KR20130139099A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20130139099A
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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물; 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며, 상기 발광구조물은 상기 제1 도전형 반도체층의 상면 중 일부가 노출되도록 적어도 상기 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 일부가 제거된 형상을 가지며, 상기 발광구조물 중 상기 제1 도전형 반도체층의 상기 노출면 상부에 해당하는 부분은 하향 경사진 측면을 구비하고, 상기 제1 전극은 상기 노출면 상에 형성되되 상기 제2 도전형 반도체층의 상부에서 보았을 때 상기 경사진 측면과 오버랩되지 않는 범위에서 형성되어, 반도체 발광소자의 광추출 효율이 향상되며 제조가 간편하다.

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.
발광다이오드(Light emitting diode; LED)와 같은 반도체 발광소자는 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 접합된 반도체의 전자와 정공이 재결합하며 발생하는 에너지를 광으로 변환하여 방출한다. 이러한 LED는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.
이와 같이, 반도체 발광소자의 용도가 넓어짐에 따라, 반도체 발광소자의 발광효율을 향상시키고, 제조시간을 단축시키기 위한 방법이 요청되고 있다.
종래의 반도체 발광소자는 제1 및 제2 전극 간의 거리를 일정 간격 확보하여야 하는 문제점이 있었으며, 당 기술 분야에서는 발광효율이 향상되고 제조가 간편한 반도체 발광소자 및 그 제조방법이 요구되고 있다.
본 발명의 일측면은 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물; 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며, 상기 발광구조물은 상기 제1 도전형 반도체층의 상면 중 일부가 노출되도록 적어도 상기 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 일부가 제거된 형상을 가지며, 상기 발광구조물 중 상기 제1 도전형 반도체층의 상기 노출면 상부에 해당하는 부분은 하향 경사진 측면을 구비하고, 상기 제1 전극은 상기 노출면 상에 형성되되 상기 제2 도전형 반도체층의 상부에서 보았을 때 상기 경사진 측면과 오버랩되지 않는 범위에서 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
또한, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 일영역에 형성된 제1 층극 및 상기 제1 층극을 덮으며 상기 제2 반도체층의 표면을 덮도록 형성된 제2 층극을 갖을 수 있으며, 상기 제1 전극과 상기 제2 층극은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극은 Ni, Au, Ag, Ti, Cr 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극은 동일한 두께로 형성될 수 있으며, 상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 상면 전체를 덮도록 형성될 수도 있다.
이때, 상기 하향 경사진 측면은 일정한 각도로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 적층하여 발광구조물을 형성하는 단계; 및 상기 제1 도전형 반도체층의 상면 중 일부가 노출되도록 상기 발광구조물 중 적어도 상기 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 일부를 제거하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 연결되도록 제1 및 제2 전극;을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 발광구조물 중 상기 제1 도전형 반도체층의 상기 노출면 상부에 해당하는 부분은 상기 노출면을 향하여 하향 경사진 측면을 구비하고, 상기 제1 전극은 상기 노출면 상에 형성되되 상기 제2 도전형 반도체층의 상부에서 보았을 때 상기 경사진 측면과 오버랩되지 않는 범위에서 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 하향 경사진 측면은, 상기 발광구조물의 측면에 상기 제2 도전형 반도체층에서 제1 도전형 반도체층의 노출면으로 향하는 방향으로 경사진 측면을 형성하는 단계; 및 상기 경사진 측면 중 하부영역을 습식 식각하여 상기 제1 도전형 반도체층으로 향하는 방향으로 갈수록 점차 식각면이 넓어지도록 언더컷된 측면을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 언더컷된 측면을 형성하는 단계는, 수산화칼륨(KOH), 황산(H2SO4), 인산(H2PO4) 및 알루에치(4H8PO4+4CH8COOH+HNO8+H2O) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극은 동일한 물질로 형성될 수 있으며, Ni, Au, Ag, Ti, Cr 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극은 동일한 두께로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 상면 전체를 덮도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 일영역에 형성된 제1 층극 및 상기 제1 층극을 덮으며 상기 제2 반도체층의 표면을 덮도록 형성된 제2 층극을 갖을 수 있다.
또한, 상기 하향 경사진 측면은 일정한 각도로 형성될 수 있다.
상술된 반도체 발광소자 및 그 제조방법은 반도체 발광소자의 광추출효율이 향상되고 제조공정이 간편하다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의해 제조된 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 그러므로 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 특허청구범위가 제시하는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 발광구조물(120)을 형성한다.
상기 기판(110)은 반도체 단결정, 특히, 질화물 단결정 성장을 위한 기판이 사용될 수 있으며, 구체적으로, 사파이어, Si, ZnO, GaAs, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 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 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 특히, 질화물 반도체의 성장용 기판으로 주로 사용된다.
상기 발광구조물(120)은 기판(110) 상에 순차 적층된 제1 도전형 반도체층(121) 및 제2 도전형 반도체층(123)과, 그 사이에 형성된 활성층(122)을 갖는다.
