반도체층(150), 제 1전극(161) 및 제 2전극(163)을 포함한다.
상기 기판(110)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 발광 구조물 생성 후 제거될 수도 있다.
상기 기판(110) 위에는 아일랜드층(112)이 형성된다. 상기 아일랜드층(112)은 상기 기판(110) 위에 섬 형상이 주기적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 형성될 수 있다. 상기 아일랜드층(112)은 마스크 패턴으로 가능한 재료를 이용하여 일정한 크기 또는 랜덤한 크기의 섬 형상으로 형성하거나, 화합물 반도체의 박막 성장 조건을 제어하여 랜덤한 크기의 섬(Island) 형상으로 형성할 수 있다. 여기서, 상기 마스크 패턴으로 가능한 재료는 SiO2, SiOx, SiNx, SiOxNy 또는 금속물질 등의 군에서 선택될 수 있으며, 상기 화합물 반도체 재료는 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택되어 사용되며, 이에 한정하지는 않는다.
상기 기판(110) 및 아일랜드층(112) 위에는 요철 반도체층(120)이 형성된다. 상기 요철 반도체층(120)은 수직 및/또는 수평 방향으로 성장이 촉진되며, 그 표면은 상기 아일랜드층(112)에 의해 요철 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 이일랜드층(112)이 그 상부에 화합물 반도체가 쉽게 성장되지 않는 마스크 물질로 형성되었을 경우, 상기 요철 반도체층(120)은 아일랜드층(112)이 형성되지 않는 영역에서 성장되어, 상기 아일랜드층(112) 위에서 서로 봉합되거나 봉합되지 않을 수도 있다.
이러한 요철 반도체층(120)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 또한 도펀트가 도핑되거나 도핑되지 않는 반도체층으로 구현될 수도 있다. 상기 요철 반도체층(120)에서 요 영역의 형상은 역 피라미드형상, 역 다면체 형상, 역 뿔 형상, 또는 꼭지점이 절두된 역 다각뿔 대, 기타 여러 불규칙한 형태 등을 포함하는 형태로 형성된다. 여기서, 상기 요철 반도체층(120)이 성장될 때 상면이 평탄할 경우, 별도의 폴리싱 또는/및 식각 공정 등을 수행하여 요철 구조로 형성할 수도 있다.
상기 반사체(123)는 상기 요철 반도체층(120)의 요 표면에 요철 형태로 형성될 수 있다. 이러한 반사체(123)는 1개 이상의 반사층을 이용할 수 있으며, 예컨대, 복수개의 반사층으로 이루어질 경우 Si02, Si0x, SiN2, SiNx, Si0xNy 또는 금속물질(예: 텅스텐)로 이루어진 반사물질 군 중에서 형성될 수 있다. 또는 반사체(123)에는 GaN, InN, AIN, InGaN, AlGaN, 또는 InAlGaN으로 이루어진 반도체 군과 상기의 반사물질 군에서 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 반사체(123) 및 요철 반도체층(120)의 위에는 발광 구조물이 형성된다. 상기 발광 구조물은 활성층(140) 위/아래에 적어도 하나의 도전성 반도체층이 배치된 구조를 포함한다. 이하, 설명의 편의를 위해 상기 발광 구조물은 제 1도전성 반도체층(130), 활성층(140), 제 2도전성 반도체층(150)을 포함하는 구조로 설명하기로 한다.
상기 반사체(123) 및 요철 반도체층(120) 위에는 제 1도전성 반도체층(130)이 형성된다. 상기 제 1도전성 반도체층(130)은 적어도 한 층 이상의 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트가 선택적으로 도핑된다. 이러한 제 1도전성 반도체층(130)은 성장시, 성장 온도를 점차 높여 줌으로써, 표면이 평탄하게 형성될 수 있으며, 이러한 평탄 면으로 한정하지는 않는다.
이때, 상기 반사체(123) 중에서 적어도 하나의 반사체 위에는 캐비티(125)가 형성될 수 있다. 상기 캐비티(125)는 상기 반사체(123)와 제 1도전성 반도체층(130) 사이에 형성되며, 그 형상은 역 피라미드 형상, 역 다면체 형상, 역 뿔 형상 또는 여러 불규칙한 형태로 형성될 수 있다. 상기 캐비티(125)의 폭 또는 지름은 0.1~10㎛ 정도이며, 깊이는 0.1~10㎛ 정도이다.
