KR20080024787A

KR20080024787A - 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법

Info

Publication number: KR20080024787A
Application number: KR20060089391A
Authority: KR
Inventors: 김성균
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-03-19

Abstract

본 발명에 의한 반도체 발광소자는 바닥면에 요철 구조가 형성된 기판; 상기 기판 위에 형성되는 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 위에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성되는 p형 반도체층을 포함한다. 또한, 본 발명에 의한 반도체 발광소자의 제조 방법은 기판 위에 n형 반도체층이 형성되는 단계; 상기 n형 반도체층 위에 활성층이 형성되는 단계; 상기 활성층 위에 p형 반도체층이 형성되는 단계; 및 상기 기판 저면에 요철 구조가 형성되는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 반사 면적이 넓게 형성되고 반사면에 다양한 임계각을 구현할 수 있으므로 반사된 빛이 소실되지 않고 최대한의 광도로 방출될 수 있으며, 반사층 형성을 위한 별도의 생산 설비와 공정이 추가될 필요가 없으므로 생산성이 향상되고, 생산비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법{Semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof}

도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법을 도시한 흐름도.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 발광소자의 구조 중 반사층의 일부를 확대도시한 측단면도.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 발광소자의 구조 중 반사층의 일부를 확대도시한 측단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100, 200: 본 발명에 의한 반도체 발광소자

110, 210: 기판 110a, 210a: 요철 구조

112, 212: 반사층 120, 220: 버퍼층

130, 230: n형 반도체층 140, 240: 활성층

150, 250: p형 반도체층 160, 260: 투명전극층

170, 270: p측 전극 180, 280: n측 전극

본 발명은 반사 구조가 개선된 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용되는 소자이다.

LED의 사용 범위는 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 종류는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나뉘어 진다.

보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다.이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.

상기와 같이 LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신 호용 전등 등 요구되는 휘도의 량도 갈수록 높아져서, 최근에는 고출력 발광 다이오드에 대한 개발이 활발히 진행 중이다.

특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 반도체광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있다. 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭을 가지고, 이를 이용한 밴드갭 엔지니어링은 하나의 반도체상에서 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.

최근, 질화물 반도체를 이용한 청색 및 녹색 발광소자의 개발은 광디스플레이 시장에 일대 혁명을 몰고 왔으며, 앞으로도 고부가가치를 창출할 수 있는 유망 산업의 한 분야로 여겨지고 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 이러한 질화물 반도체광소자에 있어서 보다 많은 산업상의 이용을 추구하려면 역시 발광휘도를 증가시키는 것이 선결되어야 할 과제이다.

도 1은 일반적인 반도체 발광소자(10)의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.

도 1에 의하면, 일반적인 반도체 발광소자(10)는 기판(11), 버퍼층(12), n형 반도체층(13), 활성층(14), p형 반도체층(15), 투명전극층(16), p측 전극(17) 및 n측 전극(18) 등으로 구성된다.

상기 기판(11)은 사파이어 또는 SiC로 이루어지며, 기판(11) 위에 저온의 성장 온도에서 가령, Al_yGa_1-yN층의 다결정 박막 구조인 버퍼층(12)이 성장된다. 상기 버퍼층(12)은 격자 일치도를 높이기 위하여 Undoped-GaN층을 포함할 수 있다.

상기 버퍼층(12)이 형성되면, Si(실리콘)이 도핑된 N형 반도체층(GaN층)(13)이 형성된다.

상기 n형 반도체층(13) 위로 활성층(14)이 적층되고, 활성층(14) 위로 Mg(마그네슘)이 도핑된 p형 반도체층(GaN층)(15)이 형성되는데, 활성층(14)은 양자우물(MQW; Multiple Quantum Well) 구조로서, p형 반도체층(15)을 통하여 흐르는 정공과 n형 반도체층(13)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광을 발생시킨다.

또한, n형 반도체층(13) 및 p형 반도체층(15) 상에 각각 n-전극(18)과 p-전극(17)이 형성되어 반도체 발광소자(10)를 형성한다.

