KR20060131534A - 요철 구조를 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20060131534A
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김현수
이정욱
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Abstract

본 발명은 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 반도체 발광소자에 있어서, 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층의 일측 상부에 순차적으로 형성된 활성층, 상부 클래드층 및 제 1 전극; 및 상기 하부 클래드층의 타측 표면에 형성된 요철 구조 패턴 영역 상에 형성된 제 2 전극;을 포함하는 반도체 발광 소자를 제공한다.

Description

요철 구조를 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법{Semiconductor emitting device with approved and manufacturing method for the same}
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자들을 나타낸 도면이다.
도 2는 활성층에 발생한 빛이 발광 소자 내부에 트랩되는 것을 나타낸 도면이다.
및 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의해 형성된 요철 구조를 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 형성된 반도체 발광 소자의 평면도를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광 소자의 제조 공정 중 요철 구조를 형성시키는 것을 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 측면 전극 영역의 넓이 비에 따른 광출력을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10, 20... 사파이어 기판 11... GaN 버퍼층
12... GaN 13, 21... n-GaN 클래드층
14... MQW 활성층 15, 23... p-GaN 활성층
16, 17... p-전극 18... n 전극
22... 활성층 24... p형 투명 전극
25... p-전극 패트 30... 기판
31... 하부 클래드층 32... 활성층
33... 상부 클래드층 34... 제 1 전극
35... 제 2 전극
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 발광 소자의 하부 클래드층 및 측면 전극 사이에 요철 구조를 채용함으로써, 보다 간단한 제조 공정에 의해 광 추출 효율이 향상된 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 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. 발광 다이오드는 EL의 일종이며, 현재 Ⅲ-Ⅴ족 화 합물 반도체를 이용한 발광 다이오드가 실용화 되고 있다.
Ⅲ족 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 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 통상 사파이어(sapphire : Al2O3)를 기판으로 이용하여 그 상부에 형성되는 것이 일반적이다. 현재 발광 효율, 즉 광의 추출 효율을 향상시키기 위하여 다양한 구조의 발광 다이오드에 관한 연구가 진행되고 있으며, 특히 발광 소자의 광 추출 영역에 요철 구조를 형성시켜 광 추출 효율을 향상시키기 위한 구조가 소개되고 있다.
서로 다른 굴절율을 지닌 물질층들의 계면에서는 각 물질층의 굴절율에 따른 광의 진행이 제한을 받는다. 평탄한 계면의 경우, 굴절률이 큰(n=2.5) 반도체층으로부터 굴절률이 작은 공기층(n=1)으로 광이 진행되는 경우 소정 각도(θ) 이하의 각도로 평탄한 계면에 입사해야 한다. 소정 각도 이상으로 입사하는 경우 평탄한 계면에서 전반사가 되어 측방향으로 진행하여 트랩(trap)됨으로써 광 추출 효율이 크게 감소하게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 계면에 요철 구조를 도입하는 방법이 시도되었다.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 2a는 PSS(paterned sapphire substrate)구조를 포함하는 반도체 발광 소 자이다. 도 2a를 참조하면, 사파이어 기판(10) 상에 GaN 버퍼층(11), GaN층(12)이 형성되어 있다. GaN층(12) 상에는 n-GaN 클래드층(13)이 형성되어 있으며, n-GaN 클래드층(13)의 일측 상부에는 MQW(multi quantum wall)구조의 활성층(14), p-GaN 클래드층(15) 및 p-전극층(16, 17)이 순차적으로 형성되어 있다. p-전극층(16, 17)은 메쉬형(mesh) p-전극(16) 및 p-전극 패드(17)로 구성된다. n-GaN 클래드층(13)의 타측 상부에는 n-전극층(18)이 형성되어 있다.
여기서, 사파이어 기판(10)에는 요철 구조가 형성되어 있다. 그리고, GaN 버퍼층(11)은 사파이어 기판(10)의 요철 구조에 대응되는 형태로 사파이어 기판(10) 상에 형성되어 있으며, GaN층(12)이 GaN 버퍼층(11)의 요철 구조상에 도포되면서 평탄하게 형성된다. 이와 같은 구조를 포함하는 반도체 발광 소자는 활성층(14)에서 발생된 빛을 트랩시키지 않고 사파이어 기판(10) 방향으로 스캐터링(scattering)시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나, 사파이어 기판(10)에 요철 구조를 형성시키는 공정이 복잡하며, 수율이 낮은 단점이 있다.
