KR20080040359A

KR20080040359A - 수직형 발광 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20080040359A
Application number: KR1020060108217A
Authority: KR
Inventors: 문용태
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-05-08
Also published as: KR101282775B1; JP2015039003A; US7705363B2; JP2013048269A; US20080135856A1; JP2008118139A

Abstract

본 발명은 수직형 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수직형 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 상에 위치하며, 식각장벽층을 포함하는 제2전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

발광 소자, 식각, 광추출 구조, 광전화학, LED.

Description

수직형 발광 소자 및 그 제조방법{Light emitting device having vertical topoloty and method of making the same}

도 1은 종래의 수평형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 2는 종래의 수직형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 3은 종래의 광추출 구조를 가지는 수직형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 수직형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 5는 본 발명의 수직형 발광 소자의 제조과정을 나타내는 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예의 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예의 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 8 내지 도 11b는 본 발명의 광전화학 식각을 나타내는 이미지이다.

도 12는 광전화학 식각의 밴드 선택성을 나타내는 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 13 및 도 14는 전도성에 따른 표면의 에너지 밴드 구조를 나타내는 다이어그램이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : n-형 질화물 반도체층 11 : n-형 금속패드

20 : 발광층 30 : p-형 질화물 반도체층

31 : p-형 금속패드 40 : 식각장벽층

50 : 광추출 구조 60 : 제1전극

70 : 지지층

본 발명은 수직형 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수직형 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

한편, 이러한 GaN 계열 반도체 성장이 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 어려운 이유 중에 하나는 고품질의 기판, 즉, GaN, InN, AlN 등의 물질의 웨이퍼가 존재하지 않기 때문이다.

따라서 사파이어와 같은 이종 기판 위에 LED 구조를 성장하게 되며, 이때 많은 결함이 발생하게 되고, 이러한 결함들은 LED 성능에 큰 영향을 미치게 된다.

이러한 GaN 계열 물질의 LED의 기본 구조는 도 1에서 도시하는 바와 같이, 이종 기판(1) 상에 n-형 반도체층(2)과 p-형 반도체층(3) 사이에 양자우물구 조(quantum well)를 가지는 발광층(4)이 위치한다.

이때, 상기 p-형 반도체층(3)과 발광층(4)의 일부는 식각되어 n-형 반도체층(2)이 드러나도록 한 후에, 이와 같이 드러난 n-형 반도체층(2)과 p-형 반도체층(3)에 각각 n-형 전극(5)과 p-형 전극(6)가 형성된다.

그러나, 이러한 기본 소자 구조는 다음과 같은 본질적인 문제점들을 갖고 있다.

첫째, 상술한 바와 같이, 발광층(4) 일부가 식각되므로 발광 면적이 감소된다. 둘째, p-형 반도체층(3)의 낮은 정공 농도와 낮은 정공 이동도로 말미암아 전류가 효과적으로 균일하게 분산되어 주입되지 못한다. 셋째, 이종 기판(1)이 그 열전도도가 낮아서 소자 작동시 발생하는 열을 효과적으로 방출시키지 못한다.

상술한 문제점들을 극복하기 위해서 제안된 구조가 도 2에서 도시하는 바와 같은 수직형 발광 소자이다.

이러한 수직형 발광 소자의 구조는 n-형 반도체층(2)과 p-형 반도체층(3) 사이에 발광층(4)이 위치하고, 상기 p-형 반도체층(3) 상에는 오믹 전극(7)과 반사층(8) 및 지지층(9)이 차례로 위치하며, 이러한 구조가 형성된 기판은 분리되고, 이 분리되어 드러난 n-형 반도체층(2)에 n-형 전극(5)이 형성된다. 이때, 상기 지지층(9) 상에는 금속 패드(6a)가 형성될 수 있다.

이와 같은 수직형 발광 소자는 상술한 바와 같이, n-형 반도체층(2)이 기판 분리에 의하여 드러나고, 이 드러난 면에 n-형 전극(5)이 형성되므로 발광 면적이 감소되지 않고, 또한 기판이 제거되므로 기판으로 인한 문제가 해소될 수 있다.

그러나, 이러한 수직형 발광 소자의 구조는 광추출 효율이 낮은 단점이 있다. 따라서, 질화물 반도체 수직형 발광 소자의 그 광추출 효율을 향상시키기 위해서 일반적으로 n-형 반도체층(2)의 표면 형상을 제어한다.

