KR101381983B1 - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n-형 반도체 층, 활성층, p-형 반도체 층 및 투명 전극층을 포함하고, 상기 투명전극층 표면에 요철이 형성된 것을 특징으로 한다.
이로써, 발광 소자의 투명전극 표면 및 N형 반도체층 표면에 소정의 거칠기를 갖는 요철을 형성하여 발광 소자의 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

발광 소자{Luminescence device}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 투명전극 및 N 반도체층의 표면 처리에 관한 것이다.
종래의 발광 소자는 사파이어 기판 상에 N-GaN층, 활성층 및 P-GaN층을 순차적으로 형성한다. 이때, N-GaN층 하부의 사파이어 기판이 부도체이기 때문에 N-GaN층 상부의 활성층과 P-GaN층의 일부를 식각하여 N-GaN층을 노출시켜 이를 외부 전원과 연결하였다. 또한, P-GaN층의 저항 성분이 매우 크기 때문에 P-GaN층 상부 표면에 균일하게 전압을 인가할 수 있도록 투명전극을 형성하였다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 공정에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 사파이어(Al2O3) 기판(10) 상에 N-GaN층(20), 활성층(30) 및 P-GaN층(40)을 순차적으로 형성한다.
도 1b를 참조하면, 소정의 패터닝 공정을 통해 P-GaN층(40) 및 활성층(30)의 일부를 제거하여 N-GaN층(20)의 일부를 노출시킨다. 이를 위해 P-GaN층(40) 상에 감광막 패턴(미도시)을 형성한 다음, 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 하는 식각공정을 통해 P-GaN층(40) 및 활성층(30)을 제거한다. 이때, 감광막 패턴은 N 전극이 형성될 영역을 노출시키는 형상으로 형성한다. 상기 식각공정후 감광막 패턴을 제거한다.
도 1c를 참조하면, P-GaN층(40) 상부에 투명전극(50)을 형성한다. 이를 위해 P-GaN층(40) 상부만을 노출하는 감광막 패턴을 형성한 다음, 노출된 영역에 투명전극(50)을 형성한다.
도 1d를 참조하면, 노출된 N-GaN층(20) 상부에 N전극(60)을 형성하고, 투명전극(50) 상부에 P전극(70)을 형성한다.
상술한 바와 같이 제조된 종래의 발광 소자는 외부 양자 효율이 10%이하로 매우 미비하다. 이는 활성층(30)에서 생성된 광자(빛)가 발광 칩의 상부뿐만 아니라 발광 칩 하부의 사파이어 기판(10)으로도 나가게 된다. 이때 발광 칩의 상부로 발산된 광자의 일부는 매끄러운 투명전극(50) 표면에서 반사되기도 하고, 이렇게 반사된 광자가 활성층(30)에서 생성된 다른 광자와 상쇄되기도 한다. 또한, 발광 칩 하부로 발산된 광자의 대부분은 사파이어 기판(10)에 의해 흡수되거나 기판에서 반사되어 활성층(30)에서 생성된 다른 광자와 상쇄되기도 하기 때문이다.
이에 현재 이러한 발광 소자의 외부 양자 효율을 향상시키기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 투명전극의 표면에 소정의 거칠기를 주어 발광 소자의 양자 효율을 상승시키고, 노출된 N형 반도체층 표면에도 거칠기를 주어 양자 효율을 효과적으로 상승시킬 수 있는 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 기판상에 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층 및 투명전극층을 형성하는 단계와, 상기 투명전극층 표면에 소정의 거칠기를 갖는 요철을 형성하는 단계와, 소정 영역의 상기 투명전극층, 상기 P형 반도체층 및 상기 활성층을 제거하여 상기 N형 반도체층을 노출시키는 단계 및 노출된 상기 N형 반도체층과 상기 투명전극 층에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기의 이온을 이용한 이온처리를 통해 상기 투명전극층 표면에 요철을 둔다. 또한, 상기 요철의 거칠기가 50 내지 50000Å이 되도록 Ar이온을 이용하여 이온처리 한다. 여기서, 소정 영역의 상기 투명전극층, 상기 P형 반도체층 및 상기 활성층을 제거하여 상기 N형 반도체층을 노출시키는 단계는, 투명전극층 상에 소정의 감광막패턴을 형성하는 단계와, 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 하는 제 1 식각공정을 실시하여 상기 투명전극층의 일부를 제거하는 단계와, 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 하는 제 2 식각공정을 실시하여 잔류하는 상기 투명전극층, P형 반도체층 및 활성층을 제거하는 단계 및 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 기판 상에 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층 및 투명전극층을 형성하는 단계와, 소정 영역의 상기 투명전극층의 일부를 제거하는 단계와, 일부가 제거된 영역에 잔류하는 상기 투명전극층 및 그 하부의 상기 P형 반도체층 및 상기 활성층을 제거하여 상기 N형 반도체층을 노출시키며, 상기 N형 반도체층 표면에 소정의 거칠기를 갖는 요철을 형성하는 단계 및 노출된 상기 N형 반도체층과 상기 투명전극 층에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 사파이어 기판과, 상기 사파이어 기판 상에 형성된 N형 반도체층과, 상기 N형 반도체층의 소정 영역 상에 순차적으로 형성된 활성층, P형 반도체층 및 투명전극층 및 상기 N형 반도체층 및 상기 투명전극 상에 각기 형성된 전극을 포함하되, 상기 투명전극층 또는 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 N형 반도체층 표면에 소정의 거칠기를 갖는 발광 소자를 제공한다. 이때, 상기 거칠기가 50 내지 50000Å인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n-형 반도체 층, 활성층, p-형 반도체 층 및 투명 전극층을 포함하고 상기 투명전극층 표면에 요철이 형성된 발광소자를 제공한다.
