KR20090073940A

KR20090073940A - 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20090073940A
Application number: KR20070142020A
Authority: KR
Inventors: 김창태; 남기연; 이태희
Original assignee: 주식회사 에피밸리
Priority date: 2007-12-31
Filing date: 2007-12-31
Publication date: 2009-07-03
Also published as: KR100960278B1

Abstract

본 발명은 기판; 기판 위에 에피성장되고, 전자와 정공이 재결합하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 그리고, 복수개의 3족 질화물 반도체층 측면 외부에서 내부를 향하여 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 에어 바;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 또한 기판 위에, 성장 방지막을 형성시키는 제1 단계; 기판 또는 성장 방지막 위에, 전자와 정공이 재결합하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층을 에피성장시키는 제2 단계; 성장 방지막이 노출되도록 복수개의 3족 질화물 반도체층을 식각하는 제3 단계; 그리고, 노출된 성장 방지막을 제거하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

3족 질화물, 반도체, 발광소자, LED, 에어 바, 공극, 스캐터링, 산화물

Description

3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Ⅲ-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 발광소자 내부에서 생성된 빛을 스캐터링하여 광 추출 효율을 개선할 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.

도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 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 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 질화물 반도체 층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.

기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사피이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.

기판(100) 위에 에피성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.

버퍼층(200)은 이종기판(100)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/053042호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 개시되어 있다.

n형 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 개시되어 있다.

활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다. 국제공개공보 WO/02/021121호에는 복수개의 양자우물층들과 장벽층들의 일부에만 도핑을 하는 기술이 개시되어 있다.

p형 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/022655호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 개시되어 있다.

p측 전극(600)은 p형 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 개시되어 있다.

한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 개시되어 있다.

p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 개시되어 있다.

보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략되어도 좋다.

도 2는 미국특허 제3,739,217호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 활성층(400)에서 생성되어 발광소자에 내부에서 반사되는 빛을 스캐터링 면(501)을 이용하여 발광소자의 광 추출 효율을 개선시키는 기술을 개시하고 있다.

도 3은 미국특허 제7,053,420호에 개시된 발광소자 제조방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 기판(s) 위에 산화막(m)을 형성시키고, 반도체층(1000,2000)을 에피성장시키는 기술을 개시하고 있다.

도 4는 일본특허공개 제2000-331937호에 개시된 발광소자 제조방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 요철(110,120)이 형성된 기판(100) 위에, 공극(130; void)이 형성되도록 반도체층(1000,2000)을 에피성장시키는 기술에 관한 것이다. 그러나, 기판(100)에 요철(110,120)을 형성시키는 것이 용이하지 않고, 기판 위에 에피성장된 반도체층(1000,2000)이, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링 할 수 있는 면을 지니고 있지 않아 빛을 반사시킴에 따라 공극(130)이 광 추출 효율의 향상에는 크게 기여하지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 발광소자의 광 추출 효율을 개선할 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 에어 바를 이용하여 빛을 스캐터링 시킴으로써 광 추출 효율을 개선할 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 기판; 기판 위에 에피성장되고, 전자와 정공이 재결합하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 그리고, 복수개의 3족 질화물 반도체층 측면 외부에서 내부를 향하여 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 에어 바;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 에어 바가 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이를 가로질러 관통하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 발광소자가 장방형으로 형성되고, 에어 바가 장방형의 단축방향을 따라 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이를 가로질러 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판이 사파이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 기판 위에, 성장 방지막을 형성시키는 제1 단계; 기판 또는 성장 방지막 위에, 전자와 정공이 재결합하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층을 에피성장시키는 제2 단계; 성장 방지막이 노출되도록 복수개의 3족 질화물 반도체층을 식각하는 제3 단계; 그리고, 노출된 성장 방지막을 제거하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 제2 단계 전에, 성장 방지막이 바를 형성하도록 식각하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 제3 단계에서 성장 방지막이 레이저 스크라이빙에 의해서 노출되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 제4 단계가 습식식각에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 발광소자가 전체적으로 장방형으로 이루어지고, 제1 단계가 성장 방지막을 장방형의 단축 방향으로 가로질러 형성하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 발광소자의 광 추출 효율을 개선할 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 에어 바를 이용하여 빛을 스캐터링 시킴으로써 광 추출 효율 을 개선할 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 예를 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10)과, 기판(10) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(20)과, n형 질화물 반도체층(20) 위에 에피성장되고, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층(30)과, 활성층(30) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(40)과, p형 질화물 반도체층(40) 위에 형성되는 p측 전극(50)과, p측 전극(50) 위에 형성되는 p측 본딩패드(60)와, p형 질화물 반도체층(40)과 활성층(30)이 식각되어 드러나는 n형 질화물 반도체층(20) 위에 형성되는 n측 본딩패드(70)를 포함한다. 바람직하게는 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(20) 사이에 버퍼층(도시 생략)이 위치한다.

