KR101305761B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판 위에 성장되고, 표면에 하나 이상의 패턴이 형성되는 버퍼층; 화합물반도체로 이루어지고 버퍼층 상에 성장되어 N측 전극패드를 구비하는 N형 반도체층; 상기 N형 반도체층 상에 성장되고 광을 발생시키는 활성층; 및 화합물반도체로 이루어지고 상기 활성층 상에 성장되어 P측 전극패드를 구비하는 P형 반도체층을 포함한다. 또한, 상기 버퍼층은 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터의 두께를 이루어 성장되고, 상기 버퍼층에 형성되는 패턴은 요철 형태를 이루며, 상기 패턴은 식각 공정을 통하여 형성된다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자에 의하면, 적층 구조 상 하향되는 빛의 방출 특성을 개선하는데는 한계가 있으므로, 버퍼층 상에서 빛이 하향되지 않고 대부분 측면으로 방출되도록 방향전환시킴으로써 전체 발광 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있으며, 종래 기술과 비교하여 간단한 공정으로도 발광 효율이 좋은 반도체 발광소자를 생산할 수 있게 된다.

Description

반도체 발광소자{Semiconductor light emitting diode}
도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구조를 예시적으로 도시한 측단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 구조를 예시적으로 도시한 측단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조 공정을 예시적으로 도시한 공정도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 버퍼층에 형성되는 패턴의 제1실시예를 예시적으로 도시한 상측 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 버퍼층에 형성되는 패턴의 제2실시예를 예시적으로 도시한 상측 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100: 본 발명에 의한 반도체 발광소자
110: 기판 120: 버퍼층
122: 제1실시예에 따른 패턴 124, 126: 제2실시예에 따른 패턴
130: N형 반도체층 140: 활성층
150: P형 반도체층 160: 투명전극층
170: N형 전극패드 180: P형 전극패드
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용되는 소자이다.
보통 LED의 사용 범위는 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 종류는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나뉘어 진다.
보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다.이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.
상기와 같이 LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등 요구되는 휘도의 량도 갈수록 높아져서, 최근에는 고출력 발광 다이오드에 대한 개발이 활발히 진행 중이다.
특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 반도체광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있다. 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭을 가지고, 이를 이용한 밴드갭 엔지니어링은 하나의 반도체상에서 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
최근, 질화물 반도체를 이용한 청색 및 녹색 발광소자의 개발은 광디스플레이 시장에 일대 혁명을 몰고 왔으며, 앞으로도 고부가가치를 창출할 수 있는 유망 산업의 한 분야로 여겨지고 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 이러한 질화물 반도체광소자에 있어서 보다 많은 산업상의 이용을 추구하려면 역시 발광휘도를 증가시키는 것이 선결되어야 할 과제이다.
도 1은 일반적인 반도체 발광소자(10)의 구조를 예시적으로 도시한 측단면도인데, 기판(11), 버퍼층(12), N형 반도체층(13), 활성층(14), P형 반도체층(15), P측 전극패드(16) 및 N측 전극패드(17) 등으로 구성된다.
상기 기판(11)은 상층에 GaN 버퍼층(12)이 형성되어 양질의 질화물이 성장되도록 하며, 상기 P형 반도체층(15)은 Mg(마그네슘)이 도핑되고 N형 반도체층(13)은 Si(실리콘)이 도핑됨으로써 각 질화 갈륨(GaN) 반도체층이 형성된다.
상기 활성층(14)은 양자우물 구조로서, P형 반도체층(15)을 통하여 흐르는 정공과 N형 반도체층(13)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광을 발생시킨다.
이와 같은 구조를 가지는 반도체 발광소자(10)는 방출되는 빛이 TM(Transparent Metal) 영역에서 흡수되거나 빛이 방출되는 계면에서의 전반사에 의한 광손실에 의하여 광효율이 나빠진다.
