KR101259483B1 - 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

측면 방향으로의 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 반도체 발광 소자는, 사파이어 기판; 및 상기 사파이어 기판의 상면에 적층되며 광을 생성하는 활성층을 포함하는 복수의 질화물 에피층으로 이루어진 발광 구조물을 포함하며, 상기 발광구조물의 적어도 일 외측면이 상기 사파이어 기판의 상면과 예각을 형성하는 경사면으로 형성된다. 상기 반도체 발광 소자의 일부 실시형태에서, 상기 사파이어 기판의 측면에는 레이저 조사에 의해 수평 방향으로 개질 영역이 형성될 수 있다.

Description

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MENUFACTURING THE SAME}
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측면 방향의 광추출 효율이 우수하고 기판 절단이 용이한 반도체 발광 소자 및 반도체 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광 소자(예컨대, 3족 질화물 반도체 LED 또는 레이저 다이오드 등)가 개발된 후, 디스플레이용 백라이트, 카메라용 플래시, 조명 등 다양한 분야에서 질화물 반도체 발광 소자가 차세대의 주요 광원으로 주목 받고 있다. 질화물 반도체 발광 소자의 적용 분야가 확대됨에 따라, 휘도와 발광 효율을 증대시키기 위한 노력이 진행되고 있다.
일반적으로 반도체 발광 소자는 발광 효율을 증가시키기 위하여 내부 양자 효율과 광추출 효율을 향상시킬 것이 요구된다. 내부 양자 효율은 에피 성장 및 기판의 구조 설계에 따른 특성과 관련이 있고, 광추출 효율은 에피 성장 및 공정 기술에 따라 최적화될 수 있다.
특히, 반도체 발광 소자의 광추출 효율은, 소자 내부의 활성층에서 발생한 빛이 외부의 굴절률 차에 의해 전반사 되어 흡수 또는 소멸되거나, 내부 결정 결함에서 흡수되어 열에너지로 변환되는 현상에 의해 향상시키는데 어려움이 있다. 굴절 법칙(Snell’s law)에 따라 빛이 굴절률이 다른 두 매질 사이를 진행할 수 있는 임계각이 결정될 수 있는데, 질화물계 반도체 물질의 경우 그 굴절률이 2.5 정도로 큰 값을 가지기 때문에 활성층에서 생성된 빛이 소자 외부로 방출될 수 있는 임계각은 약 23°로 매우 한정적이다. 따라서, 통상적으로 반도체 발광 소자에서 임계각보다 큰 각도로 소자 경계면에 입사하는 빛은 소자 내부에서 흡수될 때가지 계속 전반사 되어 열에너지로 변화하게 되므로 광추출 효율은 30 내지 40% 내외로 낮다.
이에 따라, 당 기술 분야에서는 반도체 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 다양한 기법들이 연구 개발되고 있다.
