KR20140071161A - 결정방향 정합성을 나타내는 패턴이 형성된 기판을 포함하는 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판의 결정 구조에 따른 결정축 방향으로 결정방향 정합성을 나타내도록 반도체층을 성장시켜 에피택시얼층의 품질이 향상되고, 성장면 방향으로의 전위가 감소된 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 발광소자는 성장면 방향으로의 전위가 감소하고, 전위의 발생 및 전달이 나타나지 않는 에어 갭(air gap) 영역을 포함하고 있어, 고품질의 반도체층으로 이루어질 수 있다.

Description

결정방향 정합성을 나타내는 패턴이 형성된 기판을 포함하는 반도체 발광소자 및 이의 제조방법{Semiconductor Light Emitting Diode comprising Patterned Substrate having Conformity with Crystal Orientation and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 기판의 결정 구조에 따른 결정축 방향으로 결정방향 정합성을 나타내도록 반도체층을 성장시켜 에피택시얼층의 품질이 향상되고, 성장면 방향으로의 전위가 감소된 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
발광 소자는 화합물 반도체의 PN 접합 다이오드에 순방향 전류가 흐를 때 빛을 발하는 현상을 이용한 소자로서, 디스플레이 소자의 광원으로 주로 이용되고 있다. 이러한 발광 소자는 전구와 같은 필라멘트가 요구되지 않으며, 진동에 강하고, 긴 수명을 가지고 있으며, 반응속도가 빠른 등의 우수한 특성을 나타낸다.
상기 발광 소자의 예로서 질화물 반도체 소자를 들 수 있고, GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색 또는 녹색 LED의 발광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다.
특히, 청색 또는 녹색 LED 발광소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며 전 세계적인 매출은 크게 증가하고 있는 상황이다.
도 1은 일반적인 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자는 성장 기판(11)로부터 형성된다. 보다 구체적으로, 반도체 발광소자는, n형 반도체층(12), 활성층(13) 및 p형 반도체층(14)을 포함한다.
이 때, p형 반도체층(14)에 정공을 주입하기 위하여, p형 반도체층(14)에 전기적으로 연결되도록 p측 전극 패드(15)가 형성되고, 또한, n형 반도체층(12)에 전자를 주입하기 위하여, n형 반도체층(12)에 전기적으로 연결되도록 n측 전극 패드(16)가 형성된다.
그러나 상기 반도체 발광 다이오드의 경우 기판과 기판 상부에 적층되는 반도체층 사이의 열팽창계수와 격자 상수의 큰 차이로 인해 관통 전위 등의 결함이 발생하며, 결정성장을 수행함에 따라 기존 전위가 계속적인 전파하게 된다. 또한, 새로운 전위가 계속적으로 생성 및 발생되기 때문에 기판의 표면이 거칠어지고 품질이 떨어지는 문제점이 발생된다.
질화물계 반도체 발광소자에 있어서 SiN 버퍼막이나 GaN 버퍼층을 이용하여 층 사이의 전위 발생을 감소시킬 수 있으며, n형 반도체층에 전위가 전달되는 것 역시 감소시킬 수 있다.
또한, 이러한 전위 발생을 감소하거나 또는 전위의 전달을 감소하기 위하여 한국등록특허 제10-0775137호에서는 ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth) 방법으로 질화물층을 측면 방향으로 성장시켜 전위 밀도를 줄이는 방법을 개시하고 있다.
그러나, SiN 버퍼막 등을 형성하기 위해 포토리소그래피 등의 추가 공정이 별도로 수반되고, ELO 방법에서는 측면 성장을 위한 별도의 마스크를 마련해야 하는 번거로움이 있다.
따라서 보다 효과적인 방법으로 전위를 감소시켜 고품질의 발광소자를 성장시킬 수 있는 방법이 요구되는 실정이다.