상기 제1 도전형 반도체층(121) 및 상기 제2 도전형 반도체층(123)은 질화물 반도체층일 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(121)은 n형 반도체층을, 상기 제2 도전형 반도체층(123)은 p형 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 n형 반도체층 및 p형 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 사용될 수 있다. 이때, 상기 x, y 값은 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 의 범위 내로 할 수 있다.
또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
본 실시예에서는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)으로 GaN층을 사용할 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(121)으로 n-GaN을, 상기 제2 도전형 반도체층(123)으로 p-GaN을 사용할 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)은 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 분자빔성장법(molecular beam epitaxy; MBE) 및 수소 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 등으로 성장될 수 있다.
상기 활성층(122)은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지되, 예를 들어 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조(multiple quantum well; MQW)로서　형성되어 소정의 밴드 갭을 가지며, 이와 같은 양자 우물에 의해 전자와 정공이 재결합되어 발광한다. 상기 활성층(122)은 가시광(약 350㎚∼680㎚ 파장범위)을 발광하기 위한 층일 수 있으며, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)과 동일하게 유기금속 기상증착법 및 분자빔성장법 등으로 성장될 수 있다.
다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도전형 반도체층(121)의 상면 중 일부가 노출되도록 상기 발광구조물(120) 중 적어도 상기 활성층(122) 및 제2 도전형 반도체층(123)의 일부를 제거하여, 하향 경사각(θ)을 갖는 경사진 측면(124)을 형성한다.
상기 하향 경사진 측면(124)은 상기 발광구조물(120)을 메사(mesa) 식각하여 메사면을 형성한 후에, 상기 메사면의 하부영역을 식각함으로 형성된다.
이를 구체적으로 설명하면, 먼저, 상기 발광구조물(120)의 일부 영역을 메사 식각하여 상기 제2 도전형 반도체층(123)에서 상기 제1 도전형 반도체층(121) 방향으로 경사진 메사면을 형성한다. 다음으로, 상기 메사면의 하부영역을 습식 식각하여 상기 제2 도전형 반도체층(123)의 상면에서 상기 제1 도전형 반도체층(121)으로 갈수록 식각된 면이 점점 넓어지는 형상 즉, 하향 경사진 형상의 언더컷(under-cut)된 측면을 형성한다.
이때, 습식 식각은 수산화칼륨(KOH), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 및 알루에치(4H8PO4+4CH8COOH+HNO8+H2O) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 식각용액을 사용하여 수행할 수 있다. 또한, 습식 식각은 전기를 인가하여 식각하는 전기화학적 식각 방법 또는 광을 이용하여 식각하는 PEC(photo-enhanced chemical) 방법을 이용할 수도 있다. 습식 식각시에는 발광구조물(120)과 기판(110)의 식각 선택비가 서로 다르게 나타나고, 상기 발광구조물(120)의 갈륨 면인 (0001) 면과 나이트라이드 면인 (000-1) 면의 식각 선택비가 서로 다르게 나타난다. 이로 인해, 발광구조물(120)의 나이트라이드 면인 (000-1) 면의 식각이 상대적으로 빨리 이루어져서 최초에 형성된 메사면이 갖는 경사와 반대의 경사(θ)를 이루는 언더컷된 측면(124)이 형성된다.
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 반도체층(123)의 상면에 제1 층극(130)을 형성한다. 상기 제1 층극(130)은 상기 제2 도전형 반도체층(123)에 전원을 공급하기 위한 제2 전극의 일부로서 반드시 형성해야 하는 것은 아니다.
상기 제1 층극(130)은 제2 반도체층(123)의 상부에 형성시에 제조공정상의 오차를 감안하여 상기 제2 도전형 반도체층(123)의 상면에 마진(M)을 두고 형성된다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 층극(130)을 포함한 상기 제2 도전형 반도체층(123)의 상면 전체 및 제1 도전형 반도체층(121)의 노출면의 상면에 각각 제2 층극(140a) 및 제1 전극(140b)를 형성한다. 이때, 상기 제2 층극(140a)은 제2 전극을 구성한다.
상기 제2 층극(140a) 및 제1 전극(140b)은 동일한 공정에서 동시에 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 층극(140a) 및 제1 전극(140b)은 Ni, Au, Ag, Ti, Cr 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있으며, 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착 방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.
이때, 상기와 같은 증착 및 스퍼터링 공정은 일정한 방향성으로 증착물을 증착면에 코팅하게 되므로, 상기 제2 반도체층(123)의 상부 방향에서 상기 제1 및 제2 반도체층(121, 123)을 향하여 증착 및 스퍼터링을 하면, 상기 하향 경사진 측면(124)에 의해 상기 제2 층극(140a) 및 제1 전극(140b)이 한번의 공정만으로 자연히 분리되어 형성된다.
