KR20090065053A

KR20090065053A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20090065053A
Application number: KR20070132482A
Authority: KR
Inventors: 박성은; 박영민
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-06-22
Also published as: KR100905859B1

Abstract

질화물 반도체 발광소자의 제조 방법이 개시된다. 본 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은, 질화물 단결정 성장용 기판 상에 질화물 단결정 베이스층을 형성하는 단계, 질화물 단결정 베이스층 상에 다수의 윈도우 영역을 갖는 절연 패턴층을 형성하는 단계, 윈도우 영역에 노출된 상기 질화물 단결정 베이스층 상면 영역에 육각 피라미드 구조의 제1 질화물 단결정층을 성장시키는 단계, 제1 질화물 단결정층과 상이한 굴절률을 가지며, 육각 피라미드 구조의 제1 질화물 단결정층 사이의 공간을 충진시켜 평탄한 면을 가지는 제2 질화물 단결정층을 형성하는 단계, 제2 질화물 단결정층 상에 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계, 질화물 단결정 성장용 기판, 질화물 단결정 베이스층 및 상기 절연 패턴층을 제거하여 제1 질화물 단결정층의 일 면에 요철 패턴을 형성하는 단계, 제1 질화물 단결정층 상에 제1 전극을 형성하는 단계 및 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

발광소자, 육각 피라미드, 요철 패턴, GaN

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 {Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof}

본 발명은 광 추출 효율을 향상시키기 위한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 3족 질화물 반도체(간단히 '질화물 반도체'라고 함)는 LCD 백라이트, 카메라용 플래쉬, 조명 등 다양한 분야에서 자외선(UV), 청색광, 녹색광의 발광소자 재료로 널리 사용되고 있다. 일반적으로, 질화물 반도체는 Al_xGa_yIn₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는다. 이러한 질화물 반도체 발광소자(LED 등을 포함)를 제조하기 위해, 사파이어 등의 성장용 기판 위에 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시켜 발광 구조물을 형성한다.

질화물 반도체는 에폭시 또는 공기 등의 외부 환경에 비해 높은 굴절율을 가지고 있다. 외부 환경(공기 또는 에폭시 등의 수지)과 질화물 반도체 간의 큰 굴절 률 차이로 인해, 질화물 반도체 발광소자 내부에서 생성된 광들 중 상당한 부분은 계면 또는 벽면에서 수차례 반사됨으로써 외부로 탈출하지 못하고, 소자 내부에서 소멸된다. 이러한 내부 전반사로 인한 광손실이 상당히 크기 때문에, 질화물 반도체 발광소자의 광 추출 효율은 충분히 높지 못한 실정이다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자의 수직 단면도이다. 도 1을 참조하면, 발광소자(10)는 제1 전극(11), 반사층(12), 반사층(12) 상에 순차적으로 형성된 p형 반도체층(13), 활성층(14) 및 n형 반도체층(15)을 포함하는 발광구조물 및 제2 전극(16)을 포함한다.

전자 및 전공의 재결합에 의해 활성층(14)에서 방출된 광은 다양한 활성층(13)의 한 지점에서 방출된 광은 다양한 진행각도를 가질 수 있다. 이 광은 발광소자의 벽면 또는 경계면을 통하여 외부로 방출되기 위해서는 광의 진행각도가 임계각(θ_c)보다 작아야하고, 이 임계각보다 큰 각도로 진행하는 광은 소자 경계면에서 전반사되어 소자 내부에 갇히게 되고 결국 열로서 손실된다. 이러한 내부 전반사 및 열의 손실로 인해 질화물 반도체 발광소자의 광 추출 효율은 낮은 값을 갖게 된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 발광구조물 상부에 상부면이 요철 패턴을 가지며, 하부면이 육각 피라미드 구조로 형성된 질화물 단결정층을 형성함으로써, 광 추출 효율을 향상시키기 위한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 단결정 반도체의 제조 방법은, 질화물 단결정 성장용 기판 상에 질화물 단결정 베이스층을 형성하는 단계, 상기 질화물 단결정 베이스층 상에 다수의 윈도우 영역을 갖는 절연 패턴층을 형성하는 단계, 상기 윈도우 영역에 노출된 상기 질화물 단결정 베이스층 상면 영역에 육각 피라미드 구조의 제1 질화물 단결정층을 성장시키는 단계, 상기 제1 질화물 단결정층과 상이한 굴절률을 가지며, 상기 육각 피라미드 구조의 제1 질화물 단결정층 사이의 공간을 충진시켜 평탄한 면을 갖는 제2 질화물 단결정층을 형성하는 단계, 상기 제2 질화물 단결정층 상에 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계, 상기 질화물 단결정 성장용 기판, 상기 질화물 단결정 베이스층 및 상기 절연 패턴층을 제거하여 상기 제1 질화물 단결정층의 일 면에 요철 패턴을 형성하는 단계, 상기 제1 질화물 단결정층 상에 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

