KR20070110688A - 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자(light emitting device)에 관한 것이다. 기판 및 상기 기판 상에 형성된 반도체층, 활성층 및 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 기판 및 상기 반도체층 사이에 요철 구조로 형성된 제 1패턴; 및 상기 제 1패턴의 요철 구조 상에 형성된 요철 구조의 제 2패턴;을 포함하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 제공하여 광 추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
Description
도 1은 종래 기술에 의한 일반적인 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2a는 종래 기술에 의한 요철 구조를 지닌 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 나타낸 단면도이다.
도 2b는 종래 기술에 의한 요철 구조를 지닌 기판 상에 발광소자를 형성시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 다출 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴 구조를 지닌 발광 소자에 사용되는 기판의 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴 구조를 지닌 발광 소자에 투광성 나노 도트를 형성시킨 것을 나타낸 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 종래 기술에 의한 평면 기판, 요철 구조를 지닌 기판 및 본 발명의 실시예에 의한 다중 요철 기판을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6a 내지 도 6c에 나타낸 종래 기술에 의한 기판 및 본 발명의 실 시예에 의한 다중 요철 구조를 지닌 발광 소자의 광 추출 효율을 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11, 21, 31, 61... 기판 12, 34, 62... 제 1반도체층
13, 35, 63... 활성층 14, 36... 제 2반도체층
15, 16, 37, 38... 전극층 22... 활성층
32, 61a... 제 1패턴 33, 61b... 제 2패턴
40... 나노 도트
본 발명은 패턴 구조를 포함하는 발광 소자에 관한 것으로 보다 상세하게는, 발광 소자에 사용되는 기판 표면에 다중 요철 패턴을 형성하여 발광 소자의 결함 밀도 제어 및 스트레스 분포의 제어가 용이하며, 광추출 효율을 향상시킨 다중 패턴 구조를 지닌 발광 소자에 관한 것이다.
통상적인 반도체 발광소자는 레이저 다이오드 및 발광 다이오드(light emitting diode:LED)가 있으며, 여기서 발광 다이오드는 화합물 반도체의 특성을 이용한 것으로, 전기 에너지를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시킨 신호를 발신하는데 사용되는 소자이다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 직접천이형 반도체이며, 다른 반도체를 이용 한 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.
도 1에는 종래 기술에 의한 일반적인 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 사파이어 기판(11) 상부에 n-GaN층(12)이 형성되며, 상기 n-GaN층(12) 상부의 일부위에 활성(active)(13)층, p-GaN층(14) 및 p형 전극층(15)이 순차적으로 형성되어 있다. n-GaN(12)층 상부의 상기 활성층(13)이 형성되지 않은 부위에 n형 전극층(16)이 형성되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같은 일반적인 발광 소자에서는 내부의 활성층에서 발생된 빛을 얼마나 효율적으로 외부로 추출할 수 있는가가 중요한 문제이다. 사파이어 기판 및 활성층의 종방향으로 발생된 빛을 효율적으로 추출하기 위해 투명전극 또는 반사층을 형성하는 등을 노력을 해왔다. 그러나, 활성층에서 발생하는 빛의 상당량은 횡방향으로 전파하게 되므로 이를 종방향으로 추출하기 위해, 예를 들어 반도체 소자의 적층 구조 측벽에 소정의 각도를 형성시키고, 상기 측벽을 반사면으로 형성시키는 등의 노력을 하였으나 그 가공 및 비용면에서 문제점이 있다. 또한, 사파이어 기판을 사용한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자의 광출력을 향상시키기 위해, 플립칩(flip chip) 형태의 소자 구조를 채택함에 있어서 광추출 효율은 GaN과 사파이어 기판간의 굴절율 차이에 의해 약 40% 대에 머물고 있다.
이를 보완하기 위하여 최근에는 도 2a에 나타낸 바와 같이, 사파이어 기판(21) 표면에 요철 구조를 형성한 뒤, 그 상부에 활성층(22) 등을 포함한 반도체 결정층들을 형성시킨 LED 구조가 소개되었다. 도 2a와 같은 구조는 활성층(22)의 하방에 요철 모양의 굴절율 계면을 형성시킴으로써, 소자 내부에서 소멸하는 횡방향 빛의 일부를 외부로 추출 가능하도록 한 것이다.
