KR101305876B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 볼록한 상부를 갖는 기판; 상기 볼록한 기판 상부에 형성된 발광 구조물을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 볼록하게 굽어진 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성되며 볼록하게 굽어진 활성층; 상기 활성층 위에 형성되며 볼록하게 굽어진 제 2도전성 반도체층을 포함한다.
반도체, 발광소자, 기판

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof}
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 소자(light emitting diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여, 전기 에너지를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시킨 신호를 발신하는데 사용되는 소자이다. 현재 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드가 실용화되고 있다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 화합물 반도체는 직접천이형 반도체이며, 다른 반도체를 이용한 소자보다 고온에서 안정된 동작을 얻을 수 있어서, 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드(laser diode : LD) 등의 발광 소자에 널리 응용되고 있다.
이와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물계 화합물 반도체는 통상 사파이어(sapphire : Al2O3)를 기판으로 이용하여 그 위에 형성되는 것이 일반적이며, 발광 효율, 즉 광의 추출 효율의 향상시키기 위하여 다양한 구조의 발광 다이오드에 관한 연구가 진행되고 있다. 현재 발광소자의 광 추출 영역에 요철 구조를 형성시켜 광 추출 효율을 향상시키고자 하는 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 실시 예는 기판 상부가 볼록한 형상으로 형성됨으로써, 활성층의 내부 양자효율을 극대화할 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예는 기판 상부가 볼록하고 요철 형태로 형성됨으로써, 내부 양자 효율을 극대화할 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 볼록한 상부를 갖는 기판; 상기 볼록한 기판 상부에 형성된 발광 구조물을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는 볼록하게 굽어진 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성되며 볼록하게 굽어진 활성층; 상기 활성층 위에 형성되며 볼록하게 굽어진 제 2도전성 반도체층을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 기판의 상부를 볼록하게 형성하는 단계; 상기 기판의 볼록한 상부에 발광 구조물을 포함하는 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 기판의 굽어진 상부로 인해 그 위에 형성되는 반도체층을 소정의 곡률로 굽어지게 형성해 줌으로써, 활성층의 내부 양자 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
또한 기판의 굽어진 상부에 요철 패턴을 형성해 줌으로써, 외부 양자 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이며, 도 2는 도 1의 기판 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 상부(112)가 볼록한 기판(110), 버퍼층(120), 언도프드 반도체층(130), 제 1도전성 반도체층(140), 활성층(150), 제 2도전성 반도체층(160)을 포함한다.
상기 기판(110)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 발광소자의 전극 형성 전에 제거될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 상기 기판(110)의 상부(112)는 소정의 곡률을 갖고 볼록하게 굽어진 형상으로 형성된다. 즉, 기판 상부(112)는 칩 사이즈(a)이고, 양측 저점(P1)에서 중앙 고점(P2)으로 소정의 곡률로 굽어져 연결될 수 있는 활 형상, 볼록렌즈 형상, 반 타원형 등으로 형성될 수 있다.
이러한 기판(110)은 식각 공정을 통해 상부(112)가 볼록한 형상으로 형성될 수 있다.
기판(110)의 상부(112)는 중앙의 고점(P2)이 가장 높고 양측 저점(P1)이 가장 낮은 완만한 곡선 형태로 굽어져 연결되는 데, 상기 기판(110)의 상부(112)에서 양측 저점(P1)의 수평 선상을 기준으로 중앙 고점(P2)의 높이(b)는 1~100um로 형성될 수 있다.
상기 기판(110)의 상부(112)에는 발광 구조물을 포함하는 하나 이상의 반도체층이 형성되는 데, 상기 반도체층의 각 층은 얇은 박막이 볼록한 형태(예: 활)로 굽어지는 구조로 형성될 수 있다. 여기서 발광 구조물은 발광을 위한 반도체 구조물로서, 적어도 하나의 n형 반도체층 및 p형 반도체층, 그리고 상기 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함한다.
이러한 기판(110)의 볼록한 상부(112)에는 버퍼층(120), 언도프드 반도체층(130), 제 1도전성 반도체층(140), 활성층(150), 제 2도전성 반도체층(160)이 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(120)은 상기 기판(110)과의 격자 상수 차이를 줄여주기 위한 층으로서, GaN 버퍼층, AlN 버퍼층, AlGaN 버퍼층, InGaN 버퍼층 등이 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 언도프드 반도체층(130)은 undoped GaN층으로 구현될 수 있다. 상기 기판(110) 위에는 상기 버퍼층(120) 및 언도프드 반도체층(130) 중 어느 하나의 층만 형성하거나 형성하지 않을 수도 있다.