상기 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 활성층(140)이 형성된다. 상기 활성층(140)은 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조로 형성된다. 상기 활성층(140)은 예컨대, InGaN으로 이루어진 양자 우물층과 GaN으로 이루어진 양자 장벽층이 교대로 형성될 수 있다. 또한 상기 활성층(140)의 일측 또는 양측에는 클래드층이 각각 형성될 수도 있다.
상기 활성층(140) 위에는 제 2도전성 반도체층(150)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(150)은 적어도 하나의 p형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 p형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, p형 도펀트(예: Mg, Zn)가 도핑된다.
그리고, 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 제 1전극(161)이 형성되고, 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에는 제 2전극(163)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에는 제 3도전성 반도체층(미도시) 및 투명전극(미도시) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에 제 2전극(163)과 베이스 지지 기능을 수행하는 전도성 지지기판(미도시)을 형성한 후, 상기 기판(110)을 레이저 리프트 오프(LLO) 방법으로 제거한 후, 제 1전극을 형성할 수 있다. 이는 수직형 반도체 발광소자로 정의될 수도 있다.
또한 반도체 발광소자(100)는 pn 접합 구조 또는 np 접합 구조로 구현할 수 있으며, 제 2도전성 반도체층(150) 위에 제 3도전성 반도체층을 형성하여, npn 또는 pnp 등의 구조로 형성할 수도 있다.
도 2내지 도 11은 제 1실시 예에 따른 반도체 발광소자의 제조 과정을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 기판(110) 위에는 마스크층(111)이 형성된다. 상기 마스크층(111)은 SiO2, SiOx, SiNx, SiOxNy 등의 군에서 선택될 수 있다. 이러한 마스크층(111)은 PECVD 또는 스퍼터링 방법에 의해 증착되며, 소정의 패턴에 의해 윈도우(113)를 갖는 아일랜드 층(112)으로 건식 또는 습식 식각된다. 여기서, 상기 아일랜드 층(112)은 원형, 다각형 형상 등으로 형성될 수 있으며, 실시 예에서는 아일랜드 형상에 대해 한정하지 않으며, 요철 반도체층이 성장될 수 있는 모양으로 변경될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 상기 기판(110) 및 아일랜드 층(112)의 위에는 요철 반도체층(120)이 형성된다. 상기 요철 반도체층(120)은 아일랜드 층(112)이 형성되지 않는 영역부터 수직 및 수평 방향으로 성장이 촉진되어 성장하게 됨으로써, 그 표면이 요철 형상으로 형성되어 진다. 이러한 요철 반도체층(120)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 또한 도펀트가 도핑되거나 도핑되지 않는 반도체층으로 구현될 수도 있다. 상기 요철 반도체층(120)에서 요 영역(122)은 역 피라미드 형상, 역 다면체 형상, 역 뿔 형상 또는 역 육각뿔대 등의 형상으로 형성될 수 있다.
도 5는 제 1실시 예에 따른 아일랜드 층(112)과 요철 반도체층(120)의 SEM 이미지로 나타낸 도면이며, 도 6은 도 5의 아일랜드층의 상부에 화합물 반도체가 봉합된 경우의 요철 반도체층(120)에 대한 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5와 같이, 일정 간격으로 배치된 아일랜드층(112)이 요철 반도체층(120)에 의해 봉합되지 않을 수도 있으며, 도 6과 같이, 요철 반도체층(120)의 성장을 통해 상기 아일랜드층(112) 위로 봉합될 수도 있다. 이때 요철 반도체층(120)은 요 영역은 상기 아일랜드층 위에서 봉합된 영역 즉, 아일랜드층이 위치한 영역에 형성되며, 역 육각 피라미드 형상 또는 역 육각뿔대 형상으로 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 요철 반도체층(120) 위에는 반사체층(123A)이 형성되며, 상기 반사체층(123A)은 예컨대, 한 층 이상의 반사층으로 이루어질 경우 Si02, Si0x, SiN2, SiNx, Si0xNy 또는 금속물질(예: 텅스텐)로 이루어진 반사물질 군 중에서 형성될 수 있다. 또는 반사체층(123A)에는 GaN, InN, AIN, InGaN, AlGaN, 또는 InAlGaN으로 이루어진 반도체 군과 상기의 반사물질 군에서 선택적으로 2층 이상으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 반사체층(123A)은 요철 반도체층(120)의 일부가 노출될 때까지 식각 또는 연마하는 방법으로 폴리싱(Polishing)하게 된다. 이때, 상기 요철 반도체층(120)의 요철 표면 때문에, 상기 반사체층(123A)은 요철 형태의 반사체(123)로 형성된다. 여기서, 상기 반사체(123)의 요 영역은 요철 반도체층(120)의 철 표면보다 낮을 경우, 상기 반사체(123)에 대해 상기 요철 반도체층(120)의 철 표면까지 연마기술 또는/및 식각 기술로 폴리싱하면, 상기 반사체(123)에는 요 영역이 존재하게 된다. 여기서, 상기 반사체(123)의 제거 방식은 연마 기술 및/또는 소정의 식각 기술을 이용할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 요철 반도체층(120)의 철 영역과 상기 반사체(123)의 위에는 제 1도전성 반도체층(130)이 형성된다. 이때 상기 반사체(123) 중에서 적어도 하나의 반사체에는 제 1도전성 반도체층(130)이 채워지지 않고 캐비티(125)로 남아있을 수 있다. 즉, 소정 폭 및 소정 깊이로 형성된 반사체(123) 중에서 적어도 하나의 반사체 위에는 상기 캐비티(125)가 형성될 수 있다.
