KR20130104823A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20130104823A
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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 복수의 V-피트(122)를 갖는 제1 도전형 반도체층(120), 상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에 형성된 활성층(140), 상기 활성층(140) 상에 형성되는 제2 도전형 반도체층(150) 및 상기 복수의 V-피트(122)의 적어도 일부를 채우며, 상기 활성층(140)에서 방출된 광에 의하여 표면 플라즈몬이 여기될 수 있는 금속 물질을 포함하는 금속부(124)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 격자결함이 완화되고, 광효율이 상승된 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor Light Emitting Device and Manufacturing Method of the same}
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자의 일종인 발광다이오드(LED)는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치로서, 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 등의 여러 장점을 갖는바 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다.
특히 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 3족 질화물 반도체(이하 '질화물 반도체'라고 함)가 각광을 받고 있으며, 이러한 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시킨 발광 구조물을 포함하며, n형 질화물 반도체층에서 제공되는 전자와 p형 질화물 반도체층에서 제공되는 정공이 활성층에서 재결합됨에 따라 발광이 일어난다.
그러나 이러한 질화물 반도체의 경우, 일반적으로 질화물 반도체층 성장 시 기판과의 격자상수 및 열팽창계수 불일치로 인한 스트레인(strain)에 의해 격자결함이 발생하는 문제가 있고, 또한, 질화갈륨과 외부물질 간의 굴절률 차이에 의하여, 발생된 빛의 상당부분이 내부로 전반사 되어 외부로 방출되지 않는바 광효율이 낮아지는 문제가 있다.
이에, 당 기술분야에서는 반도체의 격자결함을 완화하고, 아울러 광효율을 개선하는 방안이 요구되고 있다.
본 발명의 목적 중 하나는, 격자결함이 완화되어 산포특성이 개선되고, 광효율이 개선된 반도체 발광소자를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적 중 하나는, 상기와 같은 구조를 갖는 반도체 발광소자를 효율적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결 수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 형태는, 복수의 V-피트를 갖는 제1 도전형 반도체층과, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층 및 상기 복수의 V-피트의 적어도 일부를 채우며, 상기 활성층에서 방출된 광에 의하여 표면 플라즈몬이 여기될 수 있는 금속 물질을 포함하는 금속부를 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 반도체 발광소자는 상기 복수의 V-피트의 사면에 형성된 절연막을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 절연막은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 반도체 발광소자는 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성된 전자주입층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전자주입층은 초격자 구조를 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 금속부는 상기 제1 도전형 반도체층에 접하는 활성층의 계면과 10 nm 내지 50nm 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 V-피트의 내경은 100nm 내지 400nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 V-피트는 육각 피라미드 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 금속부는 Ni, Ag, Au, Cu, Al 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은, 복수의 V-피트를 갖는 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층과 제2 도전형 반도체층을 형성하되, 상기 복수의 V-피트에는, 상기 활성층에서 방출되는 광에 의하여 표면 플라즈몬이 여기될 수 있는 금속 물질을 포함하는 금속부를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 본 제조방법은, 상기 금속부를 형성하는 단계 이전에, 상기 복수의 V-피트 사면에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 절연막은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 본 제조방법은, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 전자주입층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전자주입층은 초격자 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 금속부는 상기 제1 도전형 반도체층에 접하는 활성층의 계면과 10 nm 내지 50nm 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 V-피트의 내경은 100nm 내지 400nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 V-피트는 육각 피라미드 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 V-피트는 인시츄(in-situ) 공정으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 금속부는 Ni, Ag, Au, Cu, Al 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의할 경우, 산포특성이 개선됨과 동시에, 광효율이 우수한 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.
나아가, 이러한 구조를 갖는 반도체 발광소자를 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 2는 도 1의 일부 구조를 개략적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면도이다
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 5 내지 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9 내지 10은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서 개별적인 실시 형태는 서로 합쳐진 형태로 제공될 수 있음은 평균적인 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자는 기판(110), 상기 기판(110) 상에 형성되며, 복수의 V-피트(122)를 갖는 제1 도전형 반도체층(120), 상기 복수의 V-피트(122)의 적어도 일부에 채워지는 금속부(124), 상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에 형성되는 활성층(140), 제2 도전형 반도체층(150)과, 제1 및 제2 전극(161, 162)을 포함한다.
