KR20120068303A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 및 상기 기판 상에 형성된 도전층과 활성층 및 전극을 포함하는 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 상기 기판 표면에는 부분 원호 단면 형상을 갖는 다수의 제1패턴과, 상기 제1패턴 표면상에 형성되는 다수의 제2패턴을 갖는 다중 엠보싱 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 광출력 효율이 향상되는 반도체 발광소자 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
대표적인 반도체 발광소자로는 레이저 다이오드(Laser diode : LD) 및 발광 다이오드(Light emitting diode : LED)가 있는데, 이 중 발광 다이오드는 질화물계 화합물 반도체의 특성을 이용한 것으로서, 전기 에너지를 적외선이나 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시킨 신호를 발신하는데 사용되는 소자이다.
질화물계 화합물 반도체는 고온에서 안정적인 성능을 발휘하기 때문에, 발광 다이오드나 레이저 다이오드 등의 반도체 발광소자에 널리 응용되고 있다. 이러한 질화물계 화합물 반도체는 통상적으로 사파이어(Sapphire : Al2O3) 기판 상에 반도체 공정을 이용하여 형성된다.
도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 종래 반도체 발광소자(101)는 사파이어 기판(110) 상에 n-GaN층(120)이 형성되며, n-GaN층(120) 상부의 일부분에 활성층(130), p-GaN층(140) 및 p형 전극층(141)이 차례로 형성되어 있다. 그리고, n-GaN층(120) 상부의 활성층(130)이 형성되지 않은 영역에 n형 전극층(121)이 형성되어 있다.
이러한 일반적인 반도체 발광소자(101)는 활성층(130)에서 발생된 빛을 얼마나 효율적으로 외부로 추출할 수 있는가가 관건이다. 이에 사파이어 기판(110) 및 활성층(130)의 종방향으로 발생된 빛을 효율적으로 추출하기 위해서 투명전극(미도시) 또는 반사층(미도시)을 형성하는 등의 기술이 개발된 바 있다.
그러나, 활성층(130)에서 발생하는 빛의 상당량은 횡방향으로 전파되므로 투명전극(미도시) 또는 반사층(미도시) 등을 형성하는 것만으로는 빛을 외부로 추출하는 광출력 효율을 향상시키는데 한계가 따른다.
상기와 같은 종래 반도체 발광소자들의 문제점을 해결하기 위해서 최근에는 도 2에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(210) 표면에 요철(211) 구조를 형성하고, 요철(211) 구조 상부에 활성층(230)을 포함한 반도체 결정층들을 형성시킨 반도체 발광소자(201)가 개발된 바 있다.
이 반도체 발광소자(201)는 활성층(230) 하측에 요철 모양의 굴절율 계면을 형성함으로써, 발광소자(201) 내부에서 소멸하는 횡방향 빛의 일부를 외부로 추출 가능하도록 한 것이다.
이러한 사파이어 기판(210) 상에 요철(211) 구조가 형성된 반도체 발광소자(201)는 사파이어 기판(210) 상에 요철(211) 구조를 형성한 다음, 이 사파이어 기판(210) 상에 GaN층(220,240)을 형성하게 되는데, GaN(220,240)층이 형성될 때, 요철(211)의 상부 및 각 요철(211)의 측부에서 GaN이 패싯(facet) 성장을 하게 되고, 이러한 성장이 진행된 후 평탄화된 GaN층(220)을 얻게 된다. 이렇게 평탄화된 GaN층 상부에 활성층(230), 전극층(221,241) 등을 형성시켜서 반도체 발광소자(201)를 완성한다.
그러나, 이와 같은, 요철 구조를 갖는 반도체 발광소자(201)는 요철 구조 상에서 실질적으로 패싯(facet)성장이 이루어진 다음에 평탄화가 진행되므로 그 평탄화를 위해 상당한 두께로 재성장을 해야 하므로 반도체 발광소자(201)의 전체적인 두께가 두꺼워지는 문제점이 있었다.
