KR20100021242A - 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판 및 상기 기판 상에 형성되어 발광 영역을 갖는 반도체층을 포함하고, 상기 반도체층의 상면에는 깊이 방향으로 폭이 점차 좁아지는 복수의 편향홈 및 각 편향홈들이 형성되지 않은 영역을 커버하는 전극 패턴이 형성된 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.

이와 같은, 본 발명은 반도체층의 상면에 마련된 복수의 편향홈이 활성층에서 생성된 광 중에서 내부 전반사로 인해 수평 방향으로 진행되는 광을 주기적으로 혹은 비주기적으로 편향 제어함으로써 광 추출 효율을 형상시킴과 동시에 고출력을 실현할 수 있다.

화합물, 반도체, 편향홈, 선택적 성장, 마스크 패턴, 발광 소자

Description

발광 소자 및 이의 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 광 추출 효율의 향상과 함께 내부 양자 효율의 향상을 동시에 달성하여 보다 고출력을 실현할 수 있는 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 MOCVD 법을 이용하여 반도체 발광 소자 구조를 제작할 경우, 먼저 기판 상에 버퍼층, n형층, 활성층, p형층을 순차로 성장시킨 웨이퍼를 만든 다음 메사형의 건식 식각을 실시한다. 이후, 금속 증착, 패터닝 공정을 실시하여 p형층 상에 전류 확산층을 형성한 다음 금속 증착, 패터닝(patterning) 및 어닐링(annealing) 공정을 실시하여 n형 전극 및 p형 전극을 형성하여 제작한다. 이때, n형 전극은 n형층 상의 일부 영역에 형성하고, p형 전극은 전류 확산층 상의 일부 영역에 형성한다.

한편, 이러한 발광 소자에서 외부 전류는 전류 확산층을 통해 확산되어 활성층에 주입되고 활성층에서 생성된 광은 전류 확산층을 통해 외부로 추출된다. 따라서, 고출력을 위해서는 전류 확산층의 두께 조절을 통해 전류 주입 효율 및 광 추 출 효율을 동시에 높여주는 것이 바람직하다. 그러나, 전류 주입 효율을 높이기 위해서는 고유 저항이 최소화되도록 전류 확산층을 두껍게 형성해야하고, 광 추출 효율을 높이기 위해서는 광 투과율이 최대화되도록 전류 확산층을 얇게 형성해야 한다. 따라서, 전류 확산층의 형성시 그 두께의 최적화 과정이 필요하게 된다.

또한, 이러한 발광 소자는 기판과 소자 표면 사이에 광 도파로(light waveguide)와 같은 구조가 형성되기 때문에 활성층에서 생성된 광이 소자 표면, 혹은 기판 경계면, 혹은 기판 뒷면 경계면에서 내부 전반사되어 상당한 광이 외부로 방출되지 못하고 내부에서 소실됨으로써 광 추출 효율이 낮게 나타내게 된다. 이를 해결하기 위해 종래에 제시된 방법은 전류 확산층, 또는 p형층 표면에 표면 거칠기를 주는 방법, 마이크로 단위의 홀(hole)을 건식 식각하는 방법, 나노 임프린팅(nano-imprinting) 방법으로 홀을 형성하는 방법, 나노 단위의 광격자를 형성하는 방법 등이 제시되어 왔다. 그러나, 상기한 종래의 방법은 에피 성장 후 웨이퍼 공정 시에 이루어지며, 전류 확산층 혹은 p형 층의 표면 거칠기를 주는 방법은 식각 공정 제어가 까다로워서 소자의 재현성 및 신뢰성에 문제가 있다. 또한, 식각면의 기울기 조절이 거의 불가능하기 때문에 광 추출 효율을 높이는 데는 한계가 있다. 한편, 광격자를 형성할 경우에는 전자 빔(e-beam) 리소그래피를 하거나 레이저 홀로그램 리소그래피 공정이 필요한데 이에 따른 복잡한 공정 제어 및 생산성 저하의 문제가 있다. 또한, 마이크로 단위의 홀을 건식 식각하는 방법은 광 추출 효율은 향상되나 홀 형성에 따른 전류 인가 면적의 축소로 광 출력이 저하되는 문제가 있다. 특히, 상기한 종래의 방법을 통해 반도체 발광 소자의 상부층인 전류 확산층 또는 p형층의 표면 구조를 변경할 경우 해당 공정에서 전술한 전류 주입 효율의 향상과 광 추출 효율의 향상이라는 상반되는 특성을 모두 고려해야하는 문제가 여전히 남아있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 반도체층의 상면에 성장 결정면을 이용한 복수의 편향홈이 형성되고, 반도체층의 상면 및 기판의 하면에 반사층이 형성됨으로써, 활성층에서 생성된 광의 대부분이 편향홈들을 통해 외부로 추출될 수 있도록 한 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 편향홈을 통한 광 추출 효율 향상과 동시에 편향홈이 존재하는 영역과 편향홈이 존재하지 않는 영역의 반도체층 결정면에 형성된 양자 우물 구조의 에너지 밴드갭 차이로 인한 전자 쏠림 현상을 유도하여 내부 양자 효율을 향상시킴으로써 고출력을 실현할 수 있도록 한 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 발광 소자는, 기판; 및 상기 기판 상에 형성되어 발광 영역을 갖는 반도체층; 을 포함하고, 상기 반도체층의 상면에는 깊이 방향으로 폭이 점차 좁아지는 복수의 편향홈 및 각 편향홈들이 형성되지 않은 영역을 커버하는 전극 패턴이 형성된다.