이러한 표면 형상을 제어하는 종래의 방법은 소자를 화학적 식각 용액 속에 넣은 후 자외선을 조사하며 습식 식각을 진행하는 방법이다. 이러한 방법을 소위 광전화학(photoelectrochemical; PEC) 식각이라고 부른다.

이와 같은 종래의 광전화학 식각 방법을 사용하여 질화물 반도체 수직형 발광 소자를 구현할 경우 다음과 같은 문제점이 있다.

소자의 표면층인 n-형 반도체층(2)이 화학적으로 에칭될 때 도 3에서 도시되는 바와 같이, 그 표면 형상이 매우 불규칙적이고, 원뿔 혹은 피라미드 형상을 갖는 돌출부(2a)들은 그 높이나 형상이 무질서하게 분포된다.

이와 같은 불규칙한 표면 화학 식각특성은 결국 소자 작동을 위해 전류 주입시 전류의 불균일한 주입특성을 초래하여 소자의 신뢰성을 저하시키고 또한 소자 성능의 불균일성에 따른 생산 수율을 감소시키는 문제점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 균일한 깊이를 갖는 광추출 구조를 형성하여 소자의 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수직형 발광 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있 어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 상에 위치하며, 식각장벽층을 포함하는 제2전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 제1전도성 반도체층과; 상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층과; 상기 제2전도성 반도체층 상에 위치하며, 상기 제2전도성 반도체층보다 밴드갭이 큰 질화물 반도체층과; 상기 질화물 반도체층 상에 위치하는 광추출 구조를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 발광 소자의 제조방법에 있어서, 식각장벽층을 포함하는 제1전도성 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 제1전도성 반도체층 상에 발광층을 형성하는 단계와; 상기 발광층 상에 제2전도성 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 제1전도성 반도체층의 표면을 식각하여 광추출 구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에 서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다. 또한 여기에서 설명되는 각 실시예는 상보적인 도전형의 실시예를 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할것이다.

이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al₂O₃)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들은 도전성 기판을 포함하여 다른 기판을 사용할 수 있다. 따라서 GaP 기판상의 AlGaInP 다이오드, SiC 기판상의 GaN 다이오드, SiC 기판상의 SiC 다이오드, 사파이어 기판상의 SiC 다이오드, 및/또는 GaN, SiC, AlN, ZnO 및/또는 다른 기판상의 질화물계 다이오드 등의 조합이 포함될 수 있다. 더구나 본 발명은 활성영역은 다이오드 영역의 사용에 한정되는 것은 아니다. 또한 활성영역의 다른 형태들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라서 사용될 수도 있다.

도 4에서 도시하는 바와 같이, 질화물 반도체 수직형 발광 소자의 기본 구조는 n-형 질화물 반도체층(10)과, 질화물 다중양자우물 발광층(20), 및 p-형 질화물 반도체층(30)을 포함하여 이루어진다.

상기 n-형 질화물 반도체층(10) 상에는 화학적 식각시 식각이 저지되는 식각장벽층(40)이 형성되어 광전화학 식각(photoelectrochemical etching)을 수행할 때 식각 깊이를 효과적으로 균일하게 제어할 수 있다.

질화물 반도체 수직형 발광 소자는 광추출 효율 향상을 위해 기본적으로 n-형 질화물 반도체층(10)의 표면을 제어하여 광추출 구조(50)를 형성하는데, 상술한 광전화학 식각은 자외선을 조사하면 화학적 습식 식각을 하는 방법이다.

이러한 식각장벽층(40)은 화학적 식각 진행을 n-형 질화물 반도체층(10) 내의 일정 깊이에서 멈추도록 함으로써, n-형 질화물 반도체층(10)의 표면으로부터 일정한 깊이까지 균일하게 식각이 이루어지도록 제어할 수 있도록 한다.

상기 식각장벽층(40)은 에너지 밴드갭(band gap)이 식각장벽층(40)의 상층부 즉, 식각이 진행될 n-형 질화물 반도체층(10) 표면의 에너지 밴드갭보다 더 크다.

또한 식각장벽층(40)의 에너지 밴드갭은 광전화학 식각시 사용되는 자외선의 포톤 에너지(photon energy)보다 더 크다는 특징을 갖는다. 이러한 식각장벽층(40)의 물질은 질화알류미늄인듐갈륨(Al_xIn_yGa_1-x-yN; 0 ≤x,y ≤1)이 사용될 수 있다.

상기 n-형 질화물 반도체층(10) 또는 p-형 질화물 반도체층(30)은 주로 질화갈륨(GaN)이 이용될 수 있으며, 이러한 질화물 반도체층(30)층은 질화알류미늄인듐갈륨(Al_vIn_wGa_1-v-wN; 0 ≤v,w ≤1)이 사용될 수 있다.

