KR20100028885A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

질화물 반도체 발광소자가 개시된다. 본 질화물 반도체 발광소자는, 지지 기판 상에 형성된 p형 전극층, p형 전극층 상에 순차적으로 적층된 p형 질화물 반도체층 및 활성층, 활성층 상에 형성되며 일부 영역이 노출된 메사 구조를 갖는 n형 질화물 반도체층, n형 질화물 반도체층의 노출 영역 상에 형성된 n형 전극, 및 노출 영역을 제외한 n형 질화물 반도체층 상에 형성되며 외부로 광을 방출하기 위한 광 방출면을 갖는 투명 기판을 포함한다.

발광소자, 활성층, 투명 기판

Description

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

본 발명의 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 발광 효율을 향상시키기 위한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

근래에 LCD등과 같은 평면형 디스플레이 장치의 백라이트 광원으로서, 질화갈륨(GaN)계 반도체를 이용한 발광소자가 부각되고 있다. 더구나, 질화갈륨(GaN)계의 반도체를 이용한 고휘도 청색 LED 까지 등장함에 따라 적색, 황록색, 청색을 이용한 총 천연색 표시가 가능하게 되었다. 이와 같은 질화갈륨계 화합물 반도체 발광소자는 일반적으로 수평 구조 및 수직 구조, 그리고 수평 구조의 반도체 발광소자를 이용한 플립칩 구조 등과 같은 다양한 형태로 제조될 수 있다.

한편, 수평 구조의 반도체 발광소자는, 기판 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층으로 구성된 발광 적층체를 포함하며, 발광 적층체는 메사 식각되어 n형 질화물 반도체층의 일부 영역이 노출되는 구조를 갖는다. 그리고, 노출된 n형 질화물 반도체층 상에 n형 전극이 형성되며, p형 질화물 반도체층 상에 p형 전극층이 형성된다. 이 같이, 기존의 수평 구조를 갖는 반도체 발광소자는 메사 식각에 의해 활성층 영역이 손실된다. 일반적으로 활성층 영역은 전자 및 정공의 재결합에 의해 발광이 일어나는 곳으로, 활성층 영역의 손실은 발광 효율의 감소를 초래한다.

또한, 수평 구조의 반도체 발광소자에서 p형 질화물 반도체층에 비해 n형 질화물 반도체층의 두께가 큰 것이 일반적이다. 따라서, 활성층을 통해 발생되는 열이 두꺼운 n형 질화물 반도체층을 통해 기판으로 전달되기 때문에, 열 전달 경로가 길어 열 방출 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 플립칩 구조의 반도체 발광소자는 수평 구조의 반도체 발광소자를 이용하는 것으로, 이 역시 활성층 영역의 손실로 발광 효율이 감소된다.

한편, 수직 구조의 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층으로 구성된 발광 적층체를 포함하며, 발광 적층체의 양면에 n형 전극 또는 p형 전극이 위치한다. 이 경우, n형 질화물 반도체층 또는 p형 질화물 반도체층 상에 광 방출면이 존재하는 것으로, 반도체 발광소자는 n형 또는 p형 질화물 반도체층, 공기층 또는 수지층 순서의 광 추출 경로를 갖는다. 이 과정에서, n형 또는 p형 질화물 반도체층과 공기층(혹은 수지층) 간의 굴절률 차이로 인해, 경계면에서 광 손실이 발생되어 발광소자의 광 추출 효율이 감소되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 광 방출면을 포함하는 투명 기판으로부터 그 하면에 위치하는 n형 질화물 반도체층의 일부를 메사 식각하여 n형 전극을 형성함으로써, 활성층 영역의 손실을 방지하여 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 투명 기판에서 광 방출면 또는 n형 질화물 반도체층과의 접합면 상에 요철 패턴을 형성함으로써, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 지지 기판 상에 형성된 p형 전극층, 상기 p형 전극층 상에 순차적으로 적층된 p형 질화물 반도체층 및 활성층, 상기 활성층 상에 형성되며, 일부 영역이 노출된 메사 구조를 갖는 n형 질화물 반도체층, 상기 n형 질화물 반도체층의 노출 영역 상에 형성된 n형 전극 및, 상기 노출 영역을 제외한 n형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 외부로 광을 방출하기 위한 광 방출면을 갖는 투명 기판을 포함한다. 이 경우, 상기 투명 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

한편, 상기 투명 기판은 상기 광 방출면 상에 요철 패턴을 포함할 수 있다.

