KR20120065610A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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nitride
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김민호
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이성숙
박태영
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Abstract

본 발명의 일 측면은, 알루미늄(Al) 함유층을 포함하는 질화물 버퍼구조가 형성된 질화물 성장용 기판을 마련하는 단계와. 상기 질화물 버퍼구조 상에 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시켜 발광 구조물을 형성하는 단계와, 상기 발광 구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계와, 상기 질화물 버퍼구조가 잔류하도록 상기 발광 구조물로부터 상기 질화물 성장용 기판을 제거하는 단계와, 상기 질화물 성장용 기판이 제거된 면에 상기 Al 함유층의 적어도 일부가 잔류하는 텍스처 구조를 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 상세하게는 광추출효율이 개선된 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 발광 다이오드(light emitting diode:LED)는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광통신기기에 광원으로 널리 사용되고 있다. 이러한 LED는 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 활성층에서 빛을 생성하여 방출시킨다. 특히, 질화물 반도체는 그 조성비에 따라 청색 및 녹색광 대역을 포함하는 넓은 파장을 커버할 수 있는 발광소자의 구성물질로서 각광을 받고 있다.
이러한 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 내부양자효율(internal quantum efficiedncy)과 광추출효율(light extraction efficiency, 또는 "외부양자효율"이라고도 함)으로 결정된다. 특히, 광추출효율은 발광소자의 광학적 인자, 즉 각 구조물의 굴절률 및/또는 계면의 평활도(flatness) 등에 의해 크게 영향을 받는다.
하지만, 광추출효율 측면에서 질화물 반도체 발광소자는 근본적인 제한사항을 가지고 있다.
질화물 반도체 발광소자를 구성하는 반도체층은 외부대기 또는 봉합물질이나 기판에 비해 큰 굴절률을 가지므로, 빛의 방출가능한 입사각범위를 결정하는 임계각이 작아지고, 그 결과, 활성층으로부터 발생된 광의 상당부분은 내부 전반사되어 실질적으로 원하지 않는 방향으로 전파되거나 전반사과정에서 손실되어 광추출효율이 낮을 수 밖에 없다.
예를 들어, GaN의 굴절률은 2.4이므로, 활성층에서 생성된 광은 GaN/대기계면에서의 임계각인 23.6°보다 클 경우에 내부 전반사가 일어나 측면방향으로 진행되어 손실되거나 원하는 방향으로 방출되지 못하여, 실제 광추출효율은 약 13%에 불과하다. 이와 유사하게 사파이어 기판은 1.78이므로, 사파이어기판/대기계면에서의 외부양자효율, 즉 광추출효율이 낮다는 문제가 있다.
이러한 낮은 광추출효율의 문제는 반도체 발광소자의 발광효율을 향상시키는데 큰 한계로 작용하고 있다. 따라서, 당 기술분야에서는 이러한 한계를 극복하기 위해서 LED의 개선이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적 중 하나는 광추출 효율을 향상시키기 위한 텍스처 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적 중 다른 하나는 광추출 효율을 향상시키기 위한 텍스처 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면은, 적어도 알루미늄(Al) 함유층을 포함하는 질화물 버퍼구조가 형성된 질화물 성장용 기판을 마련하는 단계와, 상기 질화물 버퍼구조 상에 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시켜 발광 구조물을 형성하는 단계와, 상기 발광 구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계와, 상기 질화물 버퍼구조가 잔류하도록 상기 발광 구조물로부터 상기 질화물 성장용 기판을 제거하는 단계와, 상기 발광 구조물 중 상기 질화물 성장용 기판이 제거된 면에 상기 Al 함유층의 적어도 일부가 잔류하는 텍스처 구조를 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
상기 텍스처(texture) 구조는 다수의 볼록부를 가지며, 상기 볼록부의 적어도 상부 영역이 상기 Al 함유층일 수 있다.
이 경우에, 상기 볼록부의 상부영역은 상기 Al 함유층이며, 상기 볼록부의 하부영역은 Al이 함유되지 않은 층일 수 있다. 특정 예에서, 상기 Al 함유층은 AlxGa1-xN(0<x≤1)층이며, 상기 Al이 함유되지 않은 층은 GaN층일 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 질화물 성장용 기판은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 질화물 성장용 기판을 제거하는 단계는, 상기 실리콘 기판에 대한 연삭 공정에 의해 수행될 수 있다. 이 경우에, 상기 지지 기판은 실리콘 지지 기판일 수 있다.