본 발명은 반사된 빛이 소실되지 않고 최대한 많은 양이 외부로 빠져나갈 수 있고, 활성층으로부터 발산된 빛을 다양한 임계각으로 반사시키는 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명은 별도의 생산 설비와 공정을 추가할 필요없이 기존의 공정을 이용하여 반사 구조를 개선함으로써 발광 효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 반도체 발광소자는 바닥면에 요철 구조가 형성된 기판; 상기 기판 위에 형성되는 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 위에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성되는 p형 반도체층을 포함한다.

본 발명에 의한 반도체 발광소자의 제조 방법은 기판 위에 n형 반도체층이 형성되는 단계; 상기 n형 반도체층 위에 활성층이 형성되는 단계; 상기 활성층 위에 p형 반도체층이 형성되는 단계; 및 상기 기판 저면에 요철 구조가 형성되는 단계를 포함한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하는데, 이해의 편의를 위하여 실시예들에 따른 반도체 발광소자의 구성 및 동작과 반도체 발광소자의 제조 방법을 함께 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100, 200)의 제조 방법을 도시한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.

도 3에 의하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 밑면에 요철구조(110a)가 형성된 기판(110), 버퍼층(120), n형 반도체층(130), 활성층(140), p형 반도체층(150), 투명전극층(160), p측 전극(170) 및 n측 전극(180)을 포함하여 이루어지는데, 상기 기판(110)의 저면에는 반사층(112)이 형성된다.

이하, 각 층의 형성 순서에 따라 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 구성 및 동작에 대하여 설명하기로 한다.

상기 기판(110)은 사파이어(Al₂O₃), Si(실리콘), SiC(실리콘 카바이트), GaAs(갈륨 비소), ZnO(산화 아연) 또는 MgO(산화 마그네슘) 등으로 제작될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 사파이어 기판으로 구비된 것으로 한다.

상기 기판(110)은 세정된 후 저압으로 유지되는 유기금속 화학증착용 반응관 내에 구비된 서셉터(susceptor)상에 고정되고 버퍼층(120)이 형성되는데, 상기 버퍼층(120)은 AlInN/GaN, In_xGa_1-xN/GaN, Al_xIn_yGa_1-x-yN/In_xGa_1-xN/GaN 등과 같은 적층 구조를 이루어 멀티층으로 형성될 수 있다(S100).

이어서, 버퍼층(120) 위에 실리콘으로 도핑된 n형 반도체층(130)이 형성된다(S110).

상기 n형 반도체층(130)은 구동전압을 낮추기 위하여 실리콘 도핑된 n-GaN층으로 형성될 수 있으며, 가령, NH₃(3.7×10^-2 몰/분), TMGa(1.2×10^-4 몰/분) 및 Si와 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스(6.3×10^-9 몰/분)를 공급하여 n-GaN층을 성장시킨다.

상기 n형 반도체층(130)이 성장되면, 가령 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공법을 이용하여 InGaN/GaN으로 구성된 다중양자우물(Multi-Quantum Well : MQW) 구조를 가지는 활성층(140)이 형성된다(S120).

상기 활성층(140)이 형성되면, 그 위로 마그네슘이 도핑된 p형 반도체층(150)이 형성된다(S130).

상기 p형 반도체층(150)은 수소를 캐리어 가스로 하여 1000℃로 분위기 온도를 높여 TMGa(7×10^-6 몰/분), 트리메틸알루미늄(TMAl)(2.6×10^-5 몰/분), 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C₂H₅C₅H₄)₂}(5.2×10^-7 몰/분), 및 NH₃(2.2 ×10^-1 몰/분)을 공급하여 0.02 내지 0.1㎛의 두께로 성장될 수 있다.

이어서, 950℃의 온도에서 예컨대, 5분 동안 열어닐링 처리를 하여 p형 반도체층(140)의 정공 농도가 최대가 되도록 조정한다.