이러한 수직형 발광 소자의 기본 구조는 제1전극(60)과 지지층(70) 상에 형성될 수 있으며, 제1전극(60)은 오믹 전극(61)과 반사 전극(62)으로 이루어질 수 있고, 이러한 오믹 전극(61)과 반사 전극(62)은 하나의 층에서 구성될 수도 있다.

또한, 상기 지지층(70)은 금속 기판 또는 전도성 반도체 기판이 이용될 수 있다.

이때, 상기 광추출 구조(50) 상에는 n-형 금속패드(11)가 형성될 수 있고, 지지층(70)의 외측면에는 p-형 금속패드(31)가 형성될 수 있다.

이하, 이러한 수직형 발광 소자의 제조 과정을 구체적인 예를 들어 설명한다.

도 5에서와 같이, 기판(80) 상에는 식각저지층(40)을 내부에 포함하는 n-형 질화물 반도체층(10)이 형성된다. 즉, 일정 두께의 n-형 질화물 반도체층(11)이 형성된 후, 식각장벽층(40)이 형성되고, 이후, 다시 n-형 질화물 반도체층(12)이 형성된다.

상기 식각장벽층(40)은 수 nm의 두께를 가질 수 있으며, 1nm 내지 1㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

이때, n-형 질화물 반도체층(10)의 물질로서 n-형 질화갈륨(GaN)이 이용되고, 식각장벽층(40)의 물질로서 n-형 질화알류미늄갈륨(n-AlGaN)이 이용된다.

또한, 이종 기판을 이용하는 경우에는 이러한 기판(80)과 n-형 질화물 반도체층(10) 사이에는 도핑되지 않은 버퍼층(81)이 위치할 수 있다.

상기 초기의 표면층인 n-형 질화물 반도체층(11)에는 광추출 구조(50: 도 4 참고)가 형성될 부분으로서, 광추출 구조(50)의 형성에 알맞는 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 n-형 질화물 반도체층(10) 상에는 발광층(20) 및 p-형 반도체층(30)이 차례로 형성되고, 이 p-형 반도체층(30) 상에 제1전극(60)이 형성된다.

상기 제1전극(60) 상에는 수직형 구조를 위한 기판(80) 제거시에 발광 소자 구조를 지지하기 위한 지지층(70)이 형성된다.

이후, 상기 기판(80)은 레이저 조사, 화학적 식각, 또는 물리적인 방법에 의하여 제거되고, 이와 같이, 기판(80)이 제거되어 드러난 n-형 질화물 반도체층(10)은 광추출 구조(50)의 형성을 위하여 식각된다.

이러한 n-형 질화물 반도체층(10)의 밴드는, 도 6에서와 같이, 식각장벽층(40)인 n-형 질화알륨미늄갈륨(AlGaN)층의 에너지 밴드갭보다 작다.

이때, 광전화학 식각(photoelectrochemical etching)을 수행한다. 즉, 습식 식각을 수행하면서 자외선이 조사된다. 질화물 반도체의 광전화학 식각을 위한 자외선은 n-형 질화물 반도체층(10)의 밴드갭 에너지보다 더 큰 에너지를 갖는 포톤(photon)을 공급할 수 있는 자외선을 사용한다.

따라서, 자외선에 의해 공급되는 포톤은 효과적으로 n-형 질화물 반도체층(10)의 전자를 밴드갭(E_GaN)을 뛰어 넘어서 가전대(valence band; Ev)에서 전도대(conduction band; Ec)로 여기시킨다. 이때, 가전대(Ev)에는 정공이 생성되게 되는데, 이러한 정공은 n-형 질화물 반도체층(10)에서는 소수 전하로 작용한다.

이러한 정공의 생성은 화학적 식각 진행에 있어서 산화반응을 촉진시키고, 따라서 질화갈륨(GaN)의 습식 식각의 속도를 증가시킨다. 이러한 식각의 진행은 자외선의 도움으로 표면으로부터 계속 진행되어 식각장벽층(40)에 이르게 된다.

이때, 식각장벽층(40)은 그 밴드갭 에너지(E_AlGaN)가 자외선에서 공급되는 포톤의 에너지보다 더 크므로, 자외선은 식각장벽층(40)의 가전대에서 전자를 여기시 킬 수 없어서 정공을 생성할 수 없게 된다. 따라서, 화학적 에칭은 더 이상 진행되지 않고 멈추게 된다.