또한, 미세한 요철 구조를 형성하는 것은 정밀도가 요구되는 것인데, 정밀도가 떨어지는 요철 구조가 형성되면 요철면에 비정상적인 홈들이 형성되는 불량 요철 구조가 되고, 이러한 불량 요철이 형성된 기판 상에 GaN을 성장시키면 보이드에 의한 크랙이 발생된다.
이에 의해, GaN의 결정성 저하에 따른 광출력 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
한편, 기판 상에 요철 구조가 형성된 반도체 발광소자에 비해 광출력 효율을 증가시키면서 제품의 슬림화를 도모하기 위해 기판(310) 상에 부분 원호 단면 형상의 패턴(311)들이 형성되어 있는 반도체 발광소자(301)가 도 3과 같이. 개시된 바 있다.
그러나, 이러한 부분 원호 단면 형상의 패턴(311)을 갖는 기판(310)을 포함하는 반도체 발광소자(301)는 요철 구조에 비해 제품의 슬림화와 패턴 상의 크랙 발생을 방지할 수 있었으나 패턴(311)의 곡면에서 빛을 사방으로 굴절시키는 구조로서 요철 구조에 비해 집광 효율의 향상에 따른 광출력 효율이 어느 정도 기대되기는 하지만, 현격한 광출력 향상을 기대하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 광출력 효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라서, 기판 및 상기 기판 상에 형성된 도전층과 활성층 및 전극을 포함하는 반도체 발광소자에 있어서, 상기 기판 표면에는 부분 원호 단면 형상을 갖는 다수의 제1패턴과, 상기 제1패턴 표면상에 형성되는 다수의 제2패턴을 갖는 다중 엠보싱 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 의해 달성된다.
여기서, 기판은 사파이어(Al2O3) 기판으로 마련되며, 제1패턴은 등방성 에칭 처리에 의해 형성되고, 제2패턴은 표면 플라즈마 엠보싱 처리에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 제1패턴은 기판 표면으로부터 상향 돌출되어 있으며, 제2패턴은 상기 제1패턴의 표면상에 형성된 다수의 돌기인 것이 효과적이다.
혹은, 제1패턴은 기판 표면으로부터 상향 돌출되어 있으며, 제2패턴은 상기 제1패턴의 표면상에 형성된 다수의 홈인 것이 바람직하다.
이때, 제2패턴의 형성 높이는 0.1 내지 1μm인 것이 바람직하다.
또한, 제2패턴은 원호 단면 형상, 다각형 단면 형상, 불규칙적인 단면 형상 중 적어도 어느 하나의 단면 형상을 갖는 것이 효과적이다.
또한, 제1패턴과 제2패턴의 평면 형상은 원형, 타원형, 다각형 중 적어도 어느 하나의 평면 형상을 갖는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 분야에 따라서, 기판 및 상기 기판 상에 형성된 도전층과 활성층 및 전극을 포함하는 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 기판 표면에 부분 원호 단면 형상을 갖는 다수의 제1패턴을 형성하는 단계; 상기 제1패턴 표면에 다수의 제2패턴을 형성하는 단계; 상기 제1패턴과 제2패턴이 형성된 기판 상에 상기 도전층과 활성층 및 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 기판은 사파이어(Al2O3) 기판으로 마련되며, 제1패턴은 등방성 에칭 처리에 의해 형성되고, 제2패턴은 표면 플라즈마 엠보싱 처리에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 제1패턴을 형성하는 에칭 가스는 BCl3인 것이 효과적이다.
그리고, 제1패턴을 형성하는 에칭 처리 시간은 18분 내지 20분인 것이 바람직하다.
또한, 제2패턴을 형성하는 플라즈마 가스는 H2 + He이거나, N2 + H2인 것이 효과적이다.
이때, 제2패턴을 형성하는 표면 플라즈마 엠보싱 처리 시간은 2분 내지 5분인 것이 바람직하다.
또한, 제2패턴을 형성하는 표면 플라즈마 엠보싱 처리의 작동 압력은 200mTorr 내지 1Torr인 것이 효과적이다.
본 발명에 따르면, 광출력 효율이 향상되는 반도체 발광소자 및 그 제조방법이 제공된다.