이 경우, 상기 제1 질화물 단결정층은 언도프드된 GaN으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 절연 패턴층은 다공성 증착 특성을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, SiN 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 질화물 단결정층은 AlGaN, SiN 및 InGaN 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 질화물 단결정 성장용 기판, 상기 질화물 단결정 베이스층 및 상기 절연 패턴층을 제거하여 상기 제1 질화물 단결정층의 일 면에 요철 패턴을 형성하는 단계는, 레이저를 상기 질화물 단결정 성장용 기판 및 상기 질화물 단결정 베이스층에 조사하여 분리시키는 단계 및 식각을 통해 상기 절연 패턴층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계는, 상기 발광구조물에 반사층을 형성하는 단계, 상기 반사층 하부에 상기 제2 전극을 형성하는 단계, 및 상기 제2 전극 상에 실리콘 서브마운트 기판을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 상부면이 요철 패턴으로 형성되어 있으며, 하부면이 육각 피라미드 구조로 형성된 제1 질화물 단결정층, 상기 제1 질화물 단결정층과 상이한 굴절률을 가지며 상기 육각 피라미드 구조의 제1 질화물 단결정층 사이의 공간을 충진시켜 평탄한 면을 가지는 제2 질화물 단결정층, 상기 제2 질화물 단결정층 하부에 형성되며 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광구조물, 상기 제1 질화물 단결정층 상에 형성된 제1 전 극, 및, 상기 발광구조물 하부에 형성된 제2 전극을 포함한다.

이 경우, 상기 제1 질화물 단결정층은 언도프드된 GaN으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2 질화물 단결정층은 AlGaN, SiN 및 InGaN 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

본 질화물 반도체 발광소자는, 상기 발광구조물과 상기 제2 전극 사이에 형성되어, 광을 반사시키는 반사층 및 상기 제2 전극의 하부에 형성되어, 열을 방출하는 서브 마운트를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 하부면에 육각 피라미드 구조를 갖는 질화물 단결정층을 형성함으로써, 질화물 단결정층 내에 입사되는 광량을 증가시키며, 광의 입사각을 감소시켜 질화물 반도체 발광소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 질화물 단결정층의 상부면을 요철 패턴으로 형성함으로써, 광의 직진성을 향상시켜 질화물 반도체 발광소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다. 도 2a를 참조하면, 우선, 질화물 단결정 성장용 기판(110) 상에 질화물 단결정 베이스층(120) 및 절연 패턴층(130)을 순차적으로 증착시킨다. 이 경우, 질화물 단결정 성장용 기판(110)은 사파이어 기판 또는 Si 기판이 될 수 있으며, 질화물 단결정 베이스층(120)은 언도프드된 질화갈륨(GaN)계 물질의 증착을 통해 형성된다. 또한, 절연 패턴층(130)은 SiN과 같은 다공성 증착 특성을 갖는 절연 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 절연 패턴층(130)은 다공성 증착 특성에 의해 증착 과정에서 다수의 윈도우가 형성될 수 있다.

이 후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 질화물 단결정 베이스층(120)을 재성장시켜 제1 질화물 단결정층(140)을 형성한다. 이 경우, 제1 질화물 단결정층(140)은 절연 패턴층(130)의 윈도우 영역을 통해 노출되어 있는 질화물 단결정 베이스층(120)의 성장을 통해 형성되는 것으로, 육각 피라미드 구조를 갖는다. 또한, 제1 질화물 단결정층(140)은 질화물 단결정 베이스층(120)과 동일한 질화갈륨(GaN)계 물질로 형성된다.