본 발명은, 측면 방향으로의 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
사파이어 기판; 및
상기 사파이어 기판의 상면에 적층되며 광을 생성하는 활성층을 포함하는 복수의 질화물 에피층으로 이루어진 발광 구조물을 포함하며,
상기 발광구조물의 적어도 일 외측면이 상기 사파이어 기판의 상면과 예각을 형성하는 경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사파이어 기판의 상면은 요철 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 경사면으로 형성된 상기 발광 구조물의 외측면은, 수직방향으로 형성된 그루브를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사파이어 기판의 적어도 일 측면에는, 수평방향으로 형성된 띠 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 개질 영역이 형성될 수 있다. 이 실시형태에서, 상기 개질 영역은, 상기 반도체 발광 소자의 상부 또는 하부에서 수평방향을 따라 소정 간격 이격하여 조사되는 레이저에 의해 형성될 수 있다. 또한, 이 실시형태에서, 상기 질화물 구조물이 형성된 기판 상면으로부터 적어도 30 ㎛ 이격된 위치에 형성될 수 있다. 또한, 이 실시형태에서, 상기 개질 영역이 복수 개 형성되는 경우, 각 개질 영역 간의 간격은 40 내지 90 ㎛ 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 이 실시형태에서, 상기 레이저는, 적외선 소스를 이용한 펨토초 또는 피코초 펄스 레이저일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 구조물은 상기 사파이어 기판 상면으로부터 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층, 상기 활성층, p형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층의 상면 일부를 노출하도록 상기 발광 구조물의 측면으로부터 이격되어 형성된 홀을 포함할 수 있다. 이 실시형태는, 상기 홀에 의해 노출된n형 질화물 반도체층 상면에 형성된 n측 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
사파이어 기판의 상면에 광을 생성하는 활성층을 포함하는 복수의 질화물 에피층으로 이루어진 발광 구조물을 형성하는 단계;
상기 발광 구조물의 일부 영역을 제거하여 상기 사파이어 기판의 일부 영역을 노출시키는 단계; 및
상기 사파이어 기판의 노출된 영역에 의해 형성된 상기 발광 구조물의 측면을 습식 에칭하여, 상기 발광 구조물의 외측면이 상기 사파이어 기판의 상면과 예각을 형성하도록 경사면을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사파이어 기판을 개별 소자 단위로 분할하여 개별 반도체 발광 소자를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 실시형태에서, 상기 개별 반도체 발광 소자를 형성하는 단계는, 상기 사파이어 기판의 내부의 적어도 일 높이에 포커싱된 레이저를, 상기 사파이어 기판의 상면 또는 하면으로부터 개별 소자의 분리면을 따라 소정 간격 이격시켜 복수회 조사하여 상기 사파이어 기판을 분할하는 단계일 수 있다. 이 실시형태에서, 상기 레이저의 포커싱 높이는, 상기 복수의 질화물 에피층이 형성된 상기 사파이어 기판 상면으로부터 적어도 30 ㎛ 이격된 위치일 수 있다. 또한, 이 실시형태에서, 상기 레이저의 포커싱 높이가 복수인 경우, 각 포커싱 높이 간의 간격은 40 내지 90 ㎛ 이격 되어 형성될 수 있다. 또한, 이 실시형태에서, 상기 레이저는, 적외선 소스를 이용한 펨토초 또는 피코초 펄스 레이저일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사파이어 기판의 상면은 요철 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제거하는 단계는, 상기 발광 구조물의 일부 영역을 건식 에칭 또는 레이저 조사에 의해 제거하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광 구조물을 형성하는 단계는, 상기 사파이어 기판 상면으로부터 순차적으로 n형 질화물 반도체층, 상기 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 적층하여 상기 발광 구조물을 형성하는 단계일 수 있다. 이 실시형태는, 상기 n형 질화물 반도체층의 상면 일부를 노출하도록 상기 발광 구조물의 측면으로부터 이격된 영역의 상기 활성층 및 상기 p형 질화물 반도체층 일부를 제거하여 홀을 형성하는 단계 및 상기 홀에 의해 노출된n형 질화물 반도체층 상면에 n 측 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 발광 소자의 발광 구조물 측면을 경사면으로 형성함으로써 발광 구조물 측면 방향으로 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 특히, 발광 구조물의 측면에 수직방향의 그루브를 형성함으로써 광추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 발광 소자의 사파이어 기판 측면에 개질 영역에 의한 요철 형성을 통해 기판의 측면으로도 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 레이저 조사 높이를 다양하게 결정하여 두꺼운 사파이어 기판도 용이하게 분리할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 일 측면을 도시한 측면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 일 측면을 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 사파이어 기판에 형성되는 개질 영역 형성 예를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 일 측면에 대한 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자를 전자 현미경으로 촬영한 평면 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 발광 구조물의 측면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자와 통상의 반도체 발광 소자의 발광 분포를 비교한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 일 측면을 도시한 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자는, 사파이어 기판(10)과, 상기 사파이어 기판의 상면에 형성된 발광 구조물(11)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 사파이어 기판(10)은 그 위에 성장되는 질화물 에피층 물질과의 격자정합을 고려하여 적용된 기판이다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 격자간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 특징이 있다. 이러한 사파이어 기판의 C면의 경우 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 청색 또는 녹색 발광 소자용 기판으로 주로 사용된다.
