KR20110009450A - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 기판, 기판 위에 형성되며 제1 도전성을 갖는 제1 질화물 반도체층, 제1 질화물 반도체층 위에 형성되며 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 갖는 제2 질화물 반도체층, 그리고 제1 질화물 반도체층과 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층에 있어서,복수개의 3족 질화물 반도체층을 따라 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 제1 스캐터링면과, 제1 스캐터링면과 다른 기울기를 지니는 제2 스캐터링면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
LED, 반도체, 발광소자, 스캐터링, 광추출효율, 식각, Chip shaping.

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 발광소자 외부로의 광추출효율을 높일 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자에 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 이루어진 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides backgound informaton related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 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 성장되는 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 100 에서 500 옴스트롱의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10 에서 5000 옴스트롱의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x≤1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/154454호에는 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 기재되어 있다. 바람직하게는 n형 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않는 GaN층 이 성장되며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
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 기재되어 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.
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 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 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 기재되어 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 기재되어 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 기재되어 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 기재되어 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
한편, n형 질화물 반도체층(300)이나 p형 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
도 2 및 3은 미국특허공개 US2006/0192247호에 기재된 발광소자의 예들을 나타내는 도면으로서, 도 2는 발광소자 내부(A)에서 발생한 빛이 발광소자 외부로 빠져나오지 못하고 소멸되는 것을 나타내고, 도 3은 발광소자 측면에 경사면(120)이 형성되어, 발광소자 내부(A)에서 발생한 빛이 발광소자 외부로 빠져나오는 것을 나타낸다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 기판, 기판 위에 형성되며 제1 도전성을 갖는 제1 질화물 반도체층, 제1 질화물 반도체층 위에 형성되며 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 갖는 제2 질화물 반도체층, 그리고 제1 질화물 반도체층과 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층에 있어서, 복수개의 3족 질화물 반도체층을 따라 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 제1 스캐터링면과, 제1 스캐터링면과 다른 기울기를 지니는 제2 스캐터링면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 4 및 도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10), 기판(10) 위에 성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 성장되는 n형 질화물 반도체층(30), n형 질화물 반도체층(30) 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층(40), 활성층(40) 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층(50), p형 3족 질화물 반도체층(50) 위에 형성되는 p측 전극(60), p측 전극(60) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(70), p형 3족 질화물 반도체층(50)과 활성층(40)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 형성되는 n측 전극(72)과 보호막(80), 그리고 제1 스캐터링면(90)과 제2 스캐터링면(92)을 포함한다.
제1 스캐터링면(90)은 활성층(40)의 아래에서 기판(10)으로부터 버퍼층(20), 그리고 n형 질화물 반도체층 (30)을 따라 형성된다.
제2 스캐터링면(92)은 식각과정을 거쳐 활성층(40) 바로 아래 부분까지 얕게 형성하여, 활성층(40)에서 생성된 빛을 스캐터링할 수 있게 된다. 제1 스캐터링면(90)은 기판(10)으로부터 버퍼층(20), n형 질화물 반도체층(30), 활성층(40), 그리고 p형 질화물 반도체층(50)을 따라 기판(10)으로부터 넓어지도록 형성되어, 활성층(40)에서 생성된 빛을 스캐터링할 수 있게 된다.
이하에서, 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명한 다. 도 6 내지 도 13은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자 제조방법의 일 예를 나타낸다.
먼저, 기판(10)을 준비하고, 기판(10) 위에 질화물 반도체층들(20,30,40,50)을 성장시킨다. 본 개시에서 기판(10)은 사파이어 기판으로 이루어진다(도 6참조).
다음으로, 포토레지스트로 패턴을 형성하여 건식식각을 통해 질화물 반도체층들(30,40,50)을 식각한다. 건식식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma)등을 이용할 수 있다(도 7참조).
다음으로, 질화물 반도체층들(30,40,50) 위에 보호막(77)을 형성한다. 보호막(77)은 SiO2 등으로 이루어질 수 있다(도 8참조).