또한, 사파이어 기판(21) 상에 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 형성시킨 경우, 사파이어 기판(21)과 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체와의 격자 정수의 부정합(miss fit)에 의해 전위가 발생하는 문제점이 있다. 이를 방지하기 위해, 도 2b-(d)와 같이 사파이어 기판(21) 표면에 요철 구조를 도입하여, 그 상부에 GaN층(23)을 형성시켰다. 이러한 요철 구조를 지닌 사파이어 기판 상에 LED를 형성시키는 공정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2b-(a)와 같은 요철 구조를 지닌 사파이어 기판(21)상에, GaN 층(23)을 형성시키는 경우, 도 2b-(b)와 같이 요철의 상부 및 각 요철의 측부에서 GaN이 패싯(facet)성장(24)을 하게 되고, 이러한 성장이 진행된 뒤, 도 2b-(c)와 같은 평탄화된 GaN층(23)을 얻을 수 있다. 이렇게 평탄화된 GaN층(23)의 제 1영역 상부에 활성층(22), GaN층(25), 제 1전극층(26)을 형성시키고, GaN층(23)의 제 2영역 상에 제 2전극층(27)을 형성시켜 발광 다이오드를 완성한 것을 도 2b-(d)에 나타내었다.
이와 같은 단순 요철 구조의 반도체 발광 소자의 경우 종래의 평면형 기판을 사용한 반도체 발광 소자에 비해 광 추출 효율을 향상시킨 것이나, 광 추출 효율을 보다 더 증가시키기 위한 반도체 발광 소자의 구조가 요구된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 일반적인 평판형 기판 및 단일 요철 패턴을 지닌 발광 소자의 기판 구조를 향상시켜 발광층에서 발생한 빛의 발광 소자 외부로의 추출 효율을 높일 수 있는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는
기판 및 상기 기판 상에 형성된 반도체층, 활성층 및 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자에 있어서,
상기 기판 및 상기 반도체층 사이에 요철 구조로 형성된 제 1패턴; 및
상기 제 1패턴의 요철 구조 상에 형성된 요철 구조의 제 2패턴;을 포함하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 요철 구조의 제 2패턴은 상기 제 1패턴의 요철 및 요철 구조 사이에 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 요철 구조는 각이 진 요철과 곡면형 요철 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 사파이어 또는 Si를 포함하는 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 2패턴은 상기 제 1패턴의 요철구조의 돌출부 또는 홈 부위에 투광성 물질을 나노 패턴 구조로 형성시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 투광성 물질은 SiO2 또는 SiNx인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 제 1반도체층; 상기 제 1반도체층의 제 1영역 상에 순차적으로 형성된 활성층, 제 2반도체층 및 제 1전극층; 및 상기 제 1반도체층의 제 2영역 상에 형성된 제 2전극층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 돌출부는 곡면형 돌출부인 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 발광 소자에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 발명은 반도체 발광 소자의 기판에 다중 패턴 구조를 형성시켜 광추출 효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 도 3을 참조하면, 기판(31) 상부에 제 1반도체층(34)이 형성되며, 제 1반도체층(34)의 제 1영역 상에는 활성층(35), 제 2반도체층(36) 및 제 1전극(37)이 순차적으로 형성되어 있다. 그리고, 제 1반도체층(34)의 제 2영역 상에는 제 2전극층(38)이 형성되어 있다. 여기서, 기판(31)은 통상적인 반도체 발광 소자에 사용되는 사파이어 기판에 한정되지 아니하며, 실리콘(Si), 탄화 규소(SiC)등 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 성장시키는 기판이면 사용될 수 있다.
그리고, 제 1반도체층(34)은 n-GaN으로 형성될 수 있으며, 제 2반도체층(36) 은 p-GaN을 포함한 물질로 형성될 수 있다. 여기서, 제 1반도체층(34) 및 제 2반도체층(36)을 형성하는 물질은 GaN에 한정되지 아니하며, AlN 또는 InN과 같은 2원계, 기타 3원계 및 4원계를 포함한다.
본 발명에서는 기판(31)의 표면에 다중 패턴 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로 기판(31)의 표면에는 제 1패턴(32)이 형성되어 있으며, 제 1패턴(32)의 표면에는 제 2패턴(33)이 형성되어 있다. 이때, 제 1패턴(32) 및 제 2패턴(33)의 형태에는 제한이 없다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자에 사용되는 기판을 나타낸 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 기판(31)은 통상적인 반도체 발광 소자의 기판으로 사용되는 사파이어 기판 또는 Si를 포함하는 기판이다. 기판(31) 표면에는 스텝형, 즉 각이 진 요철 형상으로 형성된 제 1패턴(32)이 마련되어 있다. 그리고, 제 1패턴(32)의 돌출부 및 홈 부위에는 요철 형상으로 형성된 제 2패턴(33)이 마련되어 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴을 지닌 반도체 발광 소자는 기판(31)에 제 1패턴(32) 및 제 1패턴(32)에 형성된 제 2패턴(33)을 포함하므로 결과적으로 다중 패턴 구조를 지닌다. 또한, 선택적으로 제 2패턴(33) 내에 또 다른 패턴 구조를 형성시킬 수 있다.