이러한 캐비티(125)는 도 10과 같이 역 피라미드 형상으로, 그 내부가 비어있는 형태로 형성될 수 있다. 상기 반사체(123)의 요 영역에 형성된 캐비티(125)는 0.1~10㎛의 폭을 갖고, 0.1~10㎛의 깊이로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 캐비티(125)는 역 피라미드 형상 뿐만 아니라 , 역 다면체 형상, 역 뿔 형상 및 기타 불규칙한 형상으로 형성될 수 있으며, 이러한 형상은 변경될 수 있다.
상기의 반사체(123), 캐비티(125), 제 1도전성 반도체층(130)은 서로 다른 굴절률을 가지고 입사되는 광을 분산하거나 반사시켜 줄 수 있다. 예들 들면, 굴절률은 제 1도전성 반도체층(130)은 2.12~2.44이며, 상기 캐비티(125)는 1이며, SiO2 반사체(123)는 1.544~1.553로서, 세 종류의 매질로 입사광을 반사시켜 줄 수 있다. 또한 상기 캐비티(125)는 반사체(123)와 함께 입사되는 광을 분사시켜 주어, 내부 전반사 비율을 줄임으로써, 광 추출 효율을 높여줄 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 제 1도전성 반도체층(130)은 적어도 한 층 이상의 n 형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트가 선택적으로 도핑된다.
이러한 제 1도전성 반도체층(130)은 성장될 때, 성장 온도를 점차 높여 줌으로써, 제 1도전성 반도체층(130)의 표면이 평탄하게 형성될 수 있으며, 이러한 평탄 면으로 한정하지는 않는다.
상기 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 활성층(140)이 형성된다. 상기 활성층(140)은 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조로 형성된다. 또한 상기 활성층(140)의 일측 또는 양측에는 클래드층이 각각 형성될 수도 있다.
상기 활성층(140) 위에는 제 2도전성 반도체층(150)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(150)은 적어도 한 층 이상의 p형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 p형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, p형 도펀트(예: Mg, Zn)가 도핑된다.
그리고, 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 제 1전극(161)이 형성되고, 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에는 제 2전극(163)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에는 투명전극 층(미도시)이 형성될 수도 있다.
또한 반도체 발광소자(100)는 pn 접합 구조 또는 np 접합 구조로 구현할 수 있으며, 제 2도전성 반도체층(150) 위에 제 3도전성 반도체층을 형성하여, npn 또는 pnp 등의 구조로 형성할 수도 있다.
도 12 내지 도 18은 제 2실시 예에 따른 반도체 발광소자의 제조 과정을 나 타낸 도면이다. 제 2실시 예를 설명함에 있어서, 제 1실시 예와 동일 부분에 대해서는 동일 부호로 처리하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 기판(110) 위에 마스크층(111)이 형성되고, 상기 마스크층(111)은 소정의 패턴에 의해 윈도우(113)를 갖는 원하는 형상(원형, 다각형 형상 등)의 아일랜드층(112)으로 형성된다.
