KR20080031292A - 기판 및 반도체 발광 소자 - Google Patents

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KR20080031292A
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나오히로 니시카와
가즈마사 우에다
겐지 가사하라
요시히코 쓰치다
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스미또모 가가꾸 가부시키가이샤
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Abstract

기판 및 반도체 발광 소자를 제공한다. 기판은 곡면을 갖는 볼록부가 형성되어 이루어진다. 반도체 발광 소자는 곡면을 갖는 볼록부가 형성되어 이루어지는 기판과, 기판 상에 반도체층을 포함한다.

Description

기판 및 반도체 발광 소자{SUBSTRATE AND SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT}
본 발명은 기판 및 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 고휘도의 3-5족 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조에 적합한 기판에 관한 것이다.
3-5족 질화물 반도체 발광 소자는, 액정 화면용 광원, 대화면 디스플레이 등의 표시 장치용 광원, 백색용 조명 장치용 광원, DVD 등의 신호 기록·신호 판독용 광원 등에 이용되고 있다. 반도체 발광 소자는 예컨대, 기판, n형 반도체층, p형 반도체를 순차 포함하며, 발광층은 식 InxGayAlzN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)로 나타내어지는 화합물로 이루어지고, n형 전극이 n형 반도체층 상에, p형 전극이 p형 반도체층 상에 각각 형성되어 있다. 이러한 반도체 발광 소자는, 자외, 청색 혹은 녹색 발광 다이오드; 자외, 청색 혹은 녹색 레이저 다이오드로서 광원에 응용하는 것이 검토되고 있다.
최근, 표시 장치·조명 장치의 성능 향상의 관점에서 고휘도의 반도체 발광 소자가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 고휘도 반도체 발광 소자의 제조에 적합한 기판을 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 반도체 발광 소자를 제공하는 데에 있다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 검토한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉 본 발명은 곡면을 갖는 볼록부가 형성되어 있는 기판을 제공한다.
본 발명은 공정 (1) 및 (2)를 포함하는 기판의 제조 방법을 제공한다.
(1) 기판 상에 무기 입자를 배치하는 공정,
(2) 기판 및 무기 입자를 드라이 에칭하여 볼록부를 형성하는 공정.
또한, 본 발명은 곡면을 갖는 볼록부가 형성되어 있는 기판과, 기판 상에 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자를 제공한다.
더욱이, 본 발명은 공정 (1)∼(3)을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
(1) 기판 상에 무기 입자를 배치하는 공정,
(2) 기판 및 무기 입자를 드라이 에칭하여 볼록부를 형성하는 공정,
(3) 기판 상에 반도체층을 형성하는 공정.
도 1은 기판의 제조 공정 (a)∼(c)를 도시한다.
도 2는 기판의 볼록부의 실시형태를 나타낸다.
도 3은 기판의 볼록부의 다른 실시형태를 나타낸다.
도 4는 반도체 발광 소자의 층 구조를 도시한다.
도 5는 실시예 3에서 얻어지는 기판의 전자현미경 사진을 도시한다.
도 6은 실시예 4에서 얻어지는 기판의 전자현미경 사진을 도시한다.
<부호의 설명>
1 : 기판 1A, 1C : 기판면
1B 볼록부 2 : 무기 입자
3 : n형 3-5족 질화물 반도체 4 : 발광층
5 : p형 3-5족 질화물 반도체 6 : n형 전극
7 : p형 투명 전극 8 : p형 전극
10 : 3-5족 질화물 반도체 발광 소자
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
[기판〕
본 발명의 기판은 볼록부를 갖는다.
기판은 예컨대 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, LiTaO3, ZrB2, CrB2로 이루어진다.
볼록부는 표면에 적어도 곡면을 가지고, 통상, 기판 상에 섬 형상으로 형성되며, 기판과 동일한 재료로 이루어진다. 볼록부는 예컨대 형상이 곡면을 갖는, 원뿔, 원뿔대, 각뿔 또는 각뿔대이며, 그 형상은 반구형이라도 좋다.
