KR20100055283A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 요철 패턴이 형성된 발광 구조물; 상기 발광 구조물의 요철 패턴 위에 상기의 요철 패턴 형상으로 형성된 전극층을 포함한다.
LED, 수직형 구조

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof}
실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD는 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
실시 예는 요철형 전극층을 형성하여 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예는 제2도전형 반도체층을 요철 패턴으로 형성하여, 그 위에 형성되는 전극층이 요철 형태로 형성될 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 요철 패턴이 형성된 발광 구조물; 상기 발광 구조물의 요철 패턴 위에 상기의 요철 패턴 형상으로 형성된 전극층을 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은, 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계;
상기 제2도전형 반도체층 위에 요철 패턴을 형성하는 단계;
상기 제2도전형 반도체층의 요철 패턴 위에 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시 예는 외부 양자 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 이러한 실 시 예를 설명함에 있어서, 각 층의 위 또는 아래에 대한 정의는 각 도면을 기준으로 설명하기로 한다.
도 1은 제1실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이며, 도 2는 도 1의 제2도전형 반도체층의 요철 패턴을 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1의 제2도전형 반도체층의 요철 패턴과 전극층에서의 반사되는 빛의 경로 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 제 1도전성 반도체층(110), 활성층(120), 요철 패턴(135)을 갖는 제 2도전성 반도체층(130), 전극층(150), 전도성 지지부재(160) 및 제 1전극(170)을 포함한다.
상기 제 1도전형 반도체층(110)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다.
상기 제 1도전형 반도체층(110)의 아래에는 제 1전극(170)이 소정의 패턴으로 형성될 수 있다. 상기 제1도전형 반도체층(110)의 아래면에는 러프니스(115)가 형성되며, 상기 러프니스는(115)는 외부 양자 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
상기 제 1도전형 반도체층(110) 위에는 활성층(120)이 형성되며, 상기 활성층(120)은 단일 또는 다중 양자우물 구조로 형성되는 데, 예컨대, InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하여, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층(120)은 발광 재료에 따라 양자 우물층 및 양자 장벽층의 재료가 달라질 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 활성층(120)의 위 또는/및 아래 에는 클래드층이 형성될 수도 있다.
상기 활성층(120) 위에는 제 2도전형 반도체층(130)이 형성되며, 상기 제 2도전형 반도체층(130)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 p형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 p형 도펀트는 Mg, Be, Zn 등의 원소계열을 포함한다.
상기 제1도전형 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2도전형 반도체층(130)은 발광 구조물로 정의될 수 있다. 상기 발광 구조물은 상기의 N-P 접합 구조뿐만 아니라, P-N 접합, N-P-N 접합, P-N-P 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 제2도전형 반도체층(130)의 상면에는 요 및 철 형태의 요철 패턴(135)이 형성된다. 상기 요철 패턴(135)은 랜덤한 간격으로 형성되거나 주기적으로 형성될 수 있으며, 그 두께(T)는 0.1~2um 정도이며, 그 직경(D)은 1.0~10um 정도이다. 이때 상기 요철 패턴(135)은 그 둘레면이 상기 제2도전형 반도체층(130)의 상면을 기준으로 소정 각도(θ : 55~57°)로 경사지게 형성될 수 있다. 여기서, 상기 요철 패턴(135)의 경사 각도(θ)는 상기 요철 패턴(135)을 이루는 물질의 결정 특성에 따라 달라질 수 있다. 상기 요철 패턴(135)의 요와 요 사이 또는 철과 철 사이의 간격은 100nm~100um로 형성될 수 있다.
또한 상기 요철 패턴(135)의 형상은 마름모 형상 등과 같은 다각형 형상 또는 랜덤한 형상으로 형성될 수 있으며, 특정 형상으로 한정하지는 않는다.
여기서, 상기 요철 패턴(135)은 상기 제2도전형 반도체층(130) 상에서 선택 적인 성장 방법이나 에칭 방법을 이용하여 주기적인 간격 또는 랜덤한 간격으로 형성될 수 있다.
