KR20110060666A - 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따른 p형 반도체층 상부면이 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법을 제공한다. 다른 실시예에서는 상기 경사진 상부면에 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법을 제공한다.

상기 경사진 상부면 및 요철부로 인해, 다양한 임계각이 형성될 수 있다. 따라서, 활성층에서 발생된 광은 전반사에 의해 내부로 손실되지 않고, 외부로 방출되는 양이 많아진다. 결국, 발광소자 내부에서 생성된 광을 외부로 효과적으로 추출할 수 있다.

임계각, 발광 효율, 경사, 요철부, 발광소자.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATION THE SAME}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법에 관한 것이며, 특히 외부로의 광 추출 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용되는 소자이다.

LED의 사용 범위는 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 종류는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나뉘어 진다.

특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 반도체광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있는데, 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭을 가지고, 이를 이용한 밴드갭 엔지니어링은 하나의 반도체상에서 빛의 삼 원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.

질화 갈륨(GaN)계 발광 다이오드는 발광 스펙트럼이 자외선으로부터 적외선에 이르기까지 광범위하게 형성되며, 비소(As), 수은(Hg) 등의 환경 유해 물질을 포함하고 있지 않기 때문에 환경 친화적인 면에서도 높은 호응을 얻고 있다.

최근, 질화물 반도체를 이용한 청색 및 녹색 발광소자의 개발은 광디스플레이 시장에 일대 혁명을 몰고 왔으며, 앞으로도 고부가가치를 창출할 수 있는 유망 산업의 한 분야로 여겨지고 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 이러한 질화물 반도체광소자에 있어서 보다 많은 산업상의 이용을 추구하려면 역시 발광휘도를 증가시키는 것이 선결되어야 할 과제이다.

즉, 일반적으로 총 발생한 광 중에서 질화물 반도체 표면으로 나오는 광은 20% ~ 25%이며, 나머지 대부분의 광은 질화물 반도체 표면에서 전반사를 통해 내부에서 손실된다. 이는 질화물 반도체 표면으로 나오는 광의 임계각(23.6°)이 작아 상기 임계각보다 큰 각으로 입사하는 광은 질화물 반도체 내부에서 전반사를 통해 소실되기 때문이다.

일 실시예는 p형 반도체층의 상부면이 경사지도록 형성된 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법을 제공한다.

다른 실시예는 p형 반도체층의 경사진 상부면에 요철부가 형성된 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법을 제공한다.

이로 인해, 일 실시예는 외부로의 광 추출 효율을 증가시키는 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법을 제공한다.

일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판상에 형성되는 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성되는 p형 반도체층을 포함하고, 상기 p형 반도체층은 경사진 상부면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판상에 형성되는 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성되는 p형 반도체층을 포함하고, 상기 p형 반도체층은 경사진 상부면 및 상기 경사진 상부면에 형성되는 요철부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은 기판상에 n형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 식각 공정을 통하여, 상기 활성층 상에 경사진 상부면을 포함하는 p형 반도체층을 형성 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그의 제조방법은, p형 반도체층 상부면이 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하고, 다른 실시예에서는 상기 경사진 상부면에 요철부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 경사진 상부면 및 요철부로 인해, 다양한 임계각이 형성될 수 있다. 따라서, 활성층에서 발생된 광은 전반사에 의해 내부로 손실되지 않고, 외부로 방출되는 양이 많아진다. 결국, 발광소자 내부에서 생성된 광을 외부로 효과적으로 추출할 수 있다.

따라서, 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 상기 경사진 상부면 및 요철부로 인해 외부로의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있기 때문에, 발광소자의 광 특성을 개선시킬 수 있다.

본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 부 또는 구조물들이 각 층(막), 영역, 부 또는 구조물들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

도면에서 각 층, 영역의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실 제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 적층 형태를 나타낸 도면이다. 도 2는 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 적층 형태를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 버퍼층(200), n형 반도체층(300), 활성층(400) 및 p형 반도체층(500)을 포함하고, 이들이 순차적으로 적층된 형태를 갖는다.