다음으로, 기판(10) 및 질화물 반도체층들(20,30,40,50)을 개별 발광소자로 분리한다. 개별 발광소자로의 분리는 레이저 스크라이빙을 이용할 수 있다. 레이저 스크라이빙에 의한 절단면의 깊이는, 물리적인 힘을 가해 쉽게 개별 발광소자로 분리될 수 있도록 0.5㎛ 내지 30㎛인 것이 바람직하다. 0.5㎛ 이하일 경우, 물리적으로 개별 발광소자를 분리하는 과정에서 발광소자의 표면 및 내부에 균열을 초래하거나 전기적 특성에 불량을 초래할 수 있다. 30㎛ 이상일 경우, 개별 발광소자를 만드는 공정 도중에 쉽게 발광소자가 깨지는 현상이 발생해서 생산성을 저하시킬 수 있다(도 9참조).
다음으로, 제1 스캐터링면(90)을 형성하기 위해 발광소자를 습식식각한다. 습식식각은 발광소자를 황산(H2SO4)과 인산(H3PO4)이 3:1의 비율로 섞인 용액에 280 ℃에서 8분간 담가둠으로써 이루어질 수 있다. 이 과정에서, 기판(10)과 질화물 반도체층들(20,30,40,50)의 식각률 차이에 의해, 제1 스캐터링면(90)이 형성된다. 다음으로, BOE용액(Buffered oxide etchant)에 담가 보호막(77)을 식각하여 제거한다 (도 10참조).
다음으로, p측 전극(60)을 증착한다(도 11참조).
다음으로, 포토레지스트로 패턴을 형성하여 건식식각을 통해 제2 스캐터링면(92)을 형성한다. 건식식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용하는데 초기 10sec 동안 BCl3가스를 주입하고 그 후 Cl2 가스를 주입하여 240sec 동안 진행하여 p형 질화물 반도체층(50)부터 질화물 반도체층들(30,40)을 식각한다. 제1 스캐터링면(90)을 형성하기 위한 습식식각 과정에서 칩의 측면에도 습식식각이 일어나면서 측면에 노출되어 있는 p형 질화물 반도체층(50) 및 활성층(50)의 손상이 발생하는데 이를 제거하기 위해 제2 스캐터링면(92)을 형성하게 된다. 제2 스캐터링면(92)의 두께가 증가하면 건식식각시 경사가 형성되어 기판(10)으로부터 넓어지는 경사면을 갖는 제1 스캐터링면(90)과는 반대로 기판(10)을 향해 넓어지는 경사면을 가지게 되는데 이렇게 되면 광추출효율의 효과가 감소하게 되므로 손상된 p형 질화물 반도체층(50)과 활성층(50)을 제거하고 경사가 형성되지 않도록 제2 스캐터링면(92)의 두께는 0.3 내지 0.4um이 되도록 식각하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 습식식각을 이용하여 레이저 스크라이빙 과정에서 발생한 잔류물(debris)이 제거되고, 건식식각을 이용하여 제2 스캐터링면(92)을 형성하는 과정 에서 습식식각에 의해 손상된 p형 질화물 반도체층(50)이 같이 제거됨으로써 전기적인 특성을 개선시킬 수 있다. 또한, 활성층에서 생성된 빛을 반도체 외부로 추출하는데 용이한 구조를 형성한다(도 12참조).
다음으로, p측 본딩 패드(70), n측 전극(72) 및 보호막(80)을 형성한다(도 13참조).
도 14는 본 개시에 따라 3족 질화물 반도체 발광소자에 형성된 스캐터링면의 일 예를 나타내는 사진이다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 제1 스캐터링면은 기판으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층을 향해 넓어지면서 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(2) 제2 스캐터링면은 적어도 제2 질화물 반도체층 및 활성층이 건식식각을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(3) 제2 스캐터링면의 기울기는 기판에 수직방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(4) 제2 스캐터링면의 두께는 0.3 내지 0.4um인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 하나의 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자의 광추출효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 개시에 따른 다른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 질화물 반도체층들에서의 전기적 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국공개특허공보 제2006-0192247에 기재된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 미국공개특허공보 제2006-0192247에 기재된 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 6은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 10은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 11은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 12는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 13은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 14는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에 형성된 스캐터링면의 일 예를 나타내는 사진.

Claims (6)

  1. 기판, 기판 위에 형성되며 제1 도전성을 갖는 제1 질화물 반도체층, 제1 질화물 반도체층 위에 형성되며 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 갖는 제2 질화물 반도체층, 그리고 제1 질화물 반도체층과 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층에 있어서,
    복수개의 3족 질화물 반도체층을 따라 형성되며, 활성층에서 생성된 빛을 스캐터링하는 제1 스캐터링면과, 제1 스캐터링면과 다른 기울기를 지니는 제2 스캐터링면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 스캐터링면은 기판으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층을 향해 넓어지면서 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제2 스캐터링면은 적어도 제2 질화물 반도체층 및 활성층이 건식식각을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제2 스캐터링면의 기울기는 기판에 수직방향인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제2 스캐터링면의 두께는 0.3 내지 0.4um인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 스캐터링면은 기판으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층을 향해 넓어지고,
    제2 스캐터링면은 적어도 제2 질화물 반도체층 및 활성층이 건식식각을 통해 형성되며, 제2 스캐터링면의 기울기는 기판에 수직방향이고 제2 스캐터링면의 두께는 0.3 내지 0.4um인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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