여기서, 상기 p-형 반도체층과 상기 투명전극층 사이에 고농도 이온 주입층을 더 포함한다. 이때, 상기 요철의 거칠기는 50 내지 50000Å 이고, 바람직하게는, 상기 요철의 거칠기는 100 내지 3000Å 이다.
또한, 상기 투명전극층은 ITO이고, 상기 투명전극층의 하부에 반사금속을 포함한다.
또한, 상기 n-형 반도체층에 형성된 거칠기 50 내지 50000Å의 요철을 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 발광 소자의 투명전극 표면에 소정의 거칠기를 갖는 요철을 형성하여 발광 소자의 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, N형 반도체층 표면에 소정의 거칠기를 갖는 요철을 형성하여 N형 반도체층으로도 발광이 이루어지도록 하여 발광 소자의 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 공정에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 사파이어 기판(110) 상에 N형 반도체층(120), 활성층(130), P형 반도체층(140) 및 투명전극층(150)을 순차적으로 형성한다.
상기의 반도체층(120, 140)과 활성층(130)은 금속유기화학증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자 빔 적층성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물기상성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 포함한 다양한 증착 및 성장방법을 통해 형성된다. N형 반도체층(120)은 N형 불순물이 주입된 질화갈륨(GaN)막을 사용하는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다. 또한, P형 반도체층(140) 또한 P형 불순물이 주입된 질화갈륨막을 사용한다. 또한, P형 반도체층(140)에 고농도 이온주입을 통해 상부의 투명전극층(150)과 P형 반도체층(140)간의 접촉저항을 줄이도록 한다. 상기에서 N형의 불순물로는 Si를 사용하고, P형의 불순물로는 InGaAlP를 사용할 경우에는 Zn을 사용하고, 질화물계일때는 Mg를 사용한다.
또한 활성층(130)으로는 InGaN막을 사용하되, 효율을 높이기 위해 다중양자우물구조를 삽입한다. 이때, 우물층과 장벽층의 조성 및 두께를 제어하여 목표로 하는 파장의 빛을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 구조에 한정되지 않고, 발광소자의 특성에 따라 각각의 층사이에 다양한 층들이 더 형성될 수 있다. 즉, N형 반도체층 하부와 기판 사이에 별도의 버퍼층을 더 형성할 수 있다. 또한, 활성층으로 다수의 막으로 이루어진 층으로 구성할 수도 있다. 상기 투명전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용한다.
도 2b를 참조하면, 표면 요철 처리공정을 통해 투명전극층(150) 표면에 소정의 요철을 준다. 본 발명에 의한 요철의 거칠기(Ra)는 100 내지 3000Å정도인 것이 바람직하다. 이를 위해 본 실시예에서는 소정의 이온을 이용한 이온처리를 통해 투명전극층(150) 표면에 요철을 주는 것이 바람직하다. 이때 상기 이온으로는 Ar이온을 사용하는 것이 효과적이다. 이온처리는 이온에 의한 화학적 반응뿐만 아니라 이온의 이온화 에너지를 이용한 물리적 반응을 이용한 처리를 지칭한다. 물론 이러한 이온처리에 한정되지 않고, 연마, 식각 등과 같이 표면의 거칠기를 줄 수 있는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 또한, 상기 표면 요철 처리공정시 투명전극층(150)의 일부가 제거될 수 있기 때문에 이를 보상하기 위해 투명전극층(150)의 두께를 종래에 비하여 약 1 내지 50%정도 더 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 투명전극층(150) 표면에 소정의 요철을 주어서 종래의 발광 소자에 비하여 5 내지 15%정도의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 종래의 매끈한 투명전극층(150) 표면에서 반사되었던 광자가 거친 표면에 의해 반사되지 않고 투명전극층(150) 외부로 빠져나가기 때문이다.
도 2c 및 도 2d를 참조하면, 소정의 마스크 패터닝을 통해 활성층 하부의 N형 반도체층(120)의 일부를 노출한다. 또한 본 발명에서는 노출된 N형 반도체층(120) 표면에 요철을 준다. N형 반도체층(120) 요철의 거칠기(Ra)는 50 내지 50000Å인 것이 바람직하다.
