KR20150121306A - 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 형성된 노출홈을 형성하여 활성층의 측방으로 발광된 빛이 하방으로 반사되어 광추출효율을 향상시킬 수 있으며, 특히, 상기 노출홈의 경사면에 유전체층과 반사층을 형성함에 따라 광추출효율을 더욱 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법은, 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 적어도 하나의 노출홈;이 구비되며, 상기 활성층에서 상기 노출홈의 측면부로 반사되는 빛이 하방으로 반사되도록 구성된다.
이를 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법은, 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 적어도 하나의 노출홈;이 구비되며, 상기 활성층에서 상기 노출홈의 측면부로 반사되는 빛이 하방으로 반사되도록 구성된다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, n형 반도체층의 일부가 노출되도록 형성된 상광하협의 노출홈을 형성하여 활성층의 측방으로 발광된 빛이 상기 노출홈의 경사면에서 하방으로 반사되어 광추출효율을 향상시킬 수 있으며, 특히, 상기 노출홈의 경사면에 유전체층과 반사층을 형성함에 따라 광추출효율을 더욱 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
AlGaNInN 등과 같은 질화물 반도체는 직접 천이형의 에너지 구조를 가지며, Al, In, 및 Ga의 조합을 통하여 0.66eV(InN)에서 6.2eV(AlN)까지의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있어서, 적외선 영역에서부터 자외선 영역까지 넓은 파장 영역을 갖는 발광 소자에 사용된다.
질화물계 반도체의 대표적인 응용분야로 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신 기기의 광원이 있으며, 자외선, 백색 발광 다이오드(light emitting diodes) 또는 레이저 다이오드(laser diode)의 형태로 적용된다.
이러한 질화물계 발광 소자는 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치한 다중양자우물 구조의 활성층을 포함할 수 있으며, 상기 활성층 내의 양자우물층에서 전자와 정공이 재결합하는 원리로 빛을 생성한다.
도 1은 종래의 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 단면도로써, 도 1을 참조하면, 상기 종래의 반도체 발광 소자는 기판(1), n형 반도체층(10), 활성층(20), p형 반도체층(30), n형금속층(11), n-전극(12), p형금속층(31) 및 p-전극(32)을 포함하여 구성되며, 활성층(20)과 p형 반도체층(30) 사이에 스페이서층, 정공주입층, 전자차단층 등이 더욱 구비될 수 있다.
이러한 종래의 발광 소자는 n형 반도체층(10)과 p형 반도체층(30) 사이에 다중양자우물 구조의 활성층(20)을 포함하며 내부 양자 효율을 개선하고 있으며, 다중양자우물 구조 내의 AlGaInN 우물층의 In 함량 및 Al 함량을 조절하여 원하는 파장의 빛을 방출할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조의 반도체 발광 소자에 전류가 인가되면, n형 반도체층(10)과 p형 반도체층(30)으로부터 각각 전자와 정공이 제공되고, 전자와 정공이 활성층(20)에서 재결합되어 빛이 발생하게 된다.
이때, 발생되는 빛의 추출효율을 높이기 위하여 p형 반도체층(30) 상단부는 건식 에칭 또는 습식 에칭 또는 리소그래피(lithography)를 통하여 거친 표면을 갖도록 하거나 특정한 구조체를 형성할 수 있다.
한편, 소자 특성의 향상을 위해, 소자를 뒤집어 소자의 패드와 기판을 전기적, 기계적으로 연결하는 플립칩 기술이 적용되기도 한다. 플립칩 기술을 통해 열분산 효율이 증가하여 반도체 발광소자의 열특성이 향상되고, 투명전극과 전극패드에서 흡수되는 빛의 손실을 줄이며, 기판 방향으로 발광되는 빛을 추출함으로써 반도체 발광소자의 광추출효율이 높아진다. 플립칩 기술이 적용된 경우 p전극 방향으로 생성된 빛을 반사시키도록 반사 p전극을 형성하여, 광추출효율을 더욱 개선 시킨다. 일례로, 심자외선 영역의 반도체 발광소자의 경우, p전극 형성을 위한 p타입 GaN층을 포함하고 있어, p전극 방향으로 발생한 심자외선의 흡수가 심각하게 발생하기 때문에, 일반적인 경우 플립칩 기술을 통해 기판 방향으로 발생한 빛을 추출한다.