상기 기판(110)은 반도체 성장용 기판으로 제공되는 것으로, 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등과 같이 전기 절연성 및 도전성 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 가장 바람직하게 사용될 수 있는 것은 전기 절연성을 갖는 사파이어로서, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하고, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다.
상기 제1 도전형 반도체층(120) 및 제2 도전형 반도체층(150)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지는 것으로, 각각 n형 및 p형 반도체층이 될 수 있다. 보다 바람직하게는, 후술할 표면 플라즈몬 효과의 극대화를 위해, 제1 도전형 반도체층(120)은 n형 질화물 반도체층에 해당하고, 제2 도전형 반도체층(150)은 p형 질화물 반도체층이 될 수 있다. 또한, 상기 기판(110)과 상기 제1 도전형 반도체층(120) 사이에는, 격자결함을 완화하기 위해 버퍼층(미도시)이 형성될 수도 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 150) 사이에 형성되는 상기 활성층(140)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(120)에는 금속부(124)가 채워지는 복수의 V-피트(pit)(122)가 형성될 수 있다.
상기 복수의 V-피트(122)는 상기 제1 도전형 반도체층(120) 성장 과정 중 일부를 에칭하여 형성될 수도 있으나, 보다 바람직하게는, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 성장속도, 성장시간 및 온도 등의 조건을 적절히 조절하여, 상기 제1 도전형 반도체층의 전위(dislocation) 주변에서 자발적으로 형성되도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 V-피트(122)는 V 형상, 보다 구체적으로, 육각 피라미드 형상으로 형성될 수 있다.
일반적으로 질화물 반도체의 경우, 기판과 질화물 반도체의 격자상수 및 열팽창상수의 차이에 의해 성장시 격자결함이 발생하게 되고, 상기 격자결함은 질화물 반도체 성장시 함께 성장하면서 전위를 형성하게 된다.
질화물 반도체 발광소자에 있어서, 비발광 영역인 전위를 통해 캐리어가 이동하는 경우 발광효율이 저하되는바, V형상의 V-피트를 형성함으로써 격자결함을 완화시키고, 발광효율 저하를 막을 수 있다.
즉, 상기 V-피트(122)를 형성하는 경우, 전위 격자결함들은 V-피트(122)와 인접되는 부분(주로 꼭지점)에서 성장을 멈추게 되고, 이로써 발광소자는 격자결함이 완화되며, 발광효율이 상승된다.
또한, 상기 V-피트(122)에는 금속부(124)가 채워질 수 있다. 상기 금속부(124)는 반도체 발광소자의 표면 플라즈몬 공명현상을 유도하여 광효율을 극대화시키기 위해 V-피트(122)에 충진되는 것으로, 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 금속부(124)는 표면 플라즈몬 공명현상이 발생할 수 있도록 상기 활성층(140)과 소정의 거리 이내에 형성된다.
상기 복수의 V-피트(122) 및 복수의 V-피트에 채워지는 금속부(124)에 대한 상세한 내용은 후술하도록 한다.
상기 제1 및 제 2 전극(161, 162)은 외부 전원과 연결되어 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 150)에 전기 신호를 인가하는 기능을 수행하며, 당 기술분야에서 공지된 전기전도성 물질, 예를 들면, 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 등의 물질 중 하나 이상을 증착하거나 스퍼터링하는 등의 공정으로 형성될 수 있다. 또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 제2 전극(162)과 상기 제2 도전형 반도체층(150) 사이에는 전류의 원활한 확산을 위해 전류확산층이 구비될 수 있고, 또한, 제2 전극(162)과 제2 도전형 반도체층(150) 사이에는 오믹 컨택 기능을 향상시키기 위하여 ITO, ZnO 등과 같은 투명전극이 더 구비될 수도 있다.
도 1에 도시된 전극 형성 방식은 일 예일 뿐이며, 본 발광소자에 적용할 수 있는 다양한 공지된 전극 형성 방식이 적용될 수 있음은 자명하다.
이하, 상기 금속부(124)가 채워지는 복수의 V-피트(122)가 형성된 제1 도전형 반도체층(120)의 일 실시형태를 도 2를 참조하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 복수의 V-피트(122)를 갖는 제1 도전형 반도체층(120)을 개략적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의에 형성되는 복수의 V-피트(122)는, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 성장 과정 중 일부를 에칭하여 형성되는 것일 수도 있으나, 가장 바람직하게는, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 성장속도, 성장시간 및 온도 등의 조건을 적절히 조절하여 상기 제1 도전형 반도체의 전위(d) 주변에서 자발적으로 형성되는 것일 수 있다.
