KR101123010B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 발광소자 및 그 제조방법이 개시된다. 기판 상에, N형 반도체층과 활성층 및 P형 반도체층이 순차로 적층된 발광구조물을 형성하는 단계; 기판 방향 또는 발광구조물 방향으로부터, 점선 모양의 분할홈을 가공하는 단계; 및 기판과 발광구조체 중 적어도 어느 하나에 압력을 가해, 분할홈을 기준으로 기판 및 발광구조물을 분할하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법은, 측면으로 방출되는 빛의 전반사를 방지하여 발광효율을 향상시킬 수 있다.
반도체 발광소자, 발광효율, 점선, 분할
Description
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화물 반도체 발광 소자에 사용되는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
질화물 반도체 발광소자는 일반적으로 기판 위에 버퍼층, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층, 전극의 구조로 이루어져 있다. 이때, 활성층은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InxGa1-xN (0≤x≤1)의 일반식으로 표현되는 양자우물층 과 양자장벽층을 포함하여 이루어진다. 이러한 활성층을 이루는 물질의 종류에 따라 발광 다이오드에서 방출되는 발광 파장이 결정된다.
그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래기술에 따른 반도체 발광소자에 대해 설명한다. 도 1 내지 도 2는 종래기술에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 나타내는 도면이다.
종래기술에 따른 반도체 발광소자는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, GaN계 반도체 물질의 성장을 위한 사파이어 기판(1)과, 사파이어 기판(1) 상에 순차적으로 형성된 N형 반도체층(2), 활성층(3), P형 반도체층(4)을 주된 구성으로 하여 이루어진다. P형 반도체층(4)과 활성층(3)은 메사식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되며, N형 반도체층(2)의 상면의 일부가 노출되는 구조를 갖는다.
P형 반도체층(4) 상에는 투명전극(도 4의 60 참조) 및 P형 전극(도 4의 70 참조)이 형성되어 있고, 상기 메사식각 공정을 통해 노출된 N형 반도체층(2) 상에는 N형 전극(도 4의 30 참조)이 형성된다. 이러한 구조는 기판(1) 상에 N형 반도체층(2), 활성층(3) 및 P형 반도체층(4)을 순차적으로 성장시킴으로써 형성된다.
한편, 벌크 타입의 기판(1) 상에서 상술한 구조를 구현한 다음, 이를 각각 단위 발광소자들로 분할하는 공정을 수행하게 되는데, 이를 위해 도 2에 도시된 바와 같이 기판(1)의 일면에 분할홈(1a)을 형성한다. 이를 칩 스크라이빙(chip scribing) 공정이라 한다.
이러한 칩 스크라이빙 공정은 다이아몬드 등을 이용하여 수행되며, 이 후 기 판(1)에 압력을 가해 기판(1)을 분할하는 브레이킹 공정을 통해, 칩은 분할된다. 이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(1)의 전면에 걸쳐 직선 형태의 분할홈(1a)을 형성한 다음 브레이킹 공정을 통해 칩을 분할하게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 분할된 칩의 측면은 조도가 거의 없게 된다.
이러한 과정에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 칩 내부에서는 외부와의 굴절률 차이와 빛의 입사각에 의하여 일부 빛들에 대한 전반사가 일어나게 되고, 이로 인하여 활성층(3)에서 방출되는 빛의 일부는 칩의 외부로 방출되지 못하게 되는 문제가 발생하게 된다. 즉, 칩 내부에서의 전반사로 인하여, 반도체 발광소자의 발광 효율이 저하되게 되는 것이다. 결국, 조도가 없이 매끈한 단면이 오히려 빛의 발광 측면에서는 발광효율을 저하시키는 한 요인으로 작용하는 것이다.
