KR20130007028A - 광 추출 효율이 개선된 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

발광 소자의 전류 밀집 현상을 개선하고 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제시한다.
본 발명의 발광 소자는, 기판, 기판 상에 배치되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물, 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제1 전극 및 제2 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 전극, 및 제2 전극 하부의 제2 도전형 반도체층에 배치되며, 불순물 이온주입층으로 이루어진 전류차단영역을 포함한다.

Description

광 추출 효율이 개선된 발광 소자 및 그 제조방법{Light Emitting Device having improved light extraction efficiedncy and method for fabricating the same}
본 발명은 반도체 발광 소자의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode ; LED) 소자는 GaAs, AlGaN, AlGaAs 등의 화합물 반도체를 이용하여 발광원을 구성함으로써 다양한 색의 빛을 발생시키는 반도체 발광 소자이다. 최근, 물리적, 화학적 특성이 우수한 질화물을 이용하여 구현된 고효율의 3원색(적, 청, 녹) 및 백색 발광 다이오드가 등장하면서 발광 다이오드의 응용범위가 넓어지고 있다.
일반적으로, 질화물 반도체는 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 결정성장을 위한 격자정합조건을 만족하는 사파이어 기판이나 실리콘카바이드(SiC) 기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, 통상적으로 p형 및 n형 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광 구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 플래너(planar) 구조를 갖는다.
플래너 구조의 질화물 발광소자는, 2개의 전극이 발광구조물 상, 하면에 각각 배치된 버티컬(vertical) 구조의 발광소자에 비해 전류 흐름이 전체 발광영역에 균일하게 분포하지 못하므로, 발광에 가담하는 유효면적이 크지 못하고 발광면적당 발광효율도 낮다는 문제가 있다. 이러한 플래너 구조 발광소자와 그로 인한 발광효율의 제한성을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 일 형태를 예시한다.
도 1에 도시된 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(12), n형 질화물 반도체층(14), 활성층(17) 및 p형 질화물 반도체층(18)을 포함한 구조를 갖는다. p측 전극(19b)은 p형 질화물 반도체층(18) 상에 형성되며, n측 전극(19a)은 일반적으로 메사 에칭(mesa etching)을 통해 p형 질화물 반도체층(18)과 활성층(17)의 일부를 제거한 후에, 상기 n형 질화물 반도체층(14)의 노출된 상면 영역에 형성된다.
이러한 플래너 구조 반도체 발광소자에서, 두 전극 사이의 전류 흐름은 최단거리인 경로에 집중되므로, 전류밀도가 집중되는 영역이 발생한다. 또한, 수평방향의 전류흐름을 가지므로 큰 직렬저항으로 인해 비교적 높은 구동전압을 갖는다. 이러한 문제로 인해 실질적으로 발광에 참여하는 면적이 작아지므로 발광 효율이 떨어진다.
또한, 전류의 집중현상(current crowding)은 순간적인 스파크나 과부하시에 많은 전류를 인가하여 그 열로 인해 소자가 파괴되기 쉬우므로, 정전기방전(ESD)의 내성이 취약하다는 문제가 있다. 특히, n형 질화물층 영역은 실리콘(Si)과 같은 불순물이 비교적 높은 농도로 도핑되므로 결정성이 낮을 뿐만 아니라, 전류가 집중되는 영역 중 n형 질화물층 영역은 ESD 내성이 극히 취약한 문제가 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자의 전류 밀집 현상을 개선하여 광 추출 효율 및 소자의 내압 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 발광 소자의 전류 밀집 현상을 개선하여 광 추출 효율 및 소자의 내압 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는, 기판, 기판 상에 배치되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물, 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제1 전극 및 제2 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 전극, 및 제2 전극 하부의 제2 도전형 반도체층에 배치되며, 불순물 이온주입층으로 이루어진 전류차단영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류차단영역에 주입된 이온은, 수소(H), 헬륨(He), 리튬(Li), 베릴륨(Be), 보론(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 플로린(F) 또는 네온(Ne) 중의 어느 하나일 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법은, 기판 상에 제1 도전형의 하부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체층을 차례로 형성하는 단계; 상기 상부 반도체층의 일 영역에 불순물 이온을 주입하여 전류차단영역을 형성하는 단계; 상기 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 패터닝하여 각 발광셀로 분리하는 단계; 상기 하부 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 상부 반도체층 및 활성층을 식각하는 단계; 및 상기 하부 반도체층 및 상부 반도체층 상에 제1 도전형 및 제2 도전형의 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류차단영역을 형성하는 단계는, 상기 상부 반도체층 상에 상기 제2 도전형의 전극이 형성될 영역의 상기 상부 반도체층을 노출하는 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마스크 패턴에 의해 노출된 상기 상부 반도체층에 불순물 이온을 주입하는 단계, 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전류차단영역을 형성하는 단계에서 비활성 이온을 주입할 수 있다. 상기 비활성 이온으로 수소(H), 헬륨(He), 리튬(Li), 베릴륨(Be), 보론(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 플로린(F) 또는 네온(Ne) 중의 어느 하나를 주입할 수 있다.
