KR20040090465A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20040090465A
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Abstract

본 발명은 질화물계화합물 반도체를 이용한 고효율의 반도체 발광소자를 양산성 높게 또 저가격으로 제공하기 위한 것이다.
p-GaN층(4)에 2 차원주기 구조의 요철을 형성하여, 상기 요철의 주기를 활성층(3)으로부터 방사되는 광의 반도체 중 파장의 1∼20 배로 한다. 그 결과, 2 차원주기 구조의 요철에 의한 회절효과에 의해, 활성층(3)으로부터 방사되는 광의 진행방향이 바뀐다. 요철이 없을 경우에는, 반도체소자와 공기의 계면에서 전반사 조건을 만족시키는 방사각도의 광은 반도체소자 밖으로 추출시킬 수가 없으므로, 소자의 발광효율이 낮다. 한편, 본 발명과 같은 주기로 2 차원 요철을 형성하면, 전반사로 되지 않는 각도로 광이 회절되므로 반도체소자 밖으로의 추출 효율(extraction efficiency)이 비약적으로 향상된다. 그 결과 소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 GaN, InGaN, AlGaN 등의 질화물계화합물 반도체로 이루어지는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
최근, GaN으로 대표되는 질화물계화합물 반도체를 이용함으로써, 지금까지 실현이 어려웠던 자외선 광으로부터 청색, 녹색 파장대의 광을 강한 발광강도로 발광시키기가 가능해짐에 따라, 이들 질화물계화합물 반도체를 이용한 발광다이오드(LED)나 반도체레이저 등 발광소자의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히 LED는, 반도체레이저에 비해 제조 및 제어가 용이하며, 또 형광등에 비해 장수명이므로, 질화물계화합물 반도체를 이용한 LED는 조명용 광원으로서 기대된다.
이하에 종래의 질화물계화합물 반도체LED의 일례에 대하여 설명한다. 도 16은 선행기술 문헌 1(일특개 2000-196152호 공보)의 도 10에 개시된 종래의 질화물계화합물 반도체LED 구조를 나타내는 사시도이다.
도 16에 나타내는 바와 같이 종래의 LED에서는, 사파이어기판(101)과, GaN버퍼층(도시 생략)과, n형 GaN층(102)과, InGaN 활성층(103)과, p형 GaN층(104)이 순차 결정성장되며, InGaN 활성층(103) 및 p형 GaN층(104)의 일부가 에칭으로 제거되어, 저면에 n형 GaN 층(102)이 노출되는 홈(108)이 형성된다. 그리고 홈(108)의 저면에 노출되는 n형 GaN 층(102) 상에는 n측 전극(106)이 형성되고, p형 GaN층(104) 상에는 p측 투명전극(105)이 형성되며, 그 일부 위에 p측 본딩전극(107)이 형성된다.
이 LED는 이하와 같이 동작한다. p측 본딩전극(107)을 통해 주입된 정공은 p측 투명전극(105)에서 횡방향으로 확대되어, p형 GaN층(104)으로부터 InGaN 활성층(103)으로 주입된다. 한편, n측 전극(106)을 통해 주입된 전자는 n형 GaN층(102)으로부터 InGaN 활성층(103)으로 주입된다. 그리고 InGaN 활성층(103) 안에서 정공과 전자가 재결합하면 발광이 발생한다. 이 광은 p측 투명전극(105)을 통해 LED 밖으로 방출된다.
그러나 이와 같은 종래 구조에서는, 광 추출 효율(light extraction efficiency)이 낮다는 문제가 있다. 광 추출 효율이란, 활성층에서 발생한 광 중에서 LED로부터 공기 중으로 방출되는 비율이다. 광 추출 효율이 낮은 원인은, 반도체의 굴절률이 공기보다 크므로, 활성층으로부터의 광이 반도체와 공기의 계면에서 전반사되어 LED 내부에 갇히기 때문이다. 예를 들어 GaN의 굴절률은, 파장 450㎚ 광의 경우 약 2.45이므로, 전반사가 발생하는 임계굴절각이 약 23도로 작다. 즉, 반도체와 공기의 계면에 대한 법선에서 보아, 이 임계각보다 큰 각도로 활성층에서방사된 광은, 반도체와 공기의 계면에서 전반사돼버리므로, 결국 활성층에서 방출되는 광의 약 4%밖에 LED 밖으로 추출할 수 없다. 이와 같이, 종래의 질화물계화합물 반도체를 이용한 LED에서는, 외부 양자효율(LED로 투입한 전류 중, LED로부터 추출 가능한 광의 효율)이 낮은 결과, 형광등에 비해 전력변환효율(투입한 전력 중, 추출 가능한 광 출력의 효율)이 낮다는 문제가 있다.
이 문제에 대한 해결책으로서, 선행기술문헌 1의 도 5에 개시된 바와 같이, LED의 표면에 요철을 형성하는 기술이 제안되었다. 도 17은 선행기술문헌 1의 도 5에 개시된 종래 질화물계화합물 반도체LED의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 17에 나타내는 구조에서는, 반구형렌즈 구조의 요철이 p형 GaN층(104)에 형성돼있다. 이 구조에서는, p형 투명전극(105)의 평면부와 공기의 계면에 대한 법선으로부터의 각도가 임계굴절각보다 큰 광도, 요철이 형성된 부분으로 입사되면, 입사각도가 임계굴절각보다 작아지는 경우가 있을 수 있다. 따라서 활성층에서 발생한 광이 전반사되지 않고 LED 외부로 방출될 확률이 높아져, 외부 양자효율이 향상된다.