본 발명은 측면으로 방출되는 빛의 전반사를 방지하여 발광효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층이 순차로 적층된 발광구조물을 포함하는 발광소자로서, 발광구조물의 측면에는, 표면조도가 서로 다른 제1 영역과 제2 영역이 반복적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
이 때, N형 반도체층의 하면에는 기판이 적층되며, 기판의 측면에도 제1 영역과 제2 영역이 반복적으로 형성될 수 있다.
또한, 발광구조물은, P형 반도체층에서 N형 반도체층 일부까지 메사(Mesa) 식각된 형상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에, N형 반도체층과 활성층 및 P형 반도체층이 순차로 적층된 발광구조물을 형성하는 단계; 기판 방향 또는 발광구조물 방향으로부터, 점선 모양의 분할홈을 가공하는 단계; 및 기판과 발광구조체 중 적어도 어느 하나에 압력을 가해, 분할홈을 기준으로 기판 및 발광구조물을 분할하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공할 수 있다.
이 때, 분할홈을 형성하는 단계는 레이저를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 측면으로 방출되는 빛의 전반사를 방지하여 발광효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발 명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 기판(10), N형 반도체층(20), N형 전극(30), 활성층(40), P형 반도체층(50), 투명전극(60), P형 전극(70)이 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판(10)과, 기판(10) 상에 순차적으로 형성된 N형 반도체층(20), 활성층(40), 및 P형 반도체층(50)을 포함하며, P형 반도체층(50)과 활성층(40)이 메사식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되어, N형 반도체층(20)의 일부 상면이 노출되는 구조를 갖는다.
노출된 N형 반도체층(20)에는 N형 전극(30)이 형성된다. 그리고, P형 반도체층(50) 상에는 ITO(Indium-TiN oxide) 등으로 이루어진 투명전극(60)이 형성되며, 그 위에는 P형 전극(70)이 형성된다.
기판(10)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판(10)은 사파이어와 같은 재료를 이용하여 형성될 수 있으 며, 사파이어 이외에도, 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨나이트라이드(gallium Nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수도 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 기판(10)과 후술할 N형 반도체층(20)의 격자 상수 차이를 줄여 주기 위해, 기판(10)의 상면에 버퍼층(미도시)이 형성될 수도 있다. 이러한 버퍼층(미도시)은 예컨대 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN 등과 같은 재질로 이루어질 수 있으며, 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략될 수도 있다.
기판(10)(또는 버퍼층)의 상면에는 N형 반도체층(20)이 형성된다. N형 반도체층(20)은 질화갈륨(GaN)계로 형성되며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑될 수 있다.
N형 반도체층(20) 위에는 양자우물층(미도시)과 양자장벽층(미도시)을 구비하는 활성층(40)이 형성된다. 양자우물구조를 구현하는 양자우물층(미도시)과 양자장벽층(미도시)의 개수는 설계 상의 필요에 따라 다양하게 변경할 수 있다.
활성층(40) 위에는 P형 반도체층(50)이 형성된다. 이러한 P형 반도체층(50)은 Mg, Zn, Be등과 같은 P형 도전형 불순물이 도핑된 반도체층이다. P형 반도체층(50)은, 발광영역과 인접하여 전자장벽층(electron blocking layer: EBL) 역할을 수행하는 P형 AlGaN층(미도시)과, 이 P형 AlGaN 층에 인접한 P형 GaN층(미도시)으로 이루어질 수도 있다.
본 명세서에서는, 이상에서 설명한 N형 반도체층, 활성층(40) 및 P형 반도체 층(50)을 통칭하여 발광구조물이라 한다. 이러한 발광구조물은 기판(10)(또는 버퍼층) 상에 N형 반도체층(20), 활성층(40) 및 P형 반도체층(50)을 순차적으로 성장시킴으로써 형성된다.