이러한 식각장벽층(40)은 다중층으로 이루어질 수도 있다.

도 7은 다중 식각장벽층(40)의 한 예를 나타내는 에너지 밴드 다이어그램으로서, 다중 식각장벽층(40)은 에너지 밴드갭이 서로 다른 두 층을 교대로 적층하므로써 이루어진다. 이때, 에너지 밴드갭이 큰 두 층 사이에 에너지 밴드갭이 작은 한 층이 위치하도록 형성한다.

특히, 에너지 밴드갭이 작은 층의 두께가 나노미터 크기가 될 때, 다중 식각장벽층(40)은 양자구속효과를 보이게 된다. 이와 같이, 양자구속효과를 보이는 다중 양자우물(multiple quantum wells) 구조의 다중 식각장벽층(40)의 한 예가 도 7에 예시되어 있다.

다중 양자우물구조의 다중 식각장벽층(40)의 경우, 양자우물구조에 의해 결정되는 양자 에너지 준위(E_MQW)가 광전화학 식각시 사용되는 자외선의 포톤 에너지보다 크다는 특징을 갖는다.

이러한 광전화학 식각의 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

질화갈륨(GaN)의 광전화학 식각의 원리는 다음과 같이 설명된다.

즉, GaN 표면에 자외선을 조사하면, 소수 전하(minority carrier)인 정 공(hole)이 생성되고 이 정공들이 표면의 굽은 밴드(surface bandbending)에 의해서 표면쪽으로 이동한다. 이때 전해질속에 있는 OH^- 기가 GaN 와 반응하여 Ga₂O₃ 산화물을 만든다.

이러한 산화물은 다시 OH^-기와 반응하여 Ga0₃ ^3-로 전해질 속으로 용해되어 분리된다. 즉, 전해질 속에서 산화/환원과정을 거처서 GaN 반도체가 습식 식각되는데, 자외선 조사는 잉여 정공을 공급하여 산화반응을 촉진시키므로 결국 식각 속도를 크게 증가시킨다.

이러한 과정에 의하여, 도 8에서와 같이, GaN의 [000-1] 인덱스를 가지는 질소 극성 표면(N-polar surface)은 에너지가 불안정하여 식각이 발생하고, 안정된 에너지를 가지는 육각 피라미드(Hexagonal pyramid)형 면들을 형성한다.

한편, GaN의 [0001] 갈륨 극성 표면(Ga-polar surface)은 안정적이어서 식각이 거의 일어나지 않고 표면은 부드러운 상태를 유지한다. 이때, 표면에 안정적이지 않은 결함, 예를 들러, 전위(dislocation) 등이 있다면 이 결함이 있는 부분은 선택적으로 에칭된다.

이때, 역시 안정적인 육각 피라미드(Hexagonal pyramid)형 면들을 형성하기 때문에 형상은 도 9와 같이 핀홀(pinhole)을 보이게 된다.

상술한 바와 같이, GaN의 [0001] 갈륨 극성 표면(Ga-polar surface)은 안정적이어서 식각시 부드러운 표면 형상을 유지하면서 식각된다. 그러나, 표면에 불안 정한 결함, 예를 들어 전위 등이 있다면 이러한 영역들은 자외선 조사에 의해 생성된 잉여 정공들을 효과적으로 보상(compensation)하게 되므로 주위보다 식각 속도가 매우 느리게 된다. 결국, 아일랜드(islands) 등이 형성되어 표면이 도 10과 같이 거칠게 된다.

도 11a 및 도 11b에서는, GaN의 [000-1] 질소 극성 표면은 에너지가 불안정하여 식각시 에너지가 안정적인 육각 피라미드 {10-1-1} 면들이 형성된 상태를 나타내고 있다. 도 11a는 2분간 식각한 경우를 나타내고, 도 11b는 10분간 식각한 경우를 나타내고 있다.

이러한 경우, 자외선을 조사하지 않았을 경우와 비교하면, 자외선 소사시에 식각 속도가 약 2차 지수 이상 증가한다.

도 12에서와 같이, 조사되는 빛의 에너지가, 예를 들어, GaN보다 작고 InGaN보다 클 경우 빛은 GaN를 통과하여 InGaN에서만 정공을 생성하다. 따라서, GaN는 식각이 않되고 InGaN만 선택적으로 식각이 된다. 이와 같이 현상을 광전화학 식각의 밴드갭 선택성(Bandgap selectivity)이라고 한다.

