KR101182104B1 - 질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 표면에 다수개의 돌기로 형성된 소정 패턴을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 발광소자는 기판 상에 돌기들로 형성된 도형 형상의 단위패턴을 반복하여 형성함으로서 기판으로 입사되는 광을 난반사시킴으로서 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 발광소자는 기판의 계면 특성에 따라 패턴형상을 조절하여 그 위에 적층되는 질화물 반도체와의 격자불일치를 최소화할 수 있다.
Description
본 발명은 질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 기판 표면에 다수개의 돌기로 형성된 소정 패턴을 포함하여 소자의 광추출 효율을 증대시킨 질화물계 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 빛의 형태로 방출하는 소자이다.
현재, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 반도체 발광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있다. 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드 갭을 가지므로 이를 이용하여 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(11) 위에 n형 GaN층(15)이 형성되며, 상기 n형 GaN층의 일부에 활성층(17)이 형성되고, 상기 활성층 위에 p형 GaN층(19)이 형성되며, 상기 p형 GaN층 위에 투명전극(20)이 형성된다. 그리고 상기 투명 전극(20) 위에 p형 전극(21)이 형성되며, 상기 n형 GaN층(15) 위에 n형 전극(23)이 형성된다.
이러한 질화물 반도체 발광소자의 p형 전극(21) 및 n형 전극(23)에 전류를 인가할 때, 활성층(17)에서 생성된 광은 활성층 내부에서 모든 방향으로 방사하게 된다. 이때, 질화물계 반도체들의 굴절률이 공기와 발광소자 칩을 둘러싸고 있는 캡 소재인 에폭시의 굴절률에 비해 너무 크기 때문에, 공기 또는 에폭시로 방사되는 경우 어떤 임계 각도보다 작은 각도로 방사되는 광만이 외부로 탈출되고, 상기 임계 각도보다 큰 각도를 갖는 광은 반도체/공기 간의 계면에서 반사하게 되어 반도체 물질 내부로 흡수된다.
즉, GaN층의 높은 굴절율(n=2.4, n= 매질의 굴절율)에 의해 활성층(15)에서 발생한 광의 80% 이상은 스넬의 법칙(Snell의 Law)에 의해 도 1과 같이 GaN층 내부에서 임계 각도 내에 구속되어 GaN층 내에서 가이드됨으로써 흡수, 소멸된다.
이렇게 반도체 내로 흡수되는 광에 의해 발광소자의 외부 발광 효율이 떨어짐과 아울러, 발광소자의 수명에도 악영향을 미치게 된다. 따라서, 활성층(15)에서 생성된 광 중에서 반도체 물질 내로 반사되는 빛의 양을 최대한 감소시키는 것이 중요하다.
본 발명은 기판 표면을 소정의 형상으로 패터닝하여 광추출 효과를 높인 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 기판 표면에 난반사가 발생할 수 있는 다양한 패턴 구조를 구비하여 외부 양자 효율을 증대시킨 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양상은 기판, 상기 기판 위에 n형 화합물 반도체층, 활성층 및 p형 화합물 반도체층을 포함하되, 상기 기판은 그 표면에 다수개의 돌기로 형성된 패턴을 포함하고, 상기 패턴은 상기 돌기들로 형성된 도형 형상의 단위패턴이 반복하여 형성된 구조인 질화물계 반도체 발광소자에 관계한다.
본 발명의 다른 양상은 기판 상에 돌기들로 형성된 도형 형상의 단위패턴을 반복하여 형성하는 단계 :및 패턴이 형성된 상기 기판 위에 n형 화합물 반도체층, 활성층 및 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법에 관계한다.