그러나 선행기술문헌 1에 제안된 바와 같은 원리에 의한 광 추출 효율의 향상기술에서는, 요철면의 형상에 따라 광의 입사각이 민감하게 변동하므로 요철면의 설계가 매우 어려우며, 또 소자를 제조할 때의 치수변동에 의해 특성이 안정되지 못한다는 문제가 있다. 또한 광 추출 효율을 향상시키기 위해서는 수㎛ 정도 깊이의 요철을 형성할 필요가 있는데, 질화물계화합물 반도체는 내에칭 특성이 높아 가공이 어렵다는 문제도 있다.
본 발명의 목적은, 높은 외부 양자효율을 가짐과 동시에, 특성이 안정되며, 설계 및 가공이 용이한 질화물계화합물 반도체를 구비하는 발광다이오드를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서 반도체 발광소자의 구조를 나타내는 사시도.
도 2의 (a)∼(d)는 2 차원주기 구조의 구체적 배치를 나타내는 사시도 및 평면도.
도 3의 (a), (b)는 2 차원주기 구조의 구체적인 배치 중 방향에 따라 배치 간격이 다른 구조를 나타내는 사시도.
도 4의 (a), (b)는 2 차원주기 구조의 구체적인 배치 중 방향에 따라 배치 간격이 다른 구조를 나타내는 사시도.
도 5의 (a), (b)는 2 차원주기 구조가 전극의 일부에만 구성되는 구조를 나타내는 사시도.
도 6의 (a), (b)는 2 차원주기 구조에 배치하는 볼록부 형상의 구체적인 종류를 나타내는 사시도 및 평면도.
도 7의 (a)∼(d)는 2 차원주기 구조에 오목부가 배치되는 구조를 나타내는 사시도 및 평면도.
도 8은 제 1 실시예에서, 요철의 주기와 광 추출 효율의 관계를 논리계산한결과를 나타내는 그래프.
도 9는 제 1 실시예에서, 요철의 주기와 광 추출 효율의 관계를, 요철의 높이를 변화시켜 논리계산한 결과를 나타내는 그래프.
도 10은 제 1 실시예에서, 발광파장이 450㎚인 LED에서 요철의 높이와 광 추출 효율의 관계를 나타내는 그래프.
도 11은 광 추출 효율과, 활성층에서 요철까지 거리의 관계를 나타내는 그래프.
도 12는 제 1 실시예의 반도체 발광소자 특성을 나타내는 그래프로, (a)는 전류-전압 특성을, (b)는 전류-광출력 특성을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 있어서 반도체 발광소자의 구조를 나타내는 사시도.
도 14는 본 발명의 제 3 실시예에 있어서 반도체 발광소자의 구조를 나타내는 사시도.
도 15의 (a)∼(c)는 프레스로 투명층을 형성하는 공정을 나타내는 사시도.
도 16은 선행기술문헌 1의 도 10에 개시된 종래의 질화물계화합물 반도체LED의 구조를 나타내는 사시도.
도 17은 선행기술문헌 1의 도 5에 개시된 종래의 질화물계화합물 반도체LED의 구조를 나타내는 사시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 사파이어 기판 2 : n형 GaN층
3 : InGaN 활성층 4 : p형 GaN층
5 : ITO 투명전극 6 : n측 전극
7 : p측 본딩전극 8 : 홈
9, 22 : 투명층 11 : 볼록부
12, 23 : 오목부 20 : 발광다이오드
21 : 금형
본 발명의 반도체 발광소자는, 질화물을 함유하며, 활성층을 갖는 반도체 다층막과, 상기 반도체 다층막 상에 형성되고, 상면에 2 차원주기 구조의 요철(2 차원주기 구조의 오목부 또는 볼록부)을 가지며, 상기 활성층으로부터의 광을 상기 요철에서 회절시켜 상기 반도체 다층막 외부로 유도하는 투명층을 갖는 소자를 구비한다.
이로써, 투명층과 공기의 계면에 대해, 임계굴절각보다 큰 방사각도로 활성층으로부터 발산된 광의 방사각도가 임계굴절각보다 작아지므로, 종래에는 전반사됐던 광도 외부로 추출할 수 있다. 따라서 광 추출 효율이 향상된다.
여기서 회절을 발생시키기 위해서는 요철이 2 차원주기 구조를 가지면 된다. 2 차원주기 구조에서는 1 차원주기 구조의 회절격자와 달리, 어느 방향의 방사각도의 광에 대해서도 회절작용을 일으키므로, 광 추출 효율 향상효과가 높다. 세로 및 가로 일정간격으로 요철이 형성되면 회절은 생기므로, 렌즈를 배치함으로써 광을 굴절시켜 광 추출 효율을 향상시키는 종래에 비해, 요철의 형성이나 치수 변동에 의한 광 추출 효율에의 영향이 적다. 따라서 제조 도중에 요철의 형상이나 치수가 변동해도, 높은 광 추출 효율을 확보할 수 있으므로, 설계 가공이 용이해져, 제조수율을 향상시킬 수 있다.
상기 요철의 오목부와 상기 활성층과의 거리를 D로 하며, 상기 활성층으로부터의 광의 상기 소자 중에서의 파장을 λ로 했을 때, D≤5λ일 경우에는 요철과 활성층이 근접되므로, 요철의 높이가 그다지 높지 않더라도 회절작용에 의한 광 추출 효율 향상이 실현되므로, 가공이 용이해진다.