즉, 질화물 반도체의 경우, 기판(110)과 격자상수 및 열팽창계수의 차이로 인해 기판(110) 위에서 성장시 스트레인이 발생하고, 이러한 스트레인은 전위와 같은 결정결함의 요소로 작용한다. 이때, 제1 도전형 반도체층(120)의 성장속도, 성장속도 및 온도 등의 조건을 적절히 조절하여, 상기 복수의 V-피트(122)를 상기 전위(d) 상에 자연스레 발생되도록 할 수 있다.
이 경우, 상기 복수의 V-피트(122)는 V 형상, 보다 구체적으로, 육각 피라미드 형상으로 형성될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(120) 상면이 (0001)면일 경우, 특정 결정면, 예를 들면 (1-101)면을 사면으로 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 성장속도 및 성장시간 등을 조절하여, 상기 복수의 V-피트(122)의 내경(a)은 의도하는 크기, 바람직하게는 100nm 내지 400nm로 형성될 수 있다.
상기 복수의 V-피트(122)에는 표면 플라즈몬 공명현상을 유도하기 위한 금속부(124)가 충진된다.
표면 플라즈몬은 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation)이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다. 한편, 금(Au)과 같은 금속에서 나타나는 광-전자 효과로서 특정 파장의 광이 금속에 조사되면 대부분의 광 에너지가 자유전자로 천이되는 공명 현상이 일어나게 된다. 그 결과 표면 전자기파가 생길 때 나타나는 현상을 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance)이라 한다.
이러한 표면 플라즈몬 공명이 일어나기 위한 조건으로는 입사광의 파장, 금속과 접하는 물질의 굴절률 등이 있으며, 특히, 발광층과 금속 표면 간의 거리가 매우 중요하다. 즉, 발광층과 금속 표면 간의 거리가 소정 거리 이하가 되어야 표면 플라즈몬 공명이 일어날 수 있으며, 상기 소정의 거리는, 본 실시 형태에서 상기 금속부(124)와 상기 제1 도전형 반도체층(120)에 접하는 상기 활성층(140)의 계면 사이의 거리(t)(이하 금속-계면 거리(t)라고 한다.)이다.
따라서, 본 실시 형태에서는 표면 플라즈몬 공명을 이용하기 위해, 상기 금속-계면 거리(t)는 50nm이내, 보다 바람직하게는 10nm 내지 50nm일 수 있다. 하한을 10nm로 정하는 것은 활성층(140)에서 금속부(124) 표면이 너무 가까운 경우, 금속부(124)에서 대부분의 빛이 열 등의 형태로 손실될 수 있기 때문이다.
상기 금속-계면 거리(t)는, 예를 들어, 상기 V-피트(122)의 적어도 일부에 금속부(124)를 채운 후 제1 도전형 반도체층(120)을 적절한 두께로 더 성장시킴으로써 얻어질 수 있다..
한편, 상기 금속부(124)는 표면 플라즈몬 현상을 나타낼 수 있는 금속으로서, 바람직하게는, 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니므로, 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있는 금속이라면 어느 것이라도 무방하다.
아울러, 상기 제1 도전형 반도체층(120)과 상기 활성층(140) 사이에는 전자주입층(130)이 형성될 수 있다. 도 3은 전자주입층(130)이 형성된 반도체 발광소자를 도시한다.
전자주입층(130)은 Si, GaAs, GaN, InP, SiC 등과 같은 반도체 계열의 물질로 형성될 수 있으며, 또한, 초격자 구조를 포함할 수 있다.
이러한 전자주입층(130)은 보다 효율적으로 전자가 활성층에 주입될 수 있도록 하며, 이에 의하여 본 반도체 발광소자의 광효율은 더욱 증대될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 반도체 발광소자의 실시형태에 따르면, 반도체 발광소자는, 상기 제1 도전형 반도체층(120)에 형성되는 복수의 V-피트(122)에 의해 격자결함이 완화되고 산포특성이 개선되며, 상기 복수의 V-피트(122)에 채워지는 금속부(124)에 의해 발생하는 표면 플라즈몬 공명현상을 이용하여 광효율이 극대화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 형태를 설명하기 위한 도면으로, 도 4를 참조하면, 상기 복수의 V-피트(122)의 사면에는 절연막(126)이 형성되어 있다.