사파이어 기판 등은 질화물 재료와 격자상수 및 열팽창계수 차이가 상대적 커서 LED의 광효율 측면과 신뢰성 결함에 주요한 원인을 제공하는데, 본 발명은 기판 상에 돌기들로 형성된 도형 형상의 단위패턴을 반복하여 형성함으로서 상기 문제점을 해소할 수 있다. 본 발명에 의한 발광소자는 기판으로 입사되는 광을 난반사시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 기판의 계면 특성에 따라 패턴형상을 조절하여 그 위에 적층되는 질화물 반도체와의 격자불일치를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구체 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 일구현예에 따른 기판 상에 형성된 패턴을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따른 단위패턴을 나타낸다.
도 5는 사파이어 기판 상에 형성된 단위패턴의 방향성을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 의해 사파이어 기판에 형성된 패턴의 OM(OpticalMicroscopy) 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일구현예에 따른 단위면적당 평면 분율을 달리하여 형성된 패턴의 OM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 구체 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 일구현예에 따른 기판 상에 형성된 패턴을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따른 단위패턴을 나타낸다.
도 5는 사파이어 기판 상에 형성된 단위패턴의 방향성을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 의해 사파이어 기판에 형성된 패턴의 OM(OpticalMicroscopy) 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일구현예에 따른 단위면적당 평면 분율을 달리하여 형성된 패턴의 OM 이미지이다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체 예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
본 명세서에 있어서, "상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있다.
이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 “사이에”라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다.
또한, "상층", "하층"이라는 표현 역시 위치에 대한 상대적인 개념으로 이해될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구체 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 발광소자는 기판(10), 상기 기판 위에 n형 화합물 반도체층(30), 활성층(40), p형 화합물 반도체층(50), n형 전극(60) 및 p형전극(70)을 포함하고, 상기 기판은 그 상부에 패턴(20)을 포함한다.
상기 기판(10)은 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC), ZnO, Si, GaAs와 GaN 중 어느 하나로 형성될 수 있고, 바람직하게는 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC), ZnO, Si기판이다.
상기 기판(10)의 표면에는 다수개의 돌기(21)들로 형성된 패턴(20)이 형성된다.
도 3은 본 발명에 일구현예에 따른 기판 상에 형성된 패턴을 나타내는 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일구현예에 따른 단위패턴을 나타낸다. 도 5는 사파이어 기판 상에 형성된 단위패턴의 방향성을 나타내는 개략도이다. 도 3 및 4를 참조하면, 상기 패턴(20)은 상기 돌기들로 형성된 도형 형상의 단위패턴(22)이 반복하여 형성될 수 있다.
상기 돌기(21)의 형상이 반구, 렌즈, 피라미드, 육면체, 및 원기둥의 군에서 형성된 하나 이상일 수 있다. 상기 돌기의 직경, 높이, 간격은 기판의 종류나 발광소자의 용도, 공정조건 등에 따라 임의로 조절할 수 있다. 상기 발광소자는 상기 돌기의 직경, 높이, 돌기 사이 간격을 조절하여 단위패턴을 형성할 수 있다.
상기 돌기(21)는 직경이 0.01~5㎛, 바람직하게는 0.1~3㎛, 가장 바람직하게는 0.5~2.5㎛, 높이가 0.1~5㎛, 바람직하게는 0.1~3㎛, 가장 바람직하게는 0.5~2.5㎛일 수 있다.
상기 돌기(21)사이의 간격이 0.01~3㎛, 바람직하게는 0.1~2㎛, 가장 바람직하게는 0.5~1㎛일 수 있다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 인접한 상기 돌기(21)들은 단위패턴(22)을 형성한다. 상기 단위패턴(22)은 정육각형, 직육각형, 원형, 타원형, 동심원 및 줄무늬 형상의 군에서 선택된 하나 이상의 도형 형상일 수 있다. 도 4의 a, b는 정육각형 c, d는 다수개의 원을 가지는 동심원, e는 줄무늬 형상의 도형 형상이다.