도 1 내지 도 3은 종래 반도체 발광소자의 예들을 나타낸 측단면도,
도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 측단면도,
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 기판들의 실시예들을 나타낸 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조 공정 흐름도,
도 10은 본 발명에 따른 반도체 발광소자와 종래 반도체 발광소자들의 광출력 효율을 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 반도체 발광소자(1)는 기판(10) 상에 제1도전층(20)이 형성되어 있으며, 제1도전층(20) 상부의 일부 영역에 활성층(30)과 제2도전층(40) 및 제2전극(41)이 차례로 형성되어 있고, 제1도전층(20) 상부의 활성층(30)이 형성되지 않은 영역에 제1전극(21)이 형성되어 있는 구조를 가질 수 있다.
기판(10)은 사파이어(Al2O3) 기판(10)으로 마련되는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 실리콘(Si) 기판이나 탄화규소(SiC) 등의 질화물계 화합물 반도체를 성장시킬 수 있는 다른 기판을 이용할 수도 있다. 이하에서는 사파이어(Al2O3) 기판(10)을 사용하는 것으로 설명한다.
그리고, 제1도전층(20)은 n-GaN 물질로 형성될 수 있으며, 제2도전층(40)은 P-GaN 물질로 형성될 수 있다. 이때, 제1도전층(20)과 제2도전층(40)을 형성하는 물질은 GaN 물질 외에도 AlN 또는 InN과 같은 2원계 또는 3원계나 4원계 물질을 이용할 수 있음음 물론이다.
한편, 본 발명에 따른 반도체 발광소자(1)의 기판(10)은 도 4에 도시된 바와 같이, 표면상에 다중 엠보싱 패턴(50)이 다수 형성되어 있는 구조를 가지고 있다. 이하에서는 본 발명에 따른 기판(10) 표면상에 형성될 수 있는 다중 엠보싱 패턴(50)들에 대해 도 5 내지 도 8을 참고하여 설명한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 다중 엠보싱 패턴(50)이 형성되어 있는 반도체 발광소자의 기판 단면도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 기판(10) 표면에 형성되는 다중 엠보싱 패턴(50)은 기판(10) 표면상에 형성되는 다수의 제1패턴(51)과, 제1패턴(51)들의 표면상에 형성되는 다수의 제2패턴(52)을 갖는다.
제1패턴(51)들은 각각 기판(10) 표면으로부터 부분 원호 단면 형상으로 상향 돌출된 구조를 가지고 있으며 상호 소정의 간격을 두고 형성되어 있다. 그리고, 제2패턴(52)은 제1패턴(51)의 원호 곡면의 표면상에 형성된 다수의 돌기 또는 홈 형상으로 형성될 수 있다.
이 다중 엠보싱 패턴(50)은 소정의 에칭 가스(Etching Gas)를 이용한 등방성 에칭(Isotropic Etching) 처리에 의해 기판(10) 상에 부분 원호 단면 구조를 갖는 다수의 제1패턴(51)을 형성한 후, 소정의 플라즈마 처리 가스를 이용한 표면 플라즈마 엠보싱(Surface plasma embossing) 처리에 의해 제1패턴(51)의 원호 곡면 표면상에 미세하게 다수의 제2패턴(52)을 형성할 수 있다.
이때, 제2패턴(52)의 단면 형상은 제1패턴(51) 표면으로부터 미세하게 돌출된 돌기 형상으로서 도 5와 같이, 원호 단면 형상의 돌기일 수도 있으며, 도 6과 같이, 다각형 단면 형상의 돌기일 수도 있다.
또는, 제2패턴(52)은 제1패턴(51) 표면으로부터 미세하게 함몰된 형상으로서 도 7과 같이, 원호 단면 형상의 함몰 구조일 수도 있으며, 도 8과 같이, 다각형 단면 형상의 함몰 구조일 수도 있다.
여기서, 제1패턴(51)과 제2패턴(52)의 평면구조는 도시하지 않았지만, 원형이거나 타원형, 또는 다각형 형상이거나 다양한 평면 형상의 복합 구조로 형성될 수 있다.