도 14를 참조하면, 상기 기판(110) 및 아일랜드층(112) 위에는 요철 반도체층(120)이 형성된다. 상기 요철 반도체층(120)은 아일랜드 층(112)이 형성되지 않는 영역부터 수직 및 수평 방향으로 성장이 촉진되어 성장된다. 이러한 요철 반도체층(120)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 또한 도펀트가 도핑되거나 도핑되지 않는 반도체층으로 구현될 수도 있다. 상기 요철 반도체층(120)에서 요 영역(122)은 역 피라미드 형상, 역 다면체 형상, 역 뿔 형상 또는 꼭지점이 절두된 역 육각뿔 대 등의 형상으로 형성될 수 있다.
도 15를 참조하면, 상기 요철 반도체층(120) 위에는 반사체층(123B)이 형성되며, 상기 반사체층(123B)은 예컨대, 한 층 이상의 반사층으로 이루어질 경우 Si02, Si0x, SiN2, SiNx, Si0xNy 또는 금속물질(예: 텅스텐)로 이루어진 반사물질 군 중에서 형성될 수 있다. 또는 반사체층(123B)에는 GaN, InN, AIN, InGaN, AlGaN, 또는 InAlGaN으로 이루어진 반도체 군과 상기의 반사물질 군에서 선택적으로 2층 이상으로 형성될 수 있다. 이때의 반사체층(123B)은 상기 요철 반도체층(120)의 요 영역(122)과 동일한 형상의 요 영역을 갖는 구조로 적층될 수 있다. 이때 역 피라미드 형상, 역 다면체 형상, 역 뿔 형상의 반도체층(120) 및 반사체층(123B)의 측면의 경사 각도에 의해, 도 18과 같은 반사체의 캐비티 형성 영역이 정해질 수 있다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 반사체층(123B)을 일정 두께(T)만큼 연마(polishing) 또는/및 식각 기술을 이용하여 제거할 경우, 상기 반사체층(123B)은 불 연속적인 패턴 형태의 반사체(123C)가 된다. 이때의 반사체(123C)는 요철 형태로 형성되고, 그 단면 형상이 "V"자 형상을 포함한다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 상기 요철 반도체층(120)의 철 영역과 상기 반사체(123C)의 표면부터 초기 제 1도전성 반도체층(130A)이 성장된다. 이때 상기 요철 구조의 반사체(123C)의 요 영역에는 도 18과 같이 제 1도전성 반도체층(130)이 채워지지 않고 캐비티(125)로 남아있게 된다. 상기 캐비티(125)의 폭 또는 지름은 0.1~10㎛ 정도이며, 깊이는 0.1~10㎛ 정도이다.
이러한 캐비티(125)는 도 10과 같이 역 피라미드 형상으로, 그 내부가 비어있는 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 캐비티(125)는 역 피라미드 형상 뿐만 아니라 , 역 다면체 형상, 역 뿔 형상 중 어느 한 형상으로 형성될 수 있으며, 이러한 형상은 캐비티에 따라 달라질 수 있다.
상기의 반사체(123), 캐비티(125), 제 1도전성 반도체층(130)은 서로 다른 굴절률을 가지고 입사되는 광을 분산하거나 반사시켜 줄 수 있다. 예들 들면, 굴절률은 제 1도전성 반도체층(130)은 2.12~2.44이며, 상기 캐비티(125)는 1이며, SiO2 반사체(123)는 1.544~1.553로서, 세 종류의 매질로 입사광을 반사시켜 줄 수 있다. 또한 상기 캐비티(125)는 반사체(123)와 함께 입사되는 광을 분사시켜 주어, 내부 전반사 비율을 줄임으로써, 광 추출 효율을 높여줄 수 있다.
도 18을 참조하면, 상기 제 1도전성 반도체층(130)은 적어도 한 층 이상의 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트가 선택적으로 도핑된다. 이러한 제 1도전성 반도체층(130)은 성장될 때, 성장 온도를 점차 높여 줌으로써, 제 1도전성 반도체층(130)의 표면이 평탄하게 형성될 수 있으며, 이러한 평탄 면으로 한정하지는 않는다.
상기 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 활성층(140)이 형성된다. 상기 활성층(140)은 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조로 형성된다. 또한 상기 활성층(140)의 일측 또는 양측에는 클래드층이 각각 형성될 수도 있다.
상기 활성층(140) 위에는 제 2도전성 반도체층(150)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(150)은 적어도 한 층 이상의 p형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 p형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, p형 도펀트(예: Mg, Zn)가 도핑된다.
