KR20090054421A - 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 돌기가 형성된 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 기판과 복수개의 반도체층의 계면에서 돌기로부터 이격되어 있으며, 활성층에서 생성된 빛의 외부 취출을 향상시키도록 형성된 스캐터링 면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

반도체, 발광소자, 질화물, 활성층, 외부양자효율, 식각, 스크라이빙

Description

반도체 발광소자 및 반도체 발광소자를 제조하는 방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 대표적으로 기판에 형성된 돌기를 이용하여 반도체층에 외부양자효율의 향상을 위한 스캐터링 면을 형성한 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 여기서 3족 질화물 반도체는 GaN계 반도체를 의미하지만, SiCN와 같은 반도체를 추가적으로 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.

도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 사파이어 기판(1), 사파이어 기판(1) 위에 성장된 n형 질화물 반도체층(2) 및 p형 질화물 반도체층(3)로 이루어진다. n형 질화물 반도체층(2)과 p형 질화물 반도체층(3) 사이의 경계면인 활성층으로부터 전자와 정공의 재결합에 의해 빛이 발생하며, 발생된 빛이 발광소자 외부로 나옴으로써 소자로서 기능한다. 한편 생성된 빛 중의 일부는 소자와 외부 사이의 굴절률 차이로 인해 소자 내부에서 소멸되며, 이렇게 소멸되는 빛을 줄이기 위해서 빛의 경로를 변환하도록 스캐터링하는 면이 p형 질화물 반도체층(3)의 표면에 형성되어 있다.

본 발명은 발광소자의 외부양자효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 단위 소자의 스크라이빙 공정에서 소자에 잔존하는 잔류물(debris)을 제거하여 발광소자의 외부양자효율을 향상시킨 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기판에 구비된 패턴 또는 돌기에 의해 반도체층 측에 형성된 스캐터링 면을 이용하여 외부양자효율을 향상시킨 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명은 돌기가 형성된 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 기판과 복수개의 반도체층의 계면에서 돌기로부터 이격되어 있으며, 활성층에서 생성된 빛의 외부 취출을 향상시키도록 형성된 스캐터링 면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다. 바람직하게는 기판은 사파이어로 이루어지며, 복수개의 반도체층은 3족 질화물 반도체로 이루어진다. 이때 활성층은 주로 InGaN으로 이루어진다. 복수개의 반도체층의 최하층에서는 기판과의 불일치(mismatch)을 해소하기 위해 버퍼층이 이용될 수 있는데, 이 버퍼층은 AlGaN, AlN, SiC와 같은 물질로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명은 스캐터링 면이 활성층을 향하여 위로 볼록한 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 스캐터링 면과 기판 사이의 간격이 복수개의 반도체층 내부로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 기판과 복수개의 반도체층의 계면으로부터 이격되어 있으며, 활성층에서 생성된 빛의 외부 취출을 향상시키도록 복수개의 반도체층의 측면에 형성되고, 활성층을 향하여 위로 볼록한 형상인 스캐터링 면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 스캐터링 면이 습식 식각을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판이 복수개의 돌기가 구비된 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판 위에 복수개의 질화물 반도체층을 성장시키는 제1 단계; 복수개의 질화물 반도체층을 스크라이빙하는 제2 단계; 스크라이빙된 면을 통해 기판과 복수개의 질화물 반도체층 사이의 계면을 식각하여 스캐터링 면을 형성하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다. 스크라이빙은 레이저 및/또는 다이아몬드 커터에 의해 이루어질 수 있으며, 공정 속도의 관점에서는 레이저가 바람직하다. 다만 레이저를 사용하는 경우에 스크라이빙 후 소자에 잔류물이 생성되어 소자의 외부양자효율에 좋지 못한 영향을 줄 수 있다. 식각은 건식 식각 및/또는 습식 식각 모두가 가능하나, 습식 식각을 이용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 제1 단계에 앞서, 기판에 돌기를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다. 기판에 돌기 즉 패턴을 형성하는 방법은 당업계에서 널리 알려져 있으며, 원하는 패턴을 형성한 다음 ICP/RIE 에칭을 통해 돌기를 형성할 수 있다. 스캐터링 면의 안정적 형성을 위해 단면이 타원 또는 원형인 돌기를 형성하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 제3 단계가 기판의 돌기와 복수개의 질화물 반도체층 사이의 계면을 식각하여 스캐터링 면을 형성하는 것을 특징을 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 제2 단계의 레이저 스크라이빙에서 스크라이빙된 면에 형성된 잔해가 제3 단계의 습식 식각을 통해 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 발광소자의 외부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 소자의 단위 소자의 스크라이빙 공정에서 소자에 잔존하는 잔류물(debris)를 제거하여 발광소자의 외부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조 방법에 의 하면, 기판에 구비된 패턴 또는 돌기에 의해 반도체층 측에 형성된 스캐터링 면을 이용하여 외부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이하 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 사파이어 기판(100), 사파이어 기판(100) 위에 에피성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 에피성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 투명전극층(600), 투명전극층(600) 위에 형성되는 p측 접촉 금속층(700), p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n측 접촉금속층(800)을 포함한다. 한편 사파이어 기판(100)에는 질화물 반도체층 측에 스캐터링 면을 형성하기 위한 원형의 돌기(101)가 형성되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 복수개의 반도체층과 기판 사이의 계면을 확대하여 나타내는 도면으로서, 사파이어 기판(100)의 돌기(101)로부터 이격되어 버퍼층(200)에 빛을 스캐터링하는 스캐터링 면(104)이 위를 향해 볼록하게 형성되어 있다. 본 발명은 이러한 스캐터링 면(104)을 이용함으로써 반도체 발광소자의 외부양자효율을 높이는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 실제 사진으로서, 사파이어 기판(100)에 돌기(101)가 형성되어 있고, 돌기(100)와 간격을 두고 스캐터링 면(104) 이 형성되어 있다.