하지만, 종래의 표면 러프닝 등의 광추출 향상 기술과 일반적은 플립칩 구조는 측면 발광의 빛이 많은 자외선, 심자외선 발광소자에 적용하기에 근본적인 제한이 있다. 그 이유는, (0001) 방향으로 성장된 심자외선 발광소자, 즉, Al 조성이 큰 질화물 반도체 기반 발광소자의 경우 측면 발광이 강한 비등방성 빛이 생성되기 때문이다. 결과적으로 광추출효율 향상 및 외부 양자효율의 향상을 위해서 종래와 다른 새로운 방법이 요구된다.
등록특허 제10-0696194호(2007.03.12)
상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, n형 반도체층의 일부가 노출되도록 형성된 상광하협의 노출홈을 형성하여 활성층의 측방으로 발광된 빛이 상기 노출홈의 경사면에서 하방으로 반사되어 광추출효율을 향상시키며, 특히, 상기 노출홈의 경사면에 유전체층과 반사층을 형성함에 따라 광추출효율을 더욱 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 적어도 하나의 노출홈;이 구비되며, 상기 활성층에서 상기 노출홈의 측면부로 반사되는 빛이 하방으로 반사되도록 구성된다. 이러한 소자는 플립칩 구조에 적용될 수 있다.
바람직하게, 상기 노출홈의 측면부에는 반사층;이 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 노출홈의 측면부에는 유전체층;이 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 노출홈의 측면부에는 유전체층 및 반사층이 순차적으로 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 반사층은 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층으로 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 하나나 이들 금속의 합금을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 유전체층은 MgF2, CaF2, SiO2, SiOx, SiN, SiNx, Si3N4, Al2O3, GaO, TiO2, HfO2, CuO, MgO, SiOF 중 적어도 어느 하나로 이뤄질 수 있다.
바람직하게, 상기 p형 반도체층을 커버하는 유전체층;이 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 p형 반도체층을 커버하는 반사층;이 구비될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, (a) 기판상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계; 및 (b) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 (b) 단계는, (b1-1) 상기 p형 반도체층 상에 유기물의 열적 재흐름 현상(thermal reflow) 또는 유기물의 화학적 재흐름 현상(chemical reflow) 또는 이 둘 현상이 혼합된 현상(chemical-thermal reflow)을 통해 상협하광의 유기물 구조물을 형성하는 단계; 및 (b1-2) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계는, (b2-1) 상기 p형 반도체층 상에 포토레지스트를 형성하는 단계; 및 (b2-2) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계는, (b3-1) 상기 p형 반도체층 상에 마이크론 크기의 구형 물질들을 마련하는 단계; 및 (b3-2) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계는, (b4-1) 소정 형상의 홈이 형성된 제n의 광마스크를 이용하여 상기 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 중 적어도 어느 하나의 층을 노광 처리하고 에칭하여 n층 단계홈을 형성하는 단계; 및 (b4-2) 상기 제n의 광마스크의 홈보다 작은 크기의 홈이 형성된 제n+1의 광마스크를 이용하여 상기 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 중 적어도 어느 하나의 층을 노광 처리하고 에칭하여 상기 n층 단계홈 상에 n+1층 단계홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계는, (b5-1) 상기 p형 반도체층 상에 다단 적층 구조의 피라미드형 포토레지스트 구조물을 형성하는 단계; 및 (b5-2) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계 이후에, (c1) 상기 노출홈의 측면부 또는 상기 p형 반도체층에 유전체층을 형성하는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계 이후에, (c2) 상기 노출홈의 측면부 또는 상기 p형 반도체층에 반사층을 형성하는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계 이후에, (c1) 상기 노출홈의 측면부 또는 상기 p형 반도체층에 유전체층을 형성하는 단계; 및 (c2) 상기 유전체층에 반사층을 형성하는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 유전체층은 MgF2, CaF2, SiO2, SiOx, SiN, SiNx, Si3N4, Al2O3, GaO, TiO2, HfO2, CuO, MgO, SiOF 중 적어도 어느 하나로 이뤄질 수 있다.
