KR20170000054A - 반도체 발광 소자의 제조 방법 및 그 반도체 발광 소자 - Google Patents

반도체 발광 소자의 제조 방법 및 그 반도체 발광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자의 제조 방법 및 그 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 질화물계 반도체층을 형성하는 단계; 상기 질화물계 반도체층 또는 그 상부에 복수의 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 구조물 각각의 상부에 나노선을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

반도체 발광 소자의 제조 방법 및 그 반도체 발광 소자{MANUFACTURING METHOD OF LIGHT EMITTING DIODE AND THE LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 반도체 발광 소자의 제조 방법 및 그 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 질화물반도체 표면 조화 구조물에도 불구하고 광소자 내부에서 발생하는 전반사에 의한 광추출 효율 감소를 해결하기 위해서 기형성된 구조물에 ZnO 나노선 성장 기술을 이용하여 나노 사이즈의 패턴을 추가적으로 형성시켜 광추출 효율을 향상시키는 반도체 발광 소자의 제조 방법 및 그 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
백색광원 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해 향후 5년 이내에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명(solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다. 질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다. 이런 점 때문에 고출력의 빛을 발하기 위해서 발광다이오드의 표면 패터닝을 개선하는 연구가 진행되고 있다.
이러한 발광다이오드에서 광출력을 향상시키기 위하여 크게 향상시킬 수 있는 부분이 빛이 방출되는 곳의 패터닝이다. 빛이 나오는 곳이 매끄러운 평면인 경우, 대기/반도체층 계면에서 일어나는 전반사로 인해 활성층에서 발생된 빛의 상당부분이 외부로 빠져나올 수 없기 때문에 높은 광출력을 기대할 수 없다. 따라서 반도체층 표면을 인위적으로 변형하여 전반사가 일어나는 것을 방지하여 최소한의 손실로 빛을 외부로 빠져 나오게 하여 광추출 효율을 극대화 하는 것이 필요하다.
이러한 관점에서 반도체의 표면에 리소그래피를 통해 수백 nm ~ 수 um 크기의 기공 또는 돌기를 주기적으로 배열하여 광결정(photonic crystal)을 형성하거나, 표면층에 피라미드 형태의 육각뿔을 형성하는 등 표면 조화(surface roughening)를 하게 되면 소자 외부로의 광추출 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다.
종래의 광추출 효율 향상 기술들은 식각 마스크를 사용하여 소자 표면 자체를 식각하여 여러 모양의 패턴을 형성하거나, 습식 식각 방법인 PCE (photochemical etching)를 이용하여 소자 표면에 피라미드 콘 형태의 패턴을 형성하여 효율 향상을 이뤘다. 하지만, 소자 표면에 패턴을 형성하더라도 공기와 질화물반도체의 큰 굴절률 차이로 인하여 활성층에서 발생한 빛이 공기 중으로 전부 방출되기는 어렵다. 또한, 도 1과 같이 질화물 반도체 표면에 패턴 형성시 전면에 균일하게 고밀도로 패턴을 형성하는 것은 사실상 어렵기 때문에 패턴 사이에 존재하는 평평한 면에 의하여 일부 전반사가 발생하고, 재흡수로 인해 광추출 효율이 저하된다.
특허문헌 1: 한국공개특허공보 제10-2010-0091856호(2010.08.19)
본 발명은 질화물반도체 표면 조화 구조물에도 불구하고 광소자 내부에서 발생하는 전반사에 의한 광추출 효율 감소를 해결하기 위해서 기형성된 구조물에 ZnO 나노선 성장 기술을 이용하여 나노 사이즈의 패턴을 추가적으로 형성시켜 광추출 효율을 향상시키는 반도체 발광 소자의 제조 방법 및 그 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 질화물계 반도체층을 형성하는 단계; 상기 질화물계 반도체층 또는 그 상부에 복수의 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 구조물 각각의 상부에 나노선을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 질화물계 반도체층은 n형 질화물갈륨계 반도체층 및 p형 질화물갈륨계 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 구조물을 형성하는 단계는 상기 n형 질화물갈륨계 반도체층의 상부 표면에 상기 복수의 구조물을 형성할 수 있다.