또는, 상기 투명 기판은 상기 n형 질화물 반도체층과의 접합면 상에 요철 패턴을 포함할 수도 있다. 그리고, 상기 투명 기판은 상기 n형 질화물 반도체층보다 굴절률이 작은 것이 바람직하다.

상기 p형 질화물 반도체층은 상기 n형 질화물 반도체층보다 작은 두께를 갖는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은, 광 방출면을 포함하는 투명 기판 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 발광 적층체를 형성하는 단계, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 p형 전극층을 형성하는 단계, 상기 p형 전극층 상에 지지 기판을 형성하는 단계 및, 일부 영역의 n형 질화물 반도체층이 노출되도록 상기 투명 기판을 메사 식각하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 투명 기판 상에 발광 적층체를 형성하기 전에, 상기 투명 기판에서 상기 n형 질화물 반도체층이 접합될 면을 식각하여 요철 패턴을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또는, 상기 투명 기판 상에 발광 적층체를 형성하고 난 후에, 상기 투명 기판의 광 방출면을 식각하여 요철 패턴을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

한편, 상기 투명 기판은 사파이어 기판인 것이 바람직하다. 또한, 상기 투명 기판은 상기 n형 질화물 반도체층보다 굴절률이 작은 것이 바람직하다. 그리고, 상기 p형 질화물 반도체층은 상기 n형 질화물 반도체층보다 작은 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

본 제조 방법에서, 상기 투명 기판은 건식 식각 및 레이저 식각 중 적어도 하나의 방법으로 식각될 수 있다.

본 발명에 따르면, 광 방출면을 포함하는 투명 기판으로부터 그 하면에 위치하는 n형 질화물 반도체층의 일부를 메사 식각하여 n형 전극을 형성함으로써, 활성층 영역의 손실을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 발광 영역으로 제공되는 활성층 영역이 증가되어 발광 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 투명 기판에서 광 방출면 또는 n형 질화물 반도체층의 접합면 상에 요철 패턴을 형성함으로써, 전반사로 인한 광 손실을 감소시켜 외부로의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, p형 질화물 반도체층의 두께를 얇게 형성함으로써, 활성층을 통해 발생되는 열의 전달 경로를 보다 짧게 구현할 수 있어 열 방출이 보다 효과적으로 진행될 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 투명 기판(110), 발광 적층체(120), p형 전극층(130), 지지 기판(140) 및 n형 전극(150)을 포함한다.

투명 기판(110)은 광 방출면을 포함하는 것으로, 식각에 의해 일부 영역이 메사 구조를 갖는다. 이 경우, 투명 기판(110)으로는 사파이어 기판이 이용될 수 있다.

발광 적층체(120)는 발광을 위한 구성으로, n형 질화물 반도체층(121), 활성층(123) 및 p형 질화물 반도체층(125)을 포함한다. 이 경우, n형 질화물 반도체층(121)은 투명 기판(110)과 접하는 층으로, 메사 구조를 가질 수 있다. 이 메사 구조에 의해 n형 질화물 반도체층(121)의 일부 영역이 노출될 수 있다.

또한, n형 질화물 반도체층(121)은 n-GaN 물질로 이루어진 층이 될 수 있다. 이 경우, n-GaN은 약 2.4의 굴절률을 가지는 것으로, 투명 기판(110)으로 이용되는 사파이어 기판의 굴절률(약 1.7)보다 크다. 이러한 구조에 의해, n형 질화물 반도체층에서 바로 외부(공기층)으로 방출되는 구조를 갖는 종래 반도체 발광소자와 비교할 때, 광 추출 효율이 증가될 수 있다. 예를 들어, 종래의 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층을 통해 약 1.0의 굴절률을 갖는 공기층으로 광이 방출됨에 따라, 전반사로 인한 광 손실이 크다. 하지만, 도 1에 도시된 반도체 발광소자(100)는 n형 질화물 반도체층(121) 상에 굴절률의 차이가 작은 투명 기판(110)을 배치시킴으로써, 전반사에 의해 광이 손실되는 것을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, n형 질화물 반도체층(121)의 하면에는 활성층(123) 및 p형 질화물 반도체층(125)이 순차적으로 형성되어 있다. 이 경우, p형 질화물 반도체층(125)은 n형 반도체층(121)보다 얇은 두께로 형성되며, 수십 나노미터의 두께를 가질 수 있 다. 이에 따라, p형 질화물 반도체층(125)으로부터 지지 기판(140)까지의 간격이 단축되어, 활성층을 통해 발생되는 열의 전달 경로를 보다 짧게 구현할 수 있어 열 방출 효율이 증가한다.