기판(100)은 질화물 반도체 발광소자의 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 사파이어 기판 및 실리콘 카바네이트(SiC) 기판일 수 있다. 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자에서 상기 기판(100)은 사파이어 기판일 수 있다. 상기 사파이어 기판은 광투과성 기판이며 부도체 기판이다.

버퍼층(200)은 상기 기판(100) 상에 형성된다. 상기 버퍼층(200)은 상기 n형 반도체층(300)을 형성하기 전에 상기 기판(100)과의 격자 정합을 향상시키기 위한 층이다. 일반적으로 상기 버퍼층(200)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.

n형 반도체층(300)은 상기 버퍼층(200) 상에 형성된다. 상기 n형 반도체층(300)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층, InN층, AlN층, InGaN층, AlGaN층, InAlGaN층 또는 AlInN층 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있 다. 상기 n형 도전형 불순물로는, 예를 들어 Si, Ge, Sn, Se 또는 Te 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 사용한다.

상기 n형 반도체층(300)의 상부 표면에는 러프니스(미도시)가 형성될 수도 있으며, 이 경우 외부로의 광 추출 효율을 개선시킬 수도 있다.

상기 버퍼층(200)과 n형 반도체층(300) 사이에는 언도프된(Undopped) GaN층이 형성될 수 있다. 상기 언도프된 GaN층은 도펀트를 포함하지 않는 층이다. 또한, 일 실시예에서는 상기 기판(100) 상에 버퍼층(200) 및 언도프된 GaN층이 모두 형성되거나 어느 하나의 층만이 형성될 수 있고, 또는 두 층이 모두 제거되는 구조로 형성될 수도 있다.

활성층(400)은 상기 n형 반도체층(300) 상에 형성된다. 상기 활성층(400)은 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well, MQW) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다. 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 다중 양자 우물 구조는 다수개의 미니 밴드를 갖고 효율이 좋으며, 작은 전류에서도 발광이 가능하므로, 단일 양자 우물 구조보다 발광 출력이 높게 되는 등의 소자특성 향상이 기대되고 있다.

상기 활성층(400)은 청색 파장의 광, 레드 파장의 광, 녹색 파장의 광 등의 유색 광을 발광하는 재료를 포함할 수 있다.

p형 반도체층(500)은 상기 활성층(400) 상에 형성된다. 상기 p형 반도체층(500)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있다. 상기 p형 도전형 불순물로는, 예를 들어 Mg, W, Zn 또는 Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 사용한다.

일 실시예에서, 상기 p형 반도체층(500)은 경사진 상부면(510)을 포함한다. 상기 경사진 상부면(510)은 상기 활성층(400)에서 발생된 빛이 효과적으로 외부로 추출되게 할 수 있다. 즉, 상기 경사진 상부면(510)으로 인해, 질화물 반도체 표면으로 나오는 광의 임계각(23.6°)보다 작은 각으로 광을 입사시킬 수 있다. 따라서, 종래에 상기 임계각(23.6°)보다 큰 각으로 입사하여 내부에서 전반사를 통해 소실되는 광을 줄일 수 있다. 내부에서 소실되는 광의 양이 감소하기 때문에, 빛을 외부로 추출하는 효율을 증가시킬 수 있다.

여기서, 상기 임계각은 스넬의 법칙에 따라 굴절률이 큰 p형 반도체층(500)에서 굴절률이 상기 P형 반도체층(500) 보다 작은 상부의 기판(미도시)으로 빛이 입사할 때, 전반사가 일어나기 시작하는 입사각이다. 즉, 상기 활성층(400)에서 발생된 빛이 상기 p형 반도체층(500)을 통해 외부로 방출되지 못하고, 상기 활성층(400) 등의 내부로 전반사되기 시작하는 각도를 의미한다. 따라서, 상기 활성층(400)에서 발생된 빛이 상기 p형 반도체층(500)에 상기 임계각보다 큰 각도로 입사하는 경우에는 내부로 전반사되며, 상기 임계각보다 작은 각도로 입사하는 경우에는 p형 반도체층(500)을 통해 외부로 방출된다.

