KR101068157B1 - 에어패스를 포함하는 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 발광소자는 기판; 기판 위에 만들어진 연속형상의 에어패스를 갖는 반도체층을 포함하여 이루어지며, 또한 본 발명은 이러한 발광소자의 제조방법을 제공한다.

발광소자, 에어패스, 식각유도

Description

에어패스를 포함하는 발광소자 및 그 제조방법{Light emitting device with air passes and method of manufacturing the same}

본 발명은 하나 이상의 에어패스를 포함하는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 5는 종래 GaN계 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도로서, 사파이어 기판(11) 상에 버퍼층(12)을 형성하고 그 상부에 n-GaN 층(13), 다중양자우물구조로 형성되어 광을 방출하는 활성층(14)과, p-GaN층(15) 및 투명전극(16)을 포함하여 구성된다. 이때, 투명전극(16)부터 n-GaN 층(13)까지 부분 식각하여, 외부로 노출된 n-GaN층(13)에 n형 전극(18)을 형성시키는 한편, 상기 투명전극(16) 상에는 p형 전극(17)을 형성시킨다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는, P/N 접합의 활성층(14)에서 전자와 정공의 재결합에 의해 광자(Photon)가 발생되고, 상기 광자가 발광소자의 외부로 탈출하면서 빛이 발생되는 원리로 작동한다.

질화물 반도체 발광소자를 구성하고 있는 물질의 굴절률(refractive index)이 소자의 외부를 둘러싸고 있는 물질(예: 공기, 수지(resin), 기판 등)의 굴절률 보다 커서 소자 내부에서 생성된 광자가 외부로 탈출하지 못하고, 내부에서 흡수되어 외부 양자효율(extraction efficiency)이 낮아지는 문제점이 있다.

이러한 낮은 양자효율을 극복하기 위해 다양한 기술들이 적용되었고, 그 기술 중 하나가 사파이어 기판에 일정한 패턴(PSS : Patterned Sapphire substrate)을 형성하는 구조이다. 이러한 일정한 패턴은 수 마이크론(micron) 크기를 가지므로서 패턴 밀도를 증가시키는데 한계가 있어, 발광소자의 광 특성의 개선에도 한계가 있다. 또한 PSS(Patterned Sappire Substrate)을 형성하기 위하여 사파이어를 가공하는 데 상당한 시간과 비용이 소요되어 비경제적이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 보다 경제적인 구조를 필요로 하게 되었다.

본 발명의 발광소자는, 기판;과 기판 위에 만들어진 연속형상의 에어패스를 갖는 반도체층을 포함한다. 상기 연속형상은 그물모양일 수 있다.

이러한 발광소자의 제조방법은, 기판을 형성하는 단계; 기판 위에 식각유도용 연속패턴과 식각유도용 닷패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴 위에 반도체층을 성장시키는 단계; 상기 반도체층이 성장되지 않은 식각유도용 닷패턴의 입구에 연결된 연속패턴을 따라 습식식각액이 침투하여 에어패스를 형성하는 단계;를 포함한 다.

또한, 본 발명의 발광소자의 제조방법은, 기판을 형성하는 단계;

기판위에 식각유도용 연속패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴 위에 반도체층을 성장시키는 단계; 상기 반도체층위에 건식식각용 마스크를 형성한 후, 건식식각을 실행하고, 건식식각에 의해 노출된 반도체층 아래의 연속패턴을 따라 습식식각액이 침투하여 에어패스를 형성하는 단계;를 포함한다.

이때, 본 발명의 발광소자의 제조방법 중 상기 습식식각액이 침투하여 에어패스를 형성하는 단계는 습식식각액이 식각유도용 연속패턴을 습식식각하는 단계;와 상기 식각유도용 연속패턴이 습식식각된 공간을 따라 습식식각액이 침투하여 반도체층을 습식하여 에어패스를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 발광소자의 제조방법은, 상기 식각유도용 연속패턴이 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 발광소자의 제조방법은, 상기 식각유도용 닷패턴이 가로 또는 세로 또는 가로세로 양방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 기판 위의 질화물 반도체 내부에 에어패스가 형성됨으로써 발광 소자의 내부에서 생성된 광자를 효율적으로 외부로 방출될 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 발광소자의 기판 위의 질화물 반도체 내부에 형성되는 국부적으로는 폐쇄형인 동시에 전체가 연결되어 있는 에어패스 구조에 의해서 광이 누 출되지 않고 내부전반사 함에 따라 높은 광 출력을 얻을 수 있어, 발광소자의 광 특성을 개선하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기판 상에 PSS구조 형성을 위하여 수행되는 장시간의 건식식각공정을 생략함으로서 제조효율을 높일 수 있다.