또 상기 요철의 주기(간격)를 L로 하며, 상기 활성층으로부터의 광의 상기 소자 중에서의 파장을 λ로 했을 때, λ≤L≤20λ일 경우에는 회절이 효과적으로 일어나, 광 추출 효율 향상이 실현된다. λ<1일 경우에는, 회절에 의해 변화하는 각도가 지나치게 크므로, 광 추출 효율은 향상되지 않는다. 또 λ>20일 경우에는 광 추출효과가 저하된다. 이는 주기가 지나치게 길면 회절효율이 저하되므로, 회절에 의한 방사각도가 변화하는 광의 비율이 감소되기 때문이다.
또한 상기 요철의 높이를 h로 하며, 상기 활성층으로부터의 광의 상기 소자 중에서의 파장을 λ로 했을 때, h≤5λ일 경우에는, 형성할 요철의 높이가 낮아도 되므로 가공이 용이해진다.
상기 투명층은 제 1 질화물반도체층이며, 상기 제 1 질화물반도체층 상에는 전극층이 형성돼도 된다. 이 경우에는, 굴절률이 높은 질화물반도체층에 직접 요철을 형성하므로 회절효율이 높아, 광 추출 효율 향상효과가 높다.
이 경우, 상기 전극층의 상면에는, 상기 제 1 질화물반도체층의 상면에서의 상기 요철을 반영시킨 요철이 형성돼도 된다.
또 상기 전극층은, 막 두께 50㎚ 이하의 금속 또는 금속산화물이라도 된다.
상기 전극층은, 인듐주석산화물이라도 된다.
상기 반도체다층막은, 상기 활성층 상에 형성된 제 1 도전형의 질화물반도체층과, 상기 활성층 밑에 형성된 제 2 도전형의 질화물반도체층을 추가로 구비하며, 상기 투명층은, 상기 제 1 도전형의 질화물반도체층 상에 형성된 전극층을 구비해도 된다.
이 경우에는, 상기 전극층의 상면에 상기 2 차원주기 구조의 요철이 형성돼도 된다. 이 경우, 제 1 도전형 질화물반도체층의 요철에 상관없이 전류를 쉽게 균일하게 주입할 수 있어, 전류주입의 불균일성에 의한 전력변환효율 저하를 방지할 수 있다.
또는 상기 투명층은, 상기 전극층 상에 형성되며 2 차원주기 구조의 요철을 갖는 층을 추가로 구비해도 된다. 이 구조에서는 전극층 자체를 가공하지 않으므로, 투명전극에 요철을 형성하는 경우에 비해 전류주입에 불균일성 등의 악영향을 미치는 일이 없다. 그 결과, 전력변환효율의 저하를 발생시키는 일없이, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또 이 투명층에는 도전성이 필요 없으므로, 질화물계 반도체층이나 투명전극에 요철을 형성하는 경우에 비해, 재료 선택성의 자유도가 높다. 따라서 가공이 쉬운 재료를 투명층에 이용함으로써, 저가의 제조방법을 채용함에 따른 저원가의 소자가 실현된다.
상기 전극층은, 막 두께 50㎚ 이하의 금속 또는 금속산화물일 경우, 도전성과 투과율을 양립시킬 수 있으므로, 높은 전력효율을 실현할 수 있다.
또 상기 전극층은, 인듐주석산화물이라도 된다.
상기 2 차원주기 구조의 요철을 갖는 층은 수지로 구성돼도 된다. 이 2 차원주기 구조의 요철을 갖는 층이 수지로 이루어진 경우에는, 프레스가공으로 상기 요철을 형성할 수 있다. 이 경우, 리소그래피나 에칭 등의 반도체공정을 이용하지 않고, 미세한 요철의 용이한 형성이 가능해진다. 그 결과, 제조의 스루풋이나 원가를 저감할 수 있어, 저가이며 고효율의 반도체 발광소자가 실현된다.
상기 투명층에서 상기 요철의 볼록부 상면이 평탄할 경우에는, 보다 쉽게 성형할 수 있다.
본 발명의 반도체 발광소자 제조방법은, 질화물을 함유하며, 활성층을 갖는 반도체다층막과, 상기 반도체다층막 상에 형성된 투명층을 갖는 반도체발광소자의 제조방법이며, 상기 반도체다층막 상에, 상기 투명층을 형성하는 공정(a)과, 상기 공정(a) 후에, 상기 투명층의 상면을, 표면에 2 차원주기 구조의 요철이 형성된 금형에 누름으로써, 상기 투명층의 상면에, 상기 금형의 상기 요철을 반전시킨 요철을 형성하는 공정(b)을 구비한다.
이로써, 리소그래피나 에칭 등의 반도체공정을 이용하지 않고, 미세한 2 차원주기의 요철을 용이하게 형성할 수 있다. 그 결과, 제조의 스루풋이나 원가를 저감할 수 있어, 저가이며 고효율의 반도체 발광소자가 실현된다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해 질 것이다.
(실시예)
이하에 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명한다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서 반도체 발광소자 구조를 나타내는 사시도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 반도체 발광소자는, 사파이어기판(1)과, 사파이어기판(1) 상에 형성되며 두께 30㎚의 비도프 GaN 버퍼층(도시 생략)과, GaN 버퍼층 상에 형성되며, 농도 2×1018㎝-3의 n형 불순물이 도핑된 두께 2㎛의 n형 GaN층(2)과, n형 GaN층(2) 상에 형성되며 PL(photo luminessence) 피크파장이 450㎚인 비도프 In0.45Ga0.55N으로 이루어지는 두께 3㎚의 InGaN 활성층(3)과, InGaN 활성층(3) 상에 형성되며 농도 7×1017㎝-3의 p형 불순물이 도핑된 두께 400㎚의 p형 GaN층(4)을 구비하는 LED이다. 여기서 이들 질화물계화합물 반도체는, MOCVD(유기금속 화학기상성장: Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)법이나, MBE(분자선 에피택셜성장: Molecular Beam Epitaxy)법 등의 결정성장방법으로 형성한다. 또 본 명세서 중에서 "비도프"란, 의도적인 도핑을 실시하지 않음을 나타낸다.