상기 발광 구조물(11)은, 상기 사파이어 기판(10)의 상면에 적층되며 광을 생성하는 활성층(112)을 포함하는 복수의 질화물 에피층으로 이루어진 발광 구조물을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자는, 상기 발광 구조물(11)의 적어도 일측면(L)이 상기 사파이어 기판(10)의 상면과 예각을 형성하는 경사면으로 형성된다.
이와 같이, 발광 구조물(11)의 측면이 기판(10)의 상면과 예각을 형성하는 경사면으로 형성됨으로써, 발광 구조물(11)의 내부에서 그 측면으로 입사되는 광의 입사각을 굴절법칙에 의해 결정되는 외부 방출을 위한 임계각보다 작게 형성되도록 할 수 있다. 이를 통해 발광 구조물(11)의 측면 방향으로 방출되는 빛의 양을 증가시켜 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 발광 구조물(11)은 n 형 질화물 반도체층(111)과 활성층(112)과 p형 질화물 반도체층(113)을 포함할 수 있다.
상기 n형 질화물 반도체층(111)은 n형의 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성되는데, n형 불순물로 도핑된 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, GaN, AlGaN, InGaN와 같은 질화물 반도체에 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등과 같은 불순물이 도핑된다.
상기 활성층(112)은 전자 및 정공이 재결합되어 광이 방출되는 영역으로서, 상기 활성층(112)을 이루는 물질의 종류에 따라 추출되는 광의 파장이 결정된다. 이러한 상기 활성층(112)은 다중양자우물(MQW) 구조를 갖거나 단일 양자우물 구조를 가질 수 있는데, 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층으로서, 예를 들면, InGaN층을 우물층으로 하고, GaN층을 장벽층으로 성장시켜 다중 양자 우물 구조(MQW)로 형성될 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층(113)은 p형 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성되는데, p형 불순물로 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, GaN, AlGaN, InGaN과 같은 질화물 반도체에 Mg, Zn 또는 Be 등과 같은 불순물가 도핑된다.
일반적으로, 반도체 발광 소자는 구동 전압의 인가 및 구동 전류의 유입을 위해 n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층에 각각 전기적으로 연결되는 n측 전극(114) 및 p측 전극(115)을 포함할 수 있다. 수평 구조의 반도체 발광 소자에서, n 측 전극은 주로 활성층(112) 및 p형 질화물 반도체층(113)의 일부를 제거하여 노출되는 n형 질화물 반도체 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 발광 구조물(11)은, 상기 n형 질화물 반도체층의 상면 일부를 노출하도록 상기 발광 구조물의 측면으로부터 이격되어 형성된 홀(H)을 포함할 수 있다. n측 전극(114)은, 상기 홀(H)에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(111) 상면에 형성될 수 있다. 상기 홀(H)은 n 측 전극을 마련하기 위한 영역을 형성하기 위한 것으로, 경사면으로 형성된 측면으로부터 이격되어 형성함으로써, 경사면으로 형성된 측면의 변형을 수반하지 않게 된다. 이를 통해, 측면을 경사면으로 형성함으로써 획득할 수 있는 광추출 효율 향상의 효과를 감소시키는 것을 예방할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 일 측면을 도시한 측면도이다.
도 3의 실시형태는 발광 구조물(11)의 측면 중 사파이어 기판(10)에 가까운 하부 영역에 경사면(L)을 형성한 실시형태를 도시하며, 도 4의 실시형태는 사파이어 기판(10)의 상면에 요철 패턴(103)을 형성한 실시형태를 도시한다.
도 3의 실시형태는, 발광 구조물(11)의 측면을 사파이어 기판(10) 상면과 예각을 형성하는 경사면으로 형성하는 경우, 활성층(112)로부터 생성된 빛 중 활성층(112) 하부의 n형 질화물 반도체층(111)으로 향하는 빛에 대한 입사각 감소 효과가 더욱 크다는 점을 고려한 것이다.
