KR20120083740A - 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광 소자는 기판; 기판 위에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층되어 있는 발광적층체;
상기 발광적층체 위에 형성되어 있는 광투과성 전도층; 및 상기 광투과성 전도층 위에 형성되어 있고, 주기적 간격으로 배열된 요철 구조가 형성되어 있는 절연층을 포함한다.
상기 발광적층체 위에 형성되어 있는 광투과성 전도층; 및 상기 광투과성 전도층 위에 형성되어 있고, 주기적 간격으로 배열된 요철 구조가 형성되어 있는 절연층을 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광추출효율이 향상된 구조를 가지는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 발광 소자(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p,n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 광을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광 소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 질화물 반도체 발광 소자가 각광을 받고 있다.
이와 같은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 통상 사파이어(sapphire : Al2O3) 또는 SiC를 기판으로 이용하여 그 위에 형성되는 것이 일반적이다. LED의 발광 효율은 내부 양자 효율과 광추출 효율에 의해 결정되며, 발광 효율을 향상시키기 위한 방법의 하나로 광추출 효율을 향상시키기 위한 다양한 구조의 발광 다이오드에 관한 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 목적은 광추출효율이 향상된 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광 소자는 기판; 기판 위에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층되어 있는 발광적층체;
상기 발광적층체 위에 형성되어 있는 광투과성 전도층; 및 상기 광투과성 전도층 위에 형성되어 있고, 주기적 간격으로 배열된 요철 구조가 형성되어 있는 절연층을 포함한다.
상기 요철의 높이는 
일 수 있다.
(K:정수, λLED:활성층에서 발생하는 최대 방출광의 파장, n절연층:절연층에서 파장 λLED인 광의 굴절률)
상기 요철 구조는 주기적 간격으로 배열된 다각형 기둥 형태일 수 있다.
상기 다각형 기둥은 삼각 기둥, 사각 기둥 및 오각 기둥 중 어느 하나일 수 있다.
상기 다각형 기둥의 모서리 부분은 완만한 형태를 이룰 수 있다.
상기 광투과성 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IO(Indium Oxide), ZnO 및 SnO2 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 절연층은 SiO2 또는 TiO2일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 발광 소자 제조방법은 기판 위에 n형 질화물 반도체층, 활성층, 및 p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층되는 발광적층체를 형성하는 단계; 상기 발광적층체 위에 투광성 전도층을 형성하는 단계; 상기 투광성 전도층 위에 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층에 포토 리소그래피를 이용하여 주기적 간격으로 배열된 요철 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 요철 구조를 형성하는 단계는 건식 식각 또는 습식 식각을 통해 요철 구조를 형성할 수 있다.
상기 요철 구조는 주기적 간격으로 배열된 다각형 기둥 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 우수한 광추출효율을 가지는 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 사시도이다.
도 2a는 도 1의 반도체 발광 소자를 I-I'방향 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2b는 평평한 절연층을 구비하는 반도체 발광 소자에 있어서 방출광의 입사각 영역을 나타내는 개념도이다.
도 3은 요철의 모서리 부분이 완만할 때 방출광의 입사각 영역을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 요철 구조를 가지는 발광 소자의 평면도를 나타낸다.
도 5는 요철 구조의 형태에 따른 방출광의 입사각 영역을 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 발광 소자의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a는 도 1의 반도체 발광 소자를 I-I'방향 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2b는 평평한 절연층을 구비하는 반도체 발광 소자에 있어서 방출광의 입사각 영역을 나타내는 개념도이다.
도 3은 요철의 모서리 부분이 완만할 때 방출광의 입사각 영역을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 요철 구조를 가지는 발광 소자의 평면도를 나타낸다.
도 5는 요철 구조의 형태에 따른 방출광의 입사각 영역을 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 발광 소자의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 반도체 발광 소자는 기판(110), 발광적층체(150), 투광성 전도층(160), 및 절연층(170)을 포함하고 있다.
사파이어 기판은, 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 격자 간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이러한 사파이어 기판의 C면의 경우 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 다만, 본 발명에서 단결정 성장용 기판(110)은 사파이어 기판으로 제한되지 않으며, 단결정 성장용으로 일반적으로 사용될 수 있는 SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 및 LiGaO2 등으로 이루어진 기판도 채용이 가능하다.
기판(110) 위에는 발광적층체(150)가 형성되어 있다. 발광적층체(150)는 기판(110) 위에 제1형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층(140)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 본 발명에서, 상기 '발광구조물'은, 상기 n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)이 순차적으로 적층되어 형성된 구조물을 의미한다.
상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(120, 140)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
상기 활성층(130)은 단일 또는 다중 양자 웰 구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다.
상기 발광적층체(150) 위에 투광성 전도층(160)이 형성된다. 투광성 전도층(160)은 p-전극(119)을 통해 인가된 전류를 반도체 발광 소자 전체에 분산하며, 활성층(130)에서 생성된 빛을 투과시켜 외부로 추출할 수 있도록 투명한 도전물질로 될 수 있다. 일 예로 투광성 전도층(160)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IO(Indium Oxide), ZnO 및 SnO2 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며 바람직하게는 ITO로 이루어져 있다.