이 때, 이러한 발광구조물의 측면에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 표면조도가 서로 다른 제1 영역(22, 42, 52)과 제2 영역(24, 44, 54)이 반복적으로 형성된다. 보다 구체적으로는 표면조도가 매우 낮은, 매끈한 제1 영역(22, 42, 52)과, 상대적으로 표면조도가 높은, 거친 제2 영역(24, 44, 54)이 형성된다. 이처럼, 발광구조물의 측면에 매끈한 제1 영역(22, 42, 52)과 거친 제2 영역(24, 44, 54)이 반복적으로 형성되면, 거친 제2 영역(24, 44, 54)에 의해, 활성층에서 발광된 빛이 반도체 발광소자의 측면으로 방출될 때 전반사가 일어나는 현상을 최소화 하여 외부로 방출되는 빛을 증가될 수 있다. 즉, 광 효율이 향상될 수 있는 것이다.
이러한, 구조는 반도체 발광소자를 분할하기 위한 분할홈(10a)을 형성하는 공정을 통해 구현될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 벌크 타입의 기판(10')에 발광구조물(20,40, 50)을 성장시킨 다음, 레이저를 이용하여 기판(10')에 점선 모양의 분할홈(10a)을 가공한 후, 기판(10')에 압력을 가함으로써, 기판(10') 및 발광구조물(20,40, 50)을 분할하는 것이다. 점선 모양의 분할홈(10a)을 가공하기 위해, 기판 (10')또는 레이저를 직선 방향으로 이동시키면서, 주기적으로 레이저의 전원을 온/오프 시키는 방법을 이용할 수 있다.
이러한 방법을 이용하게 되면, 분할홈(10a)이 직접 형성되어 이미 물리적으로 분할되었던 기판 및 발광구조물의 일부분에는 표면조도가 매우 낮은, 매끈한 제1 영역(12, 22, 42, 52)이 형성되고, 분할홈이 직접적으로는 형성되지 않고 물리적으로 연결되어 있다가 기판(10')에 압력을 가함으로써 분리된 부분에는 표면조도가 높은, 거친 제2 영역(14, 24, 44, 54)이 형성된다.
P형 반도체층(50) 상에는 투명전극(60)이 형성된다. 투명전극(60)은 투과성 산화막으로서 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등으로 이루어질 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나, 투명전극(60)의 측면에도 표면조도가 상이한 제1 영역과 제2 영역이 형성될 수 있음은 물론이다.
투명전극(60)에서 N형 반도체층까지는 메사식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되며, 메사식각에 의해 노출된 N형 반도체층(20)에는 N형 전극(30)이 형성되고, 투명전극(60) 상에는 P형 전극(70)이 형성된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1 내지 도 2는 종래기술에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 나타내는 도면.
도 3은 종래기술에 따른 반도체 발광소자 내부에서의 빛이 전반사 되는 모습을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광소자를 분할하는 모습을 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 10': 기판 20: N형 반도체층
30: N형 전극 40: 활성층
50: P형 반도체층 60: 투명전극
70: P형 전극
12, 22, 42, 52: 제1 영역
14, 24, 44, 54: 제2 영역
Claims (5)
- N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층이 순차로 적층된 발광구조물을 포함하는 발광소자로서,상기 발광구조물의 측면에는, 표면조도가 상대적으로 작으며 오목하게 형성된 제1영역과, 표면조도가 상대적으로 크며 볼록하게 형성된 제2영역이 반복적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 N형 반도체층의 하면에 적층되는 기판을 더 포함하며,상기 기판의 측면에도 상기 제1 영역과 제2 영역이 반복적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 발광구조물은, 상기 P형 반도체층에서 N형 반도체층 일부까지 메사(Mesa) 식각된 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 기판 상에, N형 반도체층과 활성층 및 P형 반도체층이 순차로 적층된 발광구 조물을 형성하는 단계;상기 기판 방향 또는 상기 발광구조물 방향으로부터, 점선 모양의 분할홈을 가공하는 단계; 및상기 기판과 상기 발광구조물 중 적어도 어느 하나에 압력을 가해, 상기 분할홈을 기준으로 상기 기판 및 상기 발광구조물을 분할하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 분할홈을 형성하는 단계는 레이저를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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