InGaN 활성층(3) 및 p형 GaN층(4)의 일부는 에칭으로 제거되어, 저면에 n형 GaN층(2)이 노출되는 홈(8)이 형성된다. 이 홈(8)은, 예를 들어 포토리소그래피에 의해 p형 GaN층(4) 상에 개구를 갖는 레지스트마스크(도시 생략)를 형성한 후, RIE(반응성 이온에칭: Reactive Ion Etching)법, 이온 밀링(Ion Milling) 등의 드라이에칭 기술, 자외선을 조사하면서 실시하는 광화학 에칭, 또는 가열한 산, 알칼리액을 이용하여 행하는 습식에칭 기술을 실시하여, p형 GaN층(4) 및 InGaN 활성층(3)을 제거함으로써 형성한다.
p형 GaN층(4)의 상면에는, 2 차원주기 구조의 요철이 형성된다. 요철의 주기, 즉 2 차원의 면 내에서 종방향 또는 횡방향으로 서로 인접하는 오목부 또는 볼록부의 중심간 간격은 1㎛이며, 요철의 높이는 200㎚이다. 이 요철은, p형 GaN층(4) 상에 레지스트(도시 생략)를 형성하고, 간섭노광이나 전자빔 노광, 스텝퍼(step-and repeat photolithographic system with demagnification) 등의 방법으로 레지스트를 2 차원주기 구조의 배치로 패터닝한 후, 레지스트를 마스크로 드라이에칭이나 습식에칭을 실시함으로써 형성한다.
요철이 형성된 p형 GaN층(4) 상에는, 투명전극(5)으로서, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide)가 100㎚ 두께로 퇴적된다. ITO는 스퍼터링 등으로 형성할 수 있다. 또 투명전극(5)으로는, ITO와 같은 도전성 금속산화물만이 아니라, LED 발광파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택트저항이 낮은 금속박막도 이용할 수 있다. 이 경우, 투과율을 확보하기 위해 금속의 막 두께는 50㎚ 이하인 것이 바람직하다. 또 투명전극(5)으로서, 예를 들어 막 두께 10㎚의 Ni과 그 위에 형성된 막 두께 40㎚ Au의 적층막을 이용할 수 있다.
홈(8)의 저면에 노출된 n형 GaN층(2) 상에는, Ti/Al의 n측 전극(6)이 형성된다. 또 요철이 형성되지 않은 영역의 p형 GaN층(4) 상에 형성된 ITO 투명전극(5) 상에는, Au의 p측 본딩전극(7)이 형성된다.
본 실시예의 반도체 발광소자에서는, p형 GaN층(4)의 표면에 2 차원주기의요철이 형성되므로, 활성층(3)으로부터의 광이 회절된다. 회절에 의해, 반도체와 공기의 계면에 대하여 임계굴절각보다 큰 방사각도로 활성층으로부터 방사된 광의 방사각도가 임계굴절각보다 작아진다. 즉, 종래에는 반도체 발광소자와 공기의 계면에 대한 법선으로부터의 각도가 임계굴절각보다 큰 광은 전반사됐지만, 본 실시예에서는 이와 같은 광도 회절되어 LED 외부로 추출되므로, 광 추출 효율이 향상된다. 그리고 본 발명의 특징은, 요철이 한 방향으로만 주기구조가 있는 회절격자와는 달리, 2 차원주기 구조인 점이다. 이 2 차원주기 구조의 요철은 어떤 방향으로 방사된 광에 대해서도 회절작용을 일으키므로, 광 추출 효율을 향상시키는 효과가 높다.
여기서 2 차원주기 구조의 구체적인 종류에 대하여, 도면을 참조하면서 설명하기로 한다. 도 2∼도 7은 2 차원주기 구조의 구체적인 종류를 나타내는 사시도 및 평면도이다. 우선, 도 2의 (a)는 볼록부(11)가 3각격자로 배치되는 경우를 나타내며, 도 2의 (c)는 볼록부(11)가 정방격자로 배치되는 경우를 나타낸다. 이들 볼록부(11)가 실제로 투명전극(5)의 상면에 형성되면, 각각 도 2의 (b), (d)에 나타내는 구조로 된다. 또한 볼록부(11)의 주기가 방향에 따라 달라도 되며, 구체적으로는 도 3의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 서로 인접하는 볼록부(11)의 간격이 그 방향에 따라 다른 3각 격자 또는 정방격자로 배치해도 된다. 또 볼록부(11)의 주기가 영역에 따라 달라져도 되며, 구체적으로는 도 4에 나타내는 바와 같이, 투명전극(5)의 중앙부에서 볼록부(11)가 밀집된 상태로 형성되며, 투명전극(5)의 상하에서는 중앙부보다 성긴 상태로 볼록부(11)가 형성되는 등의 상태라도 된다. 또한 요철이 투명전극(15)의 일부에만 형성돼도 되며, 구체적으로는 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이, 투명전극(5)의 중심에 대하여 볼록부(11)가 회전대칭으로 배치돼도 되고, 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 투명전극(5) 중 중앙부에만 볼록부(11)가 형성되며 그 중앙부의 주위는 평탄해도 된다. 또 요철의 형상이 원주 이외라도 되며, 구체적으로는 도 6의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 볼록부(11)가 4각주나 6각주라도 된다. 또한 이상에 서술한 각 구조에서는, 볼록부가 아닌 오목부가 2 차원주기로 배열돼도 된다. 구체적으로는, 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이 오목부(12)가 3각 격자로 배치돼도 되며, 또 도 7의 (c)에 나타내는 바와 같이, 오목부(12)가 정방격자로 배치돼도 된다. 이들 오목부(12)가 실제로 투명전극(5)의 상면에 형성되면, 각각 도 7의 (b), (d)에 나타내는 상태로 된다.