또한, 도 4의 실시형태는 사파이어 기판(10)의 상면에 형성된 요철 패턴(103)에 의해 활성층(112)로부터 생성된 빛을 산란시킴으로써, 빛이 발광 소자의 외부로 방출되는 확률을 증가시켜 광추출 효율을 향상시키기 위한 것이다. 도 4의 실시형태의 경우, 사파이어 기판(10)의 상면에 형성된 요철 패턴(103)에 의해 사파이어 기판(10) 측에 가까운 발광 구조물에 상대적으로 많은 디펙스(defect)가 발생하게 된다. 이러한 디펙트로 인해 분자 결합 구조가 견고하지 못하게 되므로, 발광 구조물(11)의 측면에 경사면을 형성하는 습식 에칭 공정에서 사파이어 기판(10)에 가까운 영역의 식각되는 양이 더욱 커지게 되어 경사도가 증가하게 된다. 또한, 요철 패턴(103)이 형성된 영역과 그렇지 않은 영역 간의 식각량 차이로 인해, 발광 구조물(11)의 측면 경사면에는 수직 방향으로 복수개의 그루브(groove)가 형성될 수 있다. 이러한 그루브(groove)로 인해 발광 구조물(11)의 측면 방향으로의 광추출 효율은 더욱 향상될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4에 도시된 실시형태들에서, 사파이어 기판(10)의 측면에는 적어도 하나의 개질 영역(101, 102)가 형성될 수 있다.
상기 개질 영역(101, 102)은 웨이퍼 상태의 사파이어 기판을 절개하는 과정에서, 웨이퍼 내부의 소정 높이에 수평방향을 따라 조사되는 레이저에 의해 형성될 수 있다. 즉, 도 1내지 도 4에서, 개질 영역(101, 102)은 웨이퍼 상태의 사파이어 기판의 상부 또는 하부에서 해당 높이로 포커싱 되어 수평방향을 따라 복수회 조사되어 형성될 수 있다.
상기 사파이어 기판(10)의 내부로 포커싱 되어 조사되는 레이저는 적외선 소스를 이용한 펨토초(femto-second) 펄스 레이저 또는 피코초(pico-second) 펄스 레이저일 수 있다. 이 적외선 소스를 이용한 펨토초(femto-second) 펄스 레이저 또는 피코초(pico-second) 펄스 레이저는 적외선 소스 레이저에 비해 필터를 적게 사용할 수 있음으로 인해 더욱 강력한 내부 가공이 가능하며 짧은 시간에 비열가공이 가능하므로 소자의 손상을 감소시킬 수 있다.
상기 레이저는 웨이퍼 상태의 사파이어 기판을 분할하여 개별 소자를 형성하는 과정에서, 개별 소자들의 분리면에 조사되는 것으로, 레이저 조사 후 개별 소자 분리 과정이 이루어지면 분리면에 개질 영역(101, 102)을 형성할 수 있다.
상기 개질 영역(101, 102)은 소자의 수평 방향을 따라 소정 간격으로 이루어지는 레이저 조사에 의해 기판 측면에 수평방향으로 띠 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
이러한 개질 영역(111, 112)은 사파이어 기판(10)의 측면에 요철을 형성함으로써, 사파이어 기판(10)의 내부에서 외부로 방출되는 광의 내부 전반사를 감소시켜 소자 측면 방향으로의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 개질 영역(101, 102)의 개수는 사파이어 기판(10)의 두께에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 사파이어 기판에 형성되는 개질 영역 형성 예를 도시한 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)에 도시한 것과 같이, 전체 두께가 150 ㎛인 소자에서는, 사파이어 기판(10)의 하면으로부터 70 ㎛의 높이에 포커스를 맞추어 레이저를 조사하여 하나의 개질 영역(101)을 형성하거나, 사파이어 기판(10)의 하면으로부터 40 ㎛의 높이 및 100 ㎛의 높이에 포커스를 맞추어 레이저를 조사하여 두 개의 개질 영역(101, 102)을 형성할 수 있다.
