KR20070009854A - 화합물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판, 기판의 위쪽에 위치하며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수 개의 화합물 반도체 층을 포함하는 화합물 반도체 발광소자에 있어서, 기판과, 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층 사이에 위치하며, 최하층과 다른 굴절률을 가지고, 활성층에서 생성된 빛의 입사각을 변경시키는 보이드(void)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

화합물 반도체, 발광소자, 질화물 반도체, 발광 다이오드, 외부양자효율

Description

화합물 반도체 발광소자{COMPOUND SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도 1은 종래의 발광소자를 나타내는 도면,

도 2는 종래의 다른 발광소자를 나타내는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 4는 도 3의 발광소자의 동작 원리를 설명한 도면,

도 5a 내지 도 5e는 도 3의 발광소자의 제조 공정의 일 예를 설명하는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,

도 7은 도 6의 발광소자의 동작 원리를 설명한 도면,

도 8a 내지 도 8d는 도 6의 발광소자의 제조 공정의 일 예를 설명하는 도면,

도 9는 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,

도 10은 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면.

본 발명은 화합물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 외부양자효율을 높이기 위한 보이드(void)가 형성된 제1 반도체 층 또는 기판을 포함하는 질화물 반도체 또는 기타 화합물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 여기서, 질화물 반도체 발광소자는 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}N (0≤x≤1, 0≤y≤1, x + y ≤1)로 된 화합물 반도체 층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하고, 기타 화합물 반도체 발광소자는 Al_xGa_{1 - x}In_yP_{1 -y} (0≤x≤1, 0≤y≤1)로 된 화합물 반도체 층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 포함한다.

도 1은 종래의 발광소자를 나타내는 도면으로서, 빛이 발광소자의 내부에서 반사를 반복하다가 소멸하는 과정을 설명하고 있으며, 기판(10), n형 반도체 층(12), 활성층(13), p형 반도체 층(14)으로 이루어지며, 활성층(13)에서 나온 빛이 광 경로 1로 표시한 바와 같이 공기(굴절률=1.0) 중으로 나가려면, 즉 상측으로 탈출하려면, p형 반도체 층(14)이 예컨대 GaN(굴절률=2.5)로 이루어질 경우 입사각이 임계각 23.6도 이하이어야 한다. 따라서, 23.6°보다 큰 입사각을 가지는 빛은 광 경로 2로 표시한 바와 같이 발광소자의 내부로 반사되어 외부로 탈출하지 못한다.

같은 현상이 n형 반도체 층(12)과 기판(10) 사이에서도 일어난다. 기판(10)이 사파이어(굴절률= 1.8)인 경우에 임계각은 46.1°로서 비교적 크긴 하지만 역시 46.1°보다 큰 입사각을 가지는 빛은 광 경로 3으로 표시한 바와 같이 n형 반도체 층(2) 내부로 다시 돌아가게 된다.

따라서, 아주 적은 양의 빛만 외부로 탈출하고, 나머지는 발광소자의 내부에 갇히게 되며 이러한 과정이 여러 차례 일어나면서 광은 발광소자 내부에서 급격히 소멸한다.

도 2는 종래의 다른 발광소자(예: 국제공개공보 WO 03/010831호)를 나타내는 도면으로서, 이러한 문제를 부분적으로 개선한 경우이며, 도시된 바와 같이 기판(10), n형 반도체(12), 활성층(13), p형 반도체(14)로 이루어지며, 기판(10)의 표면에 돌기(또는 오목부)가 형성되어, 원래 외부로 탈출하지 못하던 빛이 광 경로 2로 표시된 바와 같이 돌기(또는 오목부)의 측벽(S)에 의해 광 경로가 바뀌게 되어 외부로 탈출할 수 있게 된다.

그러나 포토리소그라피 또는 기타 방법으로 패턴을 형성하고, ICP(Induction Coupled Plasma) 식각 방법으로 형성되는 돌기(또는 오목부)의 측벽이 평탄하지 않을 경우, 측벽 주위에서 성장되는 막의 품질이 급격히 저하된다. 그 이유는 돌기(또는 오목부)의 바닥면(B)에서 성장된 막이 측벽을 타고 성장하게 되는데, 이 측벽이 평탄하지 않으면 이 부분에서 성장된 막은 본래의 품질을 잃어버리게 된다.

본 발명은 외부양자효율을 높이기 위한 보이드(void)가 형성된 제1 반도체 층 또는 기판을 포함하는 질화물 반도체 또는 기타 화합물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 기판, 기판 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수 개의 반도체 층들을 포함하는 화합물 반도체 발광소자에 있어서, 외부양자효율을 높이기 위한 보이드(void)가 형성된 제1 반도체 층 또는 기판을 포함하는 질화물 반도체 또는 기타 화합물 반도체 발광소자 를 제공한다.