상기 기판과 반도체층 사이에는 마스크 패턴이 더 형성되는 것이 바람직하다.

상기 반도체층은 다층 구조로 형성되고, 이 중 하나의 반도체층 상에 마스크 패턴이 더 형성되는 것이 바람직하다.

상기 마스크 패턴의 상부에 상기 각 편향홈들이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 반도체층은 활성층을 포함하고, 상기 각 편향홈들의 내측 경사면에는 상기 활성층이 전체 활성층의 평균 두께보다 얇게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 각 편향홈들은 주기적 구조 예를 들어, 벌집 구조로 배열되는 것이 바람직하다.

상기 각 편향홈들은 다각형의 입구를 갖는 역피라미드 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 각 편향홈들의 내측 경사면에는 상기 반도체층에서 생성된 광의 파장을 변환하는 파장 변환층이 더 형성될 수 있다. 이때, 상기 파장 변환층은 양자 우물 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전극 패턴은 반사성 도전막으로 형성되고, 상기 기판의 하면에는 반사층이 더 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따른 발광 소자의 제조 방법은, 기판을 마련하는 단계; 상기 기판 상에 섬 형태의 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 포함하는 전체 구조 상에 깊이 방향으로 폭이 점차 좁아지는 복수의 편향홈이 구비된 반도체층을 형성하는 단계; 및 각 편향홈들의 형성 영역을 제외한 상기 반도체층 상의 발광 영역에 전극 패턴을 형성하는 단계; 를 포함한다.

상기 마스크 패턴은 SiOx, SiNx, W, Pt로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질막으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 반도체층을 형성하는 단계는, 상기 복수의 편향홈의 내측 경사면에 파 장 변환층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 파장 변환층을 형성하는 단계는, 상기 반도체층의 전체 구조 상에 파장 변환 물질을 형성하는 단계 및 패터닝 공정을 실시하여 상기 반도체층의 상면에 존재하는 파장 변환 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 반도체층은 선택적 MOCVD 법으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명은 반도체층의 상면에 마련된 복수의 편향홈이 활성층에서 생성된 광 중에서 내부 전반사로 인해 수평 방향으로 진행되는 광을 주기적으로 혹은 비주기적으로 편향 제어함으로써 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 반도체층의 상면에 성장 결정면을 이용한 복수의 편향홈이 형성되고, 반도체층의 상면 및 기판의 하면에 반사층이 형성되어, 활성층에서 생성된 광의 대부분이 광 추출 효율이 높은 편향홈들을 통해 외부로 추출되게 함으로써 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 편향홈을 통한 광 추출 효율 향상과 동시에 편향홈이 존재하는 영역과 편향홈이 존재하지 않는 영역의 반도체층 결정면에 형성된 양자 우물 구조의 에너지 밴드갭 차이로 인한 전자 쏠림 현상을 유도하여 광 추출 효율의 향상과 함께 내부 양자 효율을 향상시킴으로써 고출력을 실현할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

<제 1 실시예>

도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A' 선에 따라 절취한 발광 소자의 단면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 발광 소자는 기판(100)과, 기판(100) 상에 형성된 반도체층(130,140,150)과, 상기 반도체층(130,140,150)에 전류를 인가하기 위한 전극 패턴(161,162) 및 기판(100)의 하면에 형성된 반사층(170)을 포함한다. 또한 상기 발광 소자는 기판(100)과 반도체층(130,140,150) 사이에 형성된 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 발광 소자는 전극 패턴(161,162)을 통해 외부 전류를 인가하면 반도체층(130,140,150)의 활성층(140)이 발광 영역으로 기능한다.