물론, 제2패턴(52)은 도시하지 않았지만, 제1패턴(51) 표면으로부터 불규칙한 단면 구조를 가지고 미세하게 돌출되거나 함몰된 구조일 수 있으며, 그 평면 구조 역시 불규칙한 평면구조로 형성될 수 있다.
그리고, 제2패턴의 형성 높이는 0.1 내지 1μm인 것이 광의 산란에 의한 발광효율 증대에 바람직하다.
한편, 도 9는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제조공정 흐름도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 발광소자(1)의 제조공정은 평면형 기판(10), 예컨대 사파이어 기판(10)을 마련한다(S01). 그리고, 기판(10) 상에 등방성 에칭(Isotropic Etching) 처리를 행하여 제1패턴(51)을 형성한다(S02).
이때, 사파이어(Al2O3) 기판(10) 상에 제1패턴(51)을 형성하기 위한 등방성 에칭 처리 조건으로서, BCl3 에칭가스를 이용하여 18분 내지 20분 동안 사파이어 기판(10)을 에칭 한다. 에칭 가스는 BCl3 외에 Cl2, HCl, CCl4, SiCl4 등의 Cl계열 가스 중에서 선택될 수도 있다. 그리고, 작동 압력의 경우 에칭 가스 또는 상황에 따라 수mTorr 내지 수Torr 사이에서 선택할 수 있다.
그리고, 제1패턴(51)을 에칭할 때, 기판(10) 상에 제1패턴(51) 형성 영역에 대응하는 개구 영역을 갖는 마스크를 위치시킨 후 개구된 영역을 상기 조건으로 에칭할 수 있다.
이와 같은, 등방성 에칭 처리에 의해 기판(10) 상에 전술한 바와 같은 부분 원호 단면 형상을 갖는 다중 엠보싱 패턴(50)의 제1패턴(51)이 형성될 수 있다.
제1패턴(51)을 형성한 다음, 표면 플라즈마 엠보싱(Surface plasma embossing) 처리를 행하여 제1패턴(51) 표면상에 미세한 제2패턴(52)을 형성한다(S03).
이때, 제1패턴(51) 표면에 제2패턴(52)을 형성하기 위한 표면 플라즈마 엠보싱 처리조건으로서, 플라즈마 가스는 H2 + He 또는 N2 + H2 가스를 이용하여 2분 내지 5분 동안 제1패턴(51)이 형성되어 있는 기판(10)에 표면 플라즈마 엠보싱 처리를 가한다. 이때, 작동 압력은 플라즈마 가스 또는 상황에 따라 200mTorr 내지 1Torr 사이에서 선택하는 것이 바람직하다.
이와 같은, 표면 플라즈마 엠보싱 처리에 의해 기판(10)의 제1패턴(51) 표면 상에 전술한 바와 같은 다중 엠보싱 패턴(50)의 제2패턴(52)이 형성될 수 있다.
기판(10) 상에 다중 엠보싱 패턴(50)을 형성한 다음, 기판(10) 상에 반도체 발광소자(1)를 구성하는 화합물 반도체층들인 n-GaN 물질의 제1도전층(20)과, 활성층(30), P-GaN 물질의 제2도전층(40) 및 제1전극(21)과 제2전극(41)을 형성한다(S04).
여기서, 본 발명에 따른 다중 엠보싱 패턴(50)을 갖는 기판(10)을 구비한 반도체 발광소자(1)의 화합물 반도체층들은 일반적인 반도체 발광소자(101,201,301)와 크게 다르지 않기 때문에, 일반적인 반도체 발광소자(101,201,301)의 제조공정을 이용하면 용이하게 실시할 수 있다. 이에 화합물 반도체층들의 제조공정에 대한 설명은 생략한다.
이러한 제조공정에 의해 제조된 본 발명에 따른 반도체 발광소자(1)는 기판(10) 상에 형성되는 다중 엠보싱 패턴(50)이 제1패턴(51)에 의해 전체적으로 부분 원호 단면 형상을 갖게 됨으로써, 다중 엠보싱 패턴(50) 상에 패싯 성장 과정에서 평탄화가 신속하게 진행되어 성장의 두께가 두꺼워지지 않으므로 반도체 발광소자(1)의 전체적인 두께가 슬림화될 수 있다.