이에 본 발명자들은 기판 상에 반도체층의 성장 시 성장면 방향으로의 전위를 감소시켜 고품질의 반도체층을 성장시키고자 연구, 노력한 결과, 기판의 표면을 일정 패턴으로 식각하여, 기판의 결정구조에 따른 결정축상에 요철을 형성시킨 뒤, 그 요철 상에 결정방향 정합성을 나타내도록 반도체층을 성장시키는 경우 성장면 방향으로의 전위를 감소시키고, 전위의 발생 및 전달이 나타나지 않는 에어 갭(air gap) 영역을 형성할 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명의 목적은 성장면 방향으로의 전위를 감소시켜 우수한 품질의 에피택시얼층이 성장되는 신규의 반도체 발광소자 구조 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 발광소자는 기판 상에 반도체 층을 구비하여 이루어지고, 상기 기판의 표면에는 기판의 결정 구조에 따른 결정축 상에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 반도체 발광소자에서, 상기 요철은 기판 표면에 삼각형, 마름모, 사다리꼴 또는 육각형 형태의 패턴이 반복됨에 따라 각 패턴 사이에 형성되며, 상기 패턴의 꼭지점에서 두 변이 이루는 각이 60° 또는 120°를 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 반도체 발광소자에서, 상기 요철의 폭은 0.1 ~ 5 μm 범위로 형성되고, 상기 패턴의 평균 단면적이 0.5 ~ 5 μm2 범위로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 반도체 발광소자는, 상기 기판과 반도체층 사이에 에어 갭(air gap)이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 반도체 발광소자에서, 상기 기판은 사파이어, 실리콘, SiC, GaAs, GaP, AlN 및 GaN 중에서 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 반도체 발광소자는, 상기 요철을 제외한 패턴 부분이 식각되어 상기 요철이 양각으로 형성되고, 상기 요철로부터 패턴의 최저점의 깊이는 0.5 ~ 25 μm 범위로 형성되며, 상기 요철 상에 AlxGayInzN(x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)의 씨드층(seed layer)이 더 포함되고, 상기 패턴 내부에는 굴절률이 서로 상이한 박막이 적층된 반사막이 포함되거나, 상기 패턴 내부가 조면화된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 반도체 발광소자에서, 상기 패턴은 곡선으로 이루어지며, 상기 곡선의 배는 패턴의 두 꼭지점을 연결한 직선 길이의 5% 이내의 높이를 나타내는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 기판 표면을 일정 패턴으로 식각하여 기판의 결정구조에 따른 결정축 상에 요철을 형성하는 단계 및 상기 요철 상에 반도체층을 성장시켜 에어 갭을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 제조방법을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제조방법은, 상기 요철 상에 AlxGayInzN(x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)의 씨드층(seed layer)을 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition) 또는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)에 의하여 형성하고, 상기 씨드층 상에 반도체층을 성장시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제조방법은, 상기 패턴 내부에 굴절률이 서로 상이한 박막을 적층하여 반사막을 형성하거나, 패턴 내부의 표면을 조면화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광소자는 성장면 방향으로의 전위가 감소하고, 전위의 발생 및 전달이 나타나지 않는 에어 갭(air gap) 영역을 포함하고 있어, 고품질의 반도체층으로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 반도체 발광소자의 제조방법은 종래 ELO 방법이나 버퍼층을 이용하는 방법보다 용이하게 반도체 발광소자를 제조하여, 반도체 발광소자의 전기적 특성과 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 3은 사파이어의 결정구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 절취선 A-A에서 기판 상부의 패턴을 나타낸 일 실시예의 단면도이다.
도 5는 절취선 A-A에서 기판 상부의 패턴을 나타낸 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 제조과정을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 다른 부분 "하에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이 역시 다른 부분 "바로 아래"에 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 또는 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자의 평면도이다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(110)의 상부면 방향으로 형성된 n형 반도체층(120), 활성층(130), p형 반도체층(140), 투명 전극층(150), p측 전극(161) 및 n측 전극(162)을 포함한다.