기판(100)은 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 아연 산화물(ZnO) 기판, 갈륨 비소화물(GaAs) 기판 및 갈륨 인화물(gallium phophide;GaP) 기판 중의 어느 하나를 사용할 수 있으며, 특히 사파이어 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

반도체층(130,140,150)은 n형층(130), 활성층(140) 및 p형층(150)을 포함하며, Si 막, GaN 막, AlN 막, InGaN 막, AlGaN 막, AlInGaN 막 및 이들을 포함하는 반도체 박막 중 적어도 하나로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 n형층(130)은 다수 캐리어가 전자인 층으로서, n형 반도체층과 n형 클래드층으로 구성될 수 있다. 이러한 n형 반도체층과 n형 클래드층은 전술한 반도체 박막에 n형 불순물 예를 들어, Si, Ge, Se, Te, C 등을 주입하여 형성할 수 있다. 그리고, 상기 p형층(150)은 다수 캐리어가 정공인 층으로서, p형 반도체층과 p형 클래드층으로 구성될 수 있다. 이러한 p형 반도체층과 p형 클래드층은 전술한 반도체 박막에 p형 불순물 예를 들어, Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba 등을 주입하여 형성할 수 있다. 그리고, 활성층(140)은 n형층(130)에서 제공된 전자와 p형층(150)에서 제공된 정공이 재결합되면서 소정 파장의 광을 출력하는 층으로서, 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)을 교대로 적층하여 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(multiple quantum well) 구조를 갖는 다층의 반도체 박막으로 형성할 수 있다. 이러한 활성층(140)을 이루는 반도체 재료에 따라 출력되는 광의 파장이 변화되므로, 목표로 하는 출력 파장에 따라 적절한 반도체 재료를 선택하는 것이 바람직하다.

한편, 반도체층(130,140,150)의 상면에는 표면에서 들어가는 방향 즉, 깊이 방향으로 폭이 점차 좁아지는 복수의 편향홈(200)이 형성된다. 즉, 상기 편향홈(200)의 입구는 다각형의 형태로 형성되어 아래로 갈수록 폭이 좁아지는 구조 예를 들어, 역피라미드 구조로 형성된다. 이로 인해, 편향홈(200)의 내측면은 소정의 경사각(θ)을 갖는데, 이러한 경사각(θ)이 반도체층(130,140,150)의 내부 전반사 효과를 제거해줌으로써 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 편향홈(200)의 내측면이 이루는 경사각(θ)으로 인해 이곳에서 활성층은 전체 활성층(140)의 평균 두께보다 얇게 형상되거나, 심할 경우 활성층 자체가 형성되지 않을 수도 있다. 단순하게, 편향홈(200)이 p형층(150)만을 관통하도록 형성하면 편향홈(200)의 경사진 내측면이 p형층(150)의 내부 전반사 효과를 제거해줌으로써 광 추출 효율이 높아지지만 그만큼 전류 인가 면적이 줄어들어 광 출력이 저하될 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 편향홈(200)은 p형층(150) 및 적어도 활성층(140)의 일부를 관통하도록 형성되기 때문에 편향홈(200)이 존재하는 영역에서는 활성층이 전체 활성층(140)의 평균 두께보다 얇게 형상되어 에너지 밴드갭이 높아지므로 해당 영역을 통한 전자 및 정공의 주입이 용이해진다. 즉, 편향홈(200)이 존재하는 영역과 편향홈(200)이 존재하지 않는 영역의 반도체층 결정면에 형성된 양자 우물 구조의 에너지 밴드갭 차이로 인한 전자 쏠림 현상을 유도하여 내부 양자 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예의 발광 소자는 광 추출 효율을 향상시킴과 동시에 고출력을 실현할 수 있다.