본 발명은 기판, 기판의 위쪽에 위치하며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수 개의 화합물 반도체 층을 포함하는 화합물 반도체 발광소자에 있어서, 기판과, 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층 사이에 위치하며, 최하층과 다른 굴절률을 가지고, 활성층에서 생성된 빛의 입사각을 변경시키는 보이드(void)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자을 제공한다.

또한 본 발명은 보이드가 기판에 접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판에 오목부가 형성되어 있으며, 보이드가 오목부가 형성된 기판과 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판에 제1 반도체 층이 형성되며, 제1 반도체 층이 부분적으로 식각되고, 보이드가 식각된 제1 반도체 층과 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층이 그 위의 화합물 반도체 층보다 저온에서 형성되는 버퍼 층인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판에 제1 반도체 층이 형성되며, 제1 반도체 층이 부분적으로 식각되어 있고, 보이드가 식각된 제1 반도체 층과 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판에 제1 반도체 층이 형성되며, 제1 반도체 층이 부분적으로 식각되어 있고, 보이드가 기판, 식각된 제1 반도체 층, 그리고 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층이 그 위의 화합물 반도체 층보다 저온에서 형성되는 버퍼 층인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 보이드가 성장 방지 층 위에 형성되며, 성장 방지 층이 성장 방지 층 위에 최하층이 형성되는 것을 억제함으로써 보이드를 형성시키는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 복수 개의 화합물 반도체 층이 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}N (0≤x≤1, 0≤y≤1, x + y ≤1)로 된 화합물 반도체 층인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 성장 방지 층이 활성층으로부터 생성된 빛을 반사시키는 반사막으로 역할하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다. 이러한 반사막은 성장 방지 층의 두께를 빛을 반사할 수 있는 정도로 구성함으로써 이루어진다.

이하, 도면을 참고로 하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 기판(20), 기판 위에 성장된 제1 반도체 층(21)과 제1 반도체 층(21)의 일부를 제거하고, 제거되지 않은 반도체 층의 상부에 형성된 활성층을 포함하는 복수 개의 반도체 층(22)을 포함하는 발광소자가 제시되어 있다.

제1 반도체 층(21)이 제거된 위치에는 보이드(Void)(23)가 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 보이드(23)의 형성은 기판 위에 제1 반도체 층(21)을 형성하는 1단계, 제1 반도체 층(21) 위에 형성된 식각 마스크를 패턴화하는 제2 단계, 패턴화된 식각 마스크를 이용하여 기판을 식각하는 제3 단계, 식각된 제1 반도체 층(21) 위에 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수 개의 반도체 층(22)을 형성하는 제4 단계를 통해 이루어진다.

도 4는 도 3의 발광소자의 동작 원리를 설명한 도면으로서, n형 반도체 층(24)과 p형 반도체 층(26) 사이에 위치하는 활성층(25)에서 발생한 빛은 보이드(23)에 의해 스캐터링되는 현상을 가진다. 보이드(23)는 활성층(25)에서 발생한 빛을 반사, 굴절시키는 역할을 한다.

보이드(23)의 폭, 보이드(23) 사이의 간격, 그리고 보이드(23)의 높이에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 보이드(23)의 폭이 작아지면 스캐터링되는 면적이 작아지고, 보이드(23) 사이의 간격이 너무 넓으면 형성되는 보이드(23)의 수가 작아지므로 빛이 스캐터링되는 면적이 작아져서 외부로 방출되는 빛의 양이 적어질 수 있으며, 보이드(23)의 높이를 높게 하면 보이드(23)에 의한 스캐터링은 증가하 나, 제조상의 문제 등으로 보이드(23)의 폭, 보이드(23) 사이의 간격, 보이드(23)의 높이는 100A - 10um의 범위가 바람직하다.

기판(20)은 질화물 반도체 발광소자의 경우 사파이어, SiC, AlN, GaN가 바람직하며, 갈륨비소 계열 반도체 발광소자의 경우 GaAs, InP 등이 바람직하다.

제1 반도체 층(21)의 경우 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}N (0≤x≤1, 0≤y≤1, x + y ≤1) 또는 Al_xGa_{1 - x}In_yP_{1 -y} (0≤x≤1, 0≤y≤1) 또는 Al_xGa_{1 - x}As(0≤x≤1)이 바람직하며, 제1 반도체 층(21)의 식각은 건식 식각 방법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

제1 반도체 층(21)과 기판(20) 사이에는 질화물 반도체 발광소자의 경우 Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x + y ≤1) 또는 SiC 또는 SiCN 버퍼 층을 구비하여도 좋다. 여기서, 버퍼 층이라 함은 제1 반도체 층(21) 보다 낮은 온도에서 성장되어 제1 반도체 층(21)과 기판(20) 사이의 격자 상수의 차이 및 열팽창 계수의 차이를 완화시키는 완충 층을 의미한다.