본 실시 형태에서, 절연막(126)을 제외한 나머지 구성은 이미 상술된 내용을 참조할 수 있으므로 생략하기로 한다.
상기 절연막(126)은 상기 복수의 V-피트(122) 사면에 형성되는 절연성 물질로, 바람직하게는, 반사도가 높은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
표면 플라즈몬 효과를 위한 금속부(124)는 상기 절연막(126)이 형성된 복수의 V-피트(122)에 채워질 수 있다.
질화물 반도체층에 V 형상의 V-피트(122)를 형성하는 경우, 전위 격자결함은 V형상의 피트 인접부분(주로 꼭지점 부분)에서 성장을 멈추게 되는바 전위 격자결함밀도는 상대적으로 V-피트(122)와 인접하는 부분에서 높게 나타난다.
따라서, 본 실시 형태에 따라 V-피트(122)의 사면에 절연막(126)을 형성하는 경우, 캐리어가 비발광 영역인 전위를 통해 누설되는 현상을 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
또한, 상기 절연막(126)은 표면 플라즈몬 공명을 발생시키기 위해 상기 V-피트(122)에 채워지는 상기 금속부(124)가 제1 도전형 반도체층(120) 내부로 확산되는 현상을 방지할 수 있으므로, 보다 안정적인 광효율을 도모할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.
복수의 V-피트(122)를 갖는 제1 도전형 반도체층(120)을 형성하는 단계는, 도 5에 도시되는 본 단계의 일 실시형태와 같이, 기판(110) 상에 복수의 V-피트(122)가 형성된 제1 도전형 반도체층(120)을 형성하는 것일 수 있다.
상기 기판(110)은 반도체 성장용 기판으로 제공되는 것으로, 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등과 같이 전기 절연성 및 도전성 물질로 이루어진 기판일 수 있다. 가장 바람직하게는, 사파이어를 이용한 기판일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(120)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지는 것으로, n형 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 바람직하게는, 표면 플라즈몬 효과의 극대화를 위해, n형 질화물 반도체층일 수 있다.
또한, 상기 기판(110)과 상기 제1 도전형 반도체층(120) 사이에는, 격자결함을 완화하기 위해 버퍼층(미도시)이 형성될 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(120)은 복수의 V-피트(122)를 포함하며, 이러한 V 형상의 V-피트(122)는 본 반도체 발광소자의 반도체 격자결함을 완화하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 복수의 V-피트(122)를 형성하는 방법으로는, 상기 제1 도전형 반도체층(120) 성장 과정 중 일부를 에칭하여 형성하는 방법일 수 있으나, 바람직하게는, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 성장시 성장속도, 성장시간 및 온도 등의 조건을 적절히 조절하여 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 전위 주변에서 자발적으로 형성되도록 하는, 이른바 인시츄(in-situ)공정일 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 V-피트(122)는 육각 피라미드 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 성장속도, 성장시간 등을 조절하여, 상기 복수의 V-피트(122)의 내경(a)은 의도하는 크기, 바람직하게는 100nm 내지 400nm로 형성될 수 있다.
그 다음, 상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에 활성층(140)과 제2 도전형 반도체층(150)을 형성하되, 상기 복수의 V-피트(122)에는, 상기 활성층(140)에서 방출되는 광에 의하여 표면 플라즈몬이 여기될 수 있는 금속 물질을 포함하는 금속부(124)를 형성하는 단계를 통해 반도체 발광소자가 제조된다.
도 6 내지 도 7은 상기 복수의 V피트에 금속부(124)를 채우는 하나의 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 본 실시 형태에 따르면, 우선, 복수의 V-피트(122)를 갖는 제1 도전형 반도체층(120) 상면 전체에 금속을 증착한다.(도 6) 이 경우, V-피트(122)가 형성되지 않은 제1 도전형 반도체층(120)의 상면에도 금속이 형성되게 되며, 따라서, 상기 복수의 V-피트(122)가 형성되지 않은 제1 도전형 반도체층(120) 상면에 형성된 금속은 추후 공정에 의해 제거될 필요가 있다. 대표적으로, 상기 금속이 형성된 제1 도전형 반도체층(120)의 전체 표면을 산(acid)처리 또는 열처리하거나, 일정 두께만큼 기계적으로 연마하여 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 V-피트(122)에만 금속부(124)가 남도록 할 수 있다.