따라서, 상기 제1 전극(140b)은 상기 제1 도전형 반도체층(121)의 노출면 상에 형성되되 상기 제2 도전형 반도체층(132)의 상부에서 보았을 때 상기 경사진 측면(124)과 오버랩되지 않는 범위에서 형성된다.
이와 같이, 상기 제2 층극(140a) 및 제1 전극(140b)은 동일한 공정에서 동시에 형성될 수 있으므로, 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)에 형성되는 제1 및 제2 전극을 동시에 형성할 수 있는 것이다. 따라서, 제조시에 마스크를 사용하여 별개의 공정에서 형성하여야 했던 제1 및 제2 전극의 제조공정을 하나의 제조공정으로 대체할 수 있는 효과가 있다. 이때, 상기 제2 층극(140a) 및 상기 제1 전극(140b)은 동일한 공정에서 동시에 형성되므로 동일한 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 제조방법에 의하여 제조된 반도체 발광소자(100)는 제1 및 제2 전극(140a, 140b)의 사이에 하향 경사진 측면(124)을 가지므로, 경사진 측면을 가지는 종래의 경우에 비해, 상기 제1 및 제2 전극(140a, 140b)의 공간적 거리가 가깝게 형성될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123) 사이의 저항 성분이 감소되어 동작 전압이 개선되고 발광효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 하향 경사진 측면(124)으로 인해 종래에 비해 동일한 반도체 발광소자의 크기에 더 넓은 면적의 활성층(122)을 형성할 수 있게 되어, 광추출 효율이 더욱 향상되는 효과가 있다.
이때, 상기 제1 층극(130)은 제2 층극(140a)과 다른 물질을 사용하여 형성할 수도 있으며, 같은 물질을 사용하여 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의해 제조된 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 실시예는, 앞서 설명한 제1 층극(130)을 형성하지 않고, 하나의 층만으로 제2 전극(240a)을 형성한 예이다. 이와 같이 제1 층극(130)을 형성하지 않고 하나의 층만으로 제2 전극(240a)을 형성하면, 일 실시예의 경우에 비해 하나의 공정으로 더욱 간편하게 제1 및 제2 전극(240b, 240a)를 형성할 수 있는 효과가 있다.
100, 200: 반도체 발광소자
110, 210: 기판
120, 220: 발광구조물
121, 221: 제1 도전형 반도체층
122, 222: 활성층
123, 223: 제2 도전형 반도체층
124, 224: 경사진 측면
130: 제1 층극
140a: 제2 층극
140b, 240b: 제1 전극
240a: 제2 전극

Claims (17)

  1. 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물; 및
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며,
    상기 발광구조물은 상기 제1 도전형 반도체층의 상면 중 일부가 노출되도록 적어도 상기 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 일부가 제거된 형상을 가지며,
    상기 발광구조물 중 상기 제1 도전형 반도체층의 상기 노출면 상부에 해당하는 부분은 하향 경사진 측면을 구비하고,
    상기 제1 전극은 상기 노출면 상에 형성되되 상기 제2 도전형 반도체층의 상부에서 보았을 때 상기 경사진 측면과 오버랩되지 않는 범위에서 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 동일한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 일영역에 형성된 제1 층극 및 상기 제1 층극을 덮으며 상기 제2 반도체층의 표면을 덮도록 형성된 제2 층극을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 층극은 동일한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 Ni, Au, Ag, Ti, Cr 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 동일한 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 상면 전체를 덮도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하향 경사진 측면은 일정한 각도로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 적층하여 발광구조물을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 도전형 반도체층의 상면 중 일부가 노출되도록 상기 발광구조물 중 적어도 상기 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 일부를 제거하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 연결되도록 제1 및 제2 전극;을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 발광구조물 중 상기 제1 도전형 반도체층의 상기 노출면 상부에 해당하는 부분은 상기 노출면을 향하여 하향 경사진 측면을 구비하고,
    상기 제1 전극은 상기 노출면 상에 형성되되 상기 제2 도전형 반도체층의 상부에서 보았을 때 상기 경사진 측면과 오버랩되지 않는 범위에서 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하향 경사진 측면은,
    상기 발광구조물의 측면에 상기 제2 도전형 반도체층에서 제1 도전형 반도체층의 노출면으로 향하는 방향으로 경사진 측면을 형성하는 단계; 및
    상기 경사진 측면 중 하부영역을 습식 식각하여 상기 제1 도전형 반도체층으로 향하는 방향으로 갈수록 점차 식각면이 넓어지도록 언더컷된 측면을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 언더컷된 측면을 형성하는 단계는, 수산화칼륨(KOH), 황산(H2SO4), 인산(H2PO4) 및 알루에치(4H8PO4+4CH8COOH+HNO8+H2O) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 식각 용액을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 동일한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 Ni, Au, Ag, Ti, Cr 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 동일한 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 상면 전체를 덮도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 일영역에 형성된 제1 층극 및 상기 제1 층극을 덮으며 상기 제2 반도체층의 표면을 덮도록 형성된 제2 층극을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 하향 경사진 측면은 일정한 각도로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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