또한 볼록부는 높이가 통상 약 10 nm 이상, 바람직하게는 30 nm 이상이며, 통상 5 μm 이하, 바람직하게는 3 μm 이하이다. 볼록부의 높이가 상기와 같은 기판은 3-5족 질화물 화합물 반도체층을 용이하게 성장시킬 수 있으며, 또한 고휘도의 화합물 반도체 발광 소자를 얻을 수 있다.
또한 볼록부는 테이퍼 각도가 통상 5° 이상, 바람직하게는 10° 이상이며, 통상 90° 이하, 바람직하게는 80° 이하이다.
[기판의 제조 방법]
본 발명의 기판의 제조 방법은 상기한 공정 (1)을 포함한다.
공정 (1)에 이용하는 기판은 예컨대, 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, LiTaO3, ZrB2 또는 CrB2로 이루어진다.
무기 입자는 예컨대 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 황화물, 셀렌화물 또는 금속으로 이루어진다. 산화물은 예컨대, 실리카, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 산화세륨, 산화아연, 산화주석, 이트륨알루미늄가넷(YAG)이다. 질화물은 예컨대, 질화규소, 질화알루미늄, 질화붕소이다. 탄화물은 예컨대, 탄화규소(SiC), 탄화붕소(BC), 다이아몬드, 그래파이트, 풀러렌류이다. 붕화물은 예컨대, 붕화지르코늄(ZrB2), 붕화크롬(CrB2)이다. 황화물은 예컨대, 황화아연, 황화칼슘, 황화카드뮴, 황화스트론튬이다. 셀렌화물은 예컨대, 셀렌화아연, 셀렌화카드뮴이다. 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 황화물, 셀렌화물은 그것에 함유되는 원소가 다른 원소로 부분적으로 치환되어 있어도 좋으며, 이들의 예로서, 부활제로서 세륨이나 유로피 움을 함유하는, 규산염이나 알루민산염의 형광체를 들 수 있다. 금속은 예컨대, 규소(Si), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn)이다. 또한, 무기 입자는 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 황화물, 셀렌화물, 금속의 2종 이상의 혼합물이나 복합물로 이루어져 있어도 좋고, 예컨대, 실리콘, 알루미늄, 산소 및 질소로 이루어지는 사이알론으로 이루어져 있어도 좋다. 무기 입자는 바람직하게는 산화물, 보다 바람직하게는 실리카로 이루어진다.
무기 입자는, 형상이 구형, 다각뿔형, 직방체형, 침 형상이어도 좋고, 또 특정한 형상을 갖지 않는 것(부정형)이라도 좋다. 이들 중, 방향성을 갖지 않는 형상이 바람직하며, 예컨대 구형이 바람직하다.
무기 입자가 구형인 경우, 그 평균 입자 지름은 통상 5 nm 이상, 바람직하게는 10 nm 이상이며, 통상 50 μm 이하, 바람직하게는 10 μm 이하이다. 평균 입자 지름은 원심침강법에 의해 측정한 체적 평균 입자 지름이다.
또한, 무기 입자는 균일한 형상(구형이라면, 균일한 입자 지름)을 갖는 것이 바람직하다.
무기 입자의 배치는 예컨대, 무기 입자를 매체(예컨대, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 에틸렌글리콜, 디메틸아세트아미드, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤)에 분산시킨 슬러리를 조제하여, 슬러리 중에 기판을 침지하여 건조하는 방법, 또는, 기판 상에 슬러리를 도포하거나 혹은 분무하여 건조하는 방법에 의해 행하면 좋다. 건조는 스피너를 이용하여 행하여도 좋다.
배치되는 무기 입자의 기판에 대한 피복율은 통상 0.1% 이상, 바람직하게는 5% 이상이며, 통상 90% 이하, 바람직하게는 80% 이하이다. 피복율이 상기 범위 내이면, 보다 높은 휘도를 보이는 반도체 발광 소자의 제조에 적합한 기판을 얻을 수 있다. 피복율은, 무기 입자를 배치한 기판의 면을 주사형전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하여, 측정 시야 내(면적 S)의 무기 입자의 개수 P와 평균 입자 지름 d에 의해 하기 식으로 구하면 된다.