본 발명은 내부층의 구조를 개선하고 활성층에서 발생된 빛의 측면 방출 특성을 향상시킴으로써 전체 발광 효율이 높아지도록 한 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판 위에 성장되고, 표면에 하나 이상의 패턴이 형성되는 버퍼층; 화합물반도체로 이루어지고 버퍼층 상에 성장되어 N측 전극패드를 구비하는 N형 반도체층; 상기 N형 반도체층 상에 성장되고 광을 발생시키는 활성층; 및 화합물반도체로 이루어지고 상기 활성층 상에 성장되어 P측 전극패드를 구비하는 P형 반도체층을 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 반도체 발광소자에 포함되는 상기 버퍼층은 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터의 두께를 이루어 성장된다.
또한, 본 발명에 의한 반도체 발광소자의 상기 버퍼층에 형성되는 패턴은 요철 형태를 이루며, 상기 패턴은 식각 공정을 통하여 형성된다.
또한, 본 발명에 의한 반도체 발광소자에 구비되는 상기 활성층은 양자 우물 구조를 이루며, 상기 P형 반도체층은 표면에 투명전극층이 더 구비된다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명하는데, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 구조를 설명함에 있어서, 그 제조 공정을 함께 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 구조를 예시적으로 도시한 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 제 조 공정을 예시적으로 도시한 공정도이다.
도 2에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), N형 반도체층(130), 활성층(140), P형 반도체층(150), 투명전극층(160), P측 전극(180) 및 N측 전극(170)을 포함하여 이루어지는데, 상기 버퍼층(120)에는 패턴(패턴은 도 4 및 도 5에 상세히 도시됨)이 형성되며, 패턴을 형성하기 위해서 상기 버퍼층(120)은 일반적인 반도체 발광소자의 버퍼층보다 두껍게 형성된다.
우선, 상기 기판(110)은 사파이어(Al2O3), Si(실리콘), SiC(실리콘 카바이트), GaAs(갈륨 비소), ZnO(산화 아연) 또는 MgO(산화 마그네슘) 등의 원소 혹은 화합물로 제작될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 사파이어 기판으로 구비된 것으로 한다.
상기 기판(110)은 세정된 후 저압으로 유지되는 유기금속 화학증착용 반응관내에 구비된 서셉터(susceptor)상에 고정된다.
반응관내의 공기가 충분히 제거되면, 수소 가스의 공급이 유지되면서 상기 기판(110)이 약 1090℃의 온도로 10분 정도 가열되어 표면상의 산화막이 제거된다. 이후, 기판(110)의 온도를 약 525℃까지 낮추고 반응관으로 분당 8리터 유량의 수소 가스 및 동일한 유량의 암모니아 가스를 공급하여 기판(110)의 온도가 520℃로 안정될 수 있도록 한다.
상기 기판(110)의 온도가 520℃로 안정화되면 분당 3×105 몰의 트리메틸 갈 륨(TMGa)과 트리메틸 인듐(TMIn), 그리고 분당 3×106 몰의 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 수소 가스 및 암모니아 가스와 함께 상기 반응관 내부로 주입시킴으로써 버퍼층(120)을 성장시킨다(S100).
상기 버퍼층(120)은 기판(110)의 화학적 작용에 의한 멜트백(melt-back) 에칭 등을 방지하는 기능을 수행하는데, 버퍼층(120)의 두께는 약 5μm 내지 15μm정도로 성장되어야 하며(S105), 이렇게 Å의 단위를 가지는 일반적인 반도체 발광소자의 버퍼층보다 두껍게 형성되는 것은, 표면에 패턴을 형성하기 위함이다.
상기 버퍼층(120)은 AlInN/GaN, InxGa1-xN/GaN, AlxInyGa1-x-yN/InxGa1-xN/GaN 등과 같은 적층 구조를 이루어 멀티층으로 형성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 버퍼층(120)에 형성되는 패턴의 제1실시예(122)를 예시적으로 도시한 상측 단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 버퍼층(120)에 형성되는 패턴의 제2실시예(124, 126)를 예시적으로 도시한 상측 단면도이다.