상기 단위패턴(22)은 기판의 y축에 대해 소정각도로 회전한 도형 형상을 포함할 있다. 본 발명에서는 기판의 플렛존(flatzone)과 평행한 기판 상의 직선을 x축, 상기 x축 또는 플렛존과 수직한 기판상의 직선을 y축으로 정의한다. 좀 더 구체적인 예를 위해 도 5를 참조하면, 통상적으로 사파이어 기판의 플렛존은 a-plane 이라고 하고 원자배열이(11-20)면을 갖는다. 단위패턴 A는 인접 돌기들을 연결하면 y축과 평행한 대각선을 갖는 육각형상을 나타내고, 단위패턴 B는 인접 돌기들을 연결하면 x축과 평행한 대각선을 갖는 육각형상을 나타낸다.
상기 단위패턴(22)이 육각형(정육각형, 직육각형)인 경우에, 본 발명의 단위패턴은 패턴 A를 상기 y축 기준으로 0 내지 90도 각으로 회전한 모든 형상을 포함할 수 있다. 단위패턴 B는 패턴 A를 90도 회전한 형상으로 이해할 수 있다. 즉, 본 발명에 사용될 수 있는 단위패턴은 패턴 A와 패턴 B형상 사이의 모든 형상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 패턴 A 형상이다. 좀 더 구체적으로는, 도 4의 a는 단위패턴 A에 해당되고, 도 4의 b는 단위패턴 B에 해당된다.
상기 단위패턴(22)이 타원형, 동심원 및 줄무늬 형상인 경우에도 y축 기준으로 소정 각도로 회전시켜 단위패턴으로 사용할 수 있다. 도 4의 c는 도 4의 d 동심원을 y축 기준으로 45도 각도로 회전한 단위 패턴이다.
한편, 상기 단위패턴(22) 뿐만 아니라 상기 돌기(21)의 형상이 렌즈, 피라미드, 육면체 등인 경우에도 소정각도로 회전한 형상을 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 의해 사파이어 기판에 형성된 패턴의 OM(OpticalMicroscopy) 이미지이다. 도 6을 참조하면, 단위패턴인 패턴 A와 패턴 B를 각각 반복한 패턴이 기판 상에 형성될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일구현예에 따른 단위면적당 평면 분율을 달리하여 형성된 패턴의 OM 이미지이다. 상기 단위면적당 평면 분율은 기판에서 돌기가 형성되지 않은 편평한 부분의 비율을 나타낸다.
상기 발광소자는 상기 돌기의 크기, 형상 및 돌기 사이 간격을 변화시켜 단위면적당 평면 분율을 조절할 수 있다.
상기 단위면적당 평면분율이 0.1 이상 0.9 이하, 바람직하게는 0.3 이상 0.9 이하, 바람직하게는 0.5 이상 0.8 이하일 수 있다.
본 발명의 일구현예로서, 도 6의 (a)와 (d), (b)와 (e), (c)와 (f)의 평면분율은 각각 0.5061, 0.6732, 0.7518이다.
도 6의 (a), (b), (c)는 패턴 A 형상으로서 평면분율이 점점 커지는 경우이고, 도 6의 (d), (e), (f)는 패턴 B 형상으로서 평면분율이 점점 커지는 경우이다. 이 때, 도 6의 (a), (b), (c)가 도 6의 (d), (e), (f)보다 결정성, 그리고 광학적 특성이 더 좋은데, 이것은 단일 요철의 모양 간격제어의 효과뿐만 아니라 육방정 형태의 규칙적인 배열방식도 질화물의 결정성장과 결함발생에 중요한 변수로 작용한다는 것을 의미하는데 결정학적 유사성을 모방한 패턴의 배열각도가 그 중 명확한 변수로 작용하는 것이다.
도 2를 다시 참고하면, 상기 기판(10) 위에는 발광 다이오드 구조물이 적층되는데, 상기 발광 다이오드 구조물은 바람직하게는 3족 질화물 반도체로 형성된다. 즉, n형 화합물 반도체층(30), 활성층(40), p형 화합물 반도체층(50)이 3족 질화물로 이루어짐을 의미한다.