피복율(%)=〔(d/2)2×π×P×100〕/S
기판의 제조 방법은 또한 상기 공정 (2)를 포함한다.
드라이 에칭은 ICP 드라이 에칭 장치나 ECR 드라이 에칭 장치 등 공지된 장치를 사용하여 실시하면 된다. 드라이 에칭은 원하는 형상·높이의 볼록부가 형성되는 조건으로 실시하면 되며, 예컨대,
기판 바이어스 파워 : 200∼400 W,
ICP 파워 : 100∼300 W,
압력 : 1.5∼2.5 Pa,
염소 가스 : 20∼40 sccm,
3염화붕소 가스 : 40∼60 sccm,
아르곤 가스 : 150∼250 sccm,
처리 시간 : 1∼60분,
으로 행하면 된다. 에칭 깊이는 통상 기판에 형성하는 볼록부의 평균 높이와 같으 며, 예컨대 통상 약 10 nm 이상, 바람직하게는 약 30 nm 이상이고, 통상 약 5 μm 이하, 바람직하게는 약 3 μm 이하이다.
드라이 에칭에 의해 형성되는 볼록부의 형상, 크기는 무기 입자의 재질, 형상, 크기에 관계된다. 기판 상에 무기 입자를 배치하여 기판을 드라이 에칭하면, 무기 입자를 에칭 마스크로서 작용하여, 기판 중 무기 입자의 그림자가 아닌 부분이 우선적으로 에칭되지만, 동시에 무기 입자도 에칭되어 무기 입자의 형상, 크기가 에칭의 진행에 따라서 변화되기 때문에, 무기 입자의 재질, 형상, 크기가 기판의 에칭에 영향을 주게 된다.
예컨대, 무기 입자가 구형이고, 무기 입자의 크기(직경)가 서서히 작아져, 최종적으로 소멸되는 조건으로 드라이 에칭을 행하는 경우, 대략 반구, 대략 원뿔의 볼록부가 형성된다. 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 기판(1)의 면(1A)에 무기 입자(2)를 배치한 후, 드라이 에칭을 실시하면, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 기판(1) 중, 무기 입자(2)의 그림자 부분은 드라이 에칭되지 않지만, 그 이외의 부분은 드라이 에칭되어 볼록부가 형성되고, 동시에 무기 입자(2)도 드라이 에칭되어, 볼록부(1B)가 형성된다. 또한 에칭을 계속하면, 도 1(c)에 나타내는 바와 같이, 무기 입자(2)가 소멸되어 볼록부(1B)가 남는다. 얻어지는 볼록부는 통상 도 2(a)에 도시한 바와 같이 소정의 테이퍼각을 갖는다.
무기 입자가 사각뿔형이며, 무기 입자의 크기가 서서히 작아져 최종적으로 소멸되는 조건으로 드라이 에칭을 실시하는 경우, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 대략 사각뿔의 볼록부가 형성된다. 얻어지는 볼록부는 통상 소정의 테이퍼각을 갖는 다.
무기 입자가 구형이며, 무기 입자의 크기(직경)가 서서히 작아지고, 무기 입자가 남는 조건으로 드라이 에칭을 실시하는 경우, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 대략 원뿔대의 볼록부가 형성된다. 얻어지는 볼록부는 통상 소정의 테이퍼각을 갖는다.
무기 입자가 사각뿔형이며, 무기 입자의 크기가 서서히 작아지고, 무기 입자가 남는 조건으로 드라이 에칭을 실시하는 경우, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 대략 사각뿔대의 볼록부가 형성된다. 얻어지는 볼록부는 통상 소정의 테이퍼각을 갖는다.
또한, 직방체형의 무기 입자를 배치하여 드라이 에칭을 실시하는 경우, 도 2(c)에 도시한 바와 같이, 직방체의 볼록부가 형성된다.
볼록부의 테이퍼각의 제어는 예컨대, 기판의 드라이 에칭 속도/무기 입자의 드라이 에칭 속도의 비(이하, 선택비라고 함)를 조절하여 행하면 된다. 예컨대, 선택비가 높은 드라이 에칭을 행하면, 기판면에 평행한 방향에 있어서의 무기 입자의 최대 지름(이하, 입자 사이즈 L이라고 함)은 완만하게 감소하기 때문에, 볼록부의 테이퍼각은 커진다. 한편, 선택비가 낮은 드라이 에칭을 행하면, 무기 입자의 입자 사이즈 L은 빠르게 감소하기 때문에, 볼록부의 테이퍼 각도는 작아진다.