그리고, p형 반도체층(150) 위로 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등과 같은 재질로 투명전극층(160)이 형성되고(S140), 기판(110)부터 투명전극층(160)까지의 기본 적층 구조가 구현되면, 표면으로부터 습식 에칭, 예를 들어 이방성 습식에칭을 실행하여, n형 반도체층(130)의 일부를 노출시킨다.

에칭 공정이 진행된 후, n형 반도체층(130) 위로 티탄(Ti) 등으로 이루어진 n측 전극(180)이 증착되고, 투명전극층(160) 위에 니켈(Ni) 등으로 이루어진 p측 전극(170)이 증착된다(S150).

이후, 상기 기판(110)의 두께를 조절하기 위하여 래핑(Lapping) 공정이 진행되는데(S160), 래핑 공정이란 상기 기판(110)을 중간정도의 입도(∼1,000∼1,200번)로 연마하는 것으로서 상기 입도 이상이 되면 폴리싱 공정으로 분리된다.

상기 래핑 공정은 편면 래핑 혹은 양면 래핑으로 처리될 수 있고, 이때 사용되는 연마재로는 카보란담이나 알루미나가 사용된다.

이때, 연마재의 종류, 연마재의 입경, 연마 회전반의 속도, 압력 및 연마 방향 등의 요인을 제어함으로써 기판 저면에 다양한 형태의 요철 구조(110a)를 형성할 수 있으며, 상기 요철 구조(110a)면 아래에 반사층(112)이 증착된다(S170).

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 구조 중 반사층(112)의 일부(A)를 확대도시한 측단면도이다.

상기 반사층(112)은 Ag, Au, Ti 등과 같이 반사 특성이 좋을 재질로 이루어질 수 있으며, 스퍼터링(Sputtering) 기술, 진공 증착(Vacuum evaporation) 기술 등에 의하여 형성가능하다.

박막 구조로 증착된 상기 반사층(112)은 도 4에 도시된 것처럼, 요철 구조(110a)에 대응되는 형태를 가진다.

도 4에 의하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 반사층(112)은, 기판(110) 저면의 요철구조(110a)에 대응되게, 측단면이 연속된 "V"자 형태로 형성된 것을 볼 수 있으며, 활성층(150)으로부터 방출된 빛이 반사층(112)에 의하여 다양한 임계각으로 반사됨을 확인할 수 있다.

따라서, 상기 반사층(112)으로부터 반사된 빛은 다양한 경로로 진행될 수 있고 다른 층에 흡수되지 않은 채 외부로 빠져나갈 수 있게 된다. 즉, 외부 발광 효율이 향상되는 것이다.

또한, 상기 반사층(112)의 구조에 따르면, 반사 면적을 종래에 비하여 넓게 형성할 수 있다.

참고로, 도 2에는 폴리싱 공정(S160)에 대한 언급이 있으나, 본 발명의 제1실시예는 래핑 공정에 의하여 요철 구조(110a)가 형성되는 것이고, 본 발명의 제2실시예는 래핑 공정 후 폴리싱 공정이 처리되어 요철 구조(210a; 도 5 참조)가 형성된다.

이러한 공정의 차이에 의하여 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 요철구조(110a, 210a)는 상이한 형태를 가지게 된다.

상기 폴리싱 공정에 대해서는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 발광소자(200)를 설명하면서 언급하기로 한다.

이하에서, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 발광소자(200)에 대하여 설명하는데, 도 2에 도시된 반도체 발광소자의 제조 방법과 함께 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 발광소자(200)의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이고, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 발광소자(200)의 구조 중 반사층(212)의 일부(B)를 확대도시한 측단면도이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 발광소자(200)는, 전술한 대로, 반사층(212)의 구조 및 제조 공정에 차이점이 있는 것으로 각층의 적층 구조 및 순서는 제1실시예와 유사하므로 반복되는 설명은 생략하기로 한다.

처음으로, 기판에 버퍼층이 형성되고(S100), 상기 버퍼층 위로 n형 반도체층이 형성된다(S110). 상기 n형 반도체층 위로는 활성층이 형성되고(S120), 그 위로 p형 반도체층 및 투명전극층이 순서대로 적층된다(S130, S140).