상기 질화물 버퍼구조는, 상기 실리콘 기판 상에 형성되며 Al 함유 질화물 반도체로 이루어진 핵생성층과, 상기 핵생성층 상에 형성되며 상기 핵생성층보다 격자 상수가 큰 물질로 이루어진 질화물 반도체로 이루어진 응력 보상층을 포함할 수 있다.
이 경우에, 상기 응력 보상층은 상기 핵형성층보다 Al함유량이 낮거나 Al을 함유하지 않은 질화물 반도체로 이루어질 수 있다.
상기 핵생성층은, 상기 실리콘 기판 상에 형성된 제1 질화물 반도체층과, 상기 제1 질화물 반도체층보다 격자 상수가 크고 상기 응력 보상층보다 격자 상수가 작은 물질로 이루어진 제2 질화물 반도체층을 포함할 수 있다.
이 경우에, 상기 제1 질화물 반도체층은 AlN을 포함하며, 상기 제2 질화물 반도체층은 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함할 수 있다. 특정 예에서, 상기 제2 질화물 반도체층의 Al 함량(x)은 상기 제1 질화물 반도체층에 인접한 영역에서 상기 응력 보상층에 인접한 영역으로 갈수록 감소될 수 있다. 상기 응력 보상층은 GaN을 포함할 수 있으며, 특히 언도프된 GaN일 수 있다.
상기 질화물 버퍼구조는, 상기 핵생성층 및 상기 응력보상층 사이에 배치된 다공성 마스크층을 더 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 응력보상층은 두께 방향으로 상부층 및 하부층으로 구분되며, 상기 질화물 버퍼구조는, 상기 상부 및 하부 층 사이에 배치된 다공성 마스크층을 더 포함할 수 있다.
이러한 다공성 마스크층은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
상기 질화물 버퍼구조는, 상기 응력 보상층 상에 형성되며, Al을 함유한 질화물층으로 이루어진 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되며, 상기 중간층의 격자상수보다 큰 격자상수를 갖는 추가적인 질화물 반도체층을 더 포함할 수 있다.
상기 중간층은 AlxGa(1-x)N (0<x≤1)이며, 상기 추가적인 질화물 반도체층은 GaN일 수 있다. 이 경우에, 상기 추가적인 질화물 반도체층은, 제1 도전형 GaN층을 포함할 수 있다.
상기 텍스처 구조는 다수의 볼록부를 가지며, 상기 볼록부의 적어도 상부 영역이 상기 핵성장층으로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 볼록부의 상부영역은 상기 핵성장층으로 형성되며, 상기 볼록부의 하부영역은 상기 응력 완화층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 지지 기판과, 상기 지지 기판 상에 순차적으로 위치한 제2 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제1 도전형 질화물 반도체층을 갖는 발광 구조물과, 상기 발광구조물 상에 형성되며, 알루미늄(Al) 함유층을 갖는 질화물 버퍼구조와, 적어도 일부가 상기 질화물 버퍼구조의 Al 함유층을 갖는 텍스처 구조를 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
질화물 단결정 중 Al 함유층(특히, AlN)과 같이 안정적인 질화물층으로 텍스처 구조를 형성한다. Al 함유층은 상온에서도 수나노미터의 산화막을 형성하므로, 추후 SiO2와 같은 페시베이션층을 형성할 때에 층과의 결합력이 향상되어 발광 소자의 내부로의 수분침입을 방지하여 소자 수명을 증진시킬 수 있다.
또한, Al 함유층은 다른 Al 함량 또는 Al이 함유되지 않은 다른 질화물층과 굴절률 차이를 가지므로, 볼록부의 안으로 진입한 광을 보다 용이하게 외부로 추출시킬 수 있다.
도1a 내지 도1d는 본 발명의 일 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
도2 내지 도4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 텍스처 구조에 사용가능한 다양한 예의 질화물 버퍼구조를 나타내는 단면도이다.