전극 패턴(161,162)은 n형층(130)에 접하는 n형 전극 패턴(161) 및 p형층(150)에 접하는 p형 전극 패턴(162)을 포함한다. 이러한 전극 패턴(161,162) 중 p형 전극 패턴(162)은 대면적 전류 인가를 위해 반도체층(130,140,150)의 상면에 존재하는 편향홈(200)의 형성 영역을 제외한 전체 영역을 커버(cover)하도록 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 본 실시예의 발광 소자는 광 추출이 용이한 편향홈(200)을 통해 대부분의 광이 외부로 추출되도록 하는 것이 바람직하므로, p형 전극 패턴(162)은 광 반사도가 우수한 전극 재료 예를 들어, Ag 또는 Au를 포함하는 합금으로 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다. 후술할 내용 중 전술한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마스크 패턴이 형성된 기판의 사시도이다.

도 2를 참조하면, 우선 준비된 기판(100) 상에 마스크 박막을 형성한 다음 이를 패터닝하여 복수의 섬 형태로 분리된 마스크 패턴(120)을 형성한다. 이때, 마스크 박막은 SiOx, SiNx, W, Pt 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition) 법 혹은 스퍼터링(Sputtering) 법으로 증착시켜 형성할 수 있으며, 대략 3000Å 이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 물론, 상기의 마스크 패턴(120)은 전술한 패터닝 공정 대신 리프트 오프(lift-off) 공정을 실시하여 형성할 수도 있다. 이러한 마스크 패턴(120)은 후속층의 성장 형태를 규제하는 역할을 하는데, 적어도 편향홈이 형성될 영역(A2)을 차폐시키고, 전극 패턴이 형성될 영역(A1)을 개방하도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 마스크 패턴(120)은 일정한 주기적 배열을 갖도록 형성하는 것이 바람직한데, 본 실시예의 마스크 패턴(120)은 육각 형태의 면적을 갖는 미세 패턴이 육각형의 중심점 및 꼭지점에 위치되어 전체적으로 벌집 구조로 배열되도록 형성된다. 물론, 상기 마스크 패턴(120)의 형상은 이에 한정되지 않고, 다양한 형상 예를 들어, 원형 형상, 도트(dot) 형상 등으로 변형될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 변형예에 따른 마스크 패턴이 형성된 기판의 사시도이다.

도 3을 참조하면, 우선 준비된 기판(100) 상에 버퍼층(110)을 형성하여 하부 박막층을 형성한다. 상기 버퍼층(110)은 기판(100)과 이후 형성할 후속층 즉, n형층 사이의 격자 부정합에 따른 스트레스를 완화시켜 주어 n형층의 원할한 성장을 도와준다. 이러한 버퍼층(110)은 고온 및 저온에서 형성할 수 있는데, 저온 버퍼층은 대략 500 내지 600도의 온도 범위에서 형성하고, 고온 버퍼층은 대략 500 내지 1100도의 온도 범위에서 형성하는 것이 바람직하다. 물론, 상기 버퍼층(110)은 필요에 따라 생략할 수 있다. 한편, 버퍼층(110)을 형성한 후에는 발광 파장에 따른 DBR(Distributed Bragg Reflector) 성장 단계를 도입하여 DBR 층(112)을 더 형성할 수 있는데, 이때는 버퍼층(110) 상에 도핑되지 않은 GaN 층(111)을 형성한 다음 상기 GaN 층(111) 상에 DBR 층(112)을 형성하는 것이 바람직하다. 이후, 상기 DBR 층(112)을 포함하는 전체 구조 상에 마스크 박막을 형성한 다음 이를 패터닝하여 복수의 섬 형태로 분리된 마스크 패턴(120)을 형성한다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체층이 형성된 기판의 사시도이고, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 편향홈이 형성된 기판의 SEM 사진으로써, 측면, 평면 및 단면을 각각 찍은 것이다.