도 4b에는 상기 도 4a의 스텝형 요철형 패턴이 아닌, 제 1패턴(32)이 곡면형 요철 구조인 실시예를 나타낸 것이다. 도 4b를 참조하면, 기판(31)은 표면에는 곡면형 제 1패턴(32)이 마련되어 있다. 그리고, 제 1패턴(32)의 곡면형 돌출부 및 각 돌출부 사이에는 요철 형상으로 형성된 제 2패턴(33)이 마련되어 있다. 또한, 제 2패턴(33) 내에 선택적으로 제 3패턴(미도시)을 형성시킬 수 있으며 결과적으로 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광 소자는 다중 패턴 구조를 지닌 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 곡면형 요철 구조는 반구형 또는 스트라이프형일 수 있다.
도 5a 내지 도 5c에서는 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴을 지닌 반도체 발광 소자의 기판의 패턴 영역을 확대한 도면이다. 도 5a를 참조하면 기판(31), 예를 들어 통상적으로 반도체 발광 소자에 사용되는 사파이어 기판에 제 1패턴(32)이 마련되어 있으며, 제 1패턴(32) 영역에는 제 2패턴(33) 구조가 형성되어 있다. 여기서, 제 1패턴(32) 및 제 2패턴(33)은 요철형 구조임을 알 수 있다.
기판(31)과 그 상부의 반도체층 사이의 계면에서 굴절률 차이를 이용한 광진행 경로 변경 효과를 극대화하기 위하여, 도 5b 및 도 5c에서는 패턴 및 패턴 사이 또는 패턴 상에 SiO2 또는 SiNx와 같이 기판과 굴절율 차이가 나는 광투과성 물질을 나노 도트(40)로 형성시킨 구조를 나타내고 있다. 즉, 이와 같이 기판(31)의 제 1패턴(32) 영역의 표면에 광투과성 물질을 나노 도트(40)로 형성시켜 제 2패턴(33)과 동일한 기능을 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴을 지닌 반도체 발광 소자의 기판(31)은 기판(31) 자체의 표면 구조를 다중 패턴으로 형성시켜 사용할 수 있으며, 또한 광투과성 물질을 기판(31) 상에 패턴 구조로 형성하여 사용할 수 있으며 이를 모두 포함한 구조로도 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴을 지닌 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다. 본 발명에서는 기판 표면에 다중 패턴 구조를 형성시키기 위하여 2회 이상의 건식 식각 공정을 실시한다.
먼저 평면형 기판, 예를 들어 사파이어 기판을 마련한다. 그리고, 기판 상에 패턴된 포토레지스트를 위치시키고, 사진 식각(photolithography) 공정에 의해 제 1패턴을 형성시킨다. 그리고, 예를 들어 일반적인 RIE(Reactive Ion Etching : 반응성 이온 식각) 공정으로 제 1패턴을 형성한다.
식각 가스로는 Cl2, BCl3, HCl, CCl4, SiCl4 등의 Cl 계열의 가스 중에서 선택하는 것이 바람직하다. 작동 압력의 경우 식각 가스 또는 상황에 따라 수 mTorr ~ 수십 mTorr 사이로 선택적으로 조절할 수 있다. 만약 SiO2 또는 SiNx와 같은 광투과성 물질을 나노 도트로 형성시키고자 하는 경우에는, 패턴 구조가 형성된 기판 표면에 SiO2 또는 SiNx와 같은 광투과성 물질을 얇게 도포한 뒤 소정 영역이 개구된 마스크를 위치시킨 뒤, 개구된 영역을 식각한다.
기판 표면에 다중 패턴 구조를 형성시킨 다음, 기판 상부에 발광 소자 제작에 필요한 n-GaN층, 활성층, p-GaN층, p형 전극층 및 n형 전극층 등을 순차적으로 형성시킨다. 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴 구조를 지닌 발광 소자에 있어서, 기판 상부에 형성되는 화합물 반도체층들은 종래의 형태와 크게 다르지 않으며, 그 제조 공정도 공지 기술을 사용하면 용이하게 실시할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴을 지닌 반도체 발광 소자와 종래 기술에 의한 반도체 발광 소자의 광추출 효율을 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명하고자 한다. 도 6a는 일반적인 평면 구조의 반도체 기판, 즉 도 1에 나타낸 반도체 발광 소자의 기판을 포함하는 반도체 발광소자를 나타낸 것이며, 도 6b는 도 2a에 나타낸 요철 구조를 포함하는 기판을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 것이다. 도 6c는 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴 구조를 지닌 기판을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 것이다.
구체적으로 도 6a는 기판(61) 상에 제 1반도체층(62)이 형성되어 있으며, 제 1반도체층(62) 상에 활성층(63)이 형성된 일반적인 구조를 나타낸 것이다.