제1 반도체 층(21)과 보이드(23)의 상측에 형성된 활성층을 포함하는 제2 반도체 층(22)의 구성은 다음과 같을 수 있다. 제2 반도체 층(22)은 n형 반도체 층, 활성층, p형 반도체 층이 아래로부터 위쪽으로 순서대로 형성되거나, p형 반도체 층, 활성층, n형 반도체 층이 아래로부터 위쪽으로 순서대로 형성될 수 있다.

도 5a 내지 도 5e는 도 3의 발광소자의 제조 공정의 일 예를 설명하는 도면이다.

도 5a는 준비된 기판(20)을 보여주고 있다.

도 5b는 기판(20) 위에 제1 반도체 층(21)을 유기금속화학 증착법(MOCVD), 분자선 단결정성장(MBE), 또는 액상 단결정성장(LPE) 방법으로 형성한 것이다. 제1 반도체 층(21)은 100A - 10um 의 두께를 가지며, 바람직하게는 500nm - 2,000nm의 두께를 가진다. 제1 반도체 층(21) 위에 포토리소그라피 또는 기타 방법에 의해서 포토 레지스트로 일정한 모양의 패턴을 형성하고, 건식식각 방법 등을 이용하여 제1 반도체 층(21)의 일부를 식각한다.

도 5c는 제1 반도체 층(21)의 일부를 제거한 후 모습을 제1 반도체 층(21)의 단면을 나타내고 있다.

도 5d는 기판(20) 위의 제1 반도체 층(21)의 일부를 식각한 후의 제1 반도체 층(21)에 접하여 제2 반도체 층(22)의 일부를 성장하는 것을 보여주는 도면이다. 제1 반도체 층(21)에 접하여 성장되는 제2 반도체 층(22)은 위쪽으로 단결정 성장과 동시에 측면으로의 성장이 일어난다. 측면으로 성장되는 제2 반도체 층(22)은 인접한 제1 반도체 층(21) 위에 형성된 제2 반도체 층(22)과 만나게 되고, 양쪽에서 진행되어 온 제2 반도체 층(22)이 만나는 부분의 아래쪽에 보이드(23)가 형성된다. 양쪽에서 성장해온 제2 반도체 층(22)이 만난 후에는 위쪽 방향으로의 성장만 진행된다. 최종적으로 도 5e와 같이 제1 반도체 층(21)과 보이드 상측에 제2 반도체 층(22)이 형성되게 된다.

제2 반도체 층(22)이 성장되는 동안에, 제1 반도체 층(21)이 부분적으로 식각되어 드러난 기판(20) 위에는 제2 반도체 층(22)이 성장되지 않게 하는 것이 중요하다. 성장이 되더라도 아주 작은 두께로 성장되어 보이드(23)가 형성되는 조건 으로 만드는 것이 중요하다. 보이드(23)가 형성되는 제1 반도체 층(21)의 식각 부분의 폭, 즉 보이드(23) 폭이 작을수록 식각으로 드러난 기판(20)에서의 성장은 적게 일어난다. 질화물 반도체 발광소자의 경우 제2 반도체 층(22)을 성장시키면서 기판(20)과 제1 질화물 반도체 층(21) 사이에 버퍼 층을 성장시키지 않으면 제1 반도체 층(21)의 식각으로 드러난 기판(20) 위에는 단결정 성장이 일어나지 않는다.

도 6은 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 오목부(100)를 가진 기판(30), 기판(30) 상부에 형성된 활성층을 포함하는 복수 개의 반도체 층(32)을 포함하는 발광소자가 제시되어 있다.

이 발광소자는 기판(30)의 일부가 제거된 위치에 보이드(Void)(33)가 형성된 것을 특징으로 한다. 보이드(33)의 형성은 기판(30) 위에 형성된 식각 마스크를 패턴화하는 제1 단계, 패턴화된 식각 마스크를 이용하여 기판을 식각하는 제2 단계, 식각된 기판의 오목부(100) 위에 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수 개의 반도체 층을 형성하는 제 3단계를 통해 이루어진다.

도 7은 도 6의 발광소자의 동작 원리를 설명한 도면으로서, n형 반도체 층(34)과 p형 반도체 층(36) 사이에 위치하는 활성층(35)에서 발생한 빛은 보이드(33)에 의해 스캐터링되는 현상을 가진다. 보이드(33)는 활성층(35)에서 발생한 빛을 반사, 굴절시키는 역할을 한다.