투광성 전도층(160) 위에는 절연층(170)이 형성되어 있다. 절연층(170)은 상기 발광적층체(150) 및 투광성 전도층(160)을 보호하고, 상기 절연층(170) 위에 전극이 형성되는 경우 상기 전극과 발광적층체(150) 사이를 전기적으로 절연하는 역할을 한다. 상기 절연층(170)은 일 예로 SiO2 또는 TiO2일 수 있다. 절연층(170)에 주기적 간격으로 배열된 요철 구조(172)는 활성층(130)에서 생성된 빛의 광추출효율을 높이기 위한 것으로 이하 도 2a 및 도 2b를 이용하여 자세히 설명할 것이다.
도 2a는 도 1의 반도체 발광 소자를 I-I'방향 단면을 나타내는 단면도이다. 활성층으로부터 생성된 빛은 각 반도체층 사이의 계면을 통과하여 외부로 방출되기도 하지만, 계면에서 반사되어 다시 활성층 방향으로 향하거나, 소멸되기도 한다. 특히 계면에서의 광의 입사각에 따라서 계면에서 외부로 방출되기도 하고, 내부로 다시 반사되기도 한다. 도 2b는 평평한 절연층(170a)을 구비하는 반도체 발광 소자에 있어서 방출광의 입사각 영역을 나타내는 개념도이다. 도 2b를 참조하면, 회색 영역은 계면에서 외부로 방출될 수 있는 광의 입사각 영역을 나타내는 개념도이다. 계면이 평평한 경우 외부로 방출되는 광의 방출 입사각(θ2)은 0≤θ2≤θcrit(θcrit : 임계각)로 나타난다.
다시 도 2a를 참조하면, 절연층(170)과 외부와의 계면에서 외부로 방출될 수 있는 광의 입사각은 0≤θ1≤θcrit 및 90- θcrit ≤θ1≤ 90이다(θcrit : 임계각). 앞의 입사각 범위는 요철 구조(172)의 상면을 투과하여 방출하는 광의 입사각의 범위이고, 뒤의 입사각 범위는 요철 구조(172)의 측면을 투과하여 방출하는 광의 입사각을 나타낸다.
따라서 절연층(170)의 표면에 요철을 형성하는 경우, 절연층(170)이 평평한 면일 때에 비해 외부로 방출되는 광의 입사각의 범위가 넓어짐을 알 수 있다.
광 방출률을 높이기 위해서는 요철구조의 높이(h2-h1)가 중요한 패러미터가 된다. 도 2a에서 h2-h1 = K?λLED/(2?n절연층) [K: 정수, λLED : , n절연층: 절연층에서의 파장 λLED 인 광의 굴절률]일 때 광방출률은 약 98%에 이른다. 일 예로 절연층이 SiO2(Silica)이고, 활성층의 발광파장이 약 450nm이라고 한다면, 파장이 450nm일 때 SiO2 의 굴절률은 약 1.47이므로, 요철의 높이는 약 153nm의 정수 배일 때 광방출률이 약 98%에 이른다.
또한 요철 구조(172)의 폭(L1)과, 인접하는 요철 구조 사이의 간격(L2) 또한 광추출율을 높이기 위해서는 중요한 패러미터이다. 일 예로 L1, L2 각각 약 1㎛ 내지 약 50㎛의 범위로 설계될 수 있다.
도 3은 요철 구조의 모서리 부분이 완만할 때 방출광의 입사각 영역을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 요철 구조(172')의 모서리가 완만하게 형성되어 있을 때, 외부로 방출될 수 있는 광의 입사각 영역은 도 2a에 나타난 그것보다 더 넓음을 알 수 있다. 요철 구조 형성을 위한 식각 공정 시 완성되는 이상적인 모양은 모서리가 각진 다각형 기둥모양이지만 실제로는 다소 간의 공정 오차로 인하여 모서리가 완만하게 형성되는 것이 일반적이므로 요철 구조(172')의 모서리가 완만하게 형성되는 것이 자연스러울 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 요철 구조를 가지는 발광 소자의 평면도를 나타낸다. 도 4(a)를 참조하면, 인접하는 사각 기둥 형태의 요철 구조(172a)의 꼭지점이 맞닿아 있는 형태로 형성되어 있다. 도 1에 개시되어 있는 요철 구조에 비해 요철 구조(172a)의 간격이 좁아 요철 구조(172a)의 측면 면적의 합도 도1의 요철 구조보다 더 크므로 도 1의 광추출효율보다 우수하다.