결국, 일 실시예에 따른 p형 반도체층(500)의 경사진 상부면(510)으로 인해 상기 임계각(23.6°)보다 작은 각으로 보다 많은 광을 입사시켜 광이 내부로 전반사되는 것을 줄일 수 있기 때문에, 외부로의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 p형 반도체층(500)의 경사진 상부면(510)에 요철부(520)가 형성될 수 있다. 상기 요철부(520)는 상기 경사진 상부면(510)을 포함한 상기 p형 반도체층(500) 상부면의 전면에 형성될 수 있다. 상기 요철부(520)로 인해는 다양한 임계각이 형성될 수 있고, 상기 활성층(400)에서 발생된 빛이 효과적으로 외부로 산란될 수 있게 한다.

즉, 상기 요철부(520)는 상기 p형 반도체층(500) 표면에서 광을 산란시켜, 외부로 광을 효과적으로 추출할 수 있으며, 특히 상기 경사진 상부면(510)에 형성됨으로써 광 추출 효율을 더 극대화시킬 수 있다.

상기 p형 반도체층(500) 상에는 투명전극층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(미도시)은 전류 주입 면적을 증가시켜 전류 확산 효과를 향상시키기 위한 층으로 ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide) 및 TCO(Transparent Conductive Oxide)로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 막으로 이루어질 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 전극(700) 및 p형 전극(600)을 포함한다. 상기 n형 전극(700)은 p형 반도체층(500) 및 활성층(400)을 식각함으로써 상기 p형 반도체층(500) 및 활성층(400)이 식각된 상기 n형 반도체층(300)의 상면에 형성되고, 상기 p형 전극(600)은 상기 p형 반도체층(500)의 상부면 중 경사지지 않은 상부면에 형성된다.

도 3 내지 도 7은 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 나타낸 도면이다. 이하에서는 도 3 내지 도 7을 참조하여, 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대해 상세히 설명하도록 한다. 특히, p형 반도체층(500)의 경사진 상부면(510) 및 상기 경사진 상부면(510)에 형성된 요철부(520) 에 대해 상세히 설명한다.

도 3에서와 같이, 기판(100)상에 버퍼층(200)을 적층하여 형성한다. 도 4에서와 같이 상기 버퍼층(200) 상에 n형 반도체층(300) 및 활성층(400)을 순차적으로 적층하여 형성한 후, 상기 n형 반도체층(300) 및 활성층(400)의 일부를 식각한다. 이는 추후 n형 반도체층(300) 상에 n형 전극(700)을 형성하기 위함이다.

즉, 상기 기판(100) 위에는 질화물 반도체가 성장되는 데, 성장 장비는 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등에 의해 형성할 수 있으며, 이러한 장비로 한정하지는 않는다.

도 5를 참조하면, 상기 활성층(400) 상에 p형 반도체층(500)을 적층하여 형성한다. 그런 다음, 상기 p형 반도체층(500)의 일부에 마스크 패턴(530)을 형성한다. 상기 마스크 패턴(530)은 직각 삼각형 모양일 수 있다. 상기 마스크 패턴(530)의 두께는 왼쪽 아래 방향으로 갈수록 작아질 수 있다.

상기 마스크 패턴(530)을 이용하여 상기 p형 반도체층(500)을 식각하여, 상기 p형 반도체층(500)에 경사진 상부면(510)을 형성한다(도 6). 상기 경사진 상부면(510)은 마스크를 코팅한 후에 리플로우(reflow)를 통한 다음 건식 식각 장비를 통해 형성될 수 있다. 즉, 상기 p형 반도체층(500)은 건식 식각(dry etching)을 통해 형성될 수 있다.

상기 결과로 형성된 경사진 상부면(510)은 상기 활성층(400)에서 발생된 빛 이 효과적으로 외부로 추출되게 할 수 있다. 즉, 상기 경사진 상부면(510)으로 인해, 질화물 반도체 표면으로 나오는 광의 임계각(23.6°)보다 작은 각으로 광을 입사시킴으로써 빛을 외부로 추출하는 효율을 증가시킬 수 있다. 결국, 상기 임계각(23.6°)보다 작은 각으로 광을 입사시켜 광이 내부로 전반사되는 것을 줄일 수 있기 때문에, 외부로의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

도 7에서는, 상기 경사진 상부면(510)에는 요철부(520)가 형성될 수 있다. 상기 요철부(520)는 랜덤하게 형성될 수 있다. 상기 요철부(520)는 상기 경사진 상부면(510)에 형성될 수도 있고, 상기 경사진 상부면(510)을 포함한 상기 p형 반도체층(500)의 전면에 형성될 수 있다.