그리고, 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 제 1전극(161)이 형성되고, 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에는 제 2전극(163)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에는 투명전극 층(미도시) 또는 n형 제 3도전성 반도체층이 형성될 수도 있다.
도 19 내지 도 25는 제 3실시 예에 따른 반도체 발광소자의 제조 과정을 나타낸 도면이다. 제 3실시 예를 설명함에 있어서, 제 1실시 예와 동일 부분에 대해서는 동일 부호로 처리하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 기판(110) 위에 마스크층(111)이 형성되고, 상기 마스크층(111)은 소정의 패턴에 의해 윈도우(113)를 갖는 원하는 형상(원형, 다각형 형상 등)의 아일랜드층(112)으로 형성된다.
도 21을 참조하면, 상기 기판(110) 및 아일랜드층(112) 위에는 요철 반도체층(120)이 형성된다. 상기 요철 반도체층(120)은 아일랜드 층(112)이 형성되지 않는 영역부터 수직 및 수평 방향으로 성장이 촉진되어 성장된다. 이러한 요철 반도체층(120)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 또한 도펀트가 도핑되거나 도핑되지 않는 반도체층으로 구현될 수도 있다. 상기 요철 반도체층(120)에서 요 영역(122)은 역 피라미드 형상, 역 다면체 형상, 역 뿔 형상 등의 형상으로 형성된다.
도 22를 참조하면, 상기 요철 반도체층(120) 위에는 반사체층(123D)이 형성되며, 상기 반사체층(123D)은 예컨대, 한 층 이상의 반사층으로 이루어질 경우 Si02, Si0x, SiN2, SiNx, Si0xNy 또는 금속물질(예: 텅스텐)로 이루어진 반사물질 군 중에서 형성될 수 있다. 또는 반사체층(123D)에는 GaN, InN, AIN, InGaN, AlGaN, 또는 InAlGaN으로 이루어진 반도체 군과 상기의 반사물질 군에서 선택적으로 2층 이상으로 형성될 수 있다. 이때의 반사체층(123D)은 상기 요철 반도체층(120)의 요 영역(122)과 동일한 형상의 요 영역을 갖는 구조로 적층될 수 있다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 상기 반사체층(123D)이 일정 두께만큼 연마(polishing) 또는/및 식각 기술을 이용하여 제거할 경우, 상기 반사체층(123D)은 불 연속적인 패턴 형태의 반사체(123E)가 된다. 이때의 반사체(123E)의 표면은 요철 형태로 형성되지 않을 수 있으며, 그 단면 형상은 삼각형 등과 같은 다각형 형상이 된다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 상기 요철 반도체층(120)의 철 영역과 상기 반사체(123E)의 표면에 초기 제 1도전성 반도체층(130A)이 성장된다. 이때 상기 반사체(123E)의 표면 전 영역에 도 25와 같이 제 1도전성 반도체층(130)이 성장된다. 즉, 제 3실시 예는 제 1 및 제 2실시 예와 같은 반사체에 요철 표면을 형성하지 않아, 캐비티가 존재하지 않게 형성된다. 이러한 반사체(123E)는 역 피라미드 형상으로, 역 다면체 형상, 역 뿔 형상 중 어느 한 형상으로 형성될 수 있다.
상기의 반사체(123), 제 1도전성 반도체층(130)은 서로 다른 굴절률을 가지고 입사되는 광을 분산하거나 반사시켜 줄 수 있다. 예들 들면, 굴절률은 제 1도전성 반도체층(130)은 2.12~2.44이며, SiO2 반사체(123)는 1.544~1.553로서, 2 종류의 매질로 입사광을 반사시켜 줄 수 있다.
도 25를 참조하면, 상기 제 1도전성 반도체층(130)은 적어도 한 층 이상의 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트가 선택적으로 도핑된다. 이러한 제 1도전성 반도체층(130)은 성장될 때, 성장 온도를 점차 높여 줌으로써, 제 1도전성 반도체층(130)의 표면이 평탄하게 형성될 수 있으며, 이러한 평탄 면으로 한정하지는 않는다.
상기 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 활성층(140)이 형성된다. 상기 활성층(140)은 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조로 형성된다. 또한 상기 활성층(140)의 일측 또는 양측에는 클래드층이 각각 형성될 수도 있다.
상기 활성층(140) 위에는 제 2도전성 반도체층(150)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(150)은 적어도 한 층 이상의 p형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 p형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, p형 도펀트(예: Mg, Zn)가 도핑된다.