도 2b는 사파이어 기판(20) 상에 n-GaN 클래드층(21)이 형성되어 있으며, n-GaN 클래드층(21) 일측 상부에는 활성층(22), p-GaN 클래드층(23), p형 투명 전극(24) 및 p-전극 패드(25)가 형성되어 있다. n-GaN 클래드층(21)의 타측 상부에는 n-전극층(26)이 형성되어 있다. 여기서는 p-GaN 클래드층(23) 표면에 요철 구조가 있다. 이와 같은 구조를 포함하는 반도체 발광 소자는 활성층(22)에서 발생된 빛을 트랩시키지 않고 p형 투명 전극(24) 방향으로 스캐터링(scattering)시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나, 요철구조가 형성되는 p-GaN 클래드층(23)의 두께가 약 0.2 마이크로미터로 얇아서 스캐터링 효과가 작은 단점이 있고, 또한, 요철이 국부적으로 형성된 p-GaN 클래드층(23)의 표면에서는 오믹 콘택 특성이 저하되어 소자의 동작 전압이 상승하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 발광 소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 제조 공정 자체가 용이한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자 및 이를 형성시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
반도체 발광소자에 있어서,
하부 클래드층;
상기 하부 클래드층의 일측 상부에 순차적으로 형성된 활성층, 상부 클래드층 및 제 1 전극; 및
상기 하부 클래드층의 타측 표면에 형성된 요철 구조 패턴 영역 상에 형성된 제 2 전극;을 포함하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 클래드층 및 상기 상부 클래드층은 질화 갈륨계 물질을 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1전극은 Ag, Al, Rh, Pd, Ni 또는 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 2전극은 Al, Cr, Au 또는 Ti 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 클래드층의 두께는 1 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 요철 구조의 폭은 0.1 내지 10 마이크로미터이며, 상기 요철 구조의 높이는 0.1 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는,
요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
(가) 기판 상에 하부 클래드층 형성시키는 단계;
(나) 상기 하부 클래드층 상에 활성층 및 상부 클래드층을 형성시키는 단계;
(다) 상기 하부 클래드층의 일부 영역을 식각하여 타측 상부에 요철 구조 패턴을 형성시키는 단계; 및
(라) 상기 상부 클래드층 상에 제 1전극을 형성시키고, 상기 하부 클래드의 요철 구조 패턴 상에 제 2전극을 형성시키는 단계;를 포함하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 (다) 단계는,
상기 상부 클래드층 및 상기 활성층을 제 1식각 공정에 의하여 상기 하부 클래드층의 일부 영역을 노출시키는 단계; 및
상기 노출된 하부 클래드층을 제 2식각 공정에 의하여 요철 구조를 형성시키 는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 2식각 공정은 건식 식각 또는 습식 식각 공정인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 습식 식각 공정은 H3PO4 또는 KOH 수용액을 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 습식 식각 공정은 섭씨 100도 내지 300도 범위에서 실시되는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 기판(30) 상에 하부 클래드층(31)이 형성되어 있으며, 하부 클래드층(31)의 일측 상부에는 활성층(32), 상부 클래드층(33) 및 제 1전극(34)이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서, 하부 클래드층(31)의 타측 표면에는 요철 구조가 형성되어 있다. 그리고, 요철 구조 상부에는 제 2전극(35)이 형성되어 있다. 본 발명에서는 하부 클래드층(31)과 제 2전극(35)의 경계면에는 요철 구조를 형성시키는 것을 특징으로 한다. 즉 본 발명에서는 활성층(32)에서 발생된 광이 하부 클래드층(31) 및 상부 클래드층(33) 사이에서 전반사에 의해 트랩되는 경우, 하부 클래드층(31)과 제 2전극(35)과 접촉하는 영역에서 스캐터링(scattering)할 수 있도록 하부 클래드층(31)과 제 2전극(35) 사이에 요철 구조를 형성시킨 것을 특징 으로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 기판(30), 하부 클래드층(31), 활성층(32), 상부 클래드층(33), 제 1 전극(34) 및 제 2전극(35) 물질은 종래의 통상적인 반도체 발광 소자에 사용되는 재료면 제한없이 이용할 수 있다. 특히, 질화 갈륨계 반도체 화합물 반도체 소자에 사용되는 재료를 이용할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 기판(30)은 반도체 기판 또는 사파이어 기판을 사용하고, 하부 클래드층(31) 및 상부 클래드층(33)은 n-GaN 또는 p-GaN을 사용하고, 활성층(32)은 MQW 등을 사용할 수 있다. 제 1전극(34)으로는 종래의 일반적인 전극 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들어 Ag, Al, Rh, Pd, Ni 또는 Pt 를 사용할 수 있다. 그리고, 제 2전극(35)으로 Al, Cr, Ti 또는 Au 등을 사용할 수 있다.