선택비는 통상, 기판의 재료, 드라이 에칭 조건, 무기 입자의 재료에 의존하며, 이들의 조합을 바꿈으로써 변경하면 된다.
본 발명의 기판의 제조 방법은 또한 공정 (4)를 포함하여도 좋다.
(4) 기판으로부터 무기 입자를 제거하는 공정.
공정 (4)는 공정 (3)의 드라이 에칭을 한 후의 기판에 남아 있는 무기 입자를 기판으로부터 제거하는 공정이며, 제거는 예컨대, 무기 입자에 대하여 에칭성이 있고, 기판에 대하여 내(耐)에칭성성이 있는 에천트를 이용하는 화학적 방법, 브러시롤 세정기를 이용하는 물리적 방법에 의해 행하면 된다.
[반도체 발광 소자]
본 발명의 반도체 발광 소자는 상기한 기판과, 기판 상의 반도체층을 포함한다.
반도체층은 반도체 발광 소자로서의 기능을 부여하기 위한 반도체 기능층, 전자 수송층, 정공 수송층 등이다. 반도체 기능층은 통상 InxGayAlzN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 나타내어지는 3-5족 질화물로 이루어진다. 반도체 기능층 중 적어도 하나는 기판과 다른 굴절율을 갖는 것이 바람직하며, 기판과 접하는 층의 굴절율이 기판의 굴절율과 다른 것이 보다 바람직하다. 또한, 반도체 기능층은 예컨대, 일본 특허 공개 평6-260682호 공보, 일본 특허 공개 평7-15041호 공보, 일본 특허 공개 평9-64419호 공보, 일본 특허 공개 평9-36430호 공보에 기재된 바와 같이, 버퍼층(예컨대, GaN, AlN), n형 도전성을 갖는 클래드층(예컨대, n-GaN, n-AlGaN), 발광층(예컨대, InGaN, GaN), p형 도전성을 갖는 클래드층(예컨대, 언도프 GaN, p-GaN), 캡층(예컨대, Mg 도프 AlGaN, Mg 도프 GaN)을 순차 포함하는 것이어도 좋다.
반도체 발광 소자는 통상, 또한 n형 전극 및 p형 전극을 포함한다. 이들 전극은 발광층에 전류를 공급하는 것으로, 예컨대, Ni, Au, Pt, Pd, Rh, Ti, Al과 같은 금속으로 이루어진다.
[반도체 발광 소자의 제조 방법]
본 발명의 발광 소자의 제조 방법은 상기한 공정 (1)∼(3)을 포함한다. 공정 (1) 및 (2)는 기판의 제조 방법과 동일하다.
공정 (3)의 반도체층의 형성은 예컨대, MOVPE, MBE, HVPE와 같은 에피택셜 성장법에 의해 행하면 되며, MOVPE법을 이용하는 반도체층(예컨대, 3-5족 질화물 반도체 기능층)의 형성에서는, 다음의 원료 및 캐리어 가스, 필요에 따라서 도펀트 원료를 이용하면 좋다. 3족 원료는 예컨대, 트리메틸갈륨[(CH3)3Ga, 이하 TMG라고 함], 트리에틸갈륨[(C2H5)3Ga, 이하 TEG라고 함]과 같은 식 R1R2R3Ga(R1, R2, R3은 저급알킬기를 함유함)로 나타내어지는 트리알킬갈륨; 트리메틸알루미늄[(CH3)3Al,이하 TMA라고 함], 트리에틸알루미늄[(C2H5)3Al, 이하 TEA라고 함], 트리이소부틸알루미늄[(i-C4H9)3Al]과 같은 식 R1R2R3Al(R1, R2, R3은 저급알킬기를 나타냄)로 나타내어지는 트리알킬알루미늄, 트리메틸아민알란[(CH3)3N:AlH3], 트리메틸인듐[(CH3)3In, 이하 TMI라고 함], 트리에틸인듐[(C2H5)3In]과 같은 식 R1R2R3In(R1, R2, R3은 저급알킬기를 나타냄)로 나타내어지는 트리알킬인듐, 디에틸인듐클로라이드[(C2H5)2InCl]와 같은 트리알킬인듐에서 1 내지 2개의 알킬기를 할로겐 원자로 치환한 것, 인듐클로 라이드[InCl3]와 같은 식 InX3(X는 할로겐 원자)로 나타내어지는 할로겐화인듐이다. 이들은 단독으로 또는 조합하여 이용하면 된다.