상기 제2도전형 반도체층(130) 위에는 전극층(150)이 형성된다. 상기 전극층(150)은 상기 요철 패턴(135) 상에 형성됨으로써, 요철 형태로 적층될 수 있다. 상기 전극층(150)은 Al, Ag, Pd, Rh, Pt 등 중에서 적어도 하나 또는 이들의 합금 등으로 형성될 수 있다. 또한 상기 전극층(150)은 오믹 특성을 갖는 반사 전극 재료로 형성될 수 있다.
상기 전극층(150) 위에는 전도성 지지부재(160)가 형성될 수 있으며, 상기 전도성 지지부재(160)은 상기 제2도전형 반도체층(130)의 외측과 접촉될 수도 있다. 상기 전도성 지지부재(160)는 베이스 기판으로서, 구리, 금, 캐리어 웨이퍼(예: Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 등) 등과 같은 물질로 형성될 수 있다. 실시 예는 발광 구조물 위에 요철 형태의 요철 패턴(135)을 형성시켜 줌으로써, 상기 요철 패턴(135) 위에 요철 형태로 형성된 전극층(150)에 의해 외부 양자 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 제1전극(170) 및 전도성 지지부재(160)를 통해 순 방향의 전류가 인가되면, 상기 활성층(120)에서 광을 전 방향으로 방출하게 된다. 이때 상기 활성층(120)의 위에 배치된 제2도전형 반도체층(120)의 요철 패턴(135)과 상기 전극층(150)으로 입사된 광은 반사된다. 이때 상기 전극층(150)으로 입사된 광의 입사각과 반사된 광의 반사각이 서로 상이하게 된다. 또한 광의 입사각이 임계각보다 작은 광들도 반사될 때 상기 임계각보다 커져 서 반사될 수 있으므로, 광이 외부로 추출될 확률을 개선시켜 줄 수 있다.
도 4내지 도 8은 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 기판(101) 위에는 제 1도전형 반도체층(110)이 형성되고, 상기 제 1도전형 반도체층(110) 위에는 활성층(120)이 형성되며, 상기 활성층(120) 위에는 제 2도전형 반도체층(130)이 형성된다.
상기 기판(101)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이러한 기판(101) 위에는 버퍼층 또는/및 언도프드 반도체층이 형성될 수도 있으며, 박막 성장 후 제거될 수도 있다.
상기 제 1도전형 반도체층(110)은 n형 반도체층으로, 상기 제 2도전형 반도체층(130)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다. 상기 p형 반도체층은 Mg와 같은 p형 도펀트가 도핑되며, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2도전형 반도체층(130)의 위 또는/및 아래에는 다른 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 제1도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2도전 형 반도체층(130)은 발광 구조물로 정의될 수 있다. 또한 상기 발광 구조물은 상기의 N-P 접합, P-N 접합, N-P-N 접합, P-N-P 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제2도전형 반도체층(130)의 소정 두께로 성장되면, 상기 제2도전형 반도체층(130) 위에 마스크 패턴(미도시)을 형성하게 된다. 그리고 상기 제2도전형 반도체층(130)을 성장하게 되면, 상기 마스크 패턴이 형성되지 않는 영역으로 요철 패턴(135)이 형성된다. 상기 요철 패턴(135)의 측 단면 형상은 다각형(예: 사다리꼴) 구조이며, 그 평면 형상은 다각형(예: 육각형) 구조로 형성될 수 있다. 또한 상기 요철 패턴(135)의 경사 각도는 도 2와 같은 각도(θ: 55~57°)로 경사지게 형성될 수 있다.
또한 상기 제2도전형 반도체층(130)은 성장 후 마스크 패턴을 이용하여 건식 또는/및 습식 에칭을 수행하여 요철 패턴(135)을 형성할 수도 있다.