도5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태들을 더 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명될 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도1a 내지 도1d는 본 발명의 일 예에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
도1a에 도시된 바와 같이, 본 예에 따른 제조방법은 질화물 버퍼구조(26)가 형성된 질화물 성장용 기판(11)을 마련하는 공정으로 시작된다.
상기 질화물 성장용 기판(11)은 다양한 공지된 기판이 채용될 수 있으나, 실리콘 기판일 수 있다. 본 실시예에 채용된 질화물 버퍼구조(20)는 상기 알루미늄(Al) 함유층을 갖는다. 상기 질화물 버퍼구조(20)는 전체 구조가 AlN, AlGaN과 같은 Al 함유층일 수 있으나, 본 실시형태와 같이, 다층 구조로 형성되고 그 일부의 층의 Al 함유층(21)일 수도 있다.
상기 기판(11)으로서 실리콘 기판을 사용하는 경우에, 상기 질화물 버퍼구조(20)는, 상기 실리콘 기판(11) 상에 형성된 핵성장층(21)과 상기 핵성장층(21) 상에 형성된 응력 보상층(22)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 핵성장층(21)은 Al 함유 질화물 반도체로 이루어지며, 상기 응력 보상층(26)은 상기 핵생성층(21)보다 격자 상수가 큰 물질인 질화물 반도체로 이루어질 수 있다.
상기 응력 보상층(26)은 상기 핵형성층보다 Al함유량이 낮거나 Al을 함유하지 않은 질화물 반도체일 수 있다. 예를 들어, 상기 응력 보상층(26)은 GaN을 포함할 수 있으며, 특히 언도프된 GaN일 수 있다.
이와 같이, 상기 다층 버퍼구조(20)는 상기 실리콘 기판(11) 상에 형성될 에피택셜에 강한 압축응력을 안가시키는 구조로서 제공된다. 이러한 압축응력은 냉각시 발생되는 인장응력을 보상시킴으로써 에피택셜에 야기될 수 있는 크랙 발생을 효과적으로 억제시킬 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명에서 채용될 수 있는 다양한 형태의 다층 버퍼 구조(20)는 도2 내지 도4을 참조하여 설명하기로 한다.
이어, 도1b에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 버퍼구조(20) 상에 발광 구조물(15)을 형성한다.
상기 발광 구조물(15)은 제1 도전형 질화물 반도체층(15a), 활성층(15b) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(15c)을 순차적으로 성장시켜 얻어질 수 있다. 상기 발광 구조물(15)을 구성하는 질화물 반도체 단결정은 상술된 질화물 버퍼구조(20)를 이용하여 형성하므로, 실리콘 기판(11) 상에서도 고품위 결정으로 성장될 수 있다.
다음으로, 도1c에 도시된 바와 같이, 상기 발광 구조물(15) 상에 지지 기판(19)을 제공하고, 이어 상기 발광 구조물(15)로부터 상기 질화물 성장용 기판(11)을 제거한다.
본 실시형태에서는, 지지 기판을 제공하는 공정은, 별도의 서브마운트 기판을 접합시키는 공정으로 실행되는 형태로 예시되어 있다. 별도의 기판을 접합시킬 경우에, 열응력 등을 고려하여 Si-Al와 같은 기판일 사용될 수 있으나, 본 실시형태와 같이, 질화물 성장용 기판(11)으로 실리콘 기판을 사용하는 경우에는, 상기 지지 기판(19)으로 그과 동일한 재질의 실리콘 지지 기판을 사용하여 후속 공정에서의 열충격 등에 대한 문제를 완화시킬 수 있다. 이와 달리, 상기 지지 기판(19)은 도금공정을 이용하여 도금물질층으로 구성될 수 있으나,
상기 지지 기판(11)은 접합용 금속층(17)에 의해 상기 발광 구조물(15)에 접합될 수 있다. 상기 접합용 금속층(17)은 필요에 따라 Al 또는 Ag와 같은 고반사성 금속물질을 포함할 수 있다.