다음으로, 요철의 주기와 광 추출 효율의 관계에 대하여 도 8을 참조하면서 설명한다. 도 8은 제 1 실시예에서 요철의 주기와 광 추출 효율의 관계를 논리계산한 결과를 나타내는 그래프이다. 여기서 요철의 주기란, 도 1에 나타낸 바와 같은 반도체 발광소자에서, 가로세로 등간격으로 배열된 요철의, 2 차원의 면내에서 종방향 또는 횡방향으로 서로 인접하는 오목의 중심 또는 볼록 중심간 간격을 가리킨다. 그래프의 가로축은, 발광파장 450㎚인 LED 중의 파장(굴절률 2.5의 경우에는 180㎚)으로 규격화한 요철의 주기, 즉 LED 중의 파장에 대한 요철 주기의 상대값을 나타내며, 세로축은, 요철을 형성하지 않을 경우의 값으로 규격화한 광 추출 효율을 나타낸다. 여기서 LED 중의 파장이란, 진공 또는 대기 중에서의 발광파장을 반도체의 굴절률로 나눈 값이다. 발광파장이 450㎚이며 반도체의 굴절률이 2.5일 경우, LED 내의 파장은 180㎚로 된다.
도 8에서, 요철의 주기가 LED 중 파장의 1 배 이상 20 배 이하의 범위 내에 있을 경우에는, 광 추출 효율이 증가함을 알 수 있다. 굴절률이 2.5로 높은 값을 나타내는 질화물계화합물 반도체층에 직접 요철을 형성하기 때문에 회절효율이 높으므로, 광 추출 효율 향상이 최대 약 4 배로 크다.
또 요철의 주기가 LED 중 파장의 1 배 이하일 경우에는, 회절에 의한 각도변화가 지나치게 크며, 결국 회절 후의 방사각도가 임계굴절각도보다 커지므로, 광 추출 효율이 향상되지 않는다. 또한 요철의 주기가 LED 중 파장의 20 배 이상일 경우에도, 주기가 지나치게 길면 회절효율이 저하되어, 회절에 의해 방사각도가 변화하는 광의 비율이 감소되므로, 광 추출 효율 향상 효과가 저하돼버린다.
이와 같이 회절을 발생시키기 위해서는, 요철이 2 차원주기 구조를 가지면 된다. 즉, 세로 및 가로에 일정 간격으로 요철이 형성되면 되며, 렌즈를 배치함으로써 광을 굴절시켜 광 추출 효율을 향상시키는 종래에 비해, 요철의 형상이나 치수의 변동에 의한 광 추출 효율에의 영향이 적다. 따라서 본 실시예에서는, 제조 도중에서 요철의 형상이나 치수가 변동해도 높은 광 추출 효율을 확보할 수 있으므로, 설계 및 가공이 용이해져, 제조 수율을 향상시킬 수 있다.
다음에 요철의 높이와 광 추출 효율의 관계를 논리계산한 결과에 대하여, 도 9∼도 11을 참조하면서 설명한다. 도 9는 제 1 실시예에서 요철의 주기와 광 추출 효율의 관계를, 요철의 높이를 변화시켜 논리계산한 결과를 나타내는 그래프이다. 그래프의 가로축은, LED 중 파장에 대한 요철 주기의 상대값을 나타내며, 그래프의세로축은, 요철을 형성하지 않는 경우로 규격화한 광 추출 효율을 나타낸다. 그리고 요철 높이가 다른 4 종류의 논리계산을 하여, 각각의 값을 프로파일로 나타낸다. 또 도 9에서 요철 높이의 상대값은, LED 내 파장에 대한 요철 높이의 값이다. 한편, 도 10도 도 9와 마찬가지로, 발광파장이 450㎚인 LED의 요철 높이와 광 추출 효율의 관계를 나타내는 그래프인데, 도 9에서는 요철의 주기 및 높이가 상대값으로 표시되는데 반해, 도 10에서는 요철의 주기 및 높이가 구체적인 값으로 표시된다. 또 도 11은 광 추출 효율과, 활성층에서 요철까지 거리의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 11에서 가로축은 요철의 오목부에서 활성층까지의 거리를 나타내며, 세로축은 광 추출 효율을 나타낸다.