또한 요철 패턴 형성의 다른 예로서, 상기 제2도전형 반도체층(130) 상에 다른 재료를 이용하여 요철 패턴(135)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2도전형 반도체층(130) 상에 마그네슘(Mg)과 암모니아를 이용하여 MgN층을 형성하면, 상기 MgN층은 불규칙한 패턴 형태로 형성된다. 이때 상기 제2도전형 반도체층(130)을 계속 성장하면, 상기 MgN층이 형성되지 않는 영역으로 상기 제2도전형 반도체층(130)의 요철 패턴(135)이 돌출된 형태로 성장될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제2도전형 반도체층(130) 위의 일부 또는 전 영역에는 전극층(150)이 형성되며, 상기 전극층(150)은 씨드 금속, 오믹 금속, 반사 금속 특성을 갖는 재료 예컨대, Al, Ag, Pd, Rh, Pt 등 중에서 적어도 하나 또는 합금 등으로 형성될 수 있으며, 그 두께는 수um 이하로 형성될 수 있다.
이때 상기 전극층(150)은 상기 제2도전형 반도체층(130)의 요철 패턴(135)의 형상을 따라 적층됨으로써, 요철 패턴 형상으로 형성된다.
도 7을 참조하면, 상기 전극층(150) 위에는 전도성 지지부재(160)가 형성되며, 상기 전도성 지지부재(160)는 베이스 기판으로서, 구리, 금, 캐리어 웨이퍼(예: Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 등) 등과 같은 물질로 형성될 수 있으며, 그 두께는 30~150um로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 전도성 지지부재(160)가 형성되면, 상기 기판(101)을 물리적 또는/및 화학적 제거 방법으로 제거하게 된다. 상기 기판(101)의 제거 방법은 레이저 리프트 오프(LLO : Laser Lift Off) 과정으로 제거하게 된다. 즉, 상기 기판(101)에 일정 영역의 파장을 가지는 레이저를 조사하는 방식(LLO : Laser Lift Off)으로 상기 기판(101)을 분리시켜 준다. 또는 상기 기판(101)과 상기 제 1도전형 반도체층(110) 사이에 다른 반도체층(예: 버퍼층)이 형성된 경우, 습식 식각 액을 이용하여 상기 버퍼층을 제거하여, 상기 기판을 분리할 수도 있다. 상기 기판(101)이 제거된 상기 제 1도전형 반도체층(110)의 표면에 대해 ICP/RIE(Inductively coupled Plasma/Reactive Ion Etching) 방식으로 연마하는 공정을 수행할 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층(110)의 아래 표면에는 습식 또는/및 건식 에칭 방법으로 러프니스(115)를 형성할 수 있다.
이후, 칩과 칩 경계 영역(즉, 채널 영역)에 대해 메사 에칭하여 제거한 다음, 칩 단위로 분리하게 된다. 상기 제1도전형 반도체층(110)의 아래에 소정 패턴을 갖는 제1전극(170)을 형성시켜 준다. 여기서, 상기 제1전극(170)의 형성 과정은 상기 메사 에칭 전 또는 메사 에칭 후 또는 칩 분리 후 수행될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 여기서, 상기 제1도전형 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2도전형 반도체층(130)의 외곽부에는 커팅된 외곽 홈(103)이 형성될 수 있다.
이러한 반도체 발광소자(100)는 제1전극(170) 및 전도성 지지부재(160)를 통해 순 방향의 전류가 인가되면, 상기 활성층(120)에서 광을 전 방향으로 방출하게 된다. 이때 상기 활성층(120)의 위에 배치된 제2도전형 반도체층(120)의 요철 패턴(135)과 상기 전극층(150)으로 입사된 광은 반사된다. 이때 상기 요철형 전극층(150)으로 입사된 광의 입사각과 반사된 광의 반사각이 서로 상이하게 된다. 또한 광의 입사각이 임계각보다 작은 광들도 반사될 때 상기 임계각보다 커져서 반사될 수 있으므로, 광이 외부로 추출될 확률을 개선시켜 줄 수 있다.