도 6b는 기판(61) 상에 제 1반도체층(62)이 형성되어 있으며, 제 1반도체층(62) 상에 활성층(63)이 형성되어 있으며, 제 1반도체층(62)과 접하는 기판(61) 표면에는 제 1패턴(61a) 구조가 형성된 것이다.
그리고, 도 6c는 반도체 기판(61) 상에 제 1반도체층(62)이 형성되어 있으며, 제 1반도체층(62) 상에 활성층(63)이 형성되어 있다. 제 1반도체층(62)과 접하는 기판(61) 표면에는 제 1패턴(61a) 구조가 형성되어 있으며, 제 1패턴(61a) 구조의 돌출부 및 돌출부 사이 영역에는 제 2패턴(61b) 구조가 형성되어 있다.
도 6a 내지 도 6c에 나타낸 반도체 발광 소자의 광 추출 효율을 측정한 그래프를 도 7에 나타내었다. 도 6a의 기판 구조를 사용한 반도체 발광 소자를 plane, 도 6b의 기판 구조를 사용한 반도체 발광 소자를 pattern 1, 도 6c의 기판 구조를 사용한 반도체 발광 소자를 pattern 2로 표시하였다.
도 7을 참조하면, 평면 구조의 반도체 기판을 사용한 반도체 발광 소자의 광 추출 효율을 100으로 나타내었을 때, 단순 요철 구조의 기판을 사용한 반도체 발광 소자의 광 추출 효율은 130을 나타내었으며, 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자의 경우 광 추출 효율은 약 170을 나타내었다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자의 경우, 단순 평면 구조의 기판을 사용한 발광 소자에 비해 약 70%의 광 추출 효율이 개선된 효과를 나타내었으며, 단순 요철 구조를 지닌 반도체 발광 소자에 비해 약 30.8%의 광 추출 효율이 개선된 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다. 본 발명에 의한 발광 소자의 제 1패턴 및 제 2패턴의 구조는 제한되지 않으며, 제 1패턴은 단순 요철형 또는 곡면형이 될 수 있으며 상기 곡면형 구조는 반구형, 스트라이프형, 말굽형 등을 포함한다. 그리고, 패턴의 배열 형태도 규칙적, 불규칙적인 배열 형태가 모두 포함될 수 있다.
본 발명에 의하면, 제 1패턴 표면에 제 2패턴을 형성된 다중 패턴 구조의 기판 상에 발광층을 포함하는 발광 소자를 형성시킴으로써 종래의 일반적인 평면 기판 또는 단순 요철 구조의 기판을 사용한 반도체 발광 소자에 비해 활성층 즉, 발광층에서 발생한 빛의 발광 소자 외부로의 추출 효율을 높일 수 있다.
Claims (12)
- 기판 및 상기 기판 상에 형성된 반도체층, 활성층 및 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자에 있어서,상기 기판 및 상기 반도체층 사이에 요철 구조로 형성된 제 1패턴; 및상기 제 1패턴의 요철 구조 상에 형성된 요철 구조의 제 2패턴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 요철 구조의 제 2패턴은 상기 제 1패턴의 요철 및 요철 구조 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,상기 요철 구조는 각이 진 요철과 곡면형 요철 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 제 1항에 있어서,상기 기판은 사파이어 또는 Si를 포함하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 제 2패턴은 상기 제 1패턴의 요철구조의 돌출부 또는 홈 부위에 투광성 물질을 나노 패턴 구조로 형성시킨 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 5항에 있어서,상기 투광성 물질은 SiO2 또는 SiNx인 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 기판 상에 형성된 제 1반도체층;상기 제 1반도체층의 제 1영역 상에 순차적으로 형성된 활성층, 제 2반도체층 및 제 1전극층; 및상기 제 1반도체층의 제 2영역 상에 형성된 제 2전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 돌출부는 곡면형 돌출부인 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 8항에 있어서,상기 기판은 사파이어 또는 Si를 포함하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 8항에 잇어서,상기 제 2패턴은 상기 제 1패턴의 다수의 곡면형 돌출부들 또는 상기 곡면형 돌출부들 사이의 영역에 투광성 물질을 나노 패턴 구조로 형성시킨 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 8항에 있어서,상기 투광성 물질은 SiO2 또는 SiNx인 것을 특징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
- 제 8항에 있어서,상기 기판 상에 형성된 제 1반도체층;상기 제 1반도체층의 제 1영역 상에 순차적으로 형성된 활성층, 제 2반도체층 및 제 1전극층; 및상기 제 1반도체층의 제 2영역 상에 형성된 제 2전극층;을 포함하는 것을 특 징으로 하는 다중 패턴 구조를 지닌 반도체 발광 소자.
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