상기 버퍼층(120)이 적당한 두께로 성장되면 그 표면에 패턴이 형성되는데(S110), 도 4를 참조하면 제1실시예에 따른 패턴(122)은 난반사가 가능한 형태로서 렌즈 형태(위로 볼록하거나 아래로 오목한 형태 모두 가능함)를 이루고, 도 5에 의하면, 제2실시예에 따른 패턴(124, 126)은 요철 구조를 이루는데, 도시된 요철구조는 직선형의 홈부(124)와 돌기부(126)를 가지는 것으로 도시되었으나 길이 방향으로 나뉘는 등 그 형상은 여러가지로 변형될 수 있다.
상기 패턴(122, 124, 126)은 포토 레지스트 공법에 의하여 식각됨으로써 형성될 수 있는데, 식각 공정은 건식 식각, 습식 식각 모두 가능하다.
식각 공정은 약 20분간 진행되며 습식 식각을 하게 되면 등방성 식각 특성으로 인하여 동일한 수평/수직 비율로 식각되므로 패턴의 형상에 따라 식각 방식이 선택될 수 있다.
건식 식각으로는 이온 충격에 의한 물리적 방법, 플라즈마 속에서 발생된 반응 물질에 의한 화학적 방법 등이 있으며, 건식 식각 방식으로 패턴이 형성되는 경우 RIE(Reactive Ion Etcher: 반응 이온 식각 장치; 식각될 반도체 소자가 고주파 전류가 공급되는 하단 전극판 위에 장착되고, 접지된 반응 용기에 상단 전극판이 위치되는 구조를 가짐)가 이용될 수 있다.
본 발명에서, 버퍼층(120)의 두께가 조정되고 패턴(122, 124, 126)이 형성됨으로써, 도 2에 화살표로 표시된 것처럼 일부의 빛만이 하향되고, 대부분의 빛은 버퍼층(120) 상에서 측면으로 방출될 수 있다.
즉, 상기 버퍼층(120)의 두께 및 패턴(122, 124, 126) 모두 빛의 측면 방출 효과에 기여하는데, 도 4 및 도 5를 참조하면 패턴(122, 124, 126)을 형성하기 전의 버퍼층(120)의 두께가 종래보다 두껍게 형성되어야 함을 알 수 있다.
이어서, 온도를 다시 1000℃ 정도로 상승시킨 후, 트리메틸 갈륨을 분당 7×105 몰의 유량으로 수소 가스 및 암모니아 가스와 함께 상기 반응관에 주입하여 상기 언도프 질화갈륨층을 성장시키고, 사일렌(SiH4) 가스를 분당 7×109 몰로 상기 반응관 내부로 유입하여 N형 반도체층(130)을 형성한다(S115).
상기 N형 반도체층(130)이 형성되면, 온도를 700℃ 정도로 낮추고 트리메틸 갈륨 및 트리메틸 인듐을 주입하면서 질소 분위기에서 활성층(140)을 성장시킨다(S120).
상기 활성층(140) 위로, P형 반도체층(150)이 성장되는데(S125), 성장 온도를 1010℃로 상승시키고 트리메틸갈륨 및 cp2마그네슘을 주입시킴으로써 P형 반도체층(150)이 형성된다.
상기 P형 반도체층(150)은 N형 반도체층(130)과 마찬가지로 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체로 이루어질 수 있으며, P형 반도체층(150)의 정공과 N형 반도체층(130)의 전자가 활성층에서 결합되는 과정에서 광이 방출되게 된다.
또한, 상기 활성층(140)은 유기금속기상성장법 등 다양한 방법에 의해서 성장가능하며, 양자우물구조를 가지는데, 성장 초기에 활성층(140)은 그레인(grain)을 형성하면서 증착이 진행되고, 증착이 진행되면서 그레인들이 융합함에 따라 점점 커지게 되고, 소정 크기의 나노-홀이 형성된다.