5족 원료는 예컨대, 암모니아, 히드라진, 메틸히드라진, 1,1-디메틸히드라진, 1,2-디메틸히드라진, t-부틸아민, 에틸렌디아민이다. 이들은 단독으로 또는 조합하여 이용하면 된다. 이들 원료 중, 암모니아와 히드라진은 분자 중에 탄소 원자를 포함하지 않고 형성되는 반도체층에의 탄소의 오염을 방지한다는 관점에서 바람직하다.
n형 도펀트 원료는 예컨대, 실란, 디실란, 게르마늄, 테트라메틸게르마늄이다.
p형 도펀트 원료는 예컨대, 비스시클로펜타디에틸마그네슘[(C5H5)2Mg], 비스메틸시클로펜타디에틸마그네슘[(C5H4CH3)2Mg], 비스에틸시클로펜타디에틸마그네슘[(C5H4C2H5)2Mg]이다.
또한, 성장시 분위기 가스 및 유기 금속 원료의 캐리어 가스는 예컨대, 질소, 수소, 아르곤, 헬륨, 바람직하게는 수소, 헬륨이다.
이들은 단독으로 또는 조합하여 이용하더라도 좋다.
반도체층의 형성은 통상의 조건으로 행하면 되며, 예컨대, 발광층은 통상 600℃ 이상, 800℃ 이하, p형의 도전성을 갖는 층은 통상 800℃ 이상, 1200℃ 이하, n형의 도전성을 갖는 층은 통상 800℃ 이상, 1200℃ 이하에서 각각 형성하면 좋다.
반도체층 형성의 구체적인 예를 이하에 나타낸다.
도 1(c)에 도시하는, 볼록부(1B)를 형성한 기판(1)을 반응로 내의 서셉터 상에 놓아둔다. 서셉터는 기판(1)의 면(1C) 상에 반도체층을 균일 성장시키기 위해 통상 회전 장치에 의해서 기판(1)을 회전시키는 구조를 갖는다. 서셉터는 적외선 램프와 같은 가열 장치로 가열된다. 가스 홀더로부터 원료 가스를 공급 라인을 통해 반응로에 도입한다. 반응로에 공급되는 원료 가스는 기판(1)의 면(1C) 상에서 열분해하여, 반도체층이 기판(1)의 면(1C) 상에 형성된다. 반응로에 공급되는 원료 가스 중, 미반응의 원료 가스는 배기 라인으로부터 반응로에서 외부로 배출되어, 배출 가스 처리 장치에 보내진다.
원료 가스 및 가열 온도를 변경하여 조작을 계속하면, 기판(1)의 면(1C) 상에 3-5족 질화물 반도체 기능층이 형성된다. 3-5족 질화물 반도체 기능층은 3-5족 질화물 반도체 발광 소자의 동작에 필요한 막을 포함하며, 통상, n형의 도전성을 갖는 층(도 4에서는 n형 3-5족 질화물 반도체층(3)), p형의 도전성을 갖는 층(도 4에서는 p형 3-5족 질화물 반도체층(5)), 이들 사이에 끼워진 발광층을 포함한다. 발광층은 InxGayAlzN(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 나타내어지는 3-5족 질화물 반도체를 함유하는 것이 바람직하다.
반도체 발광 소자의 제조 방법은 통상 전극의 형성 공정을 포함한다.