상기 질화물 성장용 기판(11)으로 비교적 경도가 낮은 재질인 기판이 사용되는 경우에는, 상기 발광 구조물의 에피택셜층에 손상을 줄 수 있는 레이저 빔을 이용한 리프트 오프 공정보다는, 기계적, 화학적 또는 기계적 화학적 제거공정을 통해서 기판을 제거할 수 있다. 특히, 본 실시형태와 같이, 실리콘 기판을 사용하는 경우에 그라인드 장치(G)를 이용한 연삭공정을 유익하게 사용될 수 있다.
본 질화물 단결정 기판의 제거공정은 Al 함유층을 갖는 텍스처 구조를 형성하기 위해서, 상기 질화물 버퍼구조(20)가 잔류하도록 실행될 수 있다.
본 제거공정에서 잔류한 질화물 버퍼구조(20)는 화학적 습식 식각 또는 ICP와 같이 건식 식각과 같은 적절한 텍스처링 공정을 적용하여, Al 함유층(21')을 갖는 텍스처 구조(20')를 형성할 수 있다. 상기 텍스처 구조(20')는 다수의 볼록부(21')를 가지며, 도시된 바와 같이, 육각뿔형상 또는 콘형상을 가질 수 있다.
상기 텍스처 구조(20')를 구성하는 볼록부(C)의 적어도 상부 영역이 상기 Al 함유층(21')일 수 있다. 즉, 도1d에 도시된 바와 같이, 상기 볼록부(C)의 상부영역은 상기 Al 함유층(21')이며, 상기 볼록부(C)의 하부영역은 Al이 함유되지 않거나 적게 함유된 층(26)일 수 있다. 특정 예에서, 상기 Al 함유층(26)은 AlxGa1 -xN(0<x≤1)층이며, 상기 Al이 함유되지 않은 층은 GaN층일 수 있다.
이와 같이, 볼록부의 단부를 질화물 단결정 중 Al 함유층(특히, AlN)과 같이 안정적인 질화물층으로 형성함으로써 구조적으로 안정된 텍스처 구조를 제공할 수 있다. 또한, Al 함유층(21')은 상온에서도 수 나노미터(약 5?10㎚)의 산화막을 형성하므로, 추후 SiO2와 같은 페시베이션층을 형성할 때에 층간의 결합력이 향상되어 발광 소자의 내부로의 수분침입을 효과적으로 방지하고, 소자 수명을 증진시킬 수 있다.
광학적 측면에서도, Al 함유층(21')은 다른 Al 함량 또는 Al이 함유되지 않은 다른 질화물층(26)과 굴절률 차이를 가지므로, 상기 볼록부(C)의 안으로 진입한 광을 보다 용이하게 외부로 추출시킬 수 있어 휘도 개선 효과를 기대할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 실리콘 기판 상에 질화물 에피택셜층을 성장하는 공정에서는, 다양한 형태의 다층 버퍼구조를 채용할 수 있다. 도2 내지 도4에는 본 발명에 채용될 수 있는 다양한 다층 버퍼 구조물가 예시되어 있다.
도2 내지 도4에 예시된 실리콘 기판의 다층 버퍼 구조물 상에 발광 구조물을 위한 질화물 에피택셜층이 형성되는 것으로 이해될 수 있다.
우선, 도2를 참조하면, 실리콘 기판(31) 상에 형성된 질화물 버퍼구조(40-1)는, 상기 실리콘 기판(41) 상에 형성된 핵생성층(41)과, 상기 핵생성층(41) 상에 형성되며 상기 핵생성층(41)보다 격자 상수가 큰 물질로 이루어진 응력 보상층(46)을 포함할 수 있다.
이러한 구조에서, 격자상수가 큰 실리콘 기판(31)에 형성된 상대적으로 작은 격자상수의 질화물 에피택셜에 인가될 인장응력을 완화하기 위한 압축응력을 제공할 수 있다.
상기 핵생성층(31)은 질화물 반도체 중 상대적으로 작은 격자 상수를 갖는 Al 함유 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 상기 응력 보상층(46)은 상기 핵형성층(31)보다 Al함유량이 낮거나 Al을 함유하지 않은 질화물 반도체로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 GaN을 포함할 수 있다.
또한, 도2에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 버퍼구조(40-1)는, 상기 핵생성층(41)과 상기 응력 보상층(46) 사이에 배치된 다공성 마스크층(45)을 더 포함할 수 있다.