또한, 상기 구조물을 형성하는 단계는 상기 p형 질화물갈륨계 반도체층 상에 산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 산화물층에 상기 복수의 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화물층은 ITO, IGO, IZO 및 ZnO 중 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 질화물계 반도체층은 구조물이 패터닝된 사파이어 기판에 적층된 상기 n형 질화물갈륨계 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 구조물을 형성하는 단계는 상기 사파이어 기판의 구조물 패턴이 전사된 상기 질화물계 반도체층과 상기 사파이어 기판을 분리하여 상기 구조물을 형성할 수 있다.
또한, 상기 구조물은 상기 질화물계 반도체층을 습식 식각 방법으로 형성한 원뿔, 타원뿔, 다각뿔 중 하나일 수 있다.
또한, 상기 습식 식각 방법은 NaOH 용액 및 KOH 용액 중 하나를 사용하며, 용액의 농도가 1M ~ 32M일 수 있다.
또한, 상기 구조물은 식각용 마스크를 이용하여 건식 식각으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 식각용 마스크는 포토레지스트(PR), 니켈 금속닷 및 나노스피어 중 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 구조물은 300nm ~ 50um의 지름으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 나노선을 형성하는 단계에서는 상기 질화물 반도체층 상부면에 수열 합성법을 이용하여 나노선을 성장시켜 추가 나노구조물을 형성할 수 있다.
또한, 상기 나노선은 산화아연(ZnO)으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 나노선은 약 1nm ~ 약 300nm의 지름과, 약 10nm ~ 1um의 길이를 가질 수 있다.
또한, 상기 나노선을 형성하는 단계에서는 상기 질화물계 반도체층에 자외선 오존 및 산소 플라즈마 중 적어도 하나의 표면 처리를 통해 상기 나노선의 밀도와 지름을 조절할 수 있다.
또한, 상기 나노선을 식각용 마스크로 사용하여 상기 구조물을 플라즈마 식각하여 복합 나노구조물을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 식각은 Cl2, BCl3, O2, N2, Ar, CF4 및 CH4 중 선택된 하나 가스 또는 그 혼합 가스를 사용할 수 있다.
또한, 상기 복합 나노구조물은 5nm ~ 300nm의 지름과, 10nm ~ 1um의 식각 깊이로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 상술한 반도체 발광 소자의 제조 방법에 의해 제조된다.
본 발명은 패턴이 기형성된 질화물반도체 표면에 수열합성법을 이용하여 ZnO 나노선을 추가적으로 성장시키거나 성장된 ZnO 나노선을 플라즈마를 이용한 표면 식각을 통하여 추가적인 나노구조물을 전면에 형성하여 복합적인 나노 구조에 의한 더 높은 광추출 효율 향상을 유도하는 반도체 발광 소자의 제조 방법 및 그 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 ZnO 나노선을 성장시키는 조건으로서, 표면 처리 변화, 용액 농도, 성장 시간, 성장 온도, 등의 변화에 따라서 나노구조의 크기를 조절할 수 있으며, 어떤 모양의 질화물 반도체 패턴에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 질화물갈륨계 발광 소자의 제조 공정에 즉시 적용이 가능하며, 수직형 발광 소자 구조와 수평형 발광 소자 구조에 모두 적용할 수 있다.
도 1은 가장 대표적인 습식에칭에 의해 형성된 피라미드 나노구조물의 한계점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 제조 방법의 공정 단계를 단면 구조로 나타낸는 도면이다.
도 4는 질화물 반도체층 표면의 자외선 오존(UVO) 처리 시간 및 성장 시간에 따른 ZnO 나노선의 형상변화를 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다.
도 5는 나노선 성장 후 플라즈마 식각 깊이를 변화시켰을 때의 복합 나노구조물의 형상 변화를 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다.
도 6 내지 도 8은 반도체 발광 소자의 구조 및 광 경로를 나타내는 도면이다.
도 9는 습식 식각이 진행된 수직형 질화물 발광 다이오드에 표면처리인 UVO 처리 시간과 ZnO 나노선 성장시간을 변화시켰을 때 발광 다이오드의 광특성 변화를 설명하는 도면이다.