본 발명의 발광소자는 기판; 기판위에 만들어진 연속형상의 에어패스를 갖는 반도체층을 포함하여 이루어진다.

이러한 본 발명의 발광소자의 제조방법은, 기판을 형성하는 단계; 기판위에 식각유도용 연속패턴과 닷패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴 위에 반도체층을 성장시키는 단계; 상기 반도체층이 성장되지 않은 식각유도용 닷패턴의 입구에 연결된 연속패턴을 따라 습식식각액이 침투하여 에어패스를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

도 1은 이러한 에어패스를 갖는 발광다이오드의 개요도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 발광소자는 기판(100)과, 기판(100) 상에 형성되는 반도체 층들(130, 140, 150)과, 상기 반도체 층(130, 140, 150) 내에 형성되는 에어패스(184)를 포함한다.

상기 에어패스(184)는 상기 반도체 층(130, 140, 150) 내부에 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 반도체층(130, 140, 150)의 상단에는 전류를 인가하기 위한 전극 패드(171, 172)가 마련된다.

이와 같이 구성되는 발광소자는 상기 전극 패드(171, 172)를 통해 외부 전류를 인가하면 반도체층(130, 140, 150)을 구성하는 활성층(140)이 발광 면적 또는 발광 영역의 기능을 수행한다.

여기서, 상기 기판(100)은 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 아연 산화물(ZnO) 기판, 갈륨 비소화물(GaAs) 기판 및 갈륨 인화물(gallium phosphide;GaP) 기판 중의 어느 하나를 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 사파이어 기판을 사용한다.

상기 에어패스(184)는 반도체층(130, 140, 150)에서 생성된 광 중에서 사파이어로 진행하는 빛을 국부적으로 모아 광 추출 효과를 향상시키는 역할을 한다.

도 2는 이러한 에어패스를 기판의 상부면에서 관찰한 모습을 보여주고 있으며, 육각형을 연결하는 연속패턴(181), 기판노출영역(182), 육각형 두 개가 경계 없이 연결된 형태의 식각유도용 닷패턴(183)을 도시하고 있다.

도 3은 다른 실시예로서 사각형을 연결하는 연속패턴(181)과, 기판노출영역(182), 육각형 형상의 식각유도용 닷패턴(183)이 가로와 세로로 형성된 평면사진이다.

도 2 와 도 3에서, 식각유도용 연속패턴과 식각유도용 닷패턴의 형태를 예시 하였으나, 본 발명의 실시는 이에 한정되지 않고, 패턴의 모양은 다양한 형상을 가질 수 있다.

이러한 에어패스(184)를 형성하기 위해 사용되는 식각유도용 연속패턴은 SiOx, SiNx, W 및 Pt 중 어느 하나의 물질로 이루어지며, 상기와 같은 형태의 에어 패스(184)를 형성하기 위하여 상기 식각유도용 연속패턴의 상부면에 접한 영역에서는 반도체층이 측면성장하면서 봉합될 것이 요구된다. 도 2는 기판 위에 성장된 실리콘옥사이드로 패터닝된 닷패턴과 육각형 연속패턴의 평면사진으로서 183으로 표시된 닷패턴 영역은 그 위로 갈륨나이트라이드가 성장하지 않는다. 상기 식각유도용 닷패턴 모양을 따라 형성된 반도체층상의 입구로 식각용액이 들어가게 된다. 상기 입구는 식각후에 모양을 유지한 채로 반도체층상에 남거나, 상기 입구들이 연속된 선을 따라 칩 분리등이 이류어지는 경우 입구형상의 일부가 반도체 층상에 남게된다. 181로 표시된 식각유도용 연속패턴은 갈륨나이트라이드층 성장 후 습식식각에 의해 도 1의 184로 표시된 에어패스를 형성하게 된다. 도 2의 182는 기판이 노출되어 있으므로, 이 영역에서는 갈륨나이트라이드가 성장하고, 옥사이드로 형성된 연속패턴위로는 갈륨나이트라이드가 성장하지 않는다. 하지만 일정두께이상 계속성장시키는 경우 측면성장(lateral growth)이 이루어지므로 181을 가로질러 성장면이 접근하여 봉합된다. 이후, 습식식각에 의해서 옥사이드로 형성된 연속패턴이 식각되면 에어패스(184)가 만들어 지게 된다.