바람직하게, 상기 반사층은 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층으로 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 하나나 이들 금속의 합금을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은, n형 반도체층의 일부가 노출되도록 형성된 상광하협의 노출홈을 형성하여 활성층의 측방으로 발광된 빛이 상기 노출홈의 경사면에서 하방으로 반사되어 광추출효율을 향상시킬 수 있으며, 특히, 상기 노출홈의 경사면에 유전체층과 반사층을 형성함에 따라 광추출효율을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2a의 'A'부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 제조과정을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 노출홈 형성과정을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 노출홈 형성과정을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 또다른 노출홈 형성과정을 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 또다른 노출홈 형성과정을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면형상을 도시한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자가 적용된 프립칩을 도시한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2a의 'A'부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 제조과정을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 노출홈 형성과정을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 노출홈 형성과정을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 또다른 노출홈 형성과정을 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 또다른 노출홈 형성과정을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면형상을 도시한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자가 적용된 프립칩을 도시한 단면도이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 기판(P)상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층(100), 활성층(200), p형 반도체층(300)을 포함하는 질화물 반도체 발광소자이며, 활성층(200)과 p형 반도체층(300)의 사이에는 스페이서층, 정공주입층, 전자차단층이 더욱 구비될 수 있다.
한편, 전기적 성질을 좋게 하기 위하여, n전극(120)과 전기적으로 연결되는 n형금속층(110), p전극(320)와 전기적으로 연결되는 p형금속층(310)이 구비될 수 있다.
한편, 본 실시예의 질화물 반도체 발광소자는, 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층(300), 활성층(200) 및 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 적어도 하나의 노출홈(S)이 구비된다.
한편, 질화물 반도체 발광소자에 스페이서층, 정공주입층, 전자차단층이 구비된 경우에는, 상기 노출홈(S)은 상기 전자차단층, 정공주입층, 스페이서도 함께 관통하도록 형성된다.
상기 노출홈(S)은 상부가 넓고 하부가 좁은 상광하협(上廣下狹) 형상으로 형성되어 측면부가 경사지게 형성되며, 상기 활성층(200)에서 상기 노출홈(S)의 측면경사부로 향하는 빛이 하방으로 반사된다.
활성층(200)은 높은 굴절률(AlGaN, n=2.5)을 가지고 있으며, 활성층(200)과 맞닿는 공기층(또는 활성층(200)의 표면에 구비된 유전체층(400))은 낮은 굴절률(ex. MgF2는 n=1.4 , 공기는 n=1)을 가지고 있는데, 이러한 이유로, 활성층(200)과 공기층(또는 유전체층(400)) 간의 큰 굴절률 차이로 인한 프레넬 반사(fresnel reflection) 및 전반사가 일어날 수 있게 되며, 이러한 현상으로 많은 양의 빛이 반사될 수 있다.
상기 유전체층(400)은, 금속과 활성층 사이의 전기적 쇼트(short)를 방지하는 기능, 프레넬 반사 및 전반사가 일어나도록 하는 기능, 그리고 소자 표면을 덮어서 (surface passivation) 누설 전류(leakage current)를 감소시키는 기능을 한다.
만약, 유전체층(400)과 반사층(500)을 형성하지 않을 경우에, 활성층(200)과 맞닿는 공기층을 통해 반사를 일을킬 수 있는 것이다.
상기 노출홈(S)은 상광하협(上廣下狹)의 형상, 예를 들어, 역사다리꼴 형상, U자 형상, 계단 형상 등 상기 활성층(200)에서 상기 노출홈(S)을 향하는 빛을 하방으로 반사할 수만 있다면 다양한 형상으로 적용가능함은 물론이다.