도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 요철과 활성층의 거리가 가까워지면 광 추출 효율이 향상된다. 도 11에서는 활성층에서 요철까지의 거리가 약 0.9㎛ 이하일 경우에 광 추출 효율이 높아지는 점에서, 활성층에서 요철까지의 거리가, LED 내 파장(180㎚)의 5 배 이하인 것이 바람직하다 할 수 있다. 또 이와 같이 활성층에서 요철까지의 거리가 짧은 경우에는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 요철 높이가 활성층으로부터의 광의 LED 내 파장의 1 배(약 180㎚) 정도로 작을 경우라도, 광 추출 효율이 종래의 2 배 이상이 된다. 이는 활성층과 요철이 근접하므로, 요철의 높이를 그다지 높이지 않아도 되기 때문이다. 이와 같이 본 실시예에서 광을 회절시키기 위해 필요한 요철의 깊이는, 렌즈를 배치함으로써 광을 굴절시켜 광 추출 효율을 향상시키는 종래의 요철 깊이에 비해 얕아도 된다. 따라서 본 실시예에서는, 가공이 어려운 질화물계화합물 반도체에 요철을 형성하는 깊이를 얕게 할 수 있으므로, 종래보다 가공이 용이해지는 결과, 제조원가도 저렴하게 할 수 있다.
다음으로 본 실시예의 반도체 발광소자 특성에 대하여 도 12의 (a), (b)를 참조하면서 설명한다. 도 12의 (a), (b)는 제 1 실시예의 반도체 발광소자 특성을 나타내는 그래프로, (a)는 전류-전압 특성을, (b)는 전류-광출력 특성을 나타낸다. 각 그래프 중에는 비교를 위해, p형 GaN층(4)의 표면에 요철을 형성하지 않은 종래 구조의 반도체소자(단 p형 GaN층(4)의 막 두께는 200㎚) 특성도 나타낸다.
도 12의 (a)의 전류-전압 특성을 보면, 본 실시예 반도체 발광소자의 상승전압은 종래와 거의 같은 곡선을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 본 실시예의 반도체 발광소자에서는, p형 GaN층(4)의 표면에 200㎚의 얕은 요철이 형성되는데, 요철을 형성하지 않는 종래예에 비해 전류-전압 특성에 악영향이 생기지 않음을 알 수 있다.
또 도 12의 (b)의 전류-광출력 특성을 보면, 본 실시예의 소자에서는 종래예에 비해 동일 전류에서의 광출력이 도 8의 논리계산과 거의 같은 3.5 배로 증가함을 알 수 있다. 이는 요철을 형성함에 의한 내부 양자효율의 저하와 전력변환효율의 저하가, 본 실시예의 반도체 발광소자에서는 회피됐기 때문으로 생각된다.
즉, 본 실시예에서는 요철을 활성층에서 거리가 떨어진 p형 GaN층(콘택트층)에만 형성하므로, 요철을 활성층 중으로까지 형성하는 경우에 비해, 요철에 의한 정공-전자의 표면재결합 증가를 피할 수 있다. 이로써 내부 양자효율(LED에 주입된 전류 중 LED 내부에서 광으로 변환되는 비율)의 저하를 방지할 수 있다. 또 요철 상 전면에 투명전극(5)을 형성함으로써, p형 GaN층(4)의 요철에도 불구하고 p형 GaN층에 전류를 균일하게 주입할 수 있다. 따라서 전류주입의 불균일성에 의한 전력변환 효율의 저하를 방지할 수 있다. 이상과 같이 본 실시예에서는, 전류특성을 저하시키는 일없이 광 추출 효율이 높은 반도체 발광소자를 양산성 좋게 제공할 수 있다.
(제 2 실시예)
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 있어서 반도체 발광소자 구조를 나타내는 사시도이다. 도 13에 나타내는 바와 같이 본 실시예의 반도체 발광소자는, 사파이어기판(1)과, 사파이어기판(1) 상에 형성되며, 두께 30㎚이고 비도프 GaN 버퍼층(도시 생략)과, GaN 버퍼층 상에 형성되며, 농도 2×1018㎝-3의 n형 불순물이 도핑된 두께 2㎛의 n형 GaN층(2)과, n형 GaN층(2) 상에 형성되며, PL 피크파장이 450㎚인 비도프 In0.45Ga0.55N으로 이루어지는 두께 3㎚의 InGaN 활성층(3)과, InGaN 활성층(3) 상에 형성되며, 농도 7×1017㎝-3의 p형 불순물이 도핑된 두께 200㎚의 p형 GaN층(4)을 구비하는 LED이다.
InGaN 활성층(3) 및 p형 GaN층(4)의 일부는 에칭에 의해 제거되며, 저면에는 n형 GaN층(2)이 노출되는 홈(8)이 형성된다.
p형 GaN층(4) 상에는, 투명전극(5)으로서, 도전성을 나타내는 투명 ITO 등의 금속산화물이 300㎚ 두께로 형성된다. 이 투명전극(5)은 스퍼터링이나 CVD 등에 의해 p형 GaN층(4) 상에 형성된다. 투명전극(5)의 상면에는, 2 차원주기 구조로 배열되며, 주기가 0.5㎛이고 높이가 200㎚의 요철이 형성된다. 이 요철은 이하의 방법으로 작성한다. 우선, p형 GaN층(4) 상에 상면이 평탄한 상태의 금속산화막(도시생략)을 퇴적시키고, 금속산화막 상에 레지스트(도시 생략)를 형성한 후, 간섭노광, 전자빔 노광 또는 스텝퍼에 의해 패터닝을 실시함으로써, 그 금속산화물 상에 2 차원주기 구조로 배열되는 레지스트패턴을 형성한다. 이 상태에서 RIE법이나 이온밀링법 등 드라이에칭이나 HCl 등의 산을 이용한 습식에칭을 실시하여, 금속산화막 중 레지스트패턴으로 피복되지 않은 부분을 제거함으로써, 상면에 요철을 갖는 투명전극(5)을 형성한다.