도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 단면의 일 예를 나타내는 사진으로서, 사파이어 기판(100)에 돌기(101)가 형성되어 있으며, 스캐터링 면(104)은 돌기(101)의 형상을 따라 소자 외부로부터 내부로 가면서 돌기(101)와 간격이 좁아진다.

도 6은 본 발명에 따른 스캐터링 면의 전체 형상을 볼 수 있도록 얻어진 사진의 일 예를 나타내는 도면으로서, 돌기가 형성하는 표면보다 훨씬 큰 스캐터링 면이 형성됨을 알 수 있으며, 외부 즉 공기와 반도체층 사이에서 스캐터링 면이 형성된다.

도 7은 식각 전의 사진으로서, 점선으로 표시된 부분에 사파이어 기판(100)의 돌기가 보여야 하나, 잔류물(102)에 의해 돌기가 보이지 않고 있다.

스캐터링 면의 형성

3족 질화물 반도체 발광소자를 개개의 소자로 절단하는 단계(스크라이빙하는 단계)는 레이저를 사용하여 진행할 수 있으며, 절단면의 깊이 및 너비는 물리적인 힘을 가해 쉽게 개개의 발광소자가 분리될 수 있는 0.5um~30um의 깊이로 형성하는 것이 바람직하다. 0.5um 이하일 경우에는 다이아몬드 팁(tip)을 이용한 절단 방법과 비슷하게 발광소자의 표면을 얇게 절단하여 물리적으로 개개의 발광소자를 분리하는 과정에서 발광소자 표면 및 내부에 균열을 초래하거나 전기적 특성에 불량을 초래할 수 있다. 반대로 30um 이상일 경우에는 발광소자를 만드는 공정 도중에 쉽 게 소자가 깨지는 현상이 발생해서 생산성을 저하되는 문제점을 가질 수 있다.

3족 질화물 반도체 발광소자의 측면을 식각하는 단계 이전에 보호막을 부착하는 단계를 더 포함할 수 있고, 보호막은 산화규소, 감광제, 규소 등 식각에 강한 물질 중의 어느 하나 또는 이들 하나 이상의 조합일 수 있다.