상기 반도체층(130, 140, 150)은 n형층(130)과 활성층(140) 및 p형층(150)을 포함하며, Si 막, GaN 막, AlN 막, InGaN 막, AlGaN 막, AlInGaN 막 및 이들을 포함하는 반도체 박막 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 n형층(130)은 다수 캐리어가 전자인 층으로서, n형 반도체층과 n형 클래드층으로 구성될 수 있다. 이러한 n형 반도체층과 n형 클래드층은 전술한 반도체 박막에 n형 불순물 예를 들어, Si, Ge, Se, Te, C 등을 주입하여 형성할 수 있다.

그리고, p형층(150)은 다수 캐리어가 정공인 층으로서, p형 반도체층과 p형 클래드층으로 구성될 수 있다. 이러한 p형 반도체층과 p형 클래드층은 전술한 반도체 박막에 p형 불순물 예를 들어, Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba 등을 주입하여 형성한다. 활성층(140)에서는 n형층(130)에서 제공된 전자와 p형층(150)에서 제공된 정공이 재결합되면서 소정 파장의 광이 출력된다. 이러한 활성층(140)은 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)을 교대로 적층하여 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물(multiple quantum well) 구조를 갖는 다층의 반도체 박막으로 형성할 수 있다. 이때, 활성층(140)을 이루는 반도체 재료에 따라 출력되는 광의 파장이 변화되므로, 목표로 하는 출력 파장에 따라 적절한 반도체 재료를 선택하는 것이 바람직하다.

한편, 반도체층이 SiOx, SiNx, W 및 Pt 중 어느 하나의 물질로 이루어진 식각유도패턴위에서는 성장하지 않으므로, 반도체층(130, 140, 150)이 성장되더라도 반도체층의 윗면을 향해 상기 패턴이 노출되어 식각유도용 닷패턴의 입구면이 형성된다. 이 입구면을 통하여 침투하는 습식식각액이 사파이어 기판 위에 놓인 식각유도용 닷패턴 영역과 이에 연결된 식각유도용 연속패턴을 제거한다. 상기 패턴이 제거 되면, 상기 패턴이 있던 공간 위로 노출된 질화물 반도체의 N-면을 습식식각 할 수 있게 되어 에어패스가 형성될 수 있다. 여기서, 반도체 층(130, 140, 150)의 식각유도용 닷패턴의 입구는 원형 또는 다각형의 형태로 제작될 수 있다. 또한, 식각 유도용패턴에 SiO2 막을 사용하는 경우, BOE(Buffered Oxide Echant)-(NH4F + HF) 용액을 사용하게 되면 SiO2 가 선택적으로 잘 제거된다. 그 후에 식각유도용 연속 패턴이 식각되어 생긴 공간을 따라 스며들어가게 되는 식각용액으로 KOH 용액를 사용하면 반도체층을 식각하는데 효율적이다. 그러므로, 한 가지 식각용액(예: KOH용액)으로 에어패스를 형성할 수도 있고, 식각유도용 패턴을 식각한 후에, 식각용액을 바꾸어 반도체 층을 식각할 수도 있다.

도 4는 스캐터링을 위해 형성된 삼각형태의 에어프리즘의 평면 패턴및 세로와 가로절단면에 대한 SEM사진으로서, 이러한 구조는 빛이 사파이어기판내로 들어가 소멸되는 것을 방지하고, 기판상부에 마련된 에어프리즘에 의해 산란시키는 효과를 활용하여 광추출효율을 향상시키는 구조이다. 이때, 에어프리즘의 하부는 기판과 접촉된다. 그리고, 상기 에어프리즘과 기판이 이루는 내측 경사각(1)은 기판을 기준으로 20도 내지 70도가 되도록 형성됨이 바람직하다.