그리고, 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 제 1전극(161)이 형성되고, 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에는 제 2전극(163)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제 2도전성 반도체층(150) 위에는 투명전극 층(미도시)이 형성될 수도 있다.
또한 반도체 발광소자(100)는 pn 접합 구조 또는 np 접합 구조로 구현할 수 있으며, 제 2도전성 반도체층(150) 위에 제 3도전성 반도체층을 형성하여, npn 또는 pnp 등의 구조로 형성할 수도 있다.
도 26 내지 도 29은 제 4실시 예를 나타낸 도면이며, 도 26은 제 4실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다. 이러한 제 4실시 예는 제 1실시 예와 동일 부분에 대해서는 동일 부호로 처리하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 26을 참조하면, 반도체 발광소자(100A)는 기판(110) 위에 불규칙한 크기와 간격으로 형성된 아일랜드층(112A)을 포함한다. 상기 아일랜드층(112A)은 화합물 반도체의 박막 성장 조건을 제어하여 섬(Island) 형상으로 형성된다. 예를 들면, 기판 위에 GaN 반도체를 형성하는 경우 육방정(hexagonal) 결정 구조를 갖는 GaN 결정체가 단면이 사다리꼴 형태인 섬 형상의 아일랜드 구조로 형성될 수 있다. 이러한 아일랜드층(112)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택되어 사용되며, 이에 한정하지는 않는다.
여기서, 아일랜드층(112A)의 제조하는 과정의 예를 간략하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 성장 장비(예: MOCVD)의 반응 챔버 내에서 성장 온도를 제 1단계의 초기 온도(T1)로 조절하고, 분위기 가스, Ga 소스가스, N 소스 가스를 공급하여 화합물 반도체의 GaN 씨드층 또는 GaN 버퍼층, 또는 GaN 핵 형성층을 성장한 후, 제 2단계 성장온도(T2)로 높여 상기 GaN 씨드층을 아일랜드 형상으로 성장시켜 준다. 예컨대, 아일랜드층(112A)은 제 1단계에서 GaN 반도체 씨드를 530℃에서 3분 성장시키고, 제 2단계에서 1050℃에서 1분 성장시켜 줄 수 있다. 여기서 분위기 가스는 수소(H2) 또는 질소(N2)를 공급하고, N 소스 가스는 암모니아(NH3)를 공급하고, Ga 소스로 트리메틸갈륨(TMGa)을 공급한다.
도 27은 기판 위에 초기 성장된 GaN를 나타낸 평면 SEM 사진이다. 이러한 아일랜드층(112A)은 도 27의 평면 SEM 사진과 같이, 기판 표면과 평행한 수평면이 거의 존재하지 않는 형태로 성장될 수 있다. 여기서, 상기 제 1단계의 성장 온도(T1)는 300~900℃이고, 제 2단계의 성장 온도(T2)는 700~요철 반도체층0℃로 설정할 수 있다.
제 4실시 예에서는 상기 아일랜드층(112)을 성장함에 있어서, 시간에 따른 온도의 변화(T1,T2)를 여러 단계로 변경할 수 있으며, 제 1단계의 성장 온도(T1)에서 제 2단계의 성장 온도(T2)까지 시간에 따라 연속적으로 변화시킬 수 있고, 또는 성장을 여러 구간으로 나누어 각 구간 사이에 성장을 중단하고 어닐링(Annealing)을 할 수도 있고, 또는 각 구간의 성장 온도를 일정 시간 동안 유지할 수도 있으며, 또는 성장 도중에 온도를 상승시키고 내릴 수도 있고, 반응 챔버의 압력을 조절할 수도 있다. 이 외에도 시간에 따른 온도 변화를 제어하여 불규칙한 3차원 섬 형상의 반도체층을 형성시킬 수 있다.
이러한 아일랜드층(112A)은 100Å~1㎛ 두께로 형성될 수 있으며, 기판 위에서 버퍼층으로 기능할 수 있다.
상기 아일랜드층(112A) 위에는 요철 반도체층(120A)이 형성된다. 상기 요철 반도체층(120A)은 아일랜드층(112A)의 섬 형상 위에 수직 및 수평하게 성장됨으로써, 표면이 요철 형상으로 형성되어 진다. 이러한 요철 반도체층(120A)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 또한 도펀트가 도핑되거나나 도핑되지 않는 반도체층으로 구현될 수도 있다.