본 발명의 발광 소자 및 그 제조방법에 따르면, p형 전극 하부의 p형 질화물 반도체층에 입자 이온을 주입하여 전류차단층을 형성함으로써, p형 전극과 기판 사이를 흐르는 전류를 측방향으로 효과적으로 퍼지도록 하여 전류 밀집 현상을 개선하고 발광 효율과 정전기 내압을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 LED 소자의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위하여 나타내보인 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위하여 나타내보인 단면도들이다.
종래의 LED 소자의 경우 p형 전극의 하부에 전류 밀집 현상이 발생하여 p-전극 주위만 밝게 빛나는 현상이 발생하는 등 발광 소자의 발광 효율 및 신뢰도가 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 p형 전극 하부의 p형 반도체층에 불순물 주입에 의한 전류차단층을 형성함으로써, 전류가 p형 전극측으로부터 확산되도록 유도함으로써 전류 집중을 방지하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 소자 에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위하여 나타내보인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 발광 소자는 기판(100) 위에 형성된 n형 질화물 반도체층(112), 활성층(114) 및 p형 질화물 반도체층(116)을 포함하는 반도체 다층막(110)과, 상기 n형 및 p형 질화물 반도체층에 접속되도록 배치된 n측 전극(130) 및 p측 전극(132), 그리고 전류차단영역(140)을 포함한다.
상기 기판(100)은 절연 또는 도전성 기판일 수 있다. 기판(100)은 발광 소자의 제조에 널리 사용되는 사파이어 기판 또는 실리콘카바이드(SiC) 기판일 수 있다.
반도체 다층막(110)은 n형 질화물 반도체층(112)과, n형 질화물 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 p형 질화물 반도체층(116), 그리고 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 개재된 활성층(114)을 포함한다.
도면에는 n형 질화물 반도체층(112)이 하부에 배치되고 p형 질화물 반도체층(116)이 상부에 배치된 경우를 나타내고 있지만, 이와는 반대로 p형 질화물 반도체층 하부에 배치되고 n형 질화물 반도체층이 상부에 배치될 수도 있다.
n형 질화물 반도체층(112), 활성층(114) 및 p형 질화물 반도체층(116)은 각각 BN, AlN, InN 또는 GaN과 같은 화합물 반도체로 형성될 수 있다. n형 및/또는 p형 질화물 반도체층(112, 116)은, 도시된 바와 같이 단일층으로 형성될 수 있으며, 또는 다층으로 형성될 수도 있다.
활성층(114)은 요구되는 파장의 광, 예를 들어 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다. 활성층(114)은 InGaN/GaN 양자우물(quantum well: QW) 구조를 이룰 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층(114)으로 이용될 수 있음은 물론이다. 이러한 활성층(114)에서는 전극을 통해 전계를 인가하였을 때, 전자(electron)-정공(hole) 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다. 또한, 활성층(114)은 휘도 향상을 위하여 양자우물 구조(QW)가 복수로 형성되어 다중 양자우물(multi quantum well: MQW) 구조를 이룰 수 있다.
반도체 다층막(110)과 기판(100) 사이에는 버퍼층(102)이 개재될 수 있다. 버퍼층(102)은 기판(100)과 그 상부에 형성되는 반도체층의 격자부정합을 완화시키기 위하여 배치된다. 버퍼층(102)은 예를 들어 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)과 같은 물질로 형성될 수 있다.
p측 전극(132) 아래의 p형 질화물 반도체층(116)에는 전류차단영역(140)이 형성되어 있다. 전류차단영역(140)은 상기 p측 전극(132)과 기판 사이를 흐르는 전류를 측방향으로 분산시키는 기능을 한다. 이에 따라, 전류 집중 현상 및 정전기 방전을 완화할 수 있다. 전류차단영역(140)은 외부로부터 소정의 불순물 입자를 이온 상태로 상기 p형 반도체층(116)에 주입하여 형성할 수 있다.