한편, 상기 노출홈(S)의 측면경사부에는 빛의 반사효율을 높이기 위한 반사층(500)이 구비될 수 있으며, 상기 반사층(500)은 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층으로 구성될 수 있다.
상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전방향 반사기층은 낮은 굴절률의 물질과 반사도가 높은 금속 층을 포함하여 구성될 수 있다. 낮은 굴절률의 물질에 의한 프레넬 반사 및 전반사 현상과 금속층에 의한 반사 현상이 함께 일어날 수 있으며 이로 인해 많은 양의 빛을 반사, 추출할 수 있다. 낮은 굴절률의 물질은 유전체 또는 다공성의 나노구조체를 지닐 수 있다. 반사도가 높은 금속층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 분포 브래그 반사계층은 굴절률이 서로 다른 두 물질층의 반복적인 층상 구조를 포함할 수 있으며, 각 층의 두께는 반도체 발광 소자의 발광 파장의 1/4배 근처로 형성될 수 있다.
상기 반사층(500)은, 상기 활성층(200)에서 상기 노출홈(S)을 향하여 발광된 빛의 반사율을 높여 하방으로의 광추출효율을 더욱 향상시키도록 기능한다.
한편, 상기 반사층(500)에 의해 발생할 수 있는 전기적 쇼트(short) 현상을 방지하기 위하여, 상기 반사층(500)의 내측에 유전체층(400)이 더욱 구비될 수 있다. 즉, 상기 노즐홈의 측면경사부에 유전체층(400) 및 반사층(500)이 순차적으로 증착되어 구비되는 것이다.
상기 유전체층(400)은 MgF2, CaF2, SiO2, SiOx, SiN, SiNx, Si3N4, Al2O3, GaO, TiO2, HfO2, CuO, MgO, SiOF 중 적어도 어느 하나로 이뤄질 수 있다.
상기 유전체층(400)의 증착은 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition), 박막 증착(sputtering), 전자빔 증착(E-Beam evaporation), 열 증착(thermal evaporation), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition), 화학 증착(CVD, chemical vapor deposition) 중 적어도 어느 하나의 증착 방법으로 이뤄질 수 있다.
상기 반사층(500)의 증착은 박막 증착(sputtering), 전자빔 증착(E-Beam evaporation), 열 증착(thermal evaporation), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition) 중 적어도 어느 하나의 증착 방법으로 이뤄질 수 있다.
한편, 상기 p형 반도체층(300) 상에도 유전체층(400) 및 반사층(500)이 순차적으로 구비될 수 있으며, 이러한 구성에 의해, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 p형 반도체층(300)을 향하는 빛이 하부로 반사되어 하방으로의 광추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 노출홈(S)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 스트립 형상, 원 형상, 타원 형상, 다각형 형상, 링 형상 중 적어도 어느 하나의 형상이 개별 또는 열을 이루어 형성될 수 있으며, 상술한 형상 이외에도 다양한 형상이 적용될 수 있음을 배제하지 않는다.
한편, 상술한 바와 같이 구성된 질화물 반도체 발광소자를 이용하여, 도 11에 도시된 바와 같이, 플립칩에 적용할 수 있다.