도 4를 참조하면, 상기 마스크 패턴(120)을 포함한 전체 구조 상에 n형층(130), 활성층(140) 및 p형층(150)을 순차로 적층하여 반도체층을 형성한다. 본 실시예에서는 GaN 박막에 전술한 n형 불순물을 주입하여 n형층(130)을 형성한다. 또한, 장벽층과 우물층을 교대로 증착하여 In1-xGa1-yAl1-zN/In1-xGa1-yAl1-zN 구조의 다중 양자 우물을 형성하되 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1 을 조절하여 활성층(140)을 형성하고, 그 위에 다시 GaN 박막을 증착한 후 전술한 p형 불순물을 주입하여 p형층(150)을 형성한다. 여기서, 반도체층(130,140,150)은 MOCVD 법을 이용하여 선택적 에피 성장(Selective EPI Growing, SEG)시키는 것이 바람직하다. 선택적 MOCVD 공정시에는 수평 성장율보다 수직 성장율이 우세하기 때문에 결정 씨드(seed)가 없는 마스크 패턴(120)의 상부에는 역피라미드 형태로 박막 결정이 성장되어 편향홈(200)이 형성된다. 즉, 도 5a 내지 도 5c와 같이, 반도체층(130,140,150)의 상면에는 깊이 방향으로 폭이 점차 좁아지는 복수의 편향홈(200)이 형성된다. 이때, 편향홈(200)의 내측면 경사각(θ)은 선택적 MOCVD 법을 이용하여 성장시킬 반도체층(130,140,150)의 공정 제어 특히, 두께 제어를 통해 조절 가능하다. 예를 들어, 반도체층(132,140,150)의 성장 두께를 2㎛ 이상(2 내지 100㎛)으로 조절하면 결정면 중 R면(R-plate)의 성장이 우세하여 기판면에 대하여 약 57도의 경사각(θ)이 형성된다. 한편, 본 실시예와 같이 육각형 형태로 형성한 마스크 패턴을 사용하여 상부 박막층(130,140,150)을 선택적 에피 성장시킨 경우 상부에서 바라본 편향홈(200)은 대략 육각 형태로 형성되고, 단면을 잘라 측면에서 바라본 편향홈(200)은 대략 역 피라미드 구조로 형성된다. 물론, 상기 편향홈(200)의 형상은 이에 한정되지 않고, 마스크 패턴(120) 상에 성장시킨 반도체층(130,140,150)의 결정 구조에 따라 다양한 형상으로 변형될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전극 패턴이 형성된 기판의 사시도이 다.

도 6을 참조하면, p형층(150) 및 활성층(140)의 일부 영역을 메사 식각하여 n형 전극 패턴(161)이 형성될 n형층(130)의 일부 영역을 노출시킨다. 이어, 금속 증착, 패터닝 및 어닐링(annealing) 공정을 실시하여 n형층(130)의 일부 영역에 n형 전극 패턴(161)을 형성하고 편향홈(200)의 형성 영역을 제외한 p형층(150)의 전체 영역에 p형 전극 패턴(162)을 형성한다. 이후, 기판(100)의 하면에 반사층(170)을 형성한다. 한편, 상기 p형 전극 패턴(162)은 활성층(140)에서 생성된 광이 편향홈(200)을 통해서만 외부로 추출되게 하는 역할을 하므로, 광 반사도가 우수한 전극 재료 예를 들어, Ag 또는 Au를 포함하는 합금으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반사층(170)은 n형층(130)이 형성된 기판(100)의 하부에 레이저를 조사하여 n형층(130)에 부착된 기판을 분리시키는 리프트 오프(lift off) 공정을 실시한 다음 n형층(130)의 하부에 형성할 수도 있다.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 광 추출 경로를 나타낸 개념도이다.

도 7을 참조하면, 외부 전류는 p형 전극 패턴(162)을 통해 인가되고, 활성층(140)에서 생성된 광은 상부의 p형 전극 패턴(162)과 하부의 반사층(170) 사이에서 반사되다가 편향홈(200)을 통해 외부로 추출된다. 이때, 편향홈(200)의 내측면에는 대략 57도의 경사각(θ)이 형성되어 있으므로, 이로 인해 내부 전반사 효과가 줄어든다. 따라서, 활성층(140)에서 생성된 광은 편향홈(200)의 중심으로 모여들어 이곳을 중심으로 많은 광이 방출된다. 이처럼, 본 실시예의 발광 소자는 전류 주입 영역과 광 추출 영역이 분리되는데, 광 추출은 내측 경사면을 갖는 편향홈(200)을 통해 이루어지므로 광 추출 효율이 높아 고출력을 실현할 수 있다.