이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 4a를 참조하면, 먼저 기판(30)을 마련한다. 이때 기판은 반도체 기판 또는 사파이어 기판을 사용한다.
도 4b를 참조하면, 기판(30) 상에 하부 클래드층(31), 활성층(32) 및 상부 클래드층(33)을 순차적으로 형성시킨다. 하부 클래드층(31) 및 상부 클래드층(33)은 통상적으로 많이 사용하는 GaN을 포함한 물질을 이용하여 형성시킨다. 예를 들어, 하부 클래드층(31)은 n-GaN으로 형성시키고, 상부 클래드층(33)은 p-GaN으로 형성시킨다.
도 4c를 참조하면, 사파이어 기판(30) 상의 하부 클래드층(31), 활성층(32) 및 상부 클래드층(33)의 일부 영역을 식각한다. 이를 상세히 살펴보면, 먼저, 상부 클래드층(33)과 활성층(32)을 수직 하방으로 식각한다. 이때는 RIE와 같은 건식 에칭으로 용이하게 진행할 수 있다. 따라서, 하부 클래드층(31)이 노출된다. 그리고, 노출된 하부 클래드층(31)이 요철 구조를 가지게 하기 위한 식각 공정을 실시한다. 이때에는 예를 들어 건식 식각 또는 습식 식각 공정으로 진행할 수 있다. 구체적으로 설명하면, H3PO4, KOH 수용액을 이용하여, 섭씨 100도 내지 300도의 온도 범위에서 수분 내지 수십분 동안 습식 식각 공정을 실시한다. 식각 시간은 하부 클래드층(31)의 두께에 따라서 조절할 수 있는 선택 가능한 것이다. 하분 클래드층(31)의 두께는 1 내지 10마이크로미터로 형성시킬 수 있으며, 요철 구조의 폭은 0.1 내지 10 마이크로미터로 형성시키고, 요철 구조의 높이는 0.1 내지 10 마이크로미터로 형성시킬 수 있다.
도 5에서는 상술한 바와 같은 식각 공정에 의하여 하부 클래드층(31)의 노출된 표면에 형성시킨 요철 구조의 단면을 나타낸 이미지이다. 이때 시편은 식각 조건은 H3PO4 용액에서, 섭씨 220도에서 약 10분간 습식 식각을 실시한 것이다. 도 5를 참조하면, 식각 공정에 의하여 하부 클래드층(31) 표면에 사다리꼴 홈이 형성된 것을 알 수 있다.
도 4d를 참조하면, 상부 클래드층(33)의 상부에 제 1전극(34)을 형성시키고, 하부 클래드층(31)의 요철 구조 상에 제 2전극(35)을 형성시켜 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자를 완성한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 320×320㎛2발광 소자의 평면도를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 요철 구조가 존재하는 제 2전극(35)의 면적이 전체 소자의 면적대비 30% 이상임을 알 수 있다. 즉, 활성층(32)에서 발생된 광이 발광 소자 내부에서 트랩되어 전반사 되는 과정에서 스캐터링 할 수 있는 영역이 작지 않은 것을 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 공정시 요철 구조를 형성시키는 공정시 조건을 조절하여 식각 공정을 수행한 뒤, 하부 클래드층(32)의 표면을 찍은 이미지이다.