금속 증착의 정도, 또는 산처리, 열처리, 연마 정도에 따라 상기 금속부(124)가 상기 복수의 V-피트(122)에 채워지는 정도를 조절할 수 있다. 즉, 도 7과 같이 상기 복수의 V-피트(122)의 일부에만 채우도록 형성할 수도 있으며, 도 8과 같이 상기 V-피트(122)를 모두 메우도록 형성할 수도 있을 것이다.
여기서, 표면 플라즈몬 공명을 발생할 수 있도록, 상기 금속-계면 거리(t)는 50nm이내, 바람직하게는 10nm 내지 50nm가 되도록 할 수 있다. 하한을 10nm로 정하는 것은, 활성층(140)에서 금속부(124) 표면이 너무 가까운 경우 금속부(124)에서 대부분의 빛이 열 등의 형태로 손실될 수 있기 때문이다.
상기 금속-계면 거리(t)는, 예를 들어, V-피트(122)의 적어도 일부에 금속부(124)를 채운 후 제1 도전형 반도체층(120)을 적절한 두께로 더 성장시킴으로써 얻어질 수 있다.
한편, 상기 금속부(124)는 표면 플라즈몬 공명현상을 효과적으로 유도할 수 있도록, 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 단계는 상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에 활성층(140)과 제2 도전형 반도체층(150)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 활성층(140)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다.
또한, 제2 도전형 반도체층(150)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지는 것으로, 바람직하게는, 표면 플라즈몬 효과의 극대화를 위해, p형 반도체층이 될 수 있다.
이어서, 제1 도전형 반도체층(120) 및 제2 도전형 반도체층(150) 각각에 제1 및 제2 전극(161, 162)을 형성하는 경우, 도 1에 도시된 바와 같은 일 실시 형태의 반도체 발광소자가 제조될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(161, 162)은 외부 전원과 연결되어 제1 및 제2 도전형 반도체층(150)에 전기 신호를 인가하는 기능을 수행하며, 당 기술분야에서 공지된 전기전도성 물질, 예를 들면, 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 등의 물질 중 하나 이상을 증착하거나 스퍼터링하는 등의 공정으로 형성될 수 있다. 또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 제2 전극(162)과 상기 제2 도전형 반도체층(150) 사이에는 전류의 원활한 확산을 위해 전류확산층이 구비될 수 있고, 또한, 상기 제2 전극(162)과 상기 제2 도전형 반도체층(150) 사이에는 오믹 컨택 기능을 향상시키기 위하여 ITO, ZnO 등과 같은 투명전극이 더 구비될 수도 있다.
아울러, 본 발명의 다른 실시형태로는 상기 제1 도전형 반도체층(120)과 상기 활성층(140) 사이에는 전자주입층(130)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전자주입층(130)은 Si, GaAs, GaN, InP, SiC 등과 같은 반도체 계열의 물질로 형성될 수 있으며, 또한, 초격자 구조를 포함할 수 있다.
이러한 전자주입층(130)은 보다 효율적으로 전자가 활성층에 주입될 수 있도록 하며, 이에 의하여 본 반도체 발광소자의 광효율은 더욱 증대될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 반도체 발광소자의 실시형태에 따르면, 상기 제1 도전형 반도체층(120)에 형성되는 복수의 V-피트(122)에 의해 격자결함이 완화되고 산포특성이 개선되며, 상기 복수의 V-피트(122)에 채워지는 금속부(124)에 의해 발생하는 표면 플라즈몬 공명현상을 이용하여 광효율이 극대화되는 반도체 발광소자를 효율적으로 제조할 수 있다.