<제 2 실시예>

한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자에는 파장 변환 수단이 더 구비될 수 있으므로, 활성층에서 생성된 원래의 광은 사용 목적에 따라 다양한 파장 대역의 광으로 변환될 수도 있다. 하기에서는, 이러한 가능성의 일예로 편향홈의 내측 경사면에 파장 변환층이 형성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자에 대하여 설명한다. 이때, 전술한 실시예와 중복되는 설명은 생략하거나 간략히 설명한다.

도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.

도 8을 참조하면, 상기 발광 소자는 기판(100)과, 기판(100) 상에 형성된 반도체층(130,140,150)과, 상기 반도체층(130,140,150)에 전류를 인가하기 위한 전극 패턴(161,162) 및 기판(100)의 하면에 형성된 반사층(170)을 포함한다.

또한, 상기 발광 소자는 기판(100)과 반도체층(130,140,150) 사이에 형성된 마스크 패턴(120)을 더 포함한다. 이러한 마스크 패턴(120)에 의해 결정 씨드가 있는 기판(100))의 일부 영역이 차폐되어 후속층(130,140,150)의 성장 형태가 규제됨으로써 반도체층(330,340,350)의 상면에는 깊이 방향으로 폭이 점차 좁아지는 복수의 편향홈(200)이 형성된다. 즉, 상기 편향홈(200)은 입구가 다각형의 형태로 형성되어 아래로 갈수록 폭이 좁아지는 구조 예를 들어, 역피라미드 구조로 형성된다. 이러한 편향홈(200)의 내측 경사면이 반도체층(130,140,150)의 내부 전반사 효과를 제거해줌으로써 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 또한, 편향홈(200)이 존재하는 영역에서는 활성층이 전체 활성층(140)의 평균 두께보다 얇게 형상되어 에너지 밴드갭이 높아지므로 해당 영역을 통한 전자 및 정공의 주입이 용이해진다. 따라서, 광 추출 효율 개선 및 고출력을 동시에 실현할 수 있다.

또한, 상기 발광 소자는 적어도 편향홈(200)의 내측 경사면에 형성된 파장 변환층(180)을 더 포함한다. 이러한 파장 변환층(180)은 활성층에서 생성된 광의 일부를 흡수하여 흡수된 광과 상이한 파장의 광을 방출하는 것으로서, 임자 결정(Host Lattice)의 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성이온으로 구성될 수 있다. 상기 활성 이온들의 역할은 발광 과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광색을 결정하며, 그 발광색은 결정구조 내에서 활성이온이 갖는 기저 상태와 여기 상태의 에너지 차(Energy Gap)에 의해 결정된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마스크 패턴이 형성된 기판의 단면도이고, 도 10은 본 발명의 제 2 실시예의 변형예에 따른 마스크 패턴이 형성된 기판의 단면도이다.

도 9를 참조하면, 우선 준비된 기판(100) 상에 마스크 박막을 형성한 다음 이를 패터닝하여 복수의 섬 형태로 분리된 마스크 패턴(120)을 형성한다. 이때, 마스크 박막은 SiOx, SiNx, W, Pt 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 플라 즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition) 법 혹은 스퍼터링(Sputtering) 법으로 증착시켜 형성할 수 있으며, 대략 3000Å 이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 마스크 패턴(120)은 후속층의 성장 형태를 규제하는 역할을 하는데, 적어도 편향홈이 형성될 영역을 차폐시키고, 전극 패턴이 형성될 영역을 개방하도록 형성하는 것이 바람직하다. 물론, 도 10과 같이, 마스크 패턴(120)을 형성하기 전에 발광 파장에 따른 DBR(Distributed Bragg Reflector)성장 단계를 도입하여 DBR 층(312)을 더 형성할 수 있는데, 이때는 버퍼층(110) 상에 도핑되지 않은 GaN 층(111)을 형성한 다음 상기 GaN 층(111) 상에 DBR 층(112)을 형성하는 것이 바람직하다.

도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체층이 형성된 기판의 단면도이이다.