도 7a는 섭씨 200도에서 H3PO4 수용액에 약 10분간 식각 공정을 실시한 뒤 하부 클래드층(32)의 표면 이미지이다. 이때, 식각된 영역(pit)의 폭은 약 2마이크로미터이며, 깊이는 약 1.5 마이크로미터보다 작았다.
도 7b는 섭씨 220도에서 H3PO4 수용액에 약 10분간 식각 공정을 실시한 뒤 하부 클래드층(32)의 표면 이미지이다. 이때, 식각된 영역(pit)의 폭은 약 5마이크로미터이며, 깊이는 약 2.5 마이크로미터보다 작았다.
즉, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 다른 습식 식각 조건이 유사하고, 온도의 차이가 있으나, 형성된 요철 구조의 크기는 차이가 크게 나는 것을 알 수 있다. 따라서, 요철 구조의 크기는 습식 식각 공정의 일부 조건의 변경으로 용이하게 조절 가능함을 알 수 있다. 도 8은 상술한 도 7a 및 도 7b와 같은 식각 공정에 의해 제조한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자와 요철 구조를 포함하지 않은 종래 기술에 의한 반도체 발광 소자의 광출력을 비교한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 여기서는 3가지 시편을 대상으로 하였다. 제 1시편은 일반적인 요철 구조를 포함하지 않은 시편으로 도 8의 도트로 나타내었다. 제 2시편은 도 7a와 같이 섭씨 200도에서 H3PO4 수용액에 약 10분간 식각 공정을 실시하여 요철 구조를 형성시킨 반도체 발광 소자이다. 제 3시편은 섭씨 220도에서 H3PO4 수용액에 약 10분간 식각 공정을 실시하여 요철 구조를 형성시킨 반도체 발광 소자이다. 에칭에 의해 하부 클래드층(31) 및 제 2전극(35) 사이의 계면에 형성된 요철 구조의 크기(폭과 깊이)를 크게 형성시킨 제 3시편의 경우 광출력이 가장 좋은 것을 알 수 있다. 구체적으로, 20mA에서 측정된 광출력을 비교하는 경우, 제 1시편에 비해 제 2시편은 약 25%의 향상된 광출력을 얻을 수 있었으며, 제 3시편은 약 46%라는 매우 향상된 광출력 결과를 얻을 수 있었다. 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면, 반도체 발광 소자의 하부 클래드층과 제 2전극의 계면에 요철 구조이 패턴을 형성시킴으로써, 활성층에서 발생한 광의 추출 효율을 크게 향상시키면서, 반도체 소자 제조시 종래의 요철 구조를 지닌 반도체 발광 소자에 비해 매우 간단하게 제조 할 수 있는 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 발광소자에 있어서,
    하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층의 일측 상부에 순차적으로 형성된 활성층, 상부 클래드층 및 제 1 전극; 및
    상기 하부 클래드층의 타측 표면에 형성된 요철 구조 패턴 영역 상에 형성된 제 2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 클래드층 및 상기 상부 클래드층은 질화 갈륨계 물질을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극은 Ag, Al, Rh, Pd, Ni 또는 Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하 는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2전극은 Al, Cr, Ti 또는 Au 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 클래드층의 두께는 1 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 요철 구조의 폭은 0.1 내지 10 마이크로미터이며, 상기 요철 구조이 높이는 0.1 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  8. 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
    (가) 기판 상에 하부 클래드층 형성시키는 단계;
    (나) 상기 하부 클래드층 상에 활성층 및 상부 클래드층을 형성시키는 단계;
    (다) 상기 하부 클래드층의 일부 영역을 식각하여 타측 상부에 요철 구조 패턴을 형성시키는 단계; 및
    (라) 상기 상부 클래드층 상에 제 1전극을 형성시키고, 상기 하부 클래드의 요철 구조 패턴 상에 제 2전극을 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 (다) 단계는
    상기 상부 클래드층 및 상기 활성층을 제 1식각 공정에 의하여 상기 하부 클래드층의 일부 영역을 노출시키는 단계; 및
    상기 노출된 하부 클래드층을 제 2식각 공정에 의하여 요철 구조를 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 2식각 공정은 건식 식각 또는 습식 식각 공정인 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 습식 식각 공정은 H3PO4 또는 KOH 수용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 습식 식각 공정은 섭씨 100도 내지 300도 범위에서 실시되는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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