일예로서, 상기 기판(10) 위에 n형 질화물층(n-GaN)(30)이 형성되며, 상기 n형 질화물층(30)의 상부에는 활성층(40)이 형성되며, 상기 활성층 위에는 p형 질화물층(p-GaN)(50)이 형성된다.
본 발명의 발광 소자(100)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체 재료를 이용하는 pn 접합 또는 npn 접합 구조에 적용될 수 있으며, 상기 기판과 질화물층 사이에 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수도 있다.
본 발명의 발광소자에 전류가 인가되면 활성층에서 광이 생성되고, 상기 광이 모든 방향으로 방출된다. 이 때 본 발명에 의한 상기 패턴 구조는 질화물과 기판의 결정학적 결함감소 기능과, 스넬의 법칙에 따른 난반사효과를 이용 발생한 광의 탈출각을 증가하는 역할을 하여 외부양자효율을 높일 수 있다.
다른 양상에서 본 발명은 기판 상에 돌기들로 형성된 도형 형상의 단위패턴을 반복하여 형성하는 단계 :및 패턴이 형성된 상기 기판 위에 n형 화합물 반도체층, 활성층 및 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 반도체 발광소자의 제조방법에 관계한다.
상기 단위 패턴이 정육각형, 직육각형, 원형, 타원형, 동심원 및 줄무늬 형상의 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 단위패턴을 반복하여 형성하는 단계는 기판 상에 감광성 포토레지스트 물질을 코팅하는 단계 ; 패턴 형성 부분을 마스크를 이용하여 선택적으로 노광하는 단계 ; 상기 노광된 부분을 에칭하여 패턴을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 마스크의 투과영역을 변화시키거나 기판의 각도를 회전하여 단위패턴의 형상을 조절할 수 있다.
상기 패턴형성 단계는 RIE(reactive ion etching) 또는 ICP(inductive coupled plasma)을 사용하여 에칭할 수 있다.
본 발명에서 상기 질화물계 반도체층의 증착법은 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)이나 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE)법, 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)을 사용할 수 있다.
상기 돌기나 단위패턴에 대해서는 앞에서 상술하였으므로 이를 참고할 수 있다.
도 5 및 도 6의 패턴 A는 사파이어 기판 상에 포토레지스트로 코팅한 후 포토마스크 장비에 로딩하여 UV 노광처리를 하고, 패턴 B는 패턴 A의 마스크를 30도 회전하여 노광하였다. 이어서, 각각 ICP-RIE로 건식 식각하여 패턴을 형성하였다. 계속하여 MOCVD로 3족 질화물 반도체 박막을 형성하였다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
10 : 기판 20 : 패턴
30 : n형 화합물 반도체층 40 : 활성층
50 : p형 화합물 반도체층 60 : n형 전극
70 : p형 전극
30 : n형 화합물 반도체층 40 : 활성층
50 : p형 화합물 반도체층 60 : n형 전극
70 : p형 전극
Claims (12)
- 기판, 상기 기판 위에 n형 화합물 반도체층, 활성층 및 p형 화합물 반도체층을 포함하되, 상기 기판은 그 표면에 반구 형상의 돌기들로 이루어진 육각형 단위 패턴을 포함하고, 상기 돌기의 크기 및 돌기 사이 간격을 변화시켜 단위면적당 평면분율을 0.5 내지 0.8범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 발광소자는 상기 돌기의 직경, 높이, 돌기 사이 간격을 조절하여 단위패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 돌기는 직경 및 높이가 각각 0.01~5㎛, 돌기의 간격이 0.01~3㎛인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 육각형 단위패턴은 기판의 y축과 평행한 대각선을 가진 육각형을 상기 y축 기준으로 0 내지 90도의 각으로 회전한 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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