투명전극층(120)은 가시영역의 광에 대해 광 투과도가 높으면서 또한 전기전도도가 높은 물질로 이루어진다. 이러한 물질로는, 예를 들어 인듐 틴 옥사이드(ITO), 틴 옥사이드(SnO2), 또는 징크 옥사이드(ZnO)를 들 수 있다.
n형 질화물 반도체층(112)의 상부와 p형 질화물 반도체층(116)의 상부에는 각각 대응하는 도전형인 n측 및 p측 전극(130, 132)이 배치된다.
본 발명의 발광 소자에 따르면, p측 전극 하부의 상기 p형 질화물 반도체층(116)에 전류차단영역(140)을 형성함으로써 p측 전극과 기판 사이를 흐르는 전류를 측방향으로 효과적으로 퍼지도록 한다. 따라서, 전류 밀집 현상을 개선하여 발광 효율과 정전기 내압이 향상된 구조의 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위하여 나타내보인 단면도들이다. 도 2와 동일한 참조번호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상에 통상의 반도체 공정 기술, 예를 들면 MOCVD(Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등과 같은 방법에 의하여, 복수의 질화물계 반도체층(110)을 형성한다.
반도체층(110)은 질화갈륨(GaN)과 같은 동종 기판(100)에 형성될 수 있고, 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si) 또는 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판(100) 위에 형성될 수도 있다. 이하, 상기 사파이어 기판(100)에 반도체층(110)을 형성하는 경우를 예로 설명한다.
상기 반도체층(110)은 기판(100) 상에 n형 질화물 반도체층(112), 활성층(114), 및 p형 질화물 반도체층(116)을 순차적으로 성장시켜 형성한다. 이때, 상기 n형 질화물 반도체층(112)은 n형 GaN 반도체층이고, p형 질화물 반도체층(116)은 p형 GaN 반도체층일 수 있다. 또한, 경우에 따라 그 반대로 형성될 수도 있다.
방향 결정 구조를 갖는 사파이어 기판(100) 상에 질화물로 이루어지는 박막을 성장시킬 경우 격자 부정합에 의하여 박막의 품질이 저하될 수 있으므로, 먼저, 사파이어 기판(100) 상에 버퍼층(102)을 형성하고, 이 버퍼층(102) 위에 상기 복수의 GaN 반도체층(110)을 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 이러한 버퍼층(102)은 기판(100) 상에 핵(seed) 역할을 하며 저온에서 성장되는 제1 버퍼층과, 이 제1 버퍼층 위에 형성되며 도핑되지 않는 GaN 반도체층으로 이루어지는 제2 버퍼층으로 구성될 수 있다(도시되지 않음).
상기 활성층(114)은 InGaN/GaN 양자우물(quantum well: QW) 구조를 이룰 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층(114)으로 이용될 수 있음은 물론이다. 이러한 활성층(114)에서는 추후 형성될 전극을 통하여 전계를 인가하였을 때, 전자(electron)-정공(hole) 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다.
또한, 활성층(114)은 휘도 향상을 위하여 상술한 양자우물 구조(QW)가 복수로 형성되어 다중 양자우물(multi quantum well: MQW) 구조를 이룰 수 있다.
이와 같이, 상기 기판(100) 상에는 GaN 버퍼층(102), n형 질화물 반도체층(112), 다중 양자우물 구조를 갖는 InGaN/GaN/AlGaInN 활성층(114), 및 p형 질화물 반도체층(116)을 포함하는 일련의 GaN 반도체층(110)이 순차적으로 형성된다.
도 4를 참조하면, p형 질화물 반도체층(116) 상에 전류차단영역이 형성될 영역을 한정하는 마스크 패턴(145)을 형성한다. 마스크 패턴(145)은 예를 들어 포토레지스트를 일정 두께 도포한 후 노광 및 현상 공정을 통해 전류차단영역이 형성될 부분, 즉 p형 전극 하부의 상기 p형 질화물 반도체층(116)을 노출하도록 형성할 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층(116)의 노출면을 통하여 상기 p형 질화물 반도체층(116)에 이온 상태의 입자를 주입한다. 이때, 주입되는 입자가 이온 상태라면 적절한 에너지를 가지고 가속되어 주입되는데, 주입 에너지를 조절하여 도시된 바와 같이 p형 질화물 반도체층(116)의 표면 아래 또는 p형 질화물 반도체층(116)의 내부에 주입되도록 한다.