또한, 반도체 발광 소자의 제조 방법은, n형의 도전성을 갖는 층, 발광층 또는 p형의 도전성을 갖는 층을 고품질의 결정으로 하기 위해서, 다른 층을 형성하는 공정을 포함하여도 좋다. 다른 층은 예컨대, n형 컨택트층, n형 클래드층, p형 컨택트층, p형 클래드층, 캡층, 버퍼층이며, 또한 후막층, 초격자박막층이어도 좋다.
반도체 발광 소자의 제조 방법에 따르면, 예컨대, 도 4에 도시하는 3-5족 질화물 반도체 발광 소자(10)를 얻을 수 있다. 3-5족 질화물 반도체 발광 소자(10)는 기판(1), n형 3-5족 질화물 반도체층(3), 발광층(4), p형 3-5족 질화물 반도체층(5)을 순차 포함한다. 또한, n형 전극(6)이 n형 3-5족 질화물 반도체층(3) 상에, p형 투명 전극(7) 및 p형 전극(8)이 p형 3-5족 질화물 반도체층(5) 상에 각각 형성되어 있다.
반도체 발광 소자(10)에서는, 발광층(4)으로부터의 빛의 일부가 기판(1)에 도달했을 때, 기판(1)에 곡면을 갖는 볼록부가 형성되어 있기 때문에, 빛의 굴절, 반사가 흐트러져 전반사가 억제된다. 그 결과, 반도체 발광 소자(10)의 p형 투명 전극(7)으로부터 외부로 나가는 빛의 강도가 높아진다.
본 발명을 실시예에 의해 설명하지만 본 발명은 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
[볼록부를 갖는 기판의 조제]
사파이어 C면을 양면 연마한 기판을 스피너에 설치했다. 스피너를 정지한 상태에서, 기판에, 구형 실리카(우베닛토가세이(주)사 제조 하이프레시카 평균 입자 지름 5 μm)를 에탄올에 분산시킨 4 중량% 슬러리를 도포했다. 스피너를 500 rpm으 로 10초 동안, 2500 rpm으로 40초 동안 회전시킨 후, 기판을 건조했다. 기판 상의 실리카의 피복율은 69%였다. 기판을 ICP 드라이 에칭 장치를 이용하여, 다음 조건으로 드라이 에칭하고, 볼록부 꼭대기부의 남아 있는 실리카 입자를 면봉으로 제거하여, 대략 반구형의 볼록부를 갖는 기판을 얻었다.
드라이 에칭 조건
기판 바이어스 파워 : 300 W,
ICP 파워 : 200 W,
압력 : 2.0 Pa,
염소 가스 : 32 sccm,
3염화붕소 가스 : 48 sccm,
아르곤 가스 : 190 sccm,
처리 시간 : 10분
드라이 에칭에 의해 기판은 수직 방향으로 약 2.25 μm 에칭되었다. 실리카는 가로 사이즈가 감소하여 평균 1.22 μm가 되었다. 실리카는 드라이 에칭 처리 후의 가로 사이즈가 드라이 에칭 처리하기 전 직경의 약 24.5%였다. 볼록부는 측면의 테이퍼각이 50°였다.
[반도체 발광 소자의 제조]
얻어진 기판 상에 3-5족 질화물 반도체층을 다음과 같이 MOVPE법에 의해 에피택셜 성장했다.
기판을, 분위기 : 수소, 서셉터 온도 : 1040℃, 압력 : 1 기압으로 15분간 가열한 후, 서셉터의 온도를 485℃까지 내리고, 캐리어 가스(수소), 암모니아 및 TMG을 공급하여 두께가 약 500Å인 GaN 버퍼층을 성장했다. 서셉터의 온도를 900℃로 하고, 캐리어 가스(수소), 암모니아 및 TMG을 공급하여 언도프 GaN층을 형성했다. 이어서, 서셉터 온도를 1040℃로, 로의 압력을 1/4 기압으로, 캐리어 가스(수소), 암모니아 및 TMG을 공급하여 두께 약 5 μm의 언도프 GaN층을 형성하고, 캐리어 가스(수소), 암모니아, TMG 및 (GaN층을 n형으로 하기 위한 Si원으로서) SiH4를 공급하여 두께 약 5 μm의 Si 도프 GaN층을 형성하여, 3-5족 질화물 화합물 반도체 에피택셜 기판을 얻었다.