또한, 도 5의 (c)에 도시한 것과 같이, 전체 두께가 180 ㎛인 소자에서는 사파이어 기판(10)의 하면으로부터 40 ㎛, 90 ㎛ 및 140 ㎛의 높이에 각각 포커스를 맞추어 레이저를 조사하여 세 개의 개질 영역(101, 102, 103)을 형성할 수 있다.
또한, 도 5의 (d)에 도시한 것과 같이, 전체 두께가 200 ㎛인 소자에서는 사파이어 기판(10)의 하면으로부터 40 ㎛, 110 ㎛ 및 160 ㎛의 높이에 각각 포커스를 맞추어 레이저를 조사하여 세 개의 개질 영역(101, 102, 103)을 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 레이저가 조사되는 위치를 적절하게 조정하여 개질 영역을 형성함으로써 다양한 두께를 갖는 소자의 분리에 적용될 수 있다. 이 과정에서, 사파이어 기판(10)의 상면에 형성된 발광 구조물(11)의 손상을 방지하기 위해, 상기 개질 영역은 상기 발광 구조물(11)이 형성된 사파이어 기판(10) 상면으로부터 적어도 30 ㎛ 이격된 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 사파이어 기판 분리의 용이성 및 레이저 조사 회수의 효율성을 고려하여, 복수 개의 개질 영역을 형성하는 경우에, 각 개질 영역 간의 간격은 40 내지 90 ㎛ 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.
먼저, 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 도 6a에 도시된 것과 같이, 사파이어 기판(10)의 상면에 순차적으로 n형 질화물 반도체층(111), 활성층(112) 및 p형 질화물 반도체츠(113)을 적층하여 발광 구조물(11)을 형성하는 단계로부터 시작된다. 도 6a 내지 도 6e는 상면에 요철 패턴(103) 사파이어 기판(10)을 사용하는 예를 도시하지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
이어, 도 6b에 도시한 것과 같이, 발광 구조물(11)의 일부 영역(D)을 제거하여 사파이어 기판(10)의 일부 영역을 노출시킬 수 있다. 상기 발광 구조물(11)의 제거되는 영역(D)은 개별 단위 소자로 분리하기 위한 영역이 될 수 있다. 이 발광 구조물(11)의 일부 영역을 제거하는 과정은 건식 에칭 또는 레이저 조사 등의 기법을 이용하여 발광 구조물(11)을 제거하는 과정일 수 있다.
이어, 도 6c에서 도시한 것과 같이, 상기 사파이어 기판(10)의 노출된 영역에 의해 형성된 상기 발광 구조물(11)의 측면을 습식 에칭하여, 상기 사파이어 기판의 상면과 예각을 형성하는 경사면을 형성할 수 있다. 이 습식 에칭 과정에서는 수산화물(예를 들어, 수산화칼륨 또는 수산화 나트륨) 및 산 계열 물질(예를 들어, 황산, 인산, 질산 및 이들의 혼합물)을 에천트로 이용할 수 있다. 이러한 습식 에칭 기법을 적용함으로써, 비교적 분자 결합 구조가 안정적이지 못한 사파이어 기판에 가까운 영역의 발광 구조물에서 많은 양의 식각이 이루어지고 기판에서 멀어질수록 식각량이 감소함으로써, 발광 구조물의 측면에 경사면이 형성될 수 있다.
이어, 개별 단위 소자로 분리하기 위해, 도 6d에 도시한 것과 같이 사파이어기판(10)의 내부의 특정 영역(P)에 포커싱된 레이저를 조사할 수 있다. 도 6d에 도시된 과정은, 상기 사파이어 기판(10)의 내부의 적어도 일 높이(P)에 포커싱된 레이저를, 상기 사파이어 기판(10)의 상면 또는 하면으로부터 개별 소자의 분리면을 따라 소정 간격 이격시켜 복수회 조사하여 상기 사파이어 기판을 분할하는 과정일 수 있다. 이러한 사파이어 기판(10) 내부로 포커싱 된 레이저 조사에 의해 전술한 개질 영역이 개별 단위 소자의 사파이어 기판 측면에 형성될 수 있다.