도 11을 참조하면, 상기 마스크 패턴(120)을 포함한 전체 구조 상에 n형층(130), 활성층(140) 및 p형층(150)을 순차로 적층하여 반도체층을 형성한다. 본 실시예에서는 GaN 박막에 전술한 n형 불순물을 주입하여 n형층(130)을 형성한다. 또한, 장벽층과 우물층을 교대로 증착하여 In1-xGa1-yAl1-zN/In1-xGa1-yAl1-zN 구조의 다중 양자 우물을 형성하되 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1 을 조절하여 활성층(140)을 형성하고, 그 위에 다시 GaN 박막을 증착한 후 전술한 p형 불순물을 주입하여 p형층(150)을 형성한다. 여기서, 상부 박막층(130,140,150)은 MOCVD 법을 이용하여 선택적 에피 성장(Selective EPI Growing, SEG)시키는 것이 바람직하다. 앞선 실시예에서 설명한 바와 같이, 선택적 MOCVD 공정시에는 수평 성장율보다 수 직 성장율이 우세하기 때문에 결정 씨드(seed)가 없는 마스크 패턴(120)의 상부에는 역피라미드 형태로 박막 결정이 성장되어 편향홈(200)이 형성된다.

도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 파장 변환층이 형성된 기판의 단면도이다.

도 12를 참조하면, 반도체층(130,140,150)의 전체 구조 상에 파장 변환 물질을 형성한 다음 반도체층(130,140,150)의 상면에 있는 파장 변환 물질을 제거하여 편향홈(200)의 내측 경사면에 파장 변환층(Luminescence Conversion)(180)을 형성한다. 예를 들어, 본 실시예는 p형층(150) 상에 InGaN 양자 우물층을 형성한 다음 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 실시하여 반도체층(130,140,150)의 상면에 존재하는 InGaN 양자 우물층을 제거하여 파장 변환층(180)을 형성하였다. 이때, 파장 변환층(180)을 충분히 얇게 형성하여 편향홈(200)이 완전히 매립되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전극 패턴이 형성된 기판의 단면도이다.

도 13을 참조하면, p형층(150) 및 활성층(140)의 일부 영역을 메사 식각하여 n형 전극 패턴(161)이 형성될 n형층(130)의 일부 영역을 노출시킨다. 이어, 금속 증착, 패터닝 및 어닐링(annealing) 공정을 실시하여 n형층(130)의 일부 영역에 n형 전극 패턴(161)을 형성하고 편향홈(200)의 형성 영역을 제외한 p형층(150)의 전체 영역에 p형 전극 패턴(162)을 형성한다. 이후, 기판(100)의 하면에 반사층(170)을 형성한다. 한편, 상기 p형 전극 패턴(162)은 활성층(140)에서 생성된 광이 편향 홈(200)을 통해서만 외부로 추출되게 하는 역할을 하므로, 광 반사도가 우수한 전극 재료 예를 들어, Ag 또는 Au를 포함하는 합금으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반사층(170)은 n형층(130)이 형성된 기판(100)의 하부에 레이저를 조사하여 n형층(130)에 부착된 기판을 분리시키는 리프트 오프(lift off) 공정을 실시한 다음 n형층(130)의 하부에 형성할 수도 있다.

도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 광 추출 경로를 나타낸 개념도이다.

도 14를 참조하면, 활성층(140)에서 생성된 광은 상부의 p형 전극 패턴(162)과 하부의 반사층(170) 사이에서 반사되다가 편향홈(200)을 통해 외부로 추출된다. 이때, 편향홈(200)의 내측면에는 대략 57도의 경사각(θ)이 형성되어 있으므로, 이로 인해 내부 전반사 효과가 줄어든다. 따라서, 활성층(140)에서 생성된 광은 편향홈(200)의 중심으로 모여들어 이곳을 중심으로 많은 광이 방출된다. 또한, 활성층(140)에서 생성된 광(점선으로 표시)은 편형홈의 내측 경사면에 형성된 파장 변환층(180)을 거쳐 외부로 출력된다. 따라서, 편향홈(200)에서 최종 출력된 광(실선으로 표시)은 원래와는 다른 파장 대역을 갖게 된다. 이처럼, 본 실시예의 발광 소자는 파장 변환층(180)의 물질 구성에 따라 원하는 다양한 파장 대역의 광을 출력할 수 있다.