보이드(33)의 폭, 보이드(33) 사이의 간격, 그리고 보이드(33)의 높이에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 보이드(33)의 폭이 작아지면 스캐터링되는 면적이 작아지고, 보이드(33) 사이의 간격이 너무 넓으면 형성되는 보이드(33)의 수가 작아지므로 빛이 스캐터링되는 면적이 작아져서 외부로 방출되는 빛의 양이 적어질 수 있으며, 보이드(33)의 높이를 높게 하면 보이드(33)에 의한 스캐터링은 증가하나, 제조상의 문제 등으로 보이드(33)의 폭, 보이드(33) 사이의 간격, 보이드(33)의 높이는 100A - 10,000um의 범위가 바람직하다.

도 8a 내지 도 8d는 도 6의 발광소자의 제조 공정의 일 예를 설명하는 도면이다.

도 8a는 준비된 기판(30)을 보여주고 있다.

도 8b는 기판(30)의 일부를 제거한 후의 기판(30)의 단면을 나타내는 도면으로서, 기판(30) 위에 포토리소그라피 또는 기타 방법에 의해서 포토레지스트로 일정한 모양의 패턴을 형성하고, 건식식각 방법 등을 이용하여 기판(30)의 일부를 식각한다.

도 8c는 기판(30)의 일부를 식각한 후의 기판(30) 오목부(100)에 접하여 제1 반도체 층(32)의 일부를 성장하는 것을 보여주는 도면이다. 기판의 오목부(100)에 접하여 성장되는 제1 반도체 층(32)은 위쪽으로 단결정 성장과 동시에 측면으로의 성장이 일어난다. 측면으로 성장되는 제1 반도체 층(32)은 인접한 기판(30) 상에 형성된 제1 반도체 층(32)과 만나게 되고, 양쪽에서 진행되어 온 제1 반도체 층(32)이 만나는 부분의 아래쪽에 보이드(33)가 형성된다. 양쪽에서 성장해 온 제1 반도체 층(32)이 만난 후에는 위쪽 방향으로의 성장만이 진행된다.

최종적으로 도 8d와 같이 기판(30)과 보이드(33) 상측에 제1 반도체 층(32)이 형성된다.

도 9는 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 제2 반도체 층(42)의 성장을 억제하기 위해, 보이드(43)와 기판(40)이 접하는 부분에 성장 방지 층(48)이 구비되어 있다. 성장 방지 층(48)은 SiO₂와 같은 절연체, ITO 또는 금속 등으로 구성될 수 있으며, 제2 반도체 층(42)의 성장을 억제할 수 있는 것이라면 어떠한 것이어도 좋다. 성장 방지 층(48)의 형성은 제1 반도체 층(41)을 부분적으로 식각하고 드러난 기판(40) 위에 SiO₂와 물질을 배치시킴으로써 이루어진다.

도 10은 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 보이드(53)와 기판(50)이 접하는 부분에 성장 방지 층(58)을 형성하고, 그 위에 제2 반도체 층(52)을 형성한 구조를 제시하고 있다.

본 발명에 의하면, 기판 또는 반도체 층에 형성된 보이드를 이용하여 활성층으로부터 생성된 빛을 발광소자 외부로 효율적으로 방출함으로써, 발광소자의 외부양자효율을 높일 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 기판; 기판의 위쪽에 위치하며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수 개의 화합물 반도체 층;을 포함하는 화합물 반도체 발광소자에 있어서,

   기판과, 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층 사이에 위치하며, 최하층과 다른 굴절률을 가지고, 활성층에서 생성된 빛의 입사각을 변경시키는 보이드(void)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서, 보이드는 기판에 접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서, 기판에는 오목부가 형성되어 있으며, 보이드는 오목부가 형성된 기판과 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
4. 제 1 항에 있어서, 기판에 제1 반도체 층이 형성되며, 제1 반도체 층은 부분적으로 식각되어 있고, 보이드는 식각된 제1 반도체 층과 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
5. 제 1 항에 있어서, 기판에 제1 반도체 층이 형성되며, 제1 반도체 층은 부분적으로 식각되어 있고, 보이드는 기판, 식각된 제1 반도체 층, 그리고 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
6. 제 1 항에 있어서, 복수 개의 화합물 반도체 층의 최하층은 그 위의 화합물 반도체 층보다 저온에서 형성되는 버퍼 층인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
7. 제 1 항에 있어서, 보이드는 성장 방지 층 위에 형성되며, 성장 방지 층은 성장 방지 층 위에 최하층이 형성되는 것을 억제함으로써 보이드를 형성시키는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
8. 제 1 항에 있어서, 복수 개의 화합물 반도체 층은 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}N (0≤x≤1, 0≤y≤1, x + y ≤1)로 된 화합물 반도체 층인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
9. 제 7 항에 있어서, 성장 방지 층은 활성층으로부터 생성된 빛을 반사시키는 반사막으로 역할하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.

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