상기 요철부(520)는, 상기 p형 반도체층(500)의 경사진 상부면(510) 상에 마스크 패턴을 형성한 후, 이를 식각 마스크로 하여 형성한다. 상기 요철부(520)를 랜덤하게 형성하기 위해서는 상기 마스크 패턴으로 클러스터 패턴을 사용할 수 있다.

더 구체적으로는, 상기 p형 반도체층(500)의 경사진 상부면(510)에 제 1 마스크층을 적층한다. 상기 제 1 마스크층은 플라즈마 화학기상 증착법을 이용하여 규소산화물(SiO₂) 또는 규소 질화물(Si₃N₄)을 증착하여 형성한다. 상기 제 1 마스크층이 증착되면, 그 위에 제 2 마스크층이 증착된다. 상기 제 2 마스크층은 금속으로 증착되며, 상기 금속 재질의 예는 열적으로 가장 불안정한 성질을 갖는 Ag을 사용하나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 제 2 마스크층은 수 백도의 온도에서 열처리 공정을 통하여 나노크기의 클러스터 형태를 이루게 된다. 즉, 이러한 열처리 공 정을 거치면, 상기 제 2 마스크층은 열적으로 불안정한 상태인 Ag과 상기 p형 반도체층(500)의 경사진 상부면(510) 사이의 표면장력에 의해 클러스터 형태가 형성된다. 그런 다음, 제 1 마스크층이 제 2 마스크층의 클러스터 패턴에 의해 식각되고, 화학적 에칭 공정이나 미세 연마 공정을 통해 제 2 마스크층이 제거되고 제 1 마스크층의 패턴 형태만 남게 된다. 이로 인해, 상기 제 1 마스크층의 패턴에 p형 반도체층(500)과 같은 재질의 p-GaN 등을 재성장시킴으로써 상기 요철부(520)를 형성할 수 있다.

상기 요철부(520)을 형성하기 위한 식각 방법에는 건식 식각법(dry etching), 반응성 이온 식각법((RIE: Reactive ion etching) 등이 있으나, 이에 제한되지 않는다.

상기 결과로 형성된 요철부(520)로 인해, 상기 활성층(400)에서 발생된 빛이 효과적으로 외부로 산란될 수 있게 한다. 즉, 상기 요철부(520)는 상기 p형 반도체층(500) 표면에서 광을 산란시켜, 외부로 광을 효과적으로 추출할 수 있으며, 특히 상기 경사진 상부면(510)에 형성됨으로써 광 추출 효율을 더 극대화시킬 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 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 실시예에 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 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 적층 형태를 나타낸 도면이다.

도 2는 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 적층 형태를 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 7은 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 나타낸 도면이다.

Claims (8)

1. 기판;

   상기 기판상에 형성되는 n형 반도체층;

   상기 n형 반도체층 상에 형성되는 활성층; 및

   상기 활성층 상에 형성되는 p형 반도체층을 포함하고,

   상기 p형 반도체층은 경사진 상부면을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 p형 반도체층은 상기 경사진 상부면에 형성되는 요철부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 요철부는 랜덤하게 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 활성층은 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well, MQW)구조의 InGaN/GaN층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판과 상기 n형 반도체층 사이에 개재되는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 기판 상에 n형 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 n형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및

   식각 공정을 통하여, 상기 활성층 상에 경사진 상부면을 포함하는 p형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 p형 반도체층을 형성하는 단계는,

   상기 p형 반도체층의 경사진 상부면에 클러스터 형태의 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 마스크 패턴에 상기 p형 반도체층의 물질을 재성장시켜서 요철부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 요철부는 랜덤하게 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소 자 제조방법.

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