한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자는 기판(100) 상에 또는 버퍼층(110) 상에 마스크 패턴(120)이 형성되었지만, 마스크 패턴(120)의 형성 위치는 이에 한정되지 않으며, 활성층(140)의 적어도 일부와 기판(100) 사이 예를 들어, 기판(100) 또는 n형층(130), n형층(130)의 중간층 또는 활성층(140)의 중간층 상에도 형성될 수 있다

이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 사시도.

도 1b는 도 1a의 A-A' 선에 따라 절취한 발광 소자의 단면도.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마스크 패턴이 형성된 기판의 사시도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 변형예에 따른 마스크 패턴이 형성된 기판의 사시도.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체층이 형성된 기판의 사시도.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 편향홈이 형성된 기판의 SEM 사진.

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전극 패턴이 형성된 기판의 사시도.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 광 추출 경로를 나타낸 개념도.

도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도.

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마스크 패턴이 형성된 기판의 단면도.

도 10은 본 발명의 제 2 실시예의 변형예에 따른 마스크 패턴이 형성된 기판의 단면도.

도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체층이 형성된 기판의 단면도.

도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 파장 변환층이 형성된 기판의 단면도.

도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전극 패턴이 형성된 기판의 단면도.

도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 광 추출 경로를 나타낸 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 110 : 버퍼층

111 : GaN 층 112 : DBR 층

120 : 마스크 패턴 130 : n형층

140 : 활성층 150 : p형층

161 : n형 전극 패턴 162 : p형 전극 패턴

170 : 반사층 180 : 파장 변환층

200: 편향홈

Claims (16)

1. 기판; 및

   상기 기판 상에 형성되어 발광 영역을 갖는 반도체층; 을 포함하고,

   상기 반도체층의 상면에는 깊이 방향으로 폭이 점차 좁아지는 복수의 편향홈 및 각 편향홈들이 형성되지 않은 영역을 커버하는 전극 패턴이 형성된 발광 소자.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 기판과 반도체층 사이에 마스크 패턴이 더 형성된 발광 소자.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 반도체층은 다층 구조로 형성되고, 이 중 하나의 반도체층 상에 마스크 패턴이 더 형성된 발광 소자.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 마스크 패턴의 상부에 상기 각 편향홈들이 형성된 발광 소자..
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 반도체층은 활성층을 포함하고,

   상기 각 편향홈들의 내측 경사면에는 상기 활성층이 전체 활성층의 평균 두 께보다 얇게 형성된 발광 소자.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 각 편향홈들은 주기적으로 배열된 발광 소자.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 각 편향홈들은 벌집 구조로 주기적으로 배열된 발광 소자.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 각 편향홈들은 다각형의 입구를 갖는 역피라미드 구조로 형성된 발광 소자.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 각 편향홈들의 내측 경사면에는 상기 반도체층에서 생성된 광의 파장을 변환하는 파장 변환층이 더 형성된 발광 소자.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 파장 변환층은 양자 우물 구조로 형성된 발광 소자.
11. 청구항 1에 있어서

    상기 전극 패턴은 반사성 도전막으로 형성되고,

    상기 기판의 하면에는 반사층이 더 형성된 발광 소자.
12. 기판을 마련하는 단계;

    상기 기판 상에 섬 형태의 마스크 패턴을 형성하는 단계;

    상기 마스크 패턴을 포함하는 전체 구조 상에 깊이 방향으로 폭이 점차 좁아지는 복수의 편향홈이 구비된 반도체층을 형성하는 단계; 및

    각 편향홈들의 형성 영역을 제외한 상기 반도체층 상의 발광 영역에 전극 패턴을 형성하는 단계; 를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 마스크 패턴은 SiOx, SiNx, W, Pt로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질막으로 형성하는 발광 소자의 제조 방법.
14. 청구항 12에 있어서,

    상기 반도체층을 형성하는 단계는,

    상기 복수의 편향홈의 내측 경사면에 파장 변환층을 형성하는 단계; 를 더 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
15. 청구항 14에 있어서,

    상기 파장 변환층을 형성하는 단계는,

    상기 반도체층의 전체 구조 상에 파장 변환 물질을 형성하는 단계; 및

    패터닝 공정을 실시하여 상기 반도체층의 상면에 존재하는 파장 변환 물질을 제거하는 단계; 를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
16. 청구항 12에 있어서,

    상기 반도체층은 선택적 MOCVD 법으로 형성하는 발광 소자의 제조 방법.

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