이와 더불어, 활성층(30)에서 발광되는 빛이 기판(10) 상의 다중 엠보싱 패턴(50)을 형성하는 제1패턴(51)과 제2패턴(52)들에서 집광 굴절되면서 산란됨으로써, 광출력 효율이 현격하게 증가된다. 이러한 광출력 효율 증가에 대해서 도 10에는 본 발명에 따른 반도체 발광소자(1)와 종래 반도체 발광소자(101,201,301)로서 평면형 기판(A)과 요철 패턴을 갖는 기판(B) 및 부분 원호 단면 패턴을 갖는 기판(C)을 구비한 발광소자들의 비교한 실험한 결과 그래프가 도시되어 있다.
도 10에서 확인할 수 있는 바와 같이, 평면형 기판(A)을 구비한 반도체 발광소자의 광출력 효율을 100%로 했을 때, 요철 패턴을 갖는 기판(B)을 구비한 반도체 발광소자는 130%의 광출력 효율을 얻을 수 있으며, 부분 원호 단면 패턴을 갖는 기판(C)을 구비한 반도체 발광소자는 160%의 광출력 효율을 얻을 수 있었다.
그리고, 본 발명에 따른 다중 엠보싱 패턴(50)을 갖는 기판(D)을 구비한 반도체 발광소자(1)는 200%의 광출력 효율을 얻을 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 광출력 효율이 현격하게 향상된 반도체 발광소자 및 그 제조방법이 제공된다.
10 : 기판 20 : 제1전도층
21 : 제1전극 30 : 활성층
40 : 제2도전층 41 : 제2전극
50 : 다중 엠보싱 패턴 51 : 제1패턴
52 : 제2패턴

Claims (15)

  1. 기판 및 상기 기판 상에 형성된 도전층과 활성층 및 전극을 포함하는 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 기판 표면에는
    부분 원호 단면 형상을 갖는 다수의 제1패턴과, 상기 제1패턴 표면상에 형성되는 다수의 제2패턴을 갖는 다중 엠보싱 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    기판은 사파이어(Al2O3) 기판으로 마련되며, 제1패턴은 등방성 에칭 처리에 의해 형성되고, 제2패턴은 표면 플라즈마 엠보싱 처리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    제1패턴은 기판 표면으로부터 상향 돌출되어 있으며, 제2패턴은 상기 제1패턴의 표면상에 형성된 다수의 돌기인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    제1패턴은 기판 표면으로부터 상향 돌출되어 있으며, 제2패턴은 상기 제1패턴의 표면상에 형성된 다수의 홈인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    제2패턴의 형성 높이는 0.1 내지 1μm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    제2패턴은 원호 단면 형상, 다각형 단면 형상, 불규칙적인 단면 형상 중 적어도 어느 하나의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    제1패턴과 제2패턴의 평면 형상은 원형, 타원형, 다각형 중 적어도 어느 하나의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 기판 및 상기 기판 상에 형성된 도전층과 활성층 및 전극을 포함하는 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서,
    상기 기판 표면에 부분 원호 단면 형상을 갖는 다수의 제1패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1패턴 표면에 다수의 제2패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1패턴과 제2패턴이 형성된 기판 상에 상기 도전층과 활성층 및 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    기판은 사파이어(Al2O3) 기판으로 마련되며, 제1패턴은 등방성 에칭 처리에 의해 형성되고, 제2패턴은 표면 플라즈마 엠보싱 처리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    제1패턴을 형성하는 에칭 가스는 BCl3인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    제1패턴을 형성하는 에칭 처리 시간은 18분 내지 20분인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    제2패턴을 형성하는 플라즈마 가스는 H2 + He인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    제2패턴을 형성하는 플라즈마 가스는 N2 + H2인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    제2패턴을 형성하는 표면 플라즈마 엠보싱 처리 시간은 2분 내지 5분인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    제2패턴을 형성하는 표면 플라즈마 엠보싱 처리의 작동 압력은 200mTorr 내지 1Torr인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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