도 1에 도시된 반도체 발광소자(100)에서 n형 전극(150)은 일부 영역이 노출된 n형 질화물 반도체층(121) 상에 형성된다. 이에 따라, n형 전극(150) 형성을 위한 활성층(123) 영역을 식각할 필요가 없게 되어 활성층(123) 영역이 손실되는 것을 방지할 수 있게 된다. 이로써 발광 영역이 증가되어 발광 효율이 향상될 수 있게 된다.

또한, p형 전극층(130)은 p형 질화물 반도체층(125)의 하면에 형성된다. 그리고, 지지 기판(140)은 p형 전극층(130)의 하면에 형성되며, 전도체로 이루어지는 것으로, 발광 적층체(120)의 지지와 동시에 발광 적층체(120)로부터 발생되는 열을 보다 효과적으로 방출할 수 있게 된다.

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 3에 도시된 반도체 발광소자(200, 300)를 설명함에 있어서, 도 1의 반도체 발광소자(100)와 동일한 구성에 대해서는 생략하기로 한다.

도 2를 참조하면, 반도체 발광소자(200)는 투명 기판(210), 발광 적층체(220), n형 전극(250), p형 전극층(230) 및 지지 기판(240)를 포함한다. 도 2에 서 발광 적층체(220)는 n형 질화물 반도체층(221), 활성층(223) 및 p형 질화물 반도체층(225)를 포함하는 것으로, 활성층(223) 영역의 손실 없이 n형 질화물 반도체층(221) 상에 n형 전극(250)이 형성된다.

또한, 도 2에서, 최상층에 위치한 투명 기판(210)은 광 방출면을 포함하는 것으로, 광 방출면을 통해 발광 적층체(220)로부터 생성되는 광을 외부로 출력한다. 이 경우, 투명 기판(210)의 광 방출면(211)은 요철 패턴을 포함하는 것으로, 투명 기판(210)과 외부와의 계면에서 발생하는 전반사로 인한 광 손실을 감소시키기 위한 것이다. 도 2에 도시된 광 경로를 참조하면, 투명 기판(210)의 요철 패턴에 광이 도달하는 경우, 전반사가 일어나더라도 요철 패턴 내부에서 광이 반사되어 외부로 추출될 수 있게 된다. 이에 따라, 투명 기판(210)의 광 방출면에 형성된 요철 패턴에 의해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 도 3을 참조하면, 반도체 발광소자(300)는 투명 기판(310), 발광 적층체(320), n형 전극(350), p형 전극층(330) 및 지지 기판(340)을 포함한다. 이 경우, 발광 적층체(320)는 n형 질화물 반도체층(321), 활성층(323) 및 p형 질화물 반도체층(325)를 포함하며, n형 질화물 반도체층(321)은 투명 기판(210)과 접합된다.

도 3에서 투명 기판(310)은 n형 질화물 반도체층(321)과의 접합면 상에 요철 패턴을 포함한다. 이 경우, 요철 패턴은 투명 기판(310)과 외부와의 계면에서 발생 하는 광이 전반사에 의해 발광 적층체(320)로 진행하는 경우, 그 진행된 광을 외부로 진행시키는 기능을 한다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 광은 투명 기판(310)과 외부와의 계면에서 전반사되더라도, 요철 패턴을 통해 다시 반사되어 외부로 추출하는 경로를 보인다. 이에 따라, 투명 기판(310)과 발광 적층체(320)의 접합면에 형성된 요철 패턴에 의해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4a를 참조하면, 투명 기판(410) 상에 발광 적층체(420)를 형성한다. 구체적으로, 투명 기판(410) 상에 n형 질화물 반도체층(421), 활성층(423) 및 p형 질화물 반도체층(425)로 구성된 발광 적층체(420)를 형성한다. 이 경우, 투명 기판(410)은 사파이어 기판일 수 있으며, 발광 적층체(420)를 이루는 각 층은 질화물 반도체 물질을 에피텍셜 방법으로 증착시켜 형성할 수 있다.