도 10은 습식 식각으로 피라미드 콘을 형성한 수직형 질화물 발광 다이오드에 ZnO 나노선을 성장시킨 후, 플라즈마 식각을 통하여 추가적인 나노구조물을 형성한 경우의 복사선속 값의 변화를 나타내는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 구(sphere)는 한 점에서 같은 거리에 있는 모든 점으로 이루어진 입체 모양이라는 수학적 정의의 구뿐만 아니라 외형상 둥글게 생긴 형상의 것을 모두 포괄하는 의미로 사용한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 제조 방법의 공정 단계를 단면 구조로 나타낸는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 질화물계 반도체층을 형성하는 단계(S110), 질화물계 반도체층 또는 그 상부에 복수의 구조물을 형성하는 단계(S120), 복수의 구조물 각각의 상부에 나노선을 형성하여 추가 나노구조체를 형성하는 단계(S130) 및 나노선을 식각용 마스크로 사용하고 복수의 구조물을 식각하여 복합 나노구조물을 형성하는 단계(S140)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 수직 구조 또는 수평 구조로 구성될 수 있다. 다만, 여기서는 설명의 편의상 수직 구조로 이루어진 반도체 발광 소자를 도시하였으며, 기판(100) 상에 p형 전극(110), p형 질화물계 반도체층(120), 활성층(130) 및 n형 질화물계 반도체층(140)이 적층되어 구성될 수 있다.
단계 S110에서는 p형 질화물계 반도체층(120), 활성층(130) 및 n형 질화물계 반도체층(140)을 적층하여 질화물계 반도체층을 형성할 수 있다. 여기서, p형 질화물계 반도체층(120)과 n형 질화물계 반도체층(140) 각각은 p형 질화물갈륨계(GaN) 물질 및 n형 질화물갈륨계(GaN) 물질로 형성할 수 있다.
단계 S120에서는 반도체 발광 소자의 구조에 따라 질화물계 반도체층의 표면에 복수의 구조물(150)을 형성하거나, 질화물계 반도체층 상부에 복수의 구조물(150)을 형성할 수 있다.
만약, 반도체 발광 소자가 수직 구조일 경우, n형 질화물갈륨계 물질을 포함하는 n형 질화물계 반도체층(140) 표면에 복수의 구조물(150)을 형성할 수 있다. 여기서, 복수의 구조물(150)은 식각용 마스크를 이용한 습식 식각 또는 건식 식각으로 n형 질화물계 반도체층(140)의 표면에 원뿔, 타원뿔, 및 다각뿔 중 하나의 형태로 형성할 수 있다. 예를 들면, 복수의 구조물(150)은 피라미드 형태의 콘(cone)으로 형성할 수 있다.
이때, 습식 식각은 NaOH 용액 또는 KOH 용액을 사용하고, 용액의 농도를 약 1M ~ 약 32M으로 설정하여 수행할 수 있다. 여기서, 용액의 농도가 약 1M 미만일 경우에는 형성되는 구조물(150)의 크기가 작고 반응이 잘 일어나지 않으며, 약 32M 초과일 경우에는 구조물(150)의 크기가 크게 형성되어 소자의 누설전류의 원인이 될 수 있다.
또한, 건식 식각은 ICP(Inductive Coupled Plasma) 에칭 장치를 이용하여 수행하고, 식각용 마스크는 PR(Photo Resist), Ni 금속닷(metal dot), 각종 나노스피어(nanosphere)를 사용할 수 있다.
이와 같이 형성된 복수의 구조물(150) 각각은 약 300nm ~ 약 50um의 지름으로 형성될 수 있다. 이때, 복수의 구조물(150) 각각은 추가적으로 형성할 구조물의 크기보다 커야 하기 때문에 약 300nm 이상의 지름으로 형성되어야 한다. 또한, 복수의 구조물(150) 각각이 약 50nm 미만의 지름으로 형성될 경우에는 광추출 효율이 크게 증가하지 않을 수 있다.
만약, 반도체 발광 소자가 수평 구조일 경우, p형 질화물계 반도체층(120) 상에 전류 퍼짐을 위해 산화물층을 형성하는 단계, 및 산화물층에 복수의 구조물을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 산화물층은 p형 질화물계 반도체층(120) 상에 ITO, IGO, IZO, ZnO 중 선택된 하나로 형성할 수 있다.