상기 언도프드 반도체층(130) 위에는 제 1도전성 반도체층(140)이 형성된다. 상기 제 1도전성 반도체층(140)은 예컨대, n형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 n형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, n형 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑된다. 여기서, 언도프 반도체층(130)과 제 1도전성 반도체층(140) 사이에는 도펀트가 도핑된 반도체층이 더 형성될 수도 있으며, 이에 한정하지는 않는다.
상기 제 1도전성 반도체층(140) 위에는 활성층(150)이 형성된다. 상기 활성층(150)은 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조를 갖는다. 상기 활성층(150)의 위 및 아래에는 도전성 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 상기 도전성 클래드층은 AlGaN층으로 구현될 수 있다.
상기 활성층(150) 위에는 제 2도전성 반도체층(160)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(160)은 예컨대, p형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 p형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, p형 도펀트(예: Mg)가 도핑된다.
이와 같이 기판(110)의 볼록한 상부(112)에 적층되는 반도체층들(120~160) 중 적어도 하나는 상기 볼록한 기판 상부(112)의 곡률에 따라 볼록한 박막 형태로 굽어지게 형성할 수 있다. 이때 볼록한 박막 형태로 굽어지는 활성층(150)의 면적이 증가됨으로써, 내부 양자 효율이 개선되어 광도가 개선될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 pn구조, np구조 npn구조 및 pnp 구조 중에서 어느 하나로 구현될 수 있으며, 수평형 반도체 발광소자 또는 수직형 반도체 발광소자로 구현될 수도 있다. 상기 수평형 반도체 발광소자는 기판(110) 위에 상기와 각 층이 형성될 수 있으며, 수직형 반도체 발광소자는 상기의 기판(110)이 제거되고 제 2도전성 반도체층(160) 위에 전도성 지지기판이 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 기판의 상부 구조의 예들을 나타낸 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판 상부(112A)는 서로 대칭되는 좌/우 저점(P3)에서 중앙의 고점(P4)으로 완만한 곡선 형태로 연결되는 굽어진 형상으로 형성되거나, 도 4에 도시된 바와 같이 기판 상부(112B)는 앞/뒤 저점(P5) 및 중앙의 고점(P6)을 연결되는 완만한 곡선 형태로 굽어진 형상으로 형성될 수 있다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이 기판 상부(112C)는 좌/우 저점 및 앞/뒤 저점과 중앙의 고점을 완만한 곡선 형태로 연결하는 굽어진 형상으로 형성할 수 있으며, 저점이나 고점의 위치나 개수에 대해 한정하지는 않는다.
도 6은 기판 상부 구조의 다른 예이다.
도 6에 도시된 바와 기판 상부(114)는 칩 사이즈로 볼록하게 형성되고, 상기 볼록한 상부 표면이 요철 형상으로 형성된다. 상기 요철 형상의 철 구조는 반구형, 다면체 등으로 형성될 수 있으며, 상기 기판(110)의 상부(114) 구조에서는 고점(P8)의 높이(b)가 상부 저점(P7)을 기준으로 1~100um로 형성될 수 있다. 이러한 기판(110)의 상부(114) 구조가 볼록한 표면에 요철 형상을 더 형성해 줌으로써, 외부 양자 효율을 증가시켜 줄 수 있다.
또한 도 7에 도시된 바와 같이, 기판 상부(114A)는 칩 사이즈의 볼록한 구조에 스트라이프 형태의 요철 형상이 형성될 수 있으며, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판 상부(114B)는 칩 사이즈의 볼록한 구조에 다수개의 원뿔, 반구형, 다면체 형상의 패턴(114C)이 형성될 수 있으며, 상기 요철 패턴은 규칙적으로 형성되거나 랜덤한 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조 물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 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 실시 예에 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.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 단면도.
도 2는 도 1의 기판 측 단면도.
도 3은 도 1의 기판의 상부 구조의 제 1변형 예를 나타낸 도면.
도 4는 도 1의 기판 상부 구조의 제 2변형 예를 나타낸 도면.
도 5는 도 1의 기판 상부 구조의 제 3변형 예를 나타낸 도면.