구체적으로, 질화물 반도체 발광소자의 n형 반도체층(100) 상에 형성된 n형금속층(110)이 제1범프를 통하여 서브마운트기판(P')의 n형전극(120)과 연결되고, p형 반도체층(300) 상에 형성된 p형금속층(310)이 제2범프를 통하여 서브마운트기판(P')의 p형전극(320)과 연결되도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 상술한 바와 같이 구성된 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, (a) 기판(P)상에 n형 반도체층(100), 활성층(200), p형 반도체층(300)을 순차적으로 적층하는 단계 및 (b) 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층(300), 활성층(200) 및 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 노출홈(S)을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 (a) 단계는, 기판(P)상에 n형 반도체층(100), 활성층(200), p형 반도체층(300)을 순차적으로 적층하는 단계로서, 공지의 일반적인 반도체 제조공정을 통해 제조될 수 있으며, 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 (b) 단계는, 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층(300), 활성층(200) 및 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 노출홈(S)을 형성하는 단계로서, 도 4 내지 도 9에 도시된 바와 같이 다양한 방법을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(S)의 형성은, 상기 p형 반도체층(300) 상에 유기물의 열적 재흐름 현상(thermal reflow) 또는 유기물의 화학적 재흐름 현상(chemical reflow) 또는 이 둘 현상이 혼합된 현상(chemical-thermal reflow)을 통해 상협하광의 유기물 구조물을 형성하는 단계 및 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈(S)을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, p형 반도체층(300) 상에 소정의 패턴으로 단면이 직사각형인 유기물 포토레지스트(PR)를 적층한 상태에서, 열적 재흐름 현상 또는 화학적 재흐름 현상을 통해 상기 유기물 포토레지스트(PR)의 단면 형상이 대략 렌즈 또는 사다리꼴 형상과 같은 상협하광 형상이 되도록 하고, 이후에 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 등방성 또는 비등방성 식각처리를 통해 상광하협(上廣下狹) 형상의 노출홈(S)을 형성할 수 있다.
열적 재흐름 현상을 이용하는 것은, 감광제인 포토레지스트(PR)가 일정 수준의 높은 온도(자체의 유리전이온도(glass transition temperature) 이상의 온도)가 되면 유동성을 갖게 되며, 표면장력으로 인해 대략 렌즈 또는 사다리꼴 형상과 같은 상협하광 형상이 되는 점을 이용한 것으로 이해할 수 있다.
화학적 재흐름 현상은, 포토레지스트를 챔버(chamber)와 같은 밀폐된 곳에 용매와 함께 넣어 용매의 증기가 포토레지스트에 흡수되도록 하여 포토레지스트의 cross linking 현상을 조금 더 늦추는 것으로 reflow를 촉진시키는 방법이며, 포토레지스트는 온도가 증가할수록(100℃ 이상) reflow되는 정도가 증가하여 자체의 표면장력으로 인하여 렌즈 모양의 상협하광 형상을 띄게 되며(금속 표면에 물방울이 둥근 형상을 띄는 것과 같음), 동시에 cross linking 현상도 일어나게 된다.
온도가 더욱 증가하여 160℃이상의 매우 높은 온도에 도달하게 되면, cross linking현상이 심하게 진행되어 포토레지스트가 굳어지는 현상이 발생하는데, 화학적 재흐름 현상은 이러한 cross linking현상 진행을 더디게 하여 더욱 reflow가 잘되게 한다.
이때, 상기 열적 재흐름 현상을 통해 단면이 직사각형인 유기물 포토레지스트(PR)를 대략 렌즈 또는 사다리꼴 형상과 같은 상협하광 형상이 되도록 하는 경우에, 80℃ 내지 250℃의 사이에서 처리하는 것이 바람직하며, 이는, 80℃ 미만인 경우에는 온도가 포토레지스트(PR) 고유의 glass transition temperature 보다 낮기 때문에 reflow가 일어나기 어려워 대략 렌즈 또는 사다리꼴 형상과 같은 상협하광 형상으로 형성되기 어려우며, 250℃ 초과인 경우에는 포토레지스트(PR)사이의 cross linking 현상으로 포토레지스트(PR)가 딱딱하게 굳어져 대략 렌즈 또는 사다리꼴 형상과 같은 상협하광 형상으로 형성되기 어렵기 때문이다.