3족 질화물 반도체 발광소자의 측면을 식각하는 단계에서는 염산(HCl), 질산(HNO₃) 불산(HF), 황산(H₂SO₄) 또는 인산(H₃PO₄) 등이 사용될 수 있다. 식각된 측면의 거칠기는 수십 nm 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 수십 nm 이상이 되면 불순물 잔해와 같은 역할을 하여 발광소자의 광추출 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이때, 식각액은 150 이상의 온도로 가열된 상태에서 사용되는 것이 바람직하다. 식각액의 온도가 150 이하가 되면 측면의 식각률이 떨어지며, 본 발명에서 소자의 모양을 광추출이 용이하도록 바꾸는데 제한을 갖는다. 한편 건식식각이 이용되는 경우에, BCL₃, Cl₂, HBr, 또는 Ar이 식각 가스로 사용될 수 있다. 이때 사파이어 기판과 반도체의 계면에서 식각이 일어나는 이유는 이 경계면은 에피성장에 의해 발생하는 서로 다른 물질간의 계면이므로 불안정하여 식각이 활발히 일어나는 것으로 판단된다.

예를 들어 본 발명에 따른 식각은 초음파로 10분간 처리/건조한 후, 인산(H₃PO₄)을 사용하여 대략 200도의 식각온도(식각 시작 온도는 210에서 시작, 온도 200도 유지)에서 10분간 식각을 행함으로써 이루어질 수 있다.

도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 복수개의 반도체층과 기판 사이의 계면을 확대하여 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 실제 사진,

도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 단면의 일 예를 나타내는 사진,

도 6은 본 발명에 따른 스캐터링 면의 전체 형상을 볼 수 있도록 얻어진 사진의 일 예를 나타내는 도면,

도 7은 식각 전의 사진.

Claims (20)

1. 돌기가 형성된 기판;

   기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;

   기판과 복수개의 반도체층의 계면에서 돌기로부터 이격되어 있으며, 활성층에서 생성된 빛의 외부 취출을 향상시키도록 형성된 스캐터링 면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   스캐터링 면은 활성층을 향하여 위로 볼록한 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   스캐터링 면과 기판 사이의 간격이 복수개의 반도체층 내부로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
4. 제 2 항에 있어서,

   스캐터링 면과 기판 사이의 간격이 복수개의 반도체층 내부로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
6. 제 4 항에 있어서,

   기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
7. 제 1 항에 있어서,

   활성층은 3족 질화물 반도체로 된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
8. 제 3 항에 있어서,

   활성층은 3족 질화물 반도체로 된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
9. 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;

   기판과 복수개의 반도체층의 계면으로부터 이격되어 있으며, 활성층에서 생성된 빛의 외부 취출을 향상시키도록 복수개의 반도체층의 측면에 형성되고, 활성층을 향하여 위로 볼록한 형상인 스캐터링 면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
10. 제 9 항에 있어서,

    스캐터링 면은 습식 식각을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
11. 제 10 항에 있어서,

    활성층은 3족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
12. 제 9 항에 있어서,

    기판은 복수개의 돌기가 구비된 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
13. 제 9 항에 있어서,

    기판은 돌기를 구비하며,

    스캐터링 면은 돌기와 복수개의 질화물 반도체층 사이의 식각 작용에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
14. 기판 위에 복수개의 질화물 반도체층을 성장시키는 제1 단계;

    복수개의 질화물 반도체층을 스크라이빙하는 제2 단계;

    스크라이빙된 면을 통해 기판과 복수개의 질화물 반도체층 사이의 계면을 식각하여 스캐터링 면을 형성하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    제1 단계에 앞서, 기판에 돌기를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    제3 단계는 기판의 돌기와 복수개의 질화물 반도체층 사이의 계면을 식각하여 스캐터링 면을 형성하는 것을 특징을 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서,

    제2 단계는 레이저를 이용하여 행해지며,

    제3 단계는 습식 식각인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서,

    기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
19. 제 17 항에 있어서,

    제2 단계의 레이저 스크라이빙에서 스크라이빙된 면에 형성된 잔해가 제3 단계의 습식 식각을 통해 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
20. 제 15 항에 있어서,

    스캐터링 면은 활성층을 향하여 위로 볼록한 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.

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