상기 기판(110)으로는 사파이어, 실리콘, SiC, GaAs, GaP, AlN 및 GaN 중에서 선택된 물질이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 사파이어 또는 실리콘 기판이 사용될 수 있다.
상기 사파이어의 경우, 도 3과 같은 육방정계(hexagonal) 구조를 나타내며, c 평면 상의 3개의 결정축이 존재하는 바, 본 발명에서는 기판 상에 상기 결정축 방향으로 요철을 형성하여, 기판과 상기 반도체층이 결정 방향 정합성을 나타내도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판의 표면은 일정 패턴(112)으로 식각되어 기판의 결정구조에 따른 결정축 상에 요철(111)이 형성되며, 상기 요철을 제외한 패턴 부분이 식각되므로 상기 요철(111)은 양각으로 형성된다.
상기 일 실시예에 따른 패턴의 형태를 확인하기 위하여 절취선 A-A에서 얻어진 단면도를 도 4 및 5에 나타내었다.
상기 도 4 및 5에서 보는 바와 같이, 상기 패턴(112)은 삼각형, 마름모, 사다리꼴 또는 육각형 등의 형태로 나타날 수 있으며, 상기 패턴 사이에 형성되는 요철(111)은 기판 결정의 결정축 상에 상기 결정축 방향으로 존재하게 된다. 이를 위하여 상기 패턴(112)의 꼭지점에서 두 변이 이루는 각이 60° 또는 120°를 이루는 것이 바람직하며, 식각 과정에서의 오차 등을 고려하여 ± 10° 정도의 변형이 이루어질 수 있다.
또한 상기 패턴(112)은 상기와 같이 각 변이 직선으로 형성된 다각형의 형태로 이루어질 수 있으며, 이 경우 요철은 선형으로 형성될 수 있으나, 기판의 결정축과의 부정합성을 보상하기 위하여 각 변이 곡선으로 형성될 수도 있다. 패턴의 각 변이 곡선으로 형성되는 경우, 상기 곡선의 배, 즉 곡선에서 가장 볼록 또는 오목한 부분은 각 변을 이루는 두 꼭지점을 연결한 직선 길이의 5% 이내의 높이를 나타내는 것이 바람직하다.
상기 요철(111)의 폭, 즉 각 패턴(112) 사이의 간격은 0.1 ~ 5 μm 범위로 형성되는 것이 바람직한데, 상기 한정된 폭 미만으로 형성되면 에피 성장 가능한 영역이 적어져 에피성장 및 결정 특성 확보에 문제가 발생할 수 있으며, 상기 폭을 초과하여 형성되면 수평 방향으로의 전위가 퍼지는 효과가 감소하여 전위의 전달 방지 효과가 미미한 문제가 있다. 한편, 상기 패턴(112)의 하부는 수평하게 이루어진 부분 없이 모서리가 형성되도록 하는 것이 요철(111) 상에서만 에피 성장이 이루어지는데 바람직하며, 기타 원형 또는 타원형의 곡선을 갖도록 형성될 수도 있다.
또한, 상기 패턴의 평균 단면적이 0.5 ~ 5 μm2 범위로 형성되는 것이 바람직한데, 상기 한정된 단면적 미만이면 전위의 전달 방지 효과가 미미하고, 상기 한정된 단면적을 초과하여 형성되면 원하지 않는 기판 면에서 결정이 형성될 수 있어 결정 특성 확보에 문제가 있다.
또한, 상기 요철(111) 표면으로부터 패턴(112)의 최저점의 깊이는 0.5 ~ 25 μm 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 패턴이 형성된 기판(110)에서 에피 성장이 이루어지는 경우, 요철 부분에서 성장이 이루어지면서 전위가 옆으로 퍼지게 되어 성장면 방향으로의 전위를 줄일 수 있게 된다. 또한, 상기 패턴에 의하여 기판과 반도체층 사이에 에어 갭(air gap, 113)이 형성되며, 상기 에어 갭(113) 영역은 상부 방향의 반도체층에 전달되는 전위를 감소시킬 수 있다.