하부의 N형 반도체층(120)의 일부를 노출하기 위해 먼저 투명전극층(150) 상에 감광막을 도포한 다음, 마스크를 이용한 사진식각 공정을 통해 감광막 패턴(155)을 형성한다. 이때, 감광막 패턴(155)은 N형 전극이 형성될 영역은 개방하고 나머지 영역은 차폐하는 형상으로 형성한다. 즉, 도면에서 보여지는 바와 같이 P형 반도체층(140)의 양측 영역을 개방하도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 도시되지는 않았지만, 상부에서 감광막 패턴(155)을 바라볼 경우, P형 반도체층(140) 둘레에 소폭 노출되어 있고, 직사각형의 발광소자의 일 꼭지점 영역에 소정의 폭(면적)을 갖는 영역이 개방되어 있다.
이후, 감광막 패턴을 식각마스크로 하는 제 1 식각공정을 실시하여 노출된 투명전극층(150)의 일부를 제거한다. 이때, 투명전극층(150)의 잔류 두께는 1 내지 500Å이 되도록 한다. 계속적으로 제 2 식각공정을 통해 잔류하는 투명전극층(150)과, P형 반도체층(140) 및 활성층(130)을 제거하여 N형 반도체층(120)을 노출시키고 그 표면에 소정의 요철을 줄 수 있다. 상기 제 1 식각공정은 습식 식각 방법을 이용하고 제 2 식각공정은 건식 식각 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 습식 식각을 통해 투명전극층(150)의 전체를 제거하지 않은 상태에서 건식 식각을 통해 잔류하는 투명전극층(150), P형 반도체층(140) 및 활성층(130)을 제거하게 되면 N형 반도체층(120)의 표면이 거칠어지게 된다. 이는 건식식각시 투명전극층(150)이 어느 정도의 배리어 역할을 하게 되어 하부의 막층이 매끄럽게 식각되지 못하고 그 표면에 소정의 요철과 같은 거칠기가 있게 된다.
상술한 제 2 식각공정시 도 2d에서 보이는 바와 같이 N형 반도체층(120)의 일부가 식각된다. 물론, 식각시 식각변수를 잘 조절하여 N형 반도체층(120)의 일부가 식각되는 것을 방지할 수도 있다. 뿐만 아니라 상기의 제 1 식각공정시 투명전극층(150)을 완전히 제거할 수도 있다.
상술한 바와 같이 발광 소자의 노출된 N형 반도체층(120)의 표면에 소정의 요철을 주어서 N형 반도체층(120)에서도 발광을 하는 것과 같은 현상을 볼 수 있으며, 이를 통해 발광 소자의 양자 효율을 40 내지 70%정도 향상시킬 수 있다.
도 2e를 참조하면, 감광막 패턴을 제거한 다음, 소정의 세정공정을 실시한다. 이후, 전극 패드 형성공정을 통해 개방된 N형 반도체층(120) 상에 N 전극(160)을 형성하고, 투명전극층(150) 상에 P 전극(170)을 형성한다.
본 발명의 발광 소자는 상술한 공정 단계에 한정되지 않고 다양한 공정 단계의 변화가 가능하다. 즉, N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층 및 투명전극을 형성하고, 투명전극 표면에 거칠기를 주고, 투명전극, P형 반도체층 및 활성층의 일부를 식각하여 N형 반도체층의 일부를 노출한 다음, 노출된 N형 반도체층과 투명전극 상에 각기 전극을 형성할 수도 있다. 이를 통해 약 10%정도의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층 및 투명전극을 형성하고, 소정 영역의 투명전극 일부를 제거하여 소정 영역에 수십Å 두께의 투명전극을 잔류 시킨 다음, 수십 Å두께의 투명전극과 그 하부의 P형 반도체층 및 활성층을 식각하여 N형 반도체층의 일부를 노출한 후, 노출된 N형 반도체층과 투명전극 상에 각기 전극을 형성할 수도 있다. 이 뿐만 아니라 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층 및 투명전극을 형성하고, 투명전극, P형 반도체층 및 활성층의 일부를 식각하여 N형 반도체층의 일부를 노출한 후, 노출된 N형 반도체층 표면에 거칠기를 준 다음, 투명전극 상에 각기 전극을 형성할 수도 있다. 이를 통해 약 50% 정도의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 ITO 후면에 0.001㎛ 내지 2.0㎛두께의 반사금속(Reflector metal)층을 증착 또는 성장시키는 것이 바람직하다.
10, 110 : 기판 20 : N-GaN층
30, 130 : 활성층 40 : P-GaN층
50, 150 : 투명전극 60, 70, 160, 170 : 전극
120 : N형 반도체층 140 : P형 반도체층
155 : 감광막 패턴

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 N형 반도체 층, 활성층, P형 반도체 층 및 투명전극층을 포함하고,
    상기 투명전극층의 P형 반도체층을 향하는 면에 반사층을 포함하고, 상기 반사층이 형성된 상기 투명전극층의 반대면에 P형 전극이 형성되어 있고, 상기 투명전극층의 표면에는 이온을 이용한 이온처리를 통해 형성된 요철이 형성되며,
    상기 요철의 거칠기는 100 내지 3000Å 인 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 P형 반도체층과 상기 투명전극층 사이에는 고농도 이온 주입층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 투명 전극층은 ITO인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  6. 청구항 1, 2 및 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 N형 반도체층은 거칠기가 50 내지 50000Å의 요철이 형성된 발광소자.
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