따라서, 이러한 에어프리즘(184)의 내측 경사면 때문에 광이 누출되지 않고 광의 진행거리가 짧아짐으로서 높은 광 출력을 얻을 수 있어, 발광소자의 광 특성을 개선하는 효과가 있다. 본 발명은 이러한 구조와 함께 또는 따로 실시할 수 있으며, 빛을 국부적으로 모아 효율적으로 광을 추출할 수 있게 하는 구조이다.

상기 닷패턴과 연속패턴은 내고온성, 에칭반응성을 갖춘 실리콘옥사이드, 실리콘나이트라이드, 텅스텐, Pt 등의 재질로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 발광소자의 제조방법의 다른 실시예는, 기판을 형성하는 단계; 기판위에 식각유도용 연속패턴을 형성하는 단계;

상기 패턴 위에 반도체층을 성장시키는 단계; 상기 반도체층의에 건식식각용 마스크를 형성하는 단계; 건식식각을 실행하는 단계; 건식식각에 의해 노출된 반도 체층 아래의 연속패턴을 따라 습식식각액이 침투하여 에어패스를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

이때, 건식식각은 ICP(Inductive Coupled Plasma)장비를 이용하며, 도 6의 건식식각용 마스크(240)를 형성하여 마스크에 의해 가려지지 않은 국부적인 영역에 대하여 식각유도용 연속패턴이 형성된 부분까지 건식식각을 수행한다.

이때, 본 발명의 발광소자의 제조방법 중 상기 습식식각액이 침투하여 에어패스를 형성하는 단계는 습식식각액이 식각유도용 연속패턴을 습식식각하는 단계;와 상기 식각유도용 연속패턴이 습식식각된 공간을 따라 습식식각액이 침투하여 반도체층을 습식하여 에어패스를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 에어패스를 갖는 발광다이오드의 개요도.

도 2는 기판위에 성장된 실리콘옥사이드로 패터닝된 닷패턴과 연속패턴의 평면사진.

도 3은 닷패턴이 가로와 세로로 형성된 평면사진.

도 4는 스캐터링을 위해 형성된 에어프리즘의 평면 패턴및 세로와 가로절단면에 대한 SEM사진.

도 5는 종래기술의 개요도.

도 6은 건식식각용 마스크의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 기판

12 : 버퍼층 13 : n 층

14 : 활성층 15 : p 층

16 : 전류확산층 17 : p형 전극

18 : n형 전극 100 : 기판

130 : n형층 140 : 활성층

150 : p형층 160 : 전류 확산층

171 : n형 전극 172 : p형 전극

181 : 식각유도용 연속패턴 182 : 기판노출영역

183 : 식각유도용 닷패턴 184 : 에어패스

240 : 건식식각용 마스크

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 기판을 형성하는 단계;

   상기 기판 위에 식각유도용 연속패턴과 식각유도용 닷패턴을 형성하는 단계;

   상기 패턴 위에 반도체층을 성장시키는 단계;

   상기 반도체층이 성장되지 않아 노출된 식각유도용 닷패턴에 연결된 연속패턴을 따라 습식식각액이 침투하여 에어패스를 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
5. 기판을 형성하는 단계;

   상기 기판위에 식각유도용 연속패턴을 형성하는 단계;

   상기 패턴 위에 반도체층을 성장시키는 단계;

   상기 반도체층에 건식식각용 마스크를 형성하는 단계;

   상기 반도체층을 건식식각하는 단계;

   상기 건식식각에 의해 노출된 반도체층 아래의 식각유도용 연속패턴을 습식식각액으로 식각하는 단계;

   상기 식각유도용 연속패턴이 식각된 공간을 따라 습식식각액이 침투하여 반도체층을 식각하여 에어패스를 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 습식식각액이 침투하여 에어패스를 형성하는 단계는

   습식식각액이 식각유도용 연속패턴을 습식식각하는 단계;와

   상기 식각유도용 연속패턴이 습식식각된 공간을 따라 습식식각액이 침투하여 반도체층을 습식하여 에어패스를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 식각유도용 닷패턴이 가로 또는 세로 또는 양방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.

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