상기 양각으로 형성된 요철(111) 상에는 AlxGayInzN(x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)의 씨드층(seed layer, 114)이 더 포함될 수 있으며, 이 경우에 상기 씨드층 상에 반도체층이 성장될 수 있다.
상기 패턴(112)의 내부에는 굴절률이 서로 상이한 박막이 적층된 반사막을 포함하거나 표면을 조면화하여 발광소자 내부에서 생성된 빛의 산란에 의한 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 반사막은 SiOx(1≤x≤3) 또는 MgF2로 이루어지는 제1 반사층과, TiO2, Nb2O5, Ta2O5, HfO2, MgO, ZrO2 또는 SiONx 로 이루어지는 제2 반사층을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 SiO2와 TiO2를 이용하여 이루어지는 것이 좋다.
상기 기판 상에는 n형 반도체층(120)이 구비되며, 상기 에어 갭 영역에 의하여 전위의 전달이 감소한 층으로 형성될 수 있다. 선택적으로, n형 반도체층(120)은 Si을 도핑한 고농도 n형 질화갈륨계 화합물 반도체층으로 이루어진 제 1 층, 및 저농도 질화갈륨계 화합물 반도체층으로 이루어진 제 2 층이 번갈아가며 형성된 적층 구조로 형성될 수 있다. 물론, n형 반도체층(120)은 단층의 n형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하나, 제 1 층과 제 2 층의 적층 구조로 형성하여 크랙이 없는 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.
활성층(130)은 n형 반도체층(120)과 p형 반도체층(140) 사이에서 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조로　이루어질 수 있으며, n형 반도체층(120)을 통하여 흐르는 전자와, p형 반도체층(140)을 통하여 흐르는 정공이 재결합(re-combination)되면서, 광이 발생된다. 여기서, 활성층(130)은 양자장벽층(131)과 양자우물층(132)으로 이루어진 다중양자우물구조로 형성된다. 양자장벽층(131)은 질화갈륨계 화합물 반도체층으로, 바람직하게는 GaN층이고, 양자우물층(132)은 질화갈륨계 화합물 반도체층으로 바람직하게는 InGaN층으로 이루어질 수 있다. 이러한 양자장벽층(131)과 양자우물층(132)이 반복되어 형성된 구조의 활성층(130)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
p형 반도체층(140)은 활성층(130)의 상부면에 형성된다. 여기서, p형 반도체층(140)은 예컨대 Mg을 도핑한 p형 질화갈륨계 화합물 반도체가 단층으로 혹은 2층 이상 적층된 구조로 형성될 수 있다. 이때, p형 반도체층(150)은 n형 반도체층(120)과 마찬가지로 단층으로 성장시키는 것도 가능하나, Mg을 도핑한 p형 Al을 포함한 질화갈륨계 화합물 반도체층과, Mg을 도핑한 p형 질화갈륨계 화합물 반도체층으로 이루어진 제 2 층을 번갈아가며 적층한 것과 같은 적층 구조로 형성하여 크랙이 없는 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.