도 6은 실시 예에 따른 기판의 상부 구조의 다른 예를 나타낸 도면.
도 7은 도 6의 기판 상부 구조의 제 1변형 예를 나타낸 도면.
도 8은 도 6의 기판 상부 구조의 제 2변형 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 발광소자 110: 기판
112,112A,112B,112C,114,114A,114B : 기판 상부
120 : 버퍼층 130 : 언도프드 반도체층
140 : 제 1도전성 반도체층 150 : 활성층
160 : 제 2도전성 반도체층

Claims (21)

  1. 볼록한 상부를 갖는 기판;
    상기 볼록한 기판 상부에 형성된 발광 구조물을 포함하며,
    상기 기판의 상부는 중앙에 가장 높은 고점과 외측에 가장 낮은 저점을 갖고,
    상기 기판의 상부는 상기 저점부터 상기 고점까지 소정의 곡률을 갖고 굽어진 볼록한 형상으로 형성되고,
    상기 발광 구조물은 상기 저점과 상기 고점 위에 형성되며, 복수개의 도전성 반도체층과 상기 복수개의 도전성 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 저점은 상기 기판의 측면들 중 적어도 2측면 상에 위치하는 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판의 저점은 상기 기판의 측면들 중 서로 대응되는 양 측면 상에 위치하는 반도체 발광소자.
  4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 고점은 상기 저점의 수평 선상을 기준으로 1~100um 범위의 높이로 형성되는 반도체 발광소자.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 기판의 저점은 상기 기판의 전 측면들 상에 위치하는 반도체 발광소자.
  6. 제4항에 있어서,상기 기판의 상부에는 상기 기판의 상부로부터 돌출된 요철 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 반구형, 볼록 렌즈형, 원뿔형, 다면체, 스트라이프의 요철 패턴 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
  8. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, 및 GaAs 중 어느 하나인 반도체 발광소자.
  9. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판과 발광 구조물 사이에는 버퍼층 및 언도프드 반도체층 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 복수의 도전성 반도체층 및 활성층 중 적어도 한 층은 상기 기판의 상부의 곡률에 따라 형성되는 반도체 발광소자.
  11. 볼록하게 굽어진 제 1도전성 반도체층;
    상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성되며 볼록하게 굽어진 활성층;
    상기 활성층 위에 형성되며 볼록하게 굽어진 제 2도전성 반도체층을 포함하며,
    상기 제1도전성 반도체층은 외측의 저점부터 중앙의 고점까지 볼록하게 굽어진 반도체 발광소자.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층은 볼록하게 굽어진 곡률이 서로 동일하게 형성되는 반도체 발광소자.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 활성층 및 제 2도전성 반도체층 각각은 외측의 저점부터 중앙의 고점까지 볼록하게 굽어지는 반도체 발광소자.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1도전성 반도체층 아래에는 볼록하게 굽어진 언도프드 반도체층 및 버퍼층 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1도전성 반도체층 아래에 형성된 상부 전체가 볼록하게 굽어진 기판을 포함하는 반도체 발광소자.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1도전성 반도체층 아래에 형성된 상부 전체가 볼록하게 굽어지고 그 볼록한 상부에 요철 패턴이 형성된 기판을 포함하는 반도체 발광소자.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 그리고 GaAs로 이루어진 군에서 선택될 수 있는 반도체 발광소자.
  18. 기판의 상부가 볼록하게 굽어지도록 형성하는 단계;
    상기 기판의 볼록한 상부에 발광 구조물을 포함하는 반도체층을 적층하는 단계를 포함하며,
    상기 기판의 상부는 중앙에 가장 높은 고점과 외측에 가장 낮은 저점을 갖고,
    상기 기판의 상부는 상기 저점부터 상기 고점까지 소정의 곡률을 갖고 굽어진 볼록한 형상으로 형성되고,
    상기 발광 구조물은 상기 저점과 상기 고점 위에 형성되며, 복수개의 도전성 반도체층과 상기 복수개의 도전성 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 기판의 저점은 상기 기판의 측면들 중 적어도 2측면 상에 위치하는 반도체 발광소자 제조방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 저점과 고점 사이의 높이 차는 1~100um로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 복수개의 도전성 반도체층 및 상기 활성층은 상기 기판 상부의 볼록한 곡률에 따라 볼록한 형태로 굽어지게 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
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