이러한 광전화학 식각의 속도는 도핑되지 않은 상태 및 p-형 GaN에 비하여 n-형 GaN에서 가장 빠르다. 이는 도 13 및 도 14에서 보여지는 것 같은 GaN과 전해질(electrolyte) 사이의 계면에서 발생하는 밴드 굽음(bandbending)에 기인한다.

즉, 밴드 굽음(bandbending)으로 인해 도 14와 같은 p-형 GaN에서는 정공이 표면에서 먼곳으로 이동하고, 도 13과 같은 n-형 GaN에서는 표면쪽으로 모이게 된다. 이를 도펀트 선택성(dopant selectivity)이라고 한다.

본 발명에 의하면, 상기와 같은 원리에 의해서 GaN 계열 반도체층의 식각시에 식각의 깊이를 정확하게 제어할 수 있고, 소자 표면 전체적으로 균일한 식각깊이를 확보할 수 있게 된다. 즉, 디자인된 식각 깊이 위치에 식각장벽층을 구비함으로써 정확하게 식각 깊이를 제어할 수 있게 된다.

또한, 박막의 결정결함의 불균일한 분포에 기인하여 어느 부분은 깊이 식각되고 어느 부분은 얕게 식각되는 식각 깊이의 불균일성을 해결할 수 있다.

결국, 본 발명에 따른 식각장벽층(40)을 포함하는 발광 소자는 질화물 반도체 수직형 발광 소자가 작동시 주입되는 전류를 균일하게 분산하여 발광층으로 주입되어 발광 효율이 향상될 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 발광 소자 작동을 위한 전류 주입시 전류를 균일하게 주입할 수 있도록 함으로써 발광 소자의 성능이 향상될 수 있다.

둘째, 표면 질화갈륨층의 식각 깊이를 균일하게 하여 광추출 구조를 형성함으로써, 발광 효율과 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.

셋째, 습식 식각의 깊이를 정확하게 제어할 수 있어, 발광 소자의 생산성이 크게 향상될 수 있다.

Claims

발광 소자에 있어서,

제1전도성 반도체층과;

상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과;

상기 발광층 상에 위치하며, 식각장벽층을 포함하는 제2전도성 반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 식각장벽층 상에는 광추출 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 2항에 있어서, 상기 광추출 구조는, 상기 식각장벽층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층에 형성된 패턴인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 식각장벽층은, Al_xIn_yGa_1-x-yN (0≤(x,y)≤1) 층인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 식각장벽층의 밴드갭 에너지는, 상기 제2전도성 반도체층보다 큰 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 식각장벽층은, 두 층 이상인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 6항에 있어서, 상기 식각장벽층은, 상기 제2전도성 반도체층 물질과 교대로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제2전도성 반도체층은, n-형 반도체층인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
발광 소자에 있어서,

제1전도성 반도체층과;

상기 제1전도성 반도체층 상에 위치하는 발광층과;

상기 발광층 상에 위치하는 제2전도성 반도체층과;

상기 제2전도성 반도체층 상에 위치하며, 상기 제2전도성 반도체층보다 밴드갭이 큰 질화물 반도체층과;

상기 질화물 반도체층 상에 위치하는 광추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 9항에 있어서, 상기 질화물 반도체층은, 두 층 이상인 것을 특징으로 하 는 수직형 발광 소자.
제 10항에 있어서, 상기 질화물 반도체층은, 상기 제2전도성 반도체층 물질과 교대로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 9항에 있어서, 상기 광추출 구조는, 광전화학 식각에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
제 12항에 있어서, 상기 질화물 반도체층의 밴드갭 에너지는, 상기 광전화학 식각에 사용되는 광선의 포톤 에너지보다 더 큰 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
발광 소자의 제조방법에 있어서,

식각장벽층을 포함하는 제1전도성 반도체층을 형성하는 단계와;

상기 제1전도성 반도체층 상에 발광층을 형성하는 단계와;

상기 발광층 상에 제2전도성 반도체층을 형성하는 단계와;

상기 제1전도성 반도체층의 표면을 식각하여 광추출 구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
제 14항에 있어서, 상기 광추출 구조를 형성하는 단계는, 광전화학 식각법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
제 14항에 있어서, 상기 제1전도성 반도체층을 형성하는 단계는,

제1전도성 반도체층을 형성하는 단계와;

상기 제1전도성 반도체층 상에, 상기 제1전도성 반도체층보다 밴드갭 에너지가 큰 식각장벽층을 형성하는 단계와;

상기 식각장벽층 상에 제1전도성 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.