그리고, 도 2c에서와 같이, 제1 질화물 단결정층(140) 전반에 걸쳐 제2 질화물 단결정층(150)을 형성한다. 구체적으로, 제2 질화물 단결정층(150)은 육각 피라미드 구조를 갖는 제1 질화물 단결정층(140) 사이의 공간을 충진시키는 형태로 형성되며, 평탄한 면을 갖도록 형성된다. 이 경우, 제2 질화물 단결정층(150)은 제1 질화물 단결정층(140)과 상이한 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 제1 질화물 단결정층(140)의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로는, AlGaN, SiN 및 InGaN 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.

다음, 도 2d에 도시된 바와 같이, 제2 질화물 단결정층(150) 상에 제1 반도체층(160), 활성층(170) 및 제2 반도체층(180)을 순차적으로 형성한다. 구체적으로, 제1 반도체층(160)은 GaN 반도체 물질에 Si, In, Sn과 같은 n형 도펀트를 도핑시켜 형성할 수 있다. 이 경우, 제2 질화물 단결정층(150)이 AlGaN 또는 InGaN으로 형성되었다면, 제2 질화물 단결정층(150) 상에 n형 도펀트를 도핑시켜 성장하는 방법으로 제1 반도체층(160)을 형성할 수 있다. 또한, 제2 질화물 단결정층(150)이 다공성 증착 특성을 갖는 SiN으로 형성된 경우에는, SiN의 윈도우 영역을 통해 노출되어 있는 제2 질화물 단결정층(150) 상에 n형 도펀트를 도핑시켜 성장하는 방법으로 제1 반도체층(160)을 형성할 수 있다.

또한, 활성층(170)은 GaN 또는 InGaN 등의 GaN계 물질을 이용하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 갖는 형태로 형성할 수 있다. 그리고, 제2 반도체층(180)은 GaN 반도체 물질에 Zn, Cd, Mg 등과 같은 p형 도펀트를 도핑시키는 방식으로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 반도체층(160), 활성층(170) 및 제2 반도체층(180) 각각은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등의 증착 방법을 이용하여 형성할 수 있다.

이 후, 도 2e에서와 같이, 레이저 리프트 오프(laser lift off) 방법을 이용하여 도 2d에 도시된 구조물 상에서 질화물 단결정 성장용 기판(110) 및 질화물 단 결정 베이스층(120)을 제거한다. 구체적으로, 구조물 하부에 248㎚의 엑시머 레이저(excimer laser)를 조사하여 질화물 단결정 성장용 기판(110) 및 질화물 단결정 베이스층(120)을 제거할 수 있게 된다. 그리고, 질화물 단결정 성장용 기판(110) 및 질화물 단결정 베이스층(120)이 제거되고 난 후에, 반도체 식각 방법을 이용하여 절연 패턴층(130)을 제거하여 제1 질화물 단결정층(140)이 노출될 수 있도록 한다. 이 경우, 제1 질화물 단결정층(140)은 절연 패턴층(130) 제거에 의해 요철 패턴이 형성되어 있음을 명확히 알 수 있다.

한편, 도 2f에 도시된 구조물은 도 2e에 도시된 구조물을 180° 회전시킨 그림이다. 이 구조물에서, 요철 패턴을 갖는 제1 질화물 단결정층(140) 상에 제1 전극(194)을 형성하고, 제2 반도체층(180) 하부에 반사층(191), 제2 전극(192) 및 서브 마운트(193)을 순차적으로 형성한다. 이 경우, 제1 전극(194)은 n-전극이 될 수 있으며, 제2 전극(192)은 p-전극이 될 수 있다.

반사층(192)은 활성층(170)에서 발생되어 발광구조물의 하부면으로 출력된 광을 반사시켜, 제2 질화물 반도체층(150) 및 제1 질화물 단결정층(140)을 통해 외부로 추출될 수 있도록 한다. 따라서, 반사층(192)은 반사율이 큰 금속 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, Al, Ti 및 Cu 등과 같은 물질로 형성될 수 있다.