또한, 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(S)의 형성은, 상기 p형 반도체층(300) 상에 포토레지스트(PR)를 형성하는 단계 및 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈(S)을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, p형 반도체층(300) 상에 소정의 패턴으로 유기물 포토레지스트(PR)를 적층하고, 이후에 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 등방성 또는 비등방성 식각처리를 통해 상광하협(上廣下狹) 형상의 노출홈(S)을 형성할 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(S)의 형성은, 상기 p형 반도체층(300) 상에 마이크론 크기의 구형 물질들을 마련하는 단계 및 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈(S)을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, p형 반도체층(300) 상에 마이크론 크기의 구형 물질(예, 폴리스티렌 재질의 마이크로 볼, SiO2 재질의 마이크로 볼 등)을 소정의 패턴으로 도포하고, 이후에 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈(S)을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(S)의 형성은, 소정 형상의 홈이 형성된 제n의 광마스크를 이용하여 상기 n형 반도체층(100), 활성층(200), p형 반도체층(300) 중 적어도 어느 하나의 층을 노광 처리하고 에칭하여 n층 단계홈을 형성하는 단계 및 상기 제n의 광마스크의 홈보다 작은 크기의 홈이 형성된 제n+1의 광마스크를 이용하여 상기 n형 반도체층(100), 활성층(200), p형 반도체층(300) 중 적어도 어느 하나의 층을 노광 처리하고 에칭하여 상기 n층 단계홈 상에 n+1층 단계홈을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, p형 반도체층(300) 상에 소정 크기의 홈이 형성된 제1광마스크(PM1)를 이용하여 p형 반도체층(300)의 일부를 노광처리하고 에칭하여 1층 단계홈(h1)을 형성하고, 이후에, 상기 제1광마스크(PM1)보다 작은 크기의 홈이 형성된 제2광마스크(PM2)를 이용하여 p형 반도체층(300), 활성층(200), n형 반도체층(100)의 일부를 노광처리하고 에칭하여 2층 단계홈(h2)을 형성하며, 이후에, 상기 제2광마스크(PM2)보다 작은 크기의 홈이 형성된 제3광마스크(PM3)를 이용하여 n형 반도체층(100)의 일부를 더욱 노광처리하고 에칭하여 3층 단계홈(h3)을 형성하여 상기 노출홈(S)을 형성할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(S)의 형성은, 상기 p형 반도체층(300) 상에 다단 적층 구조의 피라미드형 포토레지스트 구조물을 형성하는 단계 및 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈(S)을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, p형 반도체층(300) 상에 제1포토레지스트(PR1), 상기 제1포토레지스트(PR1)의 상면에 상기 제1포토레지스트(PR1)보다 작은 폭을 갖는 제2포토레지스트(PR2) 및 상기 제2포토레지스트(PR2)의 상면에 상기 제2포토레지스트(PR2)보다 작은 폭을 갖는 제3포토레지스트(PR3)를 순차적으로 다단 적층하여 피라미드형 포토레지스트 구조물을 형성하고, 이후에 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈(S)을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 다양한 방법을 통해 상기 노출홈(S)을 형성할 수 있으며, 상술한 방법 이외에도 상광하협 형태의 노출홈(S)을 형성하는 방법이라면 채택하여 적용이 가능하다.
한편, 상기 (b) 단계 이후에, 상기 노출홈(S)의 측면부 또는 상기 p형 반도체층(300)에 유전체층(400)을 형성하는 단계, 또는, 상기 노출홈(S)의 측면부 또는 상기 p형 반도체층(300)에 반사층(500)을 형성하는 단계를 더 포함하거나, 상기 노출홈(S)의 측면부 또는 상기 p형 반도체층(300)에 유전체층(400)을 형성하는 단계와 상기 유전체층(400)에 반사층(500)을 형성하는 단계를 모두 더 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(S)의 측면부에만 유전체층(400) 및 반사층(500)을 순차적으로 적층하여 형성하거나, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(S)의 측면부와 상기 p형 반도체층(300) 상에 유전체층(400)과 반사층(500)을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다.
상기 유전체층(400)은 MgF2, CaF2, SiO2, SiOx, SiN, SiNx, Si3N4, Al2O3, GaO, TiO2, HfO2, CuO, MgO, SiOF 중 적어도 어느 하나로 이뤄질 수 있고, 상기 반사층(500)은 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층으로 구성될 수 있으며, 상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.