도 4(b)를 참조하면, 인접하는 삼각 기둥 형태의 요철 구조(172b)의 꼭지점이 맞닿아 있는 형태로 형성되어 있다. 도 4(b)에 개시된 요철 구조(172b)는 도 1 및 도 4(a)에 개시된 요철 구조에 비해 측면 면적과 방출광의 입사각 범위가 더 넓어 광추출 효율을 높일 수가 있다. 자세한 내용은 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 요철 구조의 형태에 따른 방출광의 입사각 영역을 나타내는 평면도이다. 도 5의 (a), (b)를 참조하면, 요철 구조(172a, 172b) 내부에 갖혀 있는 광(210, 230)과 요철 구조(172a, 172b) 바깥으로 방출되는 광(220, 240)을 나타낸다. 사각기둥 형태의 요철 구조(172a) 의 경우 외부로 방출되는 광의 입사각 영역은 4개임에 비해 삼각기둥 형태의 요철 구조(172b)는 외부로 방출되는 광의 입사각 영역은 6개이고, 방출광의 입사각의 범위도 삼각기둥 형태의 요철 구조(172b)가 더 넓다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 발광 소자의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 기판 위에 발광적층체를 형성한다(310). 상기 발광적층체는 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 포함한다. 발광적층체는 기판 위에 MOCVD, MBE, 스퍼터링 등의 방법으로 형성할 수 있다. 발광적층체의 격자 품질을 향상하기 위해, 기판 위에 버퍼층을 더 형성할 수도 있다.
다음 발광적층체 위에 투광성 전도층을 형성한다(320). 일 예로 투광성 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IO(Indium Oxide), ZnO 및 SnO2 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며 바람직하게는 ITO로 이루어져 있다. 발광적층체는 기판 위에 MOCVD, MBE, 스퍼터링 등의 방법으로 형성할 수 있다.
투광성 전도층 위에 절연층을 형성한다(330). 절연층은 상기 발광적층체 및 투광성 전도층을 보호하고, 상기 절연층 위에 전극이 형성되는 경우 상기 전극과 발광적층체 사이를 전기적으로 절연하는 역할을 한다. 상기 절연층은 일 예로 SiO2 또는 TiO2일 수 있다.
절연층에 포토리소그래피를 이용하여 주기적 간격으로 배열된 요철구조를 형성한다(340). 즉 절연층 위에 요철 구조의 패턴에 따라 포토레지스트를 도포하고, 요철 구조의 오목한 부분이 형성될 부분을 건식 식각 또는 습식 식각한다. 예를 들어 반응성 이온에칭방법(RIE)에 의해서 원하는 요철 구조의 높이가 형성되도록 건식 식각을 실시할 수 있다. 또는 KOH, HF, HNO3 등을 적어도 하나 포함하는 에천트를 이용한 습식 식각도 가능하다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
110: 기판 120: n형 질화물 반도체층
130: 활성층 140: p형 질화물 반도체층
150: 발광적층체 160: 투광성 전도층
170, 170a, 170b: 절연층 172, 172', 172a, 172b: 요철 구조
130: 활성층 140: p형 질화물 반도체층
150: 발광적층체 160: 투광성 전도층
170, 170a, 170b: 절연층 172, 172', 172a, 172b: 요철 구조
Claims (10)
- 기판;
기판 위에 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층되어 있는 발광적층체;
상기 발광적층체 위에 형성되어 있는 광투과성 전도층; 및
상기 광투과성 전도층 위에 형성되어 있고, 주기적 간격으로 배열된 요철 구조가 형성되어 있는 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 요철의 높이는인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
(K:정수, λLED:활성층에서 발생하는 최대 방출광의 파장, n절연층:절연층에서 파장 λLED인 광의 굴절률)
- 제1항에 있어서,
상기 요철 구조는 주기적 간격으로 배열된 다각형 기둥 형태인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 다각형 기둥은 삼각 기둥, 사각 기둥 및 오각 기둥 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 다각형 기둥의 모서리 부분은 완만한 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 광투과성 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IO(Indium Oxide), ZnO 및 SnO2 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 절연층은 SiO2 또는 TiO2인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 기판 위에 n형 질화물 반도체층, 활성층, 및 p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층되는 발광적층체를 형성하는 단계;
상기 발광적층체 위에 투광성 전도층을 형성하는 단계;
상기 투광성 전도층 위에 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층에 포토 리소그래피를 이용하여 주기적 간격으로 배열된 요철 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 요철 구조를 형성하는 단계는 건식 식각 또는 습식 식각을 통해 요철 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 요철 구조는 주기적 간격으로 배열된 다각형 기둥 형태인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020110005047A KR20120083740A (ko) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 |
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| KR1020110005047A KR20120083740A (ko) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 |
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|---|---|
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Family
ID=46714898
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| KR (1) | KR20120083740A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9112102B2 (en) | 2012-10-30 | 2015-08-18 | Seoul Viosys Co., Ltd. | Light emitting diode and method of fabricating the same |
-
2011
- 2011-01-18 KR KR1020110005047A patent/KR20120083740A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US9112102B2 (en) | 2012-10-30 | 2015-08-18 | Seoul Viosys Co., Ltd. | Light emitting diode and method of fabricating the same |
| US9608165B2 (en) | 2012-10-30 | 2017-03-28 | Seoul Viosys Co., Ltd. | Light emitting diode and method of fabricating the same |
| US10084112B2 (en) | 2012-10-30 | 2018-09-25 | Seoul Viosys Co., Ltd. | Light emitting diode and method of fabricating the same |
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