상기 다공성 마스크층(45)은 측방향 성장과 유사한 작용을 통해 응력 보상층(46)인 질화물 반도체층을 비교적 우수한 결정성을 갖도록 성장시킬 수 있다. 이러한 다공성 마스크층(45)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
앞선 실시형태와 달리, 다공성 마스크층(25)은 응력 완화층(46) 내에 도입될 수 있다. 즉, 도3에 도시된 질화물 버퍼구조(40-2)는, 상기 실리콘 기판(31) 상에 형성된 핵생성층(41)과, 상기 핵생성층(41) 상에 형성되며 상기 핵생성층(41)보다 격자 상수가 큰 물질로 이루어진 응력 보상층(46)을 포함하며, 상기 다공성 마스크층(45)은 도4에 도시된 바와 같이, 응력 보상층(46)의 상부층 및 하부층(26b,26a) 사이에 형성될 수 있다.
이러한 다공성 마스크층(45)의 위치로 인해, 응력 보상층의 하부층(46a)은 상부층(46b)과 다른 기능을 담당한다. 즉, 상기 응력 보상층의 상부층(46b)은 도4에 도시된 응력 보상층(46)과 유사하게 다공성 마스크층(45) 상에 형성되므로, 측방향 성장원리에 따라 합체(coalescenced)되는 질화물 반도체층이지만, 하부층(46a)은 다공성 마스크층(45)의 하부에 위치하여 마스크층(45)의 공극에 의해 노출된 기저부분으로 제공되므로, 도3에 도시된 형태보다 마스크층(45) 상에 형성되는 응력 보상층 부분인 상부층(46b)이 높은 결정성을 가질 수 있다.
도3에 도시된 다층 버퍼 구조물(40-3)은 앞선 실시형태와 유사하게, 상기 실리콘 기판(31) 상에 형성된 핵생성층(41)과, 상기 핵생성층(41) 상에 형성되며 상하부층(46b,46a)으로 구분된 응력 보상층(46)과 상기 응력 보상층의 상하부층(46b,46a) 사이에 형성된 다공성 마스크층(45)을 포함한다.
본 실시형태에 채용된 핵생성층(41)은, 상기 실리콘 기판(41) 상에 형성된 제1 질화물 반도체층(41a)과, 상기 제1 질화물 반도체층(41a)보다 격자 상수가 크고 상기 응력 보상층(46)보다 격자 상수가 작은 물질로 이루어진 제2 질화물 반도체층(41b)을 포함할 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 제1 질화물 반도체층(41a)은 AlN일 수 있으며, 상기 제2 질화물 반도체층(41b)은 AlxGa(1-x)N (0<x<1)일 수 있다. 바람직하게, 상기 제2 질화물 반도체층(41b)의 Al 함량(x)은 상기 제1 질화물 반도체층(41a)에 인접한 영역에서 상기 응력 보상층(46)에 인접한 영역으로 갈수록 감소될 수 있다. 이 경우에, 상기 응력 보상층(46)은 GaN을 포함할 수 있으며, 특히 언도프된 GaN일 수 있다.
도4에 도시된 다층 버퍼 구조물(40-3)은, 상기 응력 보상층(46) 상에 형성되며, Al을 함유한 질화물층으로 이루어진 중간층(47)과, 상기 중간층(47) 상에 형성되며, 상기 중간층(47)의 격자상수보다 큰 격자상수를 갖는 추가적인 질화물 반도체층(48)을 더 포함할 수 있다.
상기 중간층(47)은 AlxGa(1-x)N (0<x≤1)이며, 상기 추가적인 질화물 반도체층(48)은 GaN일 수 있다. 이 경우에, 상기 추가적인 질화물 반도체층(48)은, 제1 도전형 GaN층을 포함할 수 있다.
도4를 참조하여 본 발명에 채용가능한 다층 버퍼 구조를 다른 접근 방법으로 상세히 설명하면, 상기 실리콘 기판(11) 상에 AlN/AlGaN 핵성장층(41a/41b)을 성장하고, 연속적으로 언도프 GaN인 응력 보상층(46)과 n형 GaN인 추가적인 질화물 반도체층(48)을 성장하고, 상기 응력 보상층(46)과 추가적인 질화물 반도체층(48) 각각의 내부에 전위밀도 감소를 위한 SiNx 다공성 마스크층(45)과 AlGaN 중간층(47)이 추가로 개재된 구조로 이해될 수 있다.