계속해서, 3-5족 질화물 화합물 반도체 에피택셜 기판 상에, n형 반도체층, InGaN 발광층(다중양자우물 구조, 이하 MQW 구조라고 함), p형 반도체층을 순차 형성하여, 발광 파장 440 nm의 청색 LED용 에피택셜 기판을 얻었다. 에피택셜 기판에 대하여, n형 컨택트층을 표출시키기 위한 에칭 가공, 전극 형성 가공, 소자 분리 가공을 실시하여, 도 4에 도시하는 구성을 갖는 반도체 발광 소자를 얻었다. 얻어진 반도체 발광 소자는 통전 20 mA에서의 광 출력이 6.2 mW였다.
<실시예 2>
실시예 1의〔볼록부를 갖는 기판의 조제]에 있어서, 구형 실리카(우베닛토가세이(주)사 제조 하이프레시카 평균 입자 지름 3 μm)를 이용한 것, 드라이 에칭의 처리 시간을 3분으로 변경한 것 이외에, 동일한 조작을 하여, 대략 반구형의 볼록부를 갖는 기판을 얻었다.
이 예에서는 에칭하기 전의 기판 상의 실리카의 피복율은 22%였다. 또한, 드라이 에칭에 의해 기판은 수직 방향으로 약 0.44 μm 에칭되었다. 실리카는 가로 사이즈가 감소하여 평균 2.38 μm가 되었다. 실리카는 드라이 에칭 처리 후의 가로 사이즈가 드라이 에칭 처리하기 전의 직경의 약 79.5%였다. 볼록부는 측면의 테이퍼각이 55°였다.
얻어진 기판에 관해서, 실시예 1의 [반도체 발광 소자의 제조]와 동일한 조작을 하여 반도체 발광 소자를 얻었다. 얻어진 반도체 발광 소자는 통전 20 mA에서의 광 출력이 5.6 mW였다.
<실시예 3>
실시예 1의 [볼록부를 갖는 기판의 조제]에 있어서, 구형 실리카(우베닛토가세이(주)사 제조 하이프레시카 평균 입자 지름 1 μm)를 이용한 것, 드라이 에칭의 처리 시간을 5분으로 변경한 것 이외에, 동일한 조작을 하여, 대략 반구형의 볼록부를 갖는 기판을 얻었다. 기판의 전자현미경 사진을 도 5에 도시한다.
이 예에서는, 에칭하기 전의 기판 상의 실리카의 피복율은 38%였다. 또한, 드라이 에칭에 의해, 기판은 수직 방향으로 약 0.51 μm 에칭되었다. 실리카는 가로 사이즈가 감소하여 평균 0.20 μm가 되었다. 실리카는 드라이 에칭 처리 후의 가로 사이즈가 드라이 에칭 처리하기 전의 직경의 약 20.3%였다. 볼록부는 측면의 테이퍼각이 52°였다.
얻어진 기판에 관해서, 실시예 1의 [반도체 발광 소자의 제조]와 동일한 조작을 하여 반도체 발광 소자를 얻었다. 얻어진 반도체 발광 소자는 통전 20 mA에서 의 광 출력이 5.5 mW였다.
<실시예 4>
실시예 3에 있어서, 드라이 에칭의 처리 시간을 3분으로 변경한 것 이외에, 동일한 조작을 하여, 대략 반구형의 볼록부를 갖는 기판을 얻었다. 기판의 전자현미경 사진을 도 6에 도시한다.
이 예에서는, 에칭하기 전의 기판 상의 실리카의 피복율은 38%였다. 또한, 드라이 에칭에 의해, 기판은 수직 방향으로 약 0.25 μm 에칭되었다. 실리카는 가로 사이즈가 감소하여 평균 0.43 μm가 되었다. 실리카는 드라이 에칭 처리 후의 가로 사이즈가, 드라이 에칭 처리하기 전의 직경의 약 43.5%였다. 볼록부는 측면의 테이퍼각이 53°였다.