상기 나노-홀이 적정의 크기로 성장된 뒤에는, 그 내부에 양자성 물질이 채워져 양자점이 형성된다. 상기 양자점을 형성하는 물질로는 InGaN, InGaAs, InGaP등이 사용될 수 있다.
상기 P형 반도체층(150)의 위로 광투과율이 좋고 전류 확산을 증가시키는 투명전극층(ITO(Indium-Tin-Oxide; 인듐산화주석) 등의 투과도가 높은 전극 재료가 사용될 수 있음)(160)이 형성되고(S130), 이후 N측 전극패드(170)를 형성하기 식각 공정이 진행된다(S135).
상기 투명전극층(160)으로부터 N형 반도체층(130)의 일부까지 식각되면, N형 반도체층(130)의 식각 영역 위로 N측 전극패드(170)가 증착된다.
상기 N측 전극패드(170)의 증착 기술로는, 가령 APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 구리나 고순도 알루미늄(Al2O3) 등을 이용한 금속박막증착 등이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 투명전극층(160) 위로는 N측 전극패드(170)와 유사한 방식으로 P측 전극패드(180)가 형성됨으로써(S140) 본 발명에 의한 반도체 발광소자(100)가 완성된다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 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 실시예에 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.
본 발명에 의한 반도체 발광소자에 의하면, 적층 구조 상 하향되는 빛의 방출 특성을 개선하는데는 한계가 있으므로, 버퍼층 상에서 빛이 하향되지 않고 대부 분 측면으로 방출되도록 방향전환시킴으로써 전체 발광 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있으며, 종래 기술과 비교하여 간단한 공정으로도 발광 효율이 좋은 반도체 발광소자를 생산할 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 5 마이크로 미터 내지 15 마이크로 미터의 두께로 성장되고, 상기 기판과 면접촉하는 평편한 하면, 상기 하면과 반대되는 상면, 및 상기 상면 전체에 균일하게 형성되어 있는 복수의 패턴을 포함하는 버퍼층;
    화합물반도체로 이루어지고 상기 버퍼층의 상면 상에 성장되어 N측 전극패드를 구비하는 N형 반도체층;
    상기 N형 반도체층 상에 성장되고 광을 발생시키는 활성층; 및
    화합물반도체로 이루어지고 상기 활성층 상에 성장되어 P측 전극패드를 구비하는 P형 반도체층을 포함하고,
    상기 버퍼층은 다수의 반도체층의 적층 구조를 가지고,
    상기 반도체층의 적층 구조는 서로 상이한 굴절률을 갖는 다수의 질화물 반도체층을 포함하고,
    상기 다수의 질화물 반도체층은 AlInN/GaN, InxGa1-xN/GaN 및 AlxInyGa1-x-yN/InxGa1-xN/GaN 중 하나를 포함하고,
    상기 패턴은 제1 수평 방향을 따라 홈부와 상기 홈부로부터 돌출된 돌기부가 교대로 형성되고,
    상기 홈부 및 상기 돌기부 각각은 상기 버퍼층의 서로 마주하는 제1 측면으로부터 제2 측면으로 연장 형성되며,
    상기 돌기부는 하부와 상기 하부 위의 상부를 포함하고,
    상기 돌기부의 하부와 상기 돌기부의 상부는 동일한 폭을 가지고,
    상기 홈부는 하부와 상기 하부 위의 상부를 포함하고,
    상기 홈부의 하부와 상기 홈부의 상부는 동일한 폭을 가지고,
    상기 돌기부의 하부와 상기 홈부의 하부는 동일한 폭을 가지며,
    상기 홈부 및 상기 돌기부 각각은 상기 제1 수평 방향에 수직인 제2 수평 방향을 따라 형성되는 반도체 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 패턴은
    요철 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 P형 반도체층 및 N형 반도체층 중 하나 이상의 층은
    Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 기판은
    사파이어, Si, SiC, GaAs, ZnO 또는 MgO 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 활성층은
    양자 우물 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 P형 반도체층은
    표면에 투명전극층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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