본 제조방법의 또 다른 실시형태는, 상기 복수의 V-피트(122) 사면에 절연막(126)을 형성하는 단계를 더 포함한다.(도 9 내지 10) 상기 단계는 복수의 V-피트(122)를 갖는 제1 도전형 반도체층(120)을 형성한 후에 행해질 수 있는 것으로, 상기 절연막(126)은 상기 복수의 V-피트(122) 사면에 형성되는 절연성 물질이며, 바람직하게는, 반사도가 높은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 V-피트(122) 사면에 절연막(126)을 형성하는 방법은, 예를 들어, 우선 복수의 V-피트(122)를 갖는 제1 도전형 반도체층(120) 상면 전체에 절연막(126)을 증착한 후, 상기 V-피트(122)가 형성되지 않은 제1 도전형 반도체층(120) 상면에 형성된 절연막(126)을 제거하는 과정으로 이루어질 수 있다.
즉, 복수의 V-피트(122)가 형성된 제1 도전형 반도체층(120) 상면 전체에 절연막(126)을 증착한다.(도 9) 이 경우, V-피트(122)가 형성되지 않은 제1 도전형 반도체층(120)의 상면에도 절연막(126)이 형성되게 되며, 따라서 V-피트(122)가 형성되지 않은 제1 도전형 반도체층(120) 상면에 형성된 절연막(126)은 추후 공정에 의해 제거될 필요가 있다. 대표적으로, 상기 절연막(126)이 형성된 제1 도전형 반도체층(120)의 표면을 산(acid)처리 또는 열처리하거나, 일정 두께만큼 기계적으로 연마하여, 도 10에 도시된 바와 같이 복수의 V-피트(122)의 사면에만 절연막(126)이 형성되도록 할 수 있다.
질화물 반도체층에 V 형상의 V-피트(122)를 형성시키는 경우, 전위 격자결함은 V형상의 피트 인접부분(주로 꼭지점 부분)에서 성장을 멈추게 되는바 전위 격자결함밀도는 상대적으로 V-피트(122)와 인접하는 부분에서 높게 나타난다.
따라서, 본 실시 형태에 따라 V-피트(122)의 사면에 절연막(126)을 형성하는 경우, 캐리어가 비발광 영역인 전위를 통해 누설되는 현상을 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
또한, 상기 절연막(126)은 표면 플라즈몬 공명을 발생시키기 위해 상기 V-피트(122)에 채워지는 상기 금속부(124)가 제1 도전형 반도체층(120) 내부로 확산되는 현상을 방지할 수 있으므로, 보다 안정적인 광효율을 도모할 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.
100: 반도체 발광소자 110: 기판
120: 제1 도전형 반도체층 122: V-피트
124: 금속부 126: 절연막
130: 전자주입층 140: 활성층
150: 제2 도전형 반도체층 161, 162: 제 1, 2전극

Claims (19)

  1. 복수의 V-피트를 갖는 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및
    상기 복수의 V-피트의 적어도 일부를 채우며, 상기 활성층에서 방출된 광에 의하여 표면 플라즈몬이 여기될 수 있는 금속 물질을 포함하는 금속부;
    를 포함하는 반도체 발광소자
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 V-피트의 사면에 형성된 절연막을 더 포함하는 반도체 발광소자
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 절연막은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성된 전자주입층을 더 포함하는 반도체 발광소자
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전자주입층은 초격자 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속부는 상기 제1 도전형 반도체층에 접하는 상기 활성층의 계면과 10nm 내지 50nm 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 V-피트의 내경은 100nm 내지 400nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 V-피트는 육각 피라미드 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 금속부는 Ni, Ag, Au, Cu, Al 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자
  10. 복수의 V-피트를 갖는 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층과 제2 도전형 반도체층을 형성하되,
    상기 복수의 V-피트에는, 상기 활성층에서 방출되는 광에 의하여 표면 플라즈몬이 여기될 수 있는 금속 물질을 포함하는 금속부를 형성하는 단계;
    를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 금속부를 형성하는 단계 이전에, 상기 복수의 V-피트 사면에 절연막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 반도체 발광소자 제조방법
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 절연막은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 전자주입층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 반도체 발광소자 제조방법
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 전자주입층은 초격자 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 금속부는, 상기 제1 도전형 반도체층에 접하는 상기 활성층의 계면과 10nm 내지 50nm 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 V-피트의 내경은 100nm 내지 400nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 V-피트는 육각 피라미드 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법
  18. 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 V-피트는 인시츄(in-situ) 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법
  19. 제 10항에 있어서,
    상기 금속부는 Ni, Ag, Au, Cu, Al 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법
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