전술한 도 6a 및 도 6d의 과정을 통해 도 6e에 도시한 것과 같이, 사파이어 기판(10)의 측면에 개질 영역(101, 102)이 형성되고, 발광 구조물(11)의 측면이 사파이어 기판(10)의 상면과 예각을 형성하는 경사면으로 완성될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 각 개별 단위 소자의 n측 전극 및 p측 전극을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 6d에 도시된 공정에 의해 사파이어 기판(10)을 개별 단위 소자로 분리하기 이전에, 전극 형성하는 과정이 포함될 수 있다. 특히, n측 전극의 형성 과정은, n형 질화물 반도체층(111)의 상면 일부를 노출하도록 발광 구조물의 측면으로부터 이격된 영역의 활성층(112) 및 p형 질화물 반도체층(113) 일부를 제거하여 홀(도 1내지 도 4의 H)을 형성하는 단계와, 상기 홀에 의해 노출된n형 질화물 반도체층(111) 상면에 n 측 전극(도 1 내지 도 4의 114)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 실제 구현 사진을 통해 본 발명의 작용 효과를 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 일 측면에 대한 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 7에서 참조부호 ‘10’은 기판이고 ‘11’는 발광 구조물이며, ‘101’은 개질 영역이다. 전술한 바와 같이, 개질 영역(101)은 적외선 소스를 이용한 펨토초 레이저 또는 피코초 레이저를 기판(10)의 상면 또는 하면에서 수평방향을 따라 소정 간격으로 복수 회 조사하여 형성된 것이다. 도 7에서 참조부호 ‘R’로 표시된 부분은 레이저가 직접 조사된 영역을 나타내고, 이러한 레이저 조사 영역의 주변에 레이저의 에너지를 흡수하여 사파이어의 물성이 변질되는 개질 영역이 형성된다. 레이저 조사에 의해 기판 내부에 형성된 개질 영역은 개별 소자로 분리 후 개별 소자의 측면에 노출된다. 이 개질 영역이 갖는 무작위의 요철 형상은 소자의 내부에서 개질 영역으로 입사되는 빛이 입사되는 각도를 변형하여 내부 전반사를 감소시키고 이로 인해 사파이어 기판의 측면 광추출 효율이 향상될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자를 전자 현미경으로 촬영한 평면 사진이며, 도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 발광 구조물의 측면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 발광 구조물(11)의 측면은 습식 에칭에 의해 경사면이 형성될 뿐만 아니라, 식각량 차이로 인해 불규칙적인 형상을 갖는 수직 방향의 그루브(G)가 형성될 수 있다. 이러한 그루브(G)로 인해 발광 구조물의 측면은 무작위의 요철을 포함하게 되고, 이러한 요철에 의해 소자의 내부에서 측면 방향으로 입사되는 빛이 입사되는 각도를 변형하여 내부 전반사가 감소되고 측면 광추출 효율이 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자와 통상의 반도체 발광 소자의 발광 분포를 비교한 사진이다.
도 10의 (a)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자는 발광 소자의 측면에서 많은 양의 광 방출이 이루어짐을 확인할 수 있다. 이에 반해 도 10의 (b)에 도시된 통상의 도체 발광 소자는 측면으로의 광 방출이 매우 미약함을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태들은, 반도체 발광 소자의 발광 구조물 측면을 경사면으로 형성함으로써 발광 구조물 측면 방향으로 광추출 효율이 향상된다. 특히, 발광 구조물의 측면에 수직방향의 그루브가 형성됨으로써 광추출 효율은 더욱 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태는, 반도체 발광 소자의 사파이어 기판 측면에 개질 영역에 의한 요철 형성을 통해 기판의 측면으로도 광추출 효율이 향상된다. 더하여, 본 발명의 일 실시형태에서는 사파이어 기판을 분리하는 과정에서 레이저 조사 높이를 다양하게 결정하여 두꺼운 사파이어 기판도 용이하게 분리할 수 있다.