1: 기판
10: n형 반도체층
11: n형 금속층
12: n전극
20: 활성층
30: p형 반도체층
31: p형 금속층
32: p전극
100:n형 반도체층
110:n형금속층
120:n전극
200:활성층
300:p형 반도체층
310:p형금속층
320:p전극
400:유전체층
500:반사층
P:기판
P':서브마운트기판
S:노출홈
10: n형 반도체층
11: n형 금속층
12: n전극
20: 활성층
30: p형 반도체층
31: p형 금속층
32: p전극
100:n형 반도체층
110:n형금속층
120:n전극
200:활성층
300:p형 반도체층
310:p형금속층
320:p전극
400:유전체층
500:반사층
P:기판
P':서브마운트기판
S:노출홈
Claims (21)
- 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 적어도 하나의 노출홈;이 구비되며, 상기 활성층에서 상기 노출홈의 측면부로 반사되는 빛이 하방으로 반사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 노출홈의 측면부에는 반사층;이 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 노출홈의 측면부에는 유전체층;이 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 노출홈의 측면부에는 유전체층 및 반사층이 순차적으로 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제2항 또는 제4항에 있어서,
상기 반사층은 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층으로 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제5항에 있어서,
상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 하나나 이들 금속의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 유전체층은 MgF2, CaF2, SiO2, SiOx, SiN, SiNx, Si3N4, Al2O3, GaO, TiO2, HfO2, CuO, MgO, SiOF 중 적어도 어느 하나로 이뤄진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 p형 반도체층을 커버하는 유전체층;이 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 p형 반도체층을 커버하는 반사층;이 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - (a) 기판상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계; 및
(b) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부가 식각되어 형성된 상광하협(上廣下狹) 형상의 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b1-1) 상기 p형 반도체층 상에 유기물의 열적 재흐름 현상(thermal reflow) 또는 유기물의 화학적 재흐름 현상(chemical reflow) 또는 이 둘 현상이 혼합된 현상(chemical-thermal reflow)을 통해 상협하광의 유기물 구조물을 형성하는 단계; 및
(b1-2) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b2-1) 상기 p형 반도체층 상에 포토레지스트를 형성하는 단계; 및
(b2-2) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b3-1) 상기 p형 반도체층 상에 마이크론 크기의 구형 물질들을 마련하는 단계; 및
(b3-2) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b4-1) 소정 형상의 홈이 형성된 제n의 광마스크를 이용하여 상기 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 중 적어도 어느 하나의 층을 노광 처리하고 에칭하여 n층 단계홈을 형성하는 단계; 및
(b4-2) 상기 제n의 광마스크의 홈보다 작은 크기의 홈이 형성된 제n+1의 광마스크를 이용하여 상기 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 중 적어도 어느 하나의 층을 노광 처리하고 에칭하여 상기 n층 단계홈 상에 n+1층 단계홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b5-1) 상기 p형 반도체층 상에 다단 적층 구조의 피라미드형 포토레지스트 구조물을 형성하는 단계; 및
(b5-2) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 식각처리하여 상기 노출홈을 형성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계 이후에,
(c1) 상기 노출홈의 측면부 또는 상기 p형 반도체층에 유전체층을 형성하는 단계;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계 이후에,
(c2) 상기 노출홈의 측면부 또는 상기 p형 반도체층에 반사층을 형성하는 단계;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계 이후에,
(c1) 상기 노출홈의 측면부 또는 상기 p형 반도체층에 유전체층을 형성하는 단계; 및
(c2) 상기 유전체층에 반사층을 형성하는 단계;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제16항 또는 제18항에 있어서,
상기 유전체층은 MgF2, CaF2, SiO2, SiOx, SiN, SiNx, Si3N4, Al2O3, GaO, TiO2, HfO2, CuO, MgO, SiOF 중 적어도 어느 하나로 이뤄진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 반사층은 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층으로 구성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 하나나 이들 금속의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
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