구체적인 예에서, AlN/AlGaN 핵성장층(약 2㎛ 이하)을 성장하고, 연속적으로 언도프 GaN층(약 2㎛ 이하)과 n-형 GaN층(3?4㎛)을 성장하고, 상기 두 층의 내부에 SiNx층과 AlGaN 중간층을 서브마이크로 수준으로 추가로 사용할 경우에, 그 다층 버퍼 구조를 기반하여 성장된 발광구조물 중 GaN의 결정성이 (002) FWHM의 경우에, <300 arcsec, (102) FWHM의 경우에 < 400 arcsec 이하로 나타났다. 또한, 웨이퍼에 크랙이 형성되지 않으며, 열응력에 의한 보우잉(bowing)도 <20 ㎛으로 낮은 수준으로 유지할 수 있다.
도5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다. 도5에 도시된 실시형태는 도3에 도시된 질화물 버퍼구조를 이용하여 제조된 예로 이해될 수 있다.
도5를 참조하면, 본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(30)는, 지지 기판(39)과 그 지지 기판(39) 상에 순차적으로 성장된 제1 도전형 질화물 반도체층(35a), 활성층(35b) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(35c)을 갖는 발광 구조물(55)을 포함한다.
상기 지지 기판(39)은 이에 한정되지는 않으나, 실리콘 지지 기판일 수 있다. 상기 발광 구조물(35)은 접합용 금속층(37)에 의해 실리콘 기판에 접합될 수 있다. 상기 접합용 금속층은 Al 또는 Ag와 같은 고반사성 금속물질을 포함할 수 있다.
상기 지지 기판(39)은 도전성을 갖도록 형성되어 일 측의 전극 구조로 제공될 수 있다. 다른 하나의 전극(38)은 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(35a)과 접속되도록 형성하여 사용할 수 있다. 본 실시형태와 같이, 상기 전극(38)은 텍스처 구조를 선택적으로 식각하여 형성할 수 있으나, 필요에 따라 텍스처 구조에 해당하는 층(40-2')을 적어도 일부 남겨둔 영역에 형성하여 전류 분산효과를 기대할 수도 있다. .
상기 발광 구조물(35) 상면에는 텍스처 구조(40-2')가 형성된다. 상기 텍스처 구조(40-2')는 도3에 도시된 질화물 버퍼구조(40-2)로부터 형성될 수 있다. 본 실시형태에 채용된 텍스처 구조(40-2')는 삼각뿔 또는 콘형상의 다수의 볼록부(C)를 갖는다.
도5에 도시된 바와 같이, 상기 볼록부(C)의 적어도 상부 영역이 상기 Al 함유층이며, 특히, 상기 볼록부의 상부영역은 핵성장층으로 사용된 Al 함유층일 수 있다. 예를 들어, AlN 또는 AlxGa1 -xN(0<x≤1)층으로 형성될 수 있다. 반면에, 상기 볼록부(C)의 하부영역은 응력보상층(46)으로부터 형성된 Al이 함유되지 않거나 적게 함유된 층일 수 있다. 본 예와 같이, 마스크층(45)으로 사용된 실리콘 질화물 박막이 포함할 수 있다.
본 실시형태와 같이, Al 함유층(41')은 다른 Al 함량 또는 Al이 함유되지 않은 다른 질화물층(46)과 굴절률 차이를 가지므로, 상기 볼록부(C)의 내부로 진입한 광을 보다 용이하게 외부로 추출시킬 수 있어 휘도 개선 효과를 기대할 수 있다.