투명 전극층(150)은 p형 반도체층(140)의 상부면에 구비된 층이다. 이러한 투명 전극층(150)은 투명 전도성 화합물로 이루어지고, 그 재질은 In, Sn, Al, Zn, Ga 등의 원소를 포함하며, 예컨대 ITO, CIO, ZnO, NiO, In2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판의 결정 방향과 정합성을 나타내면서 에피 성장이 이루어져 전위가 수평방향으로 퍼지는 성장 모드를 활성화할 수 있어 성장면 방향으로의 전위를 감소시킬 수 있으며, 기판과 반도체층 사이의 에어 갭 영역에 의하여 상부 방향의 다른 층들로 관통 전위의 전달이 감소되어, 반도체 발광소자 전체 전위 밀도가 감소될 수 있으므로, 이에 따라 반도체 발광소자의 전기적 특성과 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 상기 일 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 제조 방법을 도 6a 내지 6d를 참조하여 설명한다. 여기서, 반도체 발광 소자의 관련된 제조 방법에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 6a에서 보는 바와 같이, 기판 표면을 일정 패턴(112)으로 식각하여 기판의 결정 구조에 따른 결정축 상에 결정축 방향으로 요철(111)을 형성한다. 상기 식각은 건식 식각 또는 습식 식각을 사용하여 이루어질 수 있고, 건식 식각을 사용하는 경우에 식각제는 CF4, CH4 또는 F6 등의 식각 가스를 사용할 수 있으며, 습식 식각을 사용하는 경우에 식각제는 H2SO4 , H3PO4, HCl, KOH, NaOH 및 HF4 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 습식 식각을 적용하는 경우 자동적으로 결정 방향으로의 우선 식각이 이루어지는 점에서 결정축 상에 요철을 형성하는데 보다 유리하고, 더욱 바람직하게는 H3PO4를 포함하는 식각제를 사용하는 것이 결정 방향성 식각에 적합하며, 가장 바람직하게는 H2SO4 및 H3PO4 이 9:1 ~ 1:9의 중량비로 혼합된 식각제를 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 패턴(112)은 포토레지스트 등을 통하여 형성될 수 있는데, 패턴 마스크로 포토 레지스트를 이용하는 경우 포토 리소그래피(photo-lithography), 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), 이온빔 리소그래피(Ion-beam Lithography), 극자외선 리소그래피(Extreme Ultraviolet Lithography), 근접 X선 리소그라피(Proximity X-ray Lithography) 또는 나노 임프린트 리소그래피(nano imprint lithography) 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 패턴(112)의 하부는 수평하게 이루어지는 부분 없이 모서리를 갖도록 형성하는 것이 요철(111) 상에서만 에피 성장이 이루어지는데 바람직하며, 기타 원형 또는 타원형의 곡선을 갖도록 형성될 수도 있다.
다음, 상기 요철(111) 상에 반도체층을 성장시켜 에어 갭을 형성하여 반도체 발광소자를 제조할 수 있는데, 이 때, 도 6b에서 보는 바와 같이, 상기 요철 상에 AlxGayInzN(x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)의 씨드층(seed layer, 114)을 형성한 후, 상기 씨드층(114) 상에 반도체층을 성장시키는 것이 바람직하다. 상기 씨드층은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition) 또는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)에 의하여 형성될 수 있으며, 구체적으로 스퍼터링(sputtering), ALE(atomic layer epitaxy), APCVD(atmospheric pressure chemical vapour deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), RTCVD(rapid thermal chemical vapor deposition), UHVCVD(ultrahigh vacuum chemical vapor deposition), LPCVD(low pressure chemical vapor deposition), MOCVD(Metal organic Chemical Vapor Deposition) 등의 방법이 적용될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
한편, 도 6c에서 보는 바와 같이, 본 발명은 상기 패턴 내부에 굴절률이 서로 상이한 박막을 적층하여 반사막(170)을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 반사막은 SiOx(1≤x≤3) 또는 MgF2로 이루어지는 제1 반사층(171)과, TiO2, Nb2O5, Ta2O5, HfO2, MgO, ZrO2 또는 SiONx 로 이루어지는 제2 반사층(172)을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 SiO2와 TiO2를 이용하여 이루어지는 것이 좋다.
또한, 도 6d에서 보는 바와 같이, 본 발명은 상기 패턴 내부의 표면을 조면화하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 기판에 있어서, 상기 요철 상에 반도체층을 성장시키면, 측면 방향으로 성장이 일어나면서 기판과 반도체층 사이에 에어 갭을 형성할 수 있다. 구체적으로 예를 들어 NH3 가스와 트리메탈갈륨(TMG) 가스를 반응시켜 생성된 질화 갈륨계 반도체층이 상부 방향과 수평 방향으로 연속 성장될 수 있고, 이웃하는 성장 구조체와 서로 합쳐져 에어 갭이 형성될 수 있다.