홈(8)의 저면에 노출된 n형 GaN층(2) 상에는 Ti/Al으로 구성되는 n측 전극(6)이 설치된다. 또 요철이 형성되지 않은 영역의 투명전극(5) 상에는 Au의 p측 본딩전극(7)이 형성된다.
본 실시예의 특징은, p형 GaN층(4) 상이 평탄하며 투명전극(5) 표면에 2 차원주기의 요철이 형성되는 점에 있다. 여기서, 요철의 주기가 LED 중 파장의 1 배 이상 20 배 이하의 범위 내에 있을 경우에는, 상술한 제 1 실시예와 마찬가지의 회절작용으로 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이 구성에서는, 질화물계화합물 반도체보다 굴절률이 낮은 ITO(굴절률 2.0)인 투명전극(5)에 요철을 형성하므로, 광 추출 효율의 향상은 종래의 2.5배로, 제 1 실시예보다 낮다. 그러나 ITO 등의 금속화합물에 요철을 형성하는 것은 내 에칭성이 높은 질화물계화합물 반도체층에 요철을 형성하는 것보다 용이하므로, 제조원가의 삭감이 가능해진다. 또 질화물계화합물 반도체에 요철을 형성할 경우에는, 전류특성의 저하를 피하기 위해 요철의 저부와 활성층의 거리를 0.1㎛ 정도 떨어지게 하는 등 소자설계 상의 주의가 필요하지만, 본 실시예에서는 종래의 소자와 반도체다층막 구조 자체는 동일하므로, 종래의 소자설계를 변경없이 이용할 수 있다.
(제 3 실시예)
도 14는 본 발명의 제 3 실시예에 있어서 반도체 발광소자 구조를 나타내는 사시도이다. 도 14에 나타내는 바와 같이 본 실시예의 반도체 발광소자는, 사파이어기판(1)과, 사파이어기판(1) 상에 형성되며, 두께 30㎚이고 비도프의 GaN 버퍼층(도시 생략)과, GaN 버퍼층 상에 형성되며, 농도 2×1018㎝-3의 n형 불순물이 도핑된 두께 2㎛의 n형 GaN층(2)과, n형 GaN층(2) 상에 형성되며, PL 피크파장이 450㎚인 비도프 In0.45Ga0.55N으로 이루어지는 두께 3㎚의 InGaN 활성층(3)과, InGaN 활성층(3) 상에 형성되며, 농도 7×1017㎝-3의 p형 불순물이 도핑된 두께 200㎚의 p형 GaN층(4)을 구비하는 LED이다. 그리고 이들 질화물계화합물 반도체는, MOCVD법이나 MBE법 등의 결정성장방법에 의해 형성된다.
InGaN 활성층(3) 및 p형 GaN층(4)의 일부는 에칭으로 제거되며, 저면에는 n형 GaN층(2)이 노출되는 홈(8)이 형성된다. p형 GaN층(4) 상에는, 투명전극(5)으로서, 막 두께 10㎚의 Ni과 막 두께 40㎚의 Au이 순차 적층된 막이 형성된다. 홈(8)의 저면에 노출되는 n형 GaN층(2) 상에는, Ti/Al의 n측 전극(6)이 형성된다.
투명전극(5)의 상면 상에는, 수지나 금속산화물 등의 투명한 재료로 이루어지는 복수의 투명층(9)이 2 차원주기 구조로 배치된다. 투명층(9)이 배치되는 주기는 1.5㎛이며, 투명층(9)의 투명전극(5)으로부터의 높이는 300㎚이다. 본 실시예에서는 투명층(9)의 재질로서 폴리카보네이트 수지를 이용한다. 또 투명전극(5)의 일부 위에는, Au의 p측 본딩전극(7)이 형성된다.
투명층(9)에 의해 반도체 발광소자의 표면에 형성되는 요철의 주기가, LED 내 파장의 1 배 이상 20 배 이하의 범위 내에 있을 경우에는, 상술한 제 1이나 제 2 실시예와 마찬가지의 회절작용에 의해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이 구성에서는, 질화물계화합물 반도체보다 굴절률이 낮은 수지(굴절률 약 1.5)나 금속산화물(굴절률 약 2.0)로 요철을 형성하므로, 광 추출 효율의 향상은 종래의 2.0∼2.5 배로, 제 1 실시예보다 낮다. 그러나 수지나 금속산화물을 2 차원주기 구조로 배치하는 것은, 내 에칭성이 높은 질화물계화합물 반도체층의 일부를 에칭으로 제거하는 것보다 용이하므로, 제조원가를 삭감할 수 있다. 또 질화물계화합물 반도체나 투명전극에 요철을 형성하는 경우에 비해, 전류주입이 불균일해지는 등의 악영향을 줄 우려가 없어진다. 그 결과, 전력변환 효율의 저하가 발생하는 일없이, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또 투명층(9)은 투명전극(5) 상에 형성하므로, 투명층(9)에 도전성은 필요 없으며, 재료 선택의 자유도가 보다 높아져, 투명층(9)으로서 가공성이 용이한 재료를 이용할 수 있다. 예를 들어 투명층(9)에 수지를 이용한 경우에는, 포토리소그래피나 에칭 등의 반도체가공기술이 아닌, 미리 요철을 형성한 스탬프를 과열시킨 수지에 프레스함으로써 요철을 전사시켜 투명층(9)을 형성할 수 있다. 도 15의 (a)∼(c)는 프레스에 의해 투명층을 형성하는 공정을 나타내는 사시도이다. 여기 도 15에서는, 도 14의 구조와 같이 투명층(9)이 볼록형상으로 형성된 경우가 아닌, 투명층에 오목부가 배열된 경우를 나타낸다. 우선 도 15의 (a)에 나타내는 공정에서는, 요철을 갖는 금형(21)과, 상면 상에 평탄한 상태의 투명층(22)이 형성된 발광다이오드(20)를 준비한다. 그리고 도 15의 (b)에 나타내는 공정에서, 투명층(22)을 구성하는 수지 등이 연화되는 온도에서, 금형(21)의 요철이 형성된 면과 투명층(22)의 상면을 맞추어 금형(21)을 위에서 프레스함으로써, 투명층(22)에 금형(21)의 요철과 반대의 요철을 반영시킨다. 그리고 도 15의 (c)에 나타내는 공정에서, 금형(21)을 투명층(22)과 분리시키면, 투명층(22)의 표면에는 2 차원주기 구조로 배열되는 오목부(23)가 형성된다. 프레스에 의해 요철을 형성하는 방법에서는, 상술한 포토리소그래피와 에칭 등의 반도체기술과 달리, 매우 저가로 미세구조가 형성 가능하므로, 저원가로 광 추출 효율이 높은 반도체 발광소자를 제조할 수 있다.