도 9는 제2실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다. 이러한 제2실시 예를 설명함에 있어서, 제1실시 예와 동일한 부분에 대해서는 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 9를 참조하면, 반도체 발광소자(100A)는 보호층(140)을 포함한다. 상기 보호층(140)은 상기 제2도전형 반도체층(130)의 상면 외측 둘레에 소정 폭으로 틀 형태로 형성되며, 상기 전극층(150)은 상기 제2도전형 반도체층(130) 위 및 상기 보호층(140)의 위에 형성된다. 상기 보호층(140)은 절연 물질 또는 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 예컨대, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 , ITO, IZO, AZO 등을 포함할 수 있다. 또한 상기 보호층(140)은 상기 물질뿐만 아니라, 레이저 광이 투과되는 물질 또는 레이저 광에 파편 발생이 거의 없는 물질을 사용할 수 있다.
상기 보호층(140)은 상기 전도성 지지부재(160)와 제2도전형 반도체층(130)의 사이를 이격시켜 줄 수 있으며, 레이저 광에 의해 금속 물질의 파편 발생을 최소화시켜 줄 수 있어, 상기 반도체층(110,120,130)의 외벽에서 층 사이를 상기 파편으로 인해 단락되는 문제를 해결할 수 있다.
도 10은 종래와 본 발명의 반도체 발광소자에서의 주입 전류와 광 출력을 비교한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본원발명과 같은 요철 패턴 및 전극층이 없는 종래의 발광 소자는 구조를 비교한 것이다. 그래프에 도시된 바와 같이, 본원발명의 반도체 발광소자가 주입 전류가 증가한 경우 그 출력 파워도 종래에 비해 소정 갭(G)씩 증가하게 됨을 알 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 제1실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다.
도 2는 도 1의 제2도전형 반도체층의 요철 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 제2도전형 반도체층의 요철 패턴과 전극층에서의 광 반사 예를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 8은 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 9는 제2실시 예에 따른 반도체 발광소자의 측 단면도이다.
도 10은 종래와 본 발명의 반도체 발광소자에서의 주입 전류와 광 출력을 비교한 도면이다.

Claims (15)

  1. 요철 패턴이 형성된 발광 구조물;
    상기 발광 구조물의 요철 패턴 위에 상기의 요철 패턴 형상으로 형성된 전극층을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발광 구조물은 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하며,
    상기 요철 패턴은 상기 제2도전형 반도체층 위에 형성되는 반도체 발광소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 다각형 패턴으로 형성되며, 그 둘레면이 상기 발광 구조물의 상면을 기준으로 소정 각도로 경사지게 형성되는 반도체 발광소자.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 요철 패턴의 직경은 1~10um 이며, 두께는 0.1~2um 인 반도체 발광소자.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 요철 패턴의 주기는 100nm~100um인 반도체 발광소자.
  6. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 p형 반도체 재료를 포함하는 반도체 발광소자.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 제2도전형 반도체층의 상기 요철 패턴 사이에 형성된 MgN층을 포함하는 반도체 발광소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 상면 외측 둘레와 상기 전극층 사이에 형성됨 보호층을 포함하며,
    상기 보호층은 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 , ITO, IZO, AZO 중 어느 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 하면은 러프니스로 형성되는 반도체 발광소자.
  10. 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 제2도전형 반도체층 위에 요철 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2도전형 반도체층의 요철 패턴 위에 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 상기 제2도전형 반도체층의 에칭 또는 부분 성장을 통해 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 상기 제2도전형 반도체층 위에 MgN층을 형성한 후, 상기 MgN층이 형성되지 않는 영역에 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 상측 둘레와 상기 전극층 사이에 절연 재질 또는 전도성 재질의 보호층을 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층을 기판 위에 형성하는 단계;
    상기 전극층 위에 전도성 지지부재를 형성하는 단계;
    상기 전도성 지지부재가 형성되면, 상기 기판을 제거하는 단계;
    상기 기판 분리 후 칩 단위로 분리하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제 조방법.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 전극층은 상기 반사패턴과 동일한 패턴으로 형성되며,
    상기 요철 패턴은 다각형 패턴으로 형성되며, 그 둘레면이 상기 발광 구조물의 상면을 기준으로 소정 각도로 경사지게 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
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