상기 기판(110) 상에 순차적으로 n형 반도체층(120), 활성층(130), p형 반도체층(140) 및 투명 전극층(150)을 형성한다. 여기서, n형 반도체층(120)은 전위의 발생과 전달이 감소된 층으로 형성될 수 있다.
따라서, 활성층(130), p형 반도체층(140) 및 투명 전극층(150) 등의 다른 층들 또한 전위 밀도가 감소된 n형 반도체층(120)의 상부면 방향에 형성되므로, 반도체 발광 소자(100)는 전체적으로 전위 밀도가 감소될 수 있다.
이렇게 투명 전극층(150)까지 형성된 후, 투명 전극층(150)으로부터 n형 반도체층(120)의 일 영역까지 노광 에칭(lithography etching)하여, n형 반도체층(120)의 일 영역이 노출될 수 있다.
n형 반도체층(120)의 일 영역이 노출되면, p측　전극(161)이 투명 전극층(150)의 상부면에 형성되고, n측 전극(162)이 노출된 n형 반도체층(120)의 일 영역에 형성된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
100: 반도체 발광소자 110: 기판
111: 요철 112: 패턴
113: 에어 갭 114: 씨드층
115: 성장 억제층 120: n형 반도체층
130: 활성층 131: 양자장벽층
132: 양자우물층 140: p형 반도체층
150: 투명 전극층 161: p측 전극
162: n측 전극 170: 반사막
171: 제1 반사층 172: 제2 반사층

Claims (23)

  1. 기판 상에 반도체 층을 구비하여 이루어진 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 기판의 표면에는 기판의 결정구조에 따른 결정축 상에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철은 삼각형, 마름모, 사다리꼴 또는 육각형 형태의 패턴이 반복됨에 따라 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요철은 선형으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 패턴 부분이 식각되어 상기 요철이 양각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 패턴의 꼭지점에서 두 변이 이루는 각이 60° 또는 120°를 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 요철의 폭은 0.1 ~ 5 μm 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 패턴의 평균 단면적이 0.5 ~ 5 μm2 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 반도체층 사이에 에어 갭(air gap)이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어, 실리콘, SiC, GaAs, GaP, AlN 및 GaN 중에서 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 요철 표면으로부터 패턴의 최저점의 깊이는 0.5 ~ 25 μm 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 요철 상에 AlxGayInzN(x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)의 씨드층(seed layer)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 패턴 내부에는 굴절률이 서로 상이한 박막이 적층된 반사막이 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반사막은 SiOx(1≤x≤3) 또는 MgF2로 이루어지는 제1 반사층과, TiO2, Nb2O5, Ta2O5, HfO2, MgO, ZrO2 또는 SiONx 로 이루어지는 제2 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 패턴 내부가 조면화된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 패턴은 곡선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 곡선의 배는 패턴의 두 꼭지점을 연결한 직선 길이의 5% 이내의 높이를 나타내는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  17. 기판 표면을 일정 패턴으로 식각하여 기판의 결정구조에 따른 결정축 상에 요철을 형성하는 단계 및
    상기 요철 상에 반도체층을 성장시켜 에어 갭을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 식각은 H2SO4 , H3PO4, HCl, KOH, NaOH 및 HF4 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용한 습식 식각으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 요철 상에 AlxGayInzN(x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)의 씨드층(seed layer)을 형성하고, 상기 씨드층 상에 반도체층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 씨드층은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition) 또는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 패턴 내부에 굴절률이 서로 상이한 박막을 적층하여 반사막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  22. 제21항에 있어서
    상기 반사막은 SiOx(1≤x≤3) 또는 MgF2로 이루어지는 제1 반사층과, TiO2, Nb2O5, Ta2O5, HfO2, MgO, ZrO2 또는 SiONx 로 이루어지는 제2 반사층을 포함하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 패턴 내부의 표면을 조면화하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
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