이와 같은 방법에 따라 질화물 반도체 발광소자(100)를 제조하는 경우, 제1 질화물 단결정층(140)의 하부면에 형성된 육각 피라미드 구조 및 상부면에 형성된 요철 패턴을 통해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 3은 도 2f에 도시된 반도체 발광소자에서의 광 추출 경로를 도시한 모식도이다. 도 3을 참조하면, 전자 및 정공의 재결합에 의해서 활성층(170)에서 광이 발생된다. 이 광은 제1 반도체층(160)과 제2 질화물 단결정층(150)의 계면에서 굴절률 차이에 의해 굴절되어 입사된다. 이 경우, 제 2 질화물 단결정층(150)에 입사된 광은 제1 질화물 단결정층(140)의 육각 피라미드 구조의 계면을 통해, 광 손실 없이 제1 질화물 단결정층(140)에 입사될 수 있게 된다. 또한, 제2 질화물 단결정층(150)에 입사된 광의 입사각이 크더라도, 전반사되어 측면에 위치한 다른 육각 피라미드를 통해 제1 질화물 단결정층(140)에 입사될 수 있게 되어 광 손실을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 질화물 단결정층(140)이 갖는 육각 피라미드 구조의 경사 계면에 의해 제1 질화물 단결정층(140)에 입사되는 광의 입사각이 감소될 수 있다. 이에 따라, 제1 질화물 단결정층(140)을 통해 광이 외부로 출력되는 경우, 광 손실이 감소될 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 제1 질화물 단결정층(140)에 입사된 광은, 상부면에 형성된 요철 패턴을 통해 출력됨에 따라, 광의 직진성이 향상될 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자의 수직 단면도,

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도, 그리고,

도 3은 도 2f에 도시된 반도체 발광소자에서의 광 추출 경로를 도시한 모식도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

100 : 반도체 발광소자 110 : 사파이어 기판

120 : 질화물 단결정 성장층 130 : 절연 패턴층

140 : 질화물 단결정층 150 : 광 투과층

160 : 제1 반도체층 170 : 활성층

180 : 제2 반도체층 191 : 제1 전극

192 : 반사층 193 : 제2 전극

194 : 서브마운트

Claims

질화물 단결정 성장용 기판 상에 질화물 단결정 베이스층을 형성하는 단계;

상기 질화물 단결정 베이스층 상에 다수의 윈도우 영역을 갖는 절연 패턴층을 형성하는 단계;

상기 윈도우 영역에 노출된 상기 질화물 단결정 베이스층 상면 영역에 육각 피라미드 구조의 제1 질화물 단결정층을 성장시키는 단계;

상기 제1 질화물 단결정층과 상이한 굴절률을 가지며, 상기 육각 피라미드 구조의 제1 질화물 단결정층 사이의 공간을 충진시켜 평탄한 면을 가지는 제2 질화물 단결정층을 형성하는 단계;

상기 제2 질화물 단결정층 상에 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계; 및,

상기 질화물 단결정 성장용 기판, 상기 질화물 단결정 베이스층 및 상기 절연 패턴층을 제거하여 상기 제1 질화물 단결정층의 일 면에 요철 패턴을 형성하는 단계;

상기 제1 질화물 단결정층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및,

상기 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 질화물 단결정층은,

언도프드된 GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 절연 패턴층은,

다공성 증착 특성을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 절연 패턴층은,

SiN 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 질화물 단결정층은,

AlGaN, SiN 및 InGaN 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 질화물 단결정 성장용 기판, 상기 질화물 단결정 베이스층 및 상기 절연 패턴층을 제거하여 상기 제1 질화물 단결정층의 일 면에 요철 패턴을 형성하는 단계는,

레이저를 상기 질화물 단결정 성장용 기판 및 상기 질화물 단결정 베이스층에 조사하여 분리시키는 단계; 및,

식각을 통해 상기 절연 패턴층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계는,

상기 발광구조물에 반사층을 형성하는 단계;

상기 반사층 하부에 상기 제2 전극을 형성하는 단계; 및,

상기 제2 전극 상에 실리콘 서브마운트 기판을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
상부면이 요철 패턴으로 형성되어 있으며, 하부면이 육각 피라미드 구조로 형성된 제1 질화물 단결정층;

상기 제1 질화물 단결정층과 상이한 굴절률을 가지며, 상기 육각 피라미드 구조의 제1 질화물 단결정층 사이의 공간을 충진시켜 평탄한 면을 가지는 제2 질화물 단결정층;

상기 제2 질화물 단결정층 하부에 형성되며, 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광구조물;

상기 제1 질화물 단결정층 상에 형성된 제1 전극; 및,

상기 발광구조물 하부에 형성된 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 제1 질화물 단결정층은,

언도프드된 GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 제2 질화물 단결정층은,

AlGaN, SiN 및 InGaN 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 발광구조물과 상기 제2 전극 사이에 형성되어, 광을 반사시키는 반사층; 및,

상기 제2 전극의 하부에 형성되어, 열을 방출하는 서브 마운트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.