단계 S130에서는 복수의 구조물이 형성된 반도체 발광 소자 전면에 수열합성법을 이용하여 복수의 ZnO 나노선을 성장시켜 추가 나노구조물(160)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 수열합성법은 질화물아연(ZnN)과 헥사메틸렌테트라민(Hexamethylentetramine, HMTA)을 1:1로 혼합한 용액을 사용하고, 약 90℃ ~ 약 100℃의 용액 온도와, 약 1mM ~ 약 100mM의 용액 농도와, 약 30분 ~ 약 5시간의 성장 시간으로 설정된 공정 조건에서 수행될 수 있다.
또한, ZnO 나노선(160)은 약 1nm ~ 약 300nm의 지름과, 약 10nm ~ 약 1um의 길이로 성장시킬 수 있다. 지름 약 1nm 미만의 나노선(160)은 실직적으로 성장이 쉽지 않고 식각용 마스크로서 역할 수행이 불가능하며, 약 300 nm 초과의 나노선(160)은 기 형성된 구조물(150)과 크기에 차이가 없기 때문에 본 발명의 기술 효과를 기대하기 힘들다. 길이 약 10 nm 미만의 나노선(160)은 식각용 마스크로서 역할을 기대하기 힘들고, 또한 기 형성된 구조물(150)의 식각을 약 1 um 초과 진행하면 반도체 발광 소자에 누설전류가 발생할 가능성이 커지기 때문에 약 1um 이하의 나노선(160)이 적합하다.
이때, 질화물계 반도체층을 자외선 오존(UVO) 또는 O2 플라즈마 등으로 표면 처리할 경우 ZnO 나노선의 밀도와 지름을 조절할 수 있다.
도 4는 질화물 반도체층 표면의 자외선 오존(UVO) 처리 시간 및 성장 시간에 따른 ZnO 나노선의 형상변화를 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다.
도 4를 참조하면, 단계 S130에서 UVO 처리 시간이 증가하면 핵생성(nucleation) 위치수가 증가하여 ZnO 나노선의 밀도가 증가하고 나노선의 크기는 감소하는 경향을 보일 수 있다. 또한 성장 시간이 증가하면 ZnO 나노선의 길이가 증가하며, UVO 처리 시간이 길고 성장 시간도 길어지면 고밀도의 핵생성 위치에서 나노선이 성장하는 과정에서 주변의 나노선과 병합되면서 지름이 큰 하나의 나노선으로 성장할 수 있다. 이에 따라, 질화물 반도체층에서는 ZnO 나노선의 성장 조건에 따라서 추가 나노구조물(160)의 형상을 쉽게 조절할 수 있다.
한편, 실시 형태에 따라 단계 S130까지 수행하여 추가 나노구조물(160)을 형성한 후, 분리(isolation) 단계, n형 전극 또는 p형 전극 형성 단계를 거쳐 반도체 발광 소자를 완성할 수 있다.
단계 S140에서는 나노선(160)을 식각용 마스크로 사용하고, 복수의 구조물(150)을 플라즈마 식각하여 복합 나노구조물(170)을 형성할 수 있다. 플라즈마 식각은 Cl2, BCl3, O2, N2, Ar, CF4 및 CH4 중 선택된 하나의 가스 또는 그 혼합 가스를 사용할 수 있다.
여기서, 복합 나노구조물(170)은 약 1nm ~ 약 300nm의 지름과, 약 10nm ~ 1um의 식각 깊이로 형성될 수 있다. 이때, 복합 나노구조물(170)은 사실상 약 1nm 미만의 지름으로 형성하기 힘들고, 약 300nm 초과의 지름이 되면 기 형성된 구조물(150)의 형태가 사라지기 때문에 약 300nm 이하의 지름으로 형성되어야 한다. 또한, 복합 나노구조물(170)의 식각 깊이는 약 1um 이상이 될 경우 반도체 발광 소자의 누설 전류의 원인이 될 수 있다.
도 5는 나노선 성장 후 플라즈마 식각 깊이를 변화시켰을 때의 복합 나노구조물의 형상 변화를 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다.
도 5를 참조하면, 복수의 구조물이 형성된 질화물반도체층 상에 복수의ZnO 나노선을 성장시킨 후, 플라즈마 식각 방법을 이용하여 식각을 수행할 수 있다. 여기서, 식각 깊이가 깊어질수록 복수의 구조물 각각에 복합 나노구조물이 뚜렷하게 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 식각 조건에 따라 복합 나노구조물의 형상을 쉽게 변화시킬 수 있다.