상기 볼록부(C)의 단부를 질화물 단결정 중 Al 함유층(특히, AlN)과 같이 안정적인 질화물층으로 형성함으로써 구조적으로 안정된 텍스처 구조를 제공할 수 있다. 또한, Al 함유층(41')은 표면에 산화막을 형성하므로, 추후 SiO2와 같은 페시베이션층을 형성할 때에 층간의 결합력이 향상시킬 수 있으며, 그 결과, 발광 소자의 내부로의 수분침입을 효과적으로 방지하고, 소자 수명을 증진시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (25)

  1. 적어도 알루미늄(Al) 함유층을 포함하는 질화물 버퍼구조가 형성된 질화물 성장용 기판을 마련하는 단계;
    상기 질화물 버퍼구조 상에 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시켜 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물 상에 지지 기판을 제공하는 단계;
    상기 질화물 버퍼구조가 잔류하도록 상기 발광 구조물로부터 상기 질화물 성장용 기판을 제거하는 단계; 및
    상기 발광 구조물 중 상기 질화물 성장용 기판이 제거된 면에 상기 Al 함유층의 적어도 일부가 잔류하는 텍스처 구조를 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 텍스처 구조는 다수의 볼록부를 가지며, 상기 볼록부의 적어도 상부 영역이 상기 Al 함유층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 볼록부의 상부영역은 상기 Al 함유층이며, 상기 볼록부의 하부영역은 Al이 함유되지 않은 층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Al 함유층은 AlxGa1 -xN(0<x≤1)층이며, 상기 Al이 함유되지 않은 층은 GaN층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 성장용 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 질화물 성장용 기판을 제거하는 단계는, 상기 실리콘 기판에 대한 연삭 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 지지 기판은 실리콘 지지 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 질화물 버퍼구조는,
    상기 실리콘 기판 상에 형성되며 Al 함유 질화물 반도체로 이루어진 핵생성층과,
    상기 핵생성층 상에 형성되며 상기 핵생성층보다 격자 상수가 큰 물질로 이루어진 질화물 반도체로 이루어진 응력 보상층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 응력보상층은 두께 방향으로 상부층 및 하부층으로 구분되며,
    상기 질화물 버퍼구조는, 상기 상부층 및 상기 하부층 사이에 배치된 다공성 마스크층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 다공성 마스크층은 실리콘 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 핵생성층은,
    상기 실리콘 기판 상에 형성된 제1 질화물 반도체층과,
    상기 제1 질화물 반도체층보다 격자 상수가 크고 상기 응력 보상층보다 격자 상수가 작은 물질로 이루어진 제2 질화물 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 질화물 반도체층은 AlN을 포함하며, 상기 제2 질화물 반도체층은 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 질화물 반도체층의 Al 함량(x)은 상기 제1 질화물 반도체층에 인접한 영역에서 상기 응력 보상층에 인접한 영역으로 갈수록 감소되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 응력 보상층은 상기 핵형성층보다 Al함유량이 낮거나 Al을 함유하지 않은 질화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 응력 보상층은 GaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 응력 보상층은 언도프된 GaN인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 질화물 버퍼구조는,
    상기 응력 보상층 상에 형성되며, Al을 함유한 질화물층으로 이루어진 중간층과,
    상기 중간층 상에 형성되며, 상기 중간층의 격자상수보다 큰 격자상수를 갖는 추가적인 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 중간층은 AlxGa(1-x)N (0<x≤1)이며, 상기 추가적인 질화물 반도체층은 GaN인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 추가적인 질화물 반도체층은, 제1 도전형 GaN층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  20. 제8항에 있어서,
    상기 질화물 버퍼구조는, 상기 핵생성층 및 상기 응력보상층 사이에 배치된 다공성 마스크층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  21. 제8항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 텍스처 구조는 다수의 볼록부를 가지며, 상기 볼록부의 적어도 상부 영역이 상기 핵성장층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 볼록부의 상부영역은 상기 핵성장층으로 형성되며, 상기 볼록부의 하부영역은 상기 응력 보상층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  23. 지지 기판;
    상기 지지 기판 상에 순차적으로 위치한 제2 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제1 도전형 질화물 반도체층을 갖는 발광 구조물;
    상기 발광구조물 상에 형성되며, 알루미늄(Al) 함유층을 갖는 질화물 버퍼구조; 및
    적어도 일부가 상기 질화물 버퍼구조의 Al 함유층을 갖는 텍스처 구조를 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 텍스처 구조는 다수의 볼록부를 가지며, 상기 볼록부의 적어도 상부 영역이 상기 Al 함유층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 볼록부의 상부영역은 상기 Al 함유층이며, 상기 볼록부의 하부영역은 Al이 함유되지 않은 층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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