얻어진 기판에 관해서, 실시예 1의 [반도체 발광 소자의 제조]와 동일한 조작을 하여 반도체 발광 소자를 얻었다. 얻어진 반도체 발광 소자는 통전 20 mA에서의 광 출력이 5.2 mW였다.
<비교예 1>
실시예 1의 [볼록부를 갖는 기판의 조제〕를 실시하지 않고, [반도체 발광 소자의 제조]와 동일한 조작을 하여 반도체 발광 소자를 얻었다. 반도체 발광 소자는 통전 20 mA에서의 광 출력이 3.2 mW였다.
<비교예 2>
사파이어 C면을 양면 연마한 기판에 포토리소그래피법을 이용하여 각 변 5 μm의 정육각형의 레지스트 패턴을 형성한 후, 증착법을 이용하여 Ni를 5000Å 증 착했다. 정육각형 이외의 장소를 리프트오프하여, 정육각형의 장소에만 Ni층을 형성했다.
얻어진 기판을 ICP 드라이 에칭 장치를 이용하여 다음의 조건으로 드라이 에칭하여, Ni를 제거하여 구형의 볼록부를 갖는 기판을 얻었다. 볼록부의 점유율은 54%였다.
드라이 에칭 조건
기판 바이어스 파워 : 300 W,
ICP 파워 : 200 W,
압력 : 2.0 Pa,
염소 가스 : 32 sccm,
3염화붕소 가스 : 48 sccm,
아르곤 가스 : 190 sccm,
처리 시간 : 10분.
얻어진 기판에 관해서, 실시예 1의 [반도체 발광 소자의 제조]와 동일한 조작을 하여 반도체 발광 소자를 얻었다. 반도체 발광 소자는 통전 20 mA에서의 광 출력이 4.0 mW였다.
본 발명의 반도체 발광 소자는 높은 휘도를 보인다. 또한 본 발명의 기판을 이용하면, 고휘도 반도체 발광 소자를 얻을 수 있다.

Claims (17)

  1. 곡면을 갖는 볼록부가 형성되어 이루어지는 기판.
  2. 제1항에 있어서, 볼록부와 기판은 동일한 재료로 이루어지는 기판.
  3. 제1항에 있어서, 기판은, 사파이어, 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, LiTaO3, ZrB2 또는 CrB2로 이루어지는 기판.
  4. 공정 (1) 및 (2)를 포함하는 기판의 제조 방법:
    (1) 기판 상에 무기 입자를 배치하는 공정,
    (2) 기판 및 무기 입자를 드라이 에칭하여 볼록부를 형성하는 공정.
  5. 제4항에 있어서, 기판은, 사파이어, 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, LiTaO3, ZrB2 또는 CrB2로 이루어지는 기판.
  6. 제4항에 있어서, 무기 입자는, 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 황화물, 셀렌화물 및 금속으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상으로 이루어지는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 무기 입자는 산화물인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 산화물은 실리카인 방법.
  9. 제4항에 있어서, 무기 입자는, 형상이 구, 다각뿔, 직방체 또는 침 형상인 방법.
  10. 곡면을 갖는 볼록부가 형성되어 이루어지는 기판과, 기판 상에 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서, 기판은, 사파이어, 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, LiTaO3, ZrB2 또는 CrB2로 이루어지는 반도체 발광 소자.
  12. 제10항에 있어서, 반도체층은 3-5족 질화물 반도체 화합물로 이루어지는 반도체 발광 소자.
  13. 공정 (1)∼(3)을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법:
    (1) 기판 상에 무기 입자를 배치하는 공정,
    (2) 기판 및 무기 입자를 드라이 에칭하여 볼록부를 형성하는 공정,
    (3) 기판 상에 반도체층을 형성하는 공정.
  14. 제13항에 있어서, 공정 (2)와 공정 (3) 사이에, 공정 (4)를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법:
    (4) 기판으로부터 무기 입자를 제거하는 공정.
  15. 제13항에 있어서, 기판은, 사파이어, 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, LiTaO3, ZrB2 또는 CrB2로 이루어지는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 무기 입자는, 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 황화물, 셀렌화물 및 금속으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상으로 이루어지는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 반도체층은 3-5족 질화물 반도체 화합물로 이루어지는 방법.
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