상술한 제조 방법에 의해 제조된 반도체 발광 소자는 도 7 및 도 8에 도시된 빛의 경로에 나타나는 바와 같이 도 6에 도시된 종래의 반도체 발광 소자와 비교하여 광추출 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
도 6의 종래의 반도체 발광 소자는 질화물반도체의 큰 굴절률 (n=2.5) 과 공기 굴절률 (n=1) 의 큰 차이로 인하여 작은 임계각을 가지므로 활성층에서 발생한 빛이 내부 전반사되어 상당 부분이 외부로 빠져나오지 못하고 내부에서 소멸하여 광추출 효율이 낮은 문제점을 보여주고 있다. 또한, 도 6의 종래의 반도체 발광 소자는 표면에 복수의 구조물을 형성하여 산란 효과로 인해 빛이 외부로 빠져 나올 수 있는 기회가 증가하는 것을 보여주며, 복수의 구조물 사이의 평평한 면에 의해서 내부 전반사가 발생하는 것을 나타내고 있다.
반면에, 도 7의 반도체 발광 소자는 복수의 구조물 상에 ZnO 나노선을 성장시켜 추가 나노구조물(160)을 형성한 경우 내부에서 발생한 빛의 경로를 보여주며, 도 8의 반도체 발광 소자는 복수의 구조물 상에 성장시킨 ZnO 나노선을 마스크로 식각을 수행하여 기형성된 구조물보다 작은 크기의 복합 나노구조물을 전면에 형성했을 때 내부에서 발생한 빛의 경로를 보여준다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 질화물계 반도체층의 발광 파장영역보다 작은 나노선의 추가 나노구조물(160)이나 복합 나노구조물을 균일하고 고밀도로 형성하여 구조물 사이의 평평한 면을 감소시키고 구조물의 옆면에서 굴절률을 조절하여 내부에서 발생한 빛을 최대로 추출시켜 줄 수 있다.
도 9는 습식 식각이 진행된 수직형 질화물 발광 다이오드에 표면처리인 UVO 처리 시간과 ZnO 나노선 성장시간을 변화시켰을 때 발광 다이오드의 광특성 변화를 설명하는 도면이다.
도 9에서는 구조물만 형성된 반도체 발광 소자와, 구조물에 나노선을 성장시켜 추가 나노구조물이 형성된 반도체 발광 소자의 광량을 비교하고 있다. 구조물만 형성된 반도체 발광 소자의 광량은 설명의 편의상 상수 1로 설정하였다.
UVO 처리 시간이 150 초 이하일 때는 피라미드 콘만 있는 발광 다이오드 대비 1 % 내외의 광특성 변화를 보이지만, 300초로 처리시간이 증가하여 전면에 ZnO 나노선이 추가적으로 성장하는 경우에는 2 시간 성장 진행했을 때, 최대 약 3.1%까지 광량이 증가하였다. UVO 처리 시간이 길어지면 나노선들이 서로 합병되면서 나노선의 크기가 증가하고 전면을 덮는 형상이 되기 때문에 광량이 다시 감소한다.
도 10은 습식 식각으로 피라미드 콘을 형성한 수직형 질화물 발광 다이오드에 ZnO 나노선을 성장시킨 후, 플라즈마 식각을 통하여 추가적인 나노구조물을 형성한 경우의 복사선속 값의 변화를 나타내는 도면이다.