이후, 식각 공정을 통하여 n형 반도체층의 일부를 노출시키고, p측 전극 및 n측 전극을 성장시킨다(S150).

이와 같이, 기본적인 반도체 소자가 완성되면, 기판(210)의 두께를 조정하기 위하여 래핑 공정이 진행되면서, 측단면이 가령 연속된 "V"자 형태인, 요철 구조가 형성된다.

다음으로, 폴리싱(Polishing) 공정이 진행되면서 기판(210)면이 보다 정교하 게 연마되는데, 이때 연마재의 종류, 연마재의 입경, 연마 회전반의 속도, 압력 및 연마 방향 등의 요인에 의하여 최초 형성된 요철구조와 상이한 형태로 가공된다(S160).

본 발명의 제2실시예에 따르면, 도 6에 도시된 것처럼 2차(폴리싱) 가공된 기판(210)은 엠보싱 형태의 요철 구조(210a)를 이루는데, 이는 제1실시예에 의한 요철 구조(110a)와는 다른 반사 특성을 가진다.

상기 폴리싱 공정이란 래핑된 기판의 거친 면을 가공하는 공정인데, 이렇게 폴리싱 공정을 통하여 1차적으로 형성된 반사층의 요철 구조가 보다 정교한 요철 구조로 가공될 수 있다.

폴리싱 공정 시의 연마재로는 알루미나를 물에 녹인 것이 사용되고, 연마포를 씌운 회전판 위에 반도체 발광소자를 적하하면서 연마된다. 상기 폴리싱 공정은 기계적 연마 방식, 화학적 연마 방식 그리고 화학/기계적 연마 방식이 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 폴리싱 공정은 10㎛ 내지 12㎛ 입경의 연마재가 사용되는 것으로 한다.

이어서, 상기 요철 구조(210a)면 아래에 반사층(212)이 증착되는데, 요철구조(210a)와 대응되게 엠보싱 형태로 증착된다(S170).

본 발명의 제2실시예에 의한 요철 구조(210a) 및 반사층(212)에 의하면, 제1실시예에 유사하게 다양한 (반사)임계각, 진행 경로, 넓은 반사 면적을 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 반도체 발광소자는 반사 층(112, 212)이 형성된 것으로 예시되었으나, 경우에 따라 반사층(112, 212)은 형성되지 않을 수도 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의한 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 반사 면적이 넓게 형성되고 반사면에 다양한 임계각을 구현할 수 있으므로 반사된 빛이 소실되지 않고 최대한의 광도로 방출될 수 있으며, 따라서 반도체 발광소자의 전체 발광 효율이 향상되는 효과가 있다.

둘째, 반사층 형성을 위한 별도의 생산 설비와 공정이 추가될 필요가 없으므로 생산성이 향상되고, 생산비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 래핑 공정 및 폴리싱 공정 상에서 단순히 공정 조건을 변화시킴으로써 다양한 형태의 반사면을 용이하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims

바닥면에 요철 구조가 형성된 기판;

상기 기판 위에 형성되는 n형 반도체층;

상기 n형 반도체층 위에 형성되는 활성층; 및

상기 활성층 위에 형성되는 p형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서,

상기 기판의 요철 구조면 아래에 형성되는 반사층을 포함하는 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서, 상기 기판에 형성된 요철 구조는

측단면이 연속된 "V"자 형태, 연속된 엠보싱 형태 중 하나 이상의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
기판 위에 n형 반도체층이 형성되는 단계;

상기 n형 반도체층 위에 활성층이 형성되는 단계;

상기 활성층 위에 p형 반도체층이 형성되는 단계; 및

상기 기판 저면에 요철 구조가 형성되는 단계를 포함하는 반도체 발광소자.
제4항에 있어서,

상기 기판의 요철 구조면 아래에 반사층이 형성되는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 제조 방법.
제 4항에 있어서, 상기 기판 저면에 요철 구조가 형성되는 단계는

래핑(Lapping) 공정, 폴리싱(Polishing) 공정 중 하나 이상의 공정을 거치면 상기 요철 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조 방법.