10: 사파이어 기판 101, 102: 개질영역
11: 발광 구조물 111: n형 질화물 반도체층
112: 활성층 113:p형 질화물 반도체층
114: n측 전극 115: p측 전극

Claims (18)

  1. 사파이어 기판; 및
    상기 사파이어 기판의 상면에 적층되며 광을 생성하는 활성층을 포함하는 복수의 질화물 에피층으로 이루어진 발광 구조물을 포함하며,
    상기 발광구조물의 적어도 일 외측면은 상기 사파이어 기판의 상면과 예각을 형성하는 경사면으로 형성되며, 상기 경사면으로 형성된 상기 발광 구조물의 외측면은, 수직방향으로 형성된 그루브를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 상면은 요철 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 적어도 일 측면에는, 수평방향으로 형성된 띠 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 개질 영역이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 개질 영역은,
    상기 반도체 발광 소자의 상부 또는 하부에서 수평방향을 따라 소정 간격 이격하여 조사되는 레이저에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 개질 영역은,
    상기 질화물 구조물이 형성된 기판 상면으로부터 적어도 30 ㎛ 이격된 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 개질 영역이 복수 개 형성되는 경우, 각 개질 영역 간의 간격은 40 내지 90 ㎛ 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 레이저는, 적외선 소스를 이용한 펨토초 또는 피코초 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물은 상기 사파이어 기판 상면으로부터 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층, 상기 활성층, p형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층의 상면 일부를 노출하도록 상기 발광 구조물의 측면으로부터 이격되어 형성된 홀을 포함하며,
    상기 홀에 의해 노출된n형 질화물 반도체층 상면에 형성된 n측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  10. 사파이어 기판의 상면에 광을 생성하는 활성층을 포함하는 복수의 질화물 에피층으로 이루어진 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물의 일부 영역을 제거하여 상기 사파이어 기판의 일부 영역을 노출시키는 단계;
    상기 사파이어 기판의 노출된 영역에 의해 형성된 상기 발광 구조물의 외측면을 습식 에칭하여, 상기 발광 구조물의 외측면이 상기 사파이어 기판의 상면과 예각을 형성하도록 경사면을 형성하는 단계; 및
    상기 사파이어 기판을 개별 소자 단위로 분할하여 개별 반도체 발광 소자를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 개별 반도체 발광 소자를 형성하는 단계는, 상기 사파이어 기판의 내부의 적어도 일 높이에 포커싱된 레이저를, 상기 사파이어 기판의 상면 또는 하면으로부터 개별 소자의 분리면을 따라 소정 간격 이격시켜 복수회 조사하여 상기 사파이어 기판을 분할하는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서, 상기 레이저의 포커싱 높이는,
    상기 복수의 질화물 에피층이 형성된 상기 사파이어 기판 상면으로부터 적어도 30 ㎛ 이격된 위치인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 레이저의 포커싱 높이가 복수인 경우, 각 포커싱 높이 간의 간격은 40 내지 90 ㎛ 이격 되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 레이저는, 적외선 소스를 이용한 펨토초 또는 피코초 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 상면은 요철 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 제거하는 단계는,
    상기 발광 구조물의 일부 영역을 건식 에칭 또는 레이저 조사에 의해 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 발광 구조물을 형성하는 단계는, 상기 사파이어 기판 상면으로부터 순차적으로 n형 질화물 반도체층, 상기 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 적층하여 상기 발광 구조물을 형성하는 단계이며,
    상기 n형 질화물 반도체층의 상면 일부를 노출하도록 상기 발광 구조물의 측면으로부터 이격된 영역의 상기 활성층 및 상기 p형 질화물 반도체층 일부를 제거하여 홀을 형성하는 단계; 및
    상기 홀에 의해 노출된n형 질화물 반도체층 상면에 n 측 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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