도 10에서는 식각 깊이가 깊어질수록 복사선속 값이 증가하며 식각 깊이가 약 300 nm 일 때는 구조물만 있는 반도체 발광 소자의 복사선속 약 426mW과 비교하여 최대 3.4 %까지 복사선속 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
ZnO 나노선 성장 통한 추가 나노구조물 형성 및 ZnO 나노선의 플라즈마 식각을 이용한 복합 나노구조물 형성하는 기술은 소자의 열화 현상이 없는 저온에서 가능하고 대면적이 가능한 수열 합성법을 사용하고 일반적인 플라즈마 식각방법을 통하여 기술을 구현하여 발광 다이오드의 효율을 향상시키는 것이 가능하며, 다른 고비용의 추가적인 공정이 필요하지 않는 것을 특징으로 하기 때문에, 대면적 적용과 제작 단가 측면에서 매우 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 상술한 과정 이후, 분리(isolation) 단계, n형 전극 또는 p형 전극 형성 단계를 거쳐 반도체 발광 소자를 완성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 구조물이 기형성된 질화물반도체 표면에 수열합성법을 이용하여 ZnO 나노선을 추가적으로 성장시켜 추가 나노구조물을 형성하거나, 성장된 ZnO 나노선을 플라즈마를 이용한 표면 식각을 통하여 추가적인 나노구조물을 전면에 형성하여 복합적인 나노구조물에 의한 더 높은 광추출 효율 향상을 유도할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 ZnO 나노선을 성장시키는 조건으로서, 표면 처리 변화, 용액 농도, 성장 시간, 성장 온도 등의 변화에 따라서 나노구조물의 크기를 조절할 수 있으며, 어떤 모양의 질화물 반도체 패턴에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 현재 널리 사용되고 있는 질화물갈륨계 발광 소자의 제조 공정에 즉시 적용 가능하며, 수직형과 수평형 발광 소자 두 구조에 모두 적용할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은 구조물이 패터닝된 사이이어 기판에 n형 질화물갈륨계 반도체층을 적층하고, n형 질화물갈륨계 반도체층을 포함하는 질화물갈륨계 반도체층을 형성한 후 레이저로 사파이어 기판을 분리시켜 n형 질화물갈륨계 반도체층에 구조물 패턴을 전사할 수 있다.
다음, 구조물 패턴이 전사된 n형 질화물갈륨계 반도체층에 나노선을 성장시켜 추가 나노구조물을 형성할 수 있다.
다음, 나노선을 식각용 마스크로 이용하고 구조물을 플라즈마 식각하여 복합 나노구조물을 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100: 기판
110: p형 전극
120: p형 질화물계 반도체층
130: 활성층
140: n형 질화물계 반도체층
150: 구조물
160: 추가 나노구조물
170: 복합 나노구조물

Claims (20)

  1. 질화물계 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 질화물계 반도체층 또는 그 상부에 복수의 구조물을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 구조물 각각의 상부에 나노선을 형성하는 단계;
    를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질화물계 반도체층은 n형 질화물갈륨계 반도체층 및 p형 질화물갈륨계 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구조물을 형성하는 단계는 상기 n형 질화물갈륨계 반도체층의 상부 표면에 상기 복수의 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 구조물을 형성하는 단계는
    상기 p형 질화물갈륨계 반도체층 상에 산화물층을 형성하는 단계; 및
    상기 산화물층에 상기 복수의 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산화물층은 ITO, IGO, IZO 및 ZnO 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 질화물계 반도체층은 구조물이 패터닝된 사파이어 기판에 적층된 상기 n형 질화물갈륨계 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구조물을 형성하는 단계는 상기 사파이어 기판의 구조물 패턴이 전사된 상기 질화물계 반도체층과 상기 사파이어 기판을 분리하여 상기 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구조물은 상기 질화물계 반도체층을 습식 식각 방법으로 형성한 원뿔, 타원뿔, 다각뿔 중 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 습식 식각 방법은 NaOH 용액 및 KOH 용액 중 하나를 사용하며, 용액의 농도가 1M ~ 32M인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구조물은 식각용 마스크를 이용하여 건식 식각으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 식각용 마스크는 포토레지스트(PR), 니켈 금속닷 및 나노스피어 중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 구조물은 300nm ~ 50um의 지름으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 나노선을 형성하는 단계에서는 상기 질화물 반도체층 상부면에 수열 합성법을 이용하여 나노선을 성장시켜 추가 나노구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 나노선은 산화아연(ZnO)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 나노선은 약 1nm ~ 약 300nm의 지름과, 약 10nm ~ 1um의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 나노선을 형성하는 단계에서는 상기 질화물계 반도체층에 자외선 오존 및 산소 플라즈마 중 적어도 하나의 표면 처리를 통해 상기 나노선의 밀도와 지름을 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 나노선을 식각용 마스크로 사용하여 상기 구조물을 플라즈마 식각하여 복합 나노구조물을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 플라즈마 식각은 Cl2, BCl3, O2, N2, Ar, CF4 및 CH4 중 선택된 하나 가스 또는 그 혼합 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 복합 나노구조물은 5nm ~ 300nm의 지름과, 10nm ~ 1um의 식각 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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