이상과 같이 본 실시예에 의해, 광 추출 효율이 높은 반도체 발광소자를 양산성 좋게 제공할 수 있다.
또 상기 실시예에서는 가공이 어려운 질화물계화합물 반도체를 이용하여, LED 내에서 청색이나 보라색의 단파장 광이 방사되는 것에 대응하여 요철의 주기가 작아져 미세가공이 어려운 경우를 특히 기재했지만, 반도체로서 AlGaAs(굴절률 3.6)나 AlGaInP(굴절률 3.5)를 이용한 적외선이나 적색의 반도체 발광소자에 대해서도 본 발명의 설계는 적용 가능하다. LED 내의 파장은 발진파장 850㎚인 적외선광의 경우 약 240㎚, 620㎚인 적색의 경우는 약 180㎚가 된다. 따라서 도 8에서 요철의 주기가 적외선 광일 경우는 1.6㎛, 적색일 경우는 1.2㎛에서 광 추출 효율 증가의 효과가 최대로 된다. 이와 같이 ㎛ 오더의 가공은 서브㎛ 가공보다 저 원가로실현 가능하다.
상기와 같이 본 발명은 질화물계화합물 반도체를 이용한 고효율의 반도체 발광소자를 양산성이 높으며 또 저가로 제조할 수 있는 점에서 산업상의 이용 가능성은 높다.

Claims (17)

  1. 질화물을 함유하며, 활성층을 갖는 반도체 다층막과,
    상기 반도체 다층막 상에 형성되고, 상면에 2 차원주기 구조의 요철을 가지며, 상기 활성층으로부터의 광을 상기 요철에서 회절시켜 상기 반도체 다층막 외부로 유도하는 투명층을 갖는 소자를 구비하는, 반도체 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철의 오목부와 상기 활성층과의 거리를 D로 하며, 상기 활성층으로부터의 광의 상기 소자 중에서의 파장을 λ로 했을 때, D≤5λ인, 반도체 발광소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철의 주기를 L로 하며, 상기 활성층으로부터의 광의 상기 소자 중에서의 파장을 λ로 했을 때, λ≤L≤20λ인, 반도체 발광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철의 높이를 h로 하며, 상기 활성층으로부터의 광의 상기 소자 중에서의 파장을 λ로 했을 때, h≤5λ인, 반도체 발광소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명층은 제 1 질화물반도체층이며, 상기 제 1 질화물반도체층 상에는 전극층이 추가로 형성되는, 반도체 발광소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극층의 상면에는, 상기 제 1 질화물반도체층 상면의 상기 요철을 반영시킨 요철이 형성되는, 반도체 발광소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극층은, 막 두께 50㎚ 이하의 금속 또는 금속산화물인, 반도체 발광소자.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극층은, 인듐주석산화물인, 반도체 발광소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체다층막은, 상기 활성층 상에 형성된 제 1 도전형의 질화물반도체층과,
    상기 활성층 밑에 형성된 제 2 도전형의 질화물반도체층을 추가로 구비하며,
    상기 투명층은, 상기 제 1 도전형 질화물반도체층 상에 형성된 전극층을 갖는, 반도체 발광소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극층의 상면에는, 상기 2 차원주기 구조의 요철이 형성되는, 반도체 발광소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 투명층은 상기 전극층 상에 형성되며, 상기 2 차원주기 구조의 요철을 갖는 층을 추가로 갖는, 반도체 발광소자.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극층은 막 두께 50㎚ 이하의 금속 또는 금속산화물인, 반도체 발광소자.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극층은 인듐주석산화물인, 반도체 발광소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 2 차원주기 구조의 요철을 갖는 층은 수지로 이루어지는, 반도체 발광소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    프레스가공으로 상기 요철을 형성한, 반도체 발광소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명층에 있어서 상기 요철 볼록부의 상면은 평탄한, 반도체 발광소자.
  17. 질화물을 함유하며, 활성층을 갖는 반도체다층막과, 상기 반도체다층막 상에 형성된 투명층을 갖는 반도체발광소자의 제조방법이며,
    상기 반도체다층막 상에, 상기 투명층을 형성하는 공정(a)과,
    상기 공정(a) 후에, 상기 투명층의 상면을, 표면에 2 차원주기 구조의 요철이 형성된 금형에 누름으로써, 상기 투명층의 상면에, 상기 금형의 상기 요철을 반전시킨 요철을 형성하는 공정(b)을 구비하는 반도체 발광소자의 제조방법.
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