이때 상기 요철 반도체층(120A)은 상기 불규칙적인 아일랜드층(112A)에 의해 요철 구조가 불규칙적인 크기로 형성될 수 있으며, 이러한 불규칙적인 요철 구조의 요 영역에는 반사체(123A)가 형성되며, 상기 반사체(123A) 중에서 적어도 하나의 반사체 위에는 캐비티(125)가 형성될 수 있다.
도 29는 제 5실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다. 이러한 제 5실시 예는 제 4실시 예와 동일 부분에 대해서는 동일 부호로 처리하며, 그 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 29를 참조하면, 반도체 발광소자(100B)는 복수개의 요철구조의 반사체층(124)을 포함한다. 상기 복수개의 요철구조의 반사체층(124)은 제 1반사층(124A) 및 제 2반사층(124B)이 하나의 페어 또는 주기로 단일 반사층 또는 멀티 반사층으로 구현될 수 있으며, 상기 제 1반사층(124A)은 Si02, Si0x, SiN2, SiNx, Si0xNy 또는 금속물질(예: 텅스텐)로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 상기 제 2반사층(124B)은 GaN, InN, AIN, InGaN, AlGaN, 또는 InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 제 1반사층(124A)과 다른 물질 예컨대, Si02, Si0x, SiN2, SiNx, Si0xNy, 금속물질로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 여기서 반도체 물질이 아닌 상기 제 1반사층(124A)은 요철구조가 불연속적인 패턴으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 요철구조의 반사체(124)의 최상층은 제 1반사층(124C)일 수 있고, 제 1도전성 반도체층(130)과 다른 물질을 갖는 반사층으로 형성할 수 있다. 또한 상기 최상의 제 1반사층(124C)은 층 형상이 아닌 다면체, 곡면체 등 임의의 기하학적 형태로 형성되거나 적정 크기의 입자들로 형성될 수 있다.
또한 상기 요철구조의 반사체(124)를 성장한 후 요철 반도체층(120A)의 표면 까지 부분적으로 식각(예: 습식, 건식 방법) 공정으로 에칭하게 된다. 이러한 식각 공정에 의해 요철구조의 반사체(124)이 불연속적인 요철구조로 형성될 수 있다.
이러한 요철 구조의 반사체(124)와 제 1도전성 반도체층(130) 사이에는 적어도 하나의 캐비티(125)가 형성될 수 있다. 이러한 반사체(124), 캐비티(125)는 입사되는 광의 경로를 효율적으로 변경시켜 줄 수 있다.
이상의 실시 예에 개시된 반도체 발광소자(100,100A,100B)는 발광 구조물 하부에 규칙적인 또는 불규칙적인 요철구조의 반사체를 형성하고, 상기 반사체에 적어도 하나의 캐비티(125)를 형성해 줌으로써, 반사체와 캐비티(125)의 굴절률 및 기하학적인 특징에 의해 내부에서 발광된 광이 반사, 산란, 회절 또는 굴절될 수 있다. 이에 따라 내부 전반사 비율을 감소시키고 발광 소자의 적출효율을 향상시켜 줄 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 또한 각 도면에 대한 구성 요소들의 두께는 일 예이며, 이에 한정하지는 않는다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 제 1실시 예에 따른 반도체 발광소자의 측 단면도.
도 2 내지 도 11은 제 1실시 예에 따른 반도체 발광소자의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 12 내지 도 도 18은 제 2실시 예에 따른 반도체 발광소자의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 19 내지 도 25는 제 3실시 예에 따른 반도체 발광소자의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 26은 제 4실시 예에 따른 반도체 발광소자의 측 단면도.
도 27은 도 26에서 아일랜드층의 씨드를 나타낸 평면 SEM 사진을 나타낸 도면.
도 28은 도 26에서 아일랜드층의 섬 형상을 나타낸 평면 SEM 사진을 나타낸 도면.
도 29는 제 5실시 예에 따른 반도체 발광소자의 측 단면도.
Claims (17)
- 상면에 서로 이격된 복수의 요부를 포함하는 제1반도체층;상기 제1반도체층의 요부에 형성되며 서로 이격된 요철 형상의 반사체;상기 제1반도체층의 위에 형성된 제 1도전성 반도체층, 상기 제1도전성 반도체층 위에 활성층, 상기 활성층 위에 제2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및상기 제 1도전성 반도체층과 상기 서로 이격된 반사체 중 적어도 하나의 반사체 사이에 형성된 캐비티를 포함하는 반도체 발광소자.