또한 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자는 에어 바(15)를 포함한다. 에어 바(15)는 발광소자의 외부에서 내부를 향하여 형성된다. 본 실시예에서 에어 바(15)는 n형 질화물 반도체층(20) 측면으로부터 내부를 향하여 형성되는데, 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(20) 사이를 관통하여 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 에어 바(15)에 의해 형성되는 n형 질화물 반도체층의 굴곡 면(17)에 의해 활성층(30)에서 생성되어 발광소자 내부에서 반사되는 빛이 스캐터링 되거나 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(20)간의 굴절률과 에어 바(15)와 n형 질화물 반도체 층(20)간의 굴절률의 차이에 따라 활성층(30)에서 생성되어 발광소자 내부에서 반사되는 빛이 스캐터링 될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자를 위에서 본 예를 나타내는 도면으로서, 발광소자는 전체적으로 장방형으로 이루어질 수 있고, 이 경우 에어 바(15)는 장방형의 단축방향을 따라 기판(10: 도 5에서 도시)과 n형 질화물 반도체층(20) 사이를 가로질러 관통하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 식각액의 침투거리가 짧아져서 에어 바(15) 형성을 용이하게 할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의한 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 5 및 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10) 위에, 성장 방지막(12)을 형성시키는 제1 단계를 포함한다. 본 단계에서 성장 방지막(12) 형성은 산화막(예를 들어, SiO₂ 등)으로 이루어질 수 있으며, CVD(chemical vapor deposition)에 의해 이루어질 수 있다. 이때, 에어 바(15)를 형성하기 위하여, 기판(10)에 성장 방지막(12)을 형성한 후, 성장 방지막(12) 위에 패턴을 올려놓고, 성장 방지막(12)이 요철 형태의 바를 형성하도록 식각한다. 여기서, 패턴은 발광소자가 장방형으로 이루어지는 경우 장방형의 단축방향을 따라 기판(10)과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이를 가로질러 관통하도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은 기판(10) 또는 성장 방지막(12) 위에, 전자와 정공이 재결합하여 빛을 생성하는 활성층(30)을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층을 에피성장시키는 제2 단계를 포함한다. 제2 단계는 기판(10) 또는 성장 방지막(12) 위에, n형 질화물 반도체층(20)을 에피성장시키는 단계와, n형 질화물 반도체층(20) 위에 활성층(30)을 에피성장시키는 단계와, 활성층(30) 위에 p형 질화물 반도체층(40)을 에피성장시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은 성장 방지막(12)이 노출되도록 복수개의 3족 질화물 반도체층을 식각하는 제3 단계를 포함한다. 본 실시예에서 제3 단계는 공정속도의 향상을 위하여 레이저 스크라이빙으로 이루어지는 것이 좋다. 그 밖에 IPC/RIE에 의해 이루어져도 좋다. 이때, 식각되는 면의 깊이는 기판(10)의 표면 깊이 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 그 미만이 되면 복수개의 3족 질화물 반도체층이 후술되는 단계에서 에어 바(15)의 형성을 방해할 수 있다. 식각되는 너비는 10㎛ 이상이 되는 것이 바람직하다. 그 미만이 되면 개별소자로의 분리 및 에어 바(15)의 형성을 방해할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의한 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 5 내지 8에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자는 노출된 성장 방지막(12)을 제거하는 제4 단계를 포함한다. 본 실시예에서 노출된 성장 방지막(12) 제거는 습식식각으로 이루어지는데, 식각용액은 BOE(buffered oxide etchant)가 사용되고, 상온에서 24시간 가 량 이루어진다.

이에 따라, 제3 단계에서 노출되는 성장 방지막(12)이 식각되어 발광소자로부터 제거됨에 따라, 에어 바(15)가 형성된다. 여기서, 발광소자가 장방형일 경우, 제1 단계에서 형성된 성장 방지막(12)이 장방형의 단축 방향을 따라 형성되어, 본 단계에서 식각용액에 의한 성장 방지막(12)의 식각 및 발광소자 내부로의 식각용액의 침투가 용이하게 이루어질 수 있다.

도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 2는 미국특허 제3,739,217호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 3은 미국특허 제7,053,420호에 개시된 발광소자 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,

도 4는 일본특허공개 제2000-331937호에 개시된 발광소자 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 7은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,

도 8은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면.

Claims

기판;

기판 위에 에피성장되고, 전자와 정공이 재결합하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 그리고,

복수개의 3족 질화물 반도체층 측면 외부에서 내부를 향하여 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 에어 바;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자.
청구항 1에서,

에어 바는 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이를 가로질러 관통하는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자.
청구항 1에서, 발광소자는:

장방형으로 형성되고,

에어 바는 장방형의 단축방향을 따라 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이를 가로질러 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자.
청구항 1에서,

기판은 사파이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자.
기판 위에, 성장 방지막을 형성시키는 제1 단계;

기판 또는 성장 방지막 위에, 전자와 정공이 재결합하여 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층을 에피성장시키는 제2 단계;

성장 방지막이 노출되도록 복수개의 3족 질화물 반도체층을 식각하는 제3 단계; 그리고,

노출된 성장 방지막을 제거하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
청구항 5에서,

제2 단계 전에, 성장 방지막이 바를 형성하도록 식각하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
청구항 5에서,

제3 단계에서 성장 방지막은 레이저 스크라이빙에 의해서 노출되는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
청구항 5에서,

제4 단계는 습식식각에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
청구항 6에서, 발광소자는:

전체적으로 장방형으로 이루어지고,

제1 단계는 성장 방지막을 장방형의 단축 방향으로 가로질러 형성하는 것을 특징으로 하는, 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.