또한, 입자가 p형 질화물 반도체층(116)으로 주입될 때 p형 반도체층에 결정 손상이 일어날 수 있으므로, 이온 상태로 주입되는 입자는 수소(H), 헬륨(He), 리튬(Li), 베릴륨(Be), 보론(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 플로린(F), 네온(Ne) 등과 같이 상대적으로 원자 크기가 작은 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 이온주입 후에는 주입된 이온의 확산 및 결정손상의 치유를 위한 열처리 공정을 실시할 수 있다.
도 5를 참조하면, p형 질화물 반도체층(116) 상에 발광셀이 형성될 영역을 한정하는 포토레지스트 패턴(도시되지 않음)을 형성한다. 이어서, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 p형 질화물 반도체층(116), 활성층(114) 및 n형 질화물 반도체층(112)을 차례로 식각한다. p형 반도체층(116), 활성층(114) 및 n형 반도체층(112)에 대한 식각은 건식식각으로 수행할 수 있다.
다음에, 식각 마스크로 사용된 포토레지스트 패턴을 제거하고, p형 질화물 반도체층 및 활성층에 대한 식각을 실시하여 n형 질화물 반도체층(112)의 일부 표면을 노출시킨다. 이때, 노출된 n형 질화물 반도체층(112)은 과도식각에 의해 도시된 것처럼 일정 두께 식각될 수 있다.
다음에, 발광셀(110)의 p형 질화물 반도체층(116) 상에 투명전극층(120)을 형성한다. 투명전극층(120)은 가시영역의 광에 대해 광 투과도가 높으면서 또한 전기전도도가 높은 물질, 예를 들어 인듐 틴 옥사이드(ITO), 틴 옥사이드(SnO2), 또는 징크 옥사이드(ZnO)로 형성할 수 있다.
투명전극층(120)은 각각의 셀 단위로 패터닝된 복수개의 발광셀이 형성된 기판 상에 투명전극 물질을 일정 두께 형성한 후 식각하여 형성할 수 있다. 또는, 발광셀을 한정하기 위하여 상부 반도체층 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 전에, p형 질화물 반도체층(116) 상에 투명전극물질을 증착한 후 발광셀을 한정하기 위한 식각 과정에서 p형 질화물 반도체층과 함께 패터닝하여 형성할 수도 있다.
계속해서, 셀 분리된 n형 질화물 반도체층(112) 및 p형 질화물 반도체층(116) 상에 각각 n형 전극(130) 및 p형 전극(132)을 형성하고, 통상의 후속 공정을 진행하여 본 발명의 발광 소자를 완성한다. 이때, p형 전극(132)의 경우 전류차단영역(140)과 같은 크기로 형성하거나, 크게 형성할 수도 있다.
상술한 본 발명에 따르면, p형 전극 하부의 p형 질화물 반도체층에 입자 이온을 주입하여 전류차단층을 형성한다. 전류차단영역은 p형 전극과 기판 사이를 흐르는 전류를 측방향으로 효과적으로 퍼지도록 하여 전류 밀집 현상을 개선하고 발광 효율과 정전기 내압을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
11, 100..... 기판 13, 112..... 하부 반도체층
15, 114..... 활성층 17, 116..... 상부 반도체층
19, 120..... 투명전극층 140..........전류차단영역
145..........마스크 패턴

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 전극; 및
    상기 제2 전극 하부의 상기 제2 도전형 반도체층에 배치되며, 불순물 이온주입층으로 이루어진 전류차단영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형은 p형인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층과 기판 사이에 개재된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류차단영역에 주입된 이온은,
    수소(H), 헬륨(He), 리튬(Li), 베릴륨(Be), 보론(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 플로린(F) 또는 네온(Ne) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 기판 상에 제1 도전형의 하부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 상부 반도체층을 차례로 형성하는 단계;
    상기 상부 반도체층 상부에 불순물 이온을 주입하여 전류차단영역을 형성하는 단계;
    상기 하부 반도체층, 활성층 및 상부 반도체층을 패터닝하여 각 발광셀로 분리하는 단계;
    상기 하부 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 상부 반도체층 및 활성층을 식각하는 단계; 및
    상기 하부 반도체층 및 상부 반도체층 상에 제1 도전형 및 제2 도전형의 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전류차단영역을 형성하는 단계에서,
    비활성 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전류차단영역을 형성하는 단계에서,
    수소(H), 헬륨(He), 리튬(Li), 베릴륨(Be), 보론(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 플로린(F) 또는 네온(Ne) 중의 어느 하나를 주입하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조방법.
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