- 상면에 서로 이격된 복수의 요부를 포함하는 제1반도체층;상기 제1반도체층의 요부에 형성되며 서로 이격된 요철 형상의 반사체;상기 제1반도체층과 상기 반사체의 위에 형성된 제 1도전성 반도체층, 상기 제1도전성 반도체층 위에 활성층, 상기 활성층 위에 제2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 제1반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN으로 이루어진 군에서 선택적으로 형성되며,상기 제1반도체층의 아래에 형성된 기판, 버퍼층, 또는 언도프드 반도체층 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 제1반도체층의 아래에 서로 이격된 섬 형태의 아일랜드층을 포함하며,상기 아일랜드층의 섬 형태는 상기 제1반도체층의 요부에 각각 대응되며,상기 아일랜드층의 재질은 SiO2, SiOx, SiNx, SiOxNy 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 제1반도체층의 아래에 서로 이격된 섬 형태의 아일랜드층을 포함하며,상기 아일랜드층의 섬 형태는 상기 제1반도체층의 요부에 각각 대응되며,상기 아일랜드층은 화합물 반도체의 씨드층, 버퍼층, 핵 형성층 중 어느 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 반사체는 요철 구조로 형성되며, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, SiO2, SiOx, SiN2, SiNx, Si0xNy 또는 금속 물질로 이루어진 군에서 적어도 한 층 또는 이종 접합된 초격자 구조로 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 반사체는 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중에서 적어도 두 개의 반도체층이 하나의 페어로 이종 접합된 단일 반사층 또는 멀티 반사층으로 형성되며,상기 반사체의 일부는 상기 제1반도체층의 상면보다 위로 돌출되는 반도체 발광 소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 반사체는 제1도전성 반도체층의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 물질, SiO2, SiOx, SiN2, SiNx, Si0xNy, 또는 금속 물질로 이루어진 군에서 선택되며,상기 서로 이격된 반사체는 불연속적으로 형성되며,상기 제1반도체층의 요부에 배치된 상기 반사체의 두께는 동일하거나 다른 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 반사체는 주기적으로 이종 접합된 초 격자 구조, 주기성을 갖지 않는 멀티 층 및 DBR(Distributed-Bragg Reflector) 주기를 갖는 층들 중에서 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 제1도전성 반도체층은 n형 반도체층 또는 p형 반도체층이며,상기 제1도전성과 상기 제2도전성은 서로 반대의 극성을 갖는 반도체 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 캐비티는 0.1~10㎛의 폭 및 0.1~10㎛의 깊이 중 적어도 하나의 범위를 포함하는 반도체 발광소자.
- 기판 상에 서로 이격된 섬 형태의 아일랜드층을 형성하는 단계;상기 기판 및 상기 아일랜드층의 위에 제1반도체층을 형성하여, 상기 제1반도체층의 상면에 상기 섬 위치에 대응하며 서로 이격된 복수의 요부를 형성하는 단계;상기 제1반도체층의 요부에 반사체를 각각 형성하는 단계;상기 제1반도체층 및 상기 반사체의 위에 제 1도전성 반도체층, 상기 제1도전성 반도체층 위에 활성층, 상기 활성층 위에 제2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항에 있어서,상기 아일랜드층은 3족-5족 화합물 반도체의 씨드층, 버퍼층, 핵 생성층 중 어느 하나로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항에 있어서,상기 반사체를 형성하는 단계는, 상기 제1반도체층 위에 반사체층을 형성하는 단계; 및 상기 반사체층에 대해 상기 제1반도체층의 표면까지 연마기술, 식각 기술중 적어도 하나의 방법으로 폴리싱하여, 상기 제1반도체층의 요부에 불연속적인 반사체가 각각 형성되는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법
- 제 12항에 있어서,상기 반사체는 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, SiO2, SiOx, SiN2, SiNx, Si0xNy 또는 금속 물질로 이루어진 군에서 적어도 한 층 또는 이종 접합된 초격자 구조로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항에 있어서,상기 반사체는 상기 제1반도체층의 요부에 역 뿔 형상으로 형성되며, SiO2, SiOx, SiN2, SiNx, Si0xNy 또는 금속 물질로 이루어진 군에서 선택되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 14항에 있어서,상기 제1도전성 반도체층과 상기 복수의 반사체 중 적어도 하나의 반사체 사이에 캐비티가 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
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