이 후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 발광 적층체(420) 상에 p형 전극층(430) 및 지지 기판(440)을 형성한다. 이 경우, 지지 기판(440)은 전기가 통하는 전도체로 형성되는 것으로, 발광 적층체(420)를 지지함과 동시에 발광 적층체(420)로부터 발생되는 열을 방출하는 기능을 한다.

다음, 도 4c에 도시된 바와 같이, 도 4b에 도시된 구조물을 회전시켜 투명 기판(410)이 최상층에 위치하도록 한다. 그리고, 투명 기판(410)의 일부 영역을 식 각하여 메사 구조를 형성한다. 이 경우, 식각은 투명 기판(410)으로부터 n형 질화물 반도체층(421)의 일부 깊이까지만 이루어지는 것으로, 활성층(423)의 손실이 발생되지 않도록 한다. 또한, 투명 기판(410) 및 n형 질화물 반도체층(421)의 식각은 건식 식각 또는 레이저 식각을 이용하여 이루어질 수 있다.

이 후, 식각에 의해 일부 영역이 노출된 n형 질화물 반도체층(421) 상에 n형 전극(450)을 형성하여 도 4d에 도시된 것과 같은, 질화물 반도체 발광소자(400)를 제조한다.

한편, 도면을 통해 도시되어 있지 않으나, 도 4a에서와 같이 투명 기판(410) 상에 발광 적층체(420)가 형성되면, 투명 기판(410)의 광 방출면을 식각하여 요철 패턴을 형성할 수 있다. 이 같은 방법을 이용할 경우, 도 2에 도시된 반도체 발광소자(200)를 제조할 수 있게 된다.

또는, 도 4a에서 투명 기판(410) 상에 발광 적층체(420)를 형성하기 전에, 투명 기판(410) 상에 요철 패턴을 형성할 수 있다. 그리고 난 후, 투명 기판(410)에서 요철 패턴이 형성된 면에 발광 적층체(420)를 형성한다. 이에 따라, 도 4에 도시된 것과 같은 반도체 발광소자(400)를 제조할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 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 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 도면,

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 도면, 그리고,

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 발광소자 110 : 투명 기판

120 : 발광 적층체 130 : p형 전극층

140 : 지지 기판 150 : n형 전극

Claims (13)

1. 지지 기판 상에 형성된 p형 전극층;

   상기 p형 전극층 상에 순차적으로 적층된 p형 질화물 반도체층 및 활성층;

   상기 활성층 상에 형성되며, 일부 영역이 노출된 메사 구조를 갖는 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층의 노출 영역 상에 형성된 n형 전극; 및,

   상기 노출 영역을 제외한 n형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 외부로 광을 방출하기 위한 광 방출면을 갖는 투명 기판;을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 투명 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 투명 기판은 상기 광 방출면 상에 요철 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 투명 기판은 상기 n형 질화물 반도체층과의 접합면 상에 요철 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 투명 기판은 상기 n형 질화물 반도체층보다 굴절률이 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 p형 질화물 반도체층은 상기 n형 질화물 반도체층보다 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 광 방출면을 포함하는 투명 기판 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 발광 적층체를 형성하는 단계;

   상기 p형 질화물 반도체층 상에 p형 전극층을 형성하는 단계;

   상기 p형 전극층 상에 지지 기판을 형성하는 단계; 및,

   일부 영역의 n형 질화물 반도체층이 노출되도록 상기 투명 기판을 메사 식각하는 단계;를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 투명 기판 상에 발광 적층체를 형성하기 전에, 상기 투명 기판에서 상기 n형 질화물 반도체층이 접합될 면을 식각하여 요철 패턴을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 투명 기판 상에 발광 적층체를 형성하고 난 후에, 상기 투명 기판의 광 방출면을 식각하여 요철 패턴을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
10. 제7항에 있어서,

    상기 투명 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
11. 제7항에 있어서,

    상기 투명 기판은 상기 n형 질화물 반도체층보다 굴절률이 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
12. 제7항에 있어서,

    상기 p형 질화물 반도체층은 상기 n형 질화물 반도체층보다 작은 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
13. 제7항에 있어서,

    상기 투명 기판은 건식 식각 및 레이저 식각 중 적어도 하나의 방법으로 식각되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.

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