WO2011149163A1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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WO2011149163A1
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semiconductor light
refractive index
conductive films
light emitting
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PCT/KR2010/008326
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김태근
김동호
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고려대학교 산학협력단
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    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to improve light extraction efficiency of a nitride based light emitting diode (LED) device and to control a direction angle. It relates to a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof.
  • semiconductor light emitting devices include LEDs and laser diodes (LDs) that generate light when a forwarding current flows.
  • LEDs and LDs have a P-N junction in common, and when a positive current is applied to these light emitting elements, the current is converted into photons to emit light from the semiconductor light emitting device.
  • Light emitted from LEDs and LDs varies from long wavelength light to short wavelength light depending on the type of semiconductor material.
  • LED devices were used only in limited fields such as display light sources for home appliances until the early 1990s, but as of 2000, metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) of gallium nitride (GaN) was performed. Also, it is possible to manufacture LED devices using semiconductor materials having a wide energy band gap based on a method of forming semiconductor materials such as molecular-beam epitaxial growth (MBE) and new process technology.
  • MOCVD metal-organic chemical vapor deposition
  • GaN gallium nitride
  • MBE molecular-beam epitaxial growth
  • the nitride-based LED device as described above causes a problem that the light output efficiency and electrical / optical characteristics of the LED device are seriously degraded due to the difference in refractive index between the GaN layer and the air layer, which are semiconductor materials.
  • the light output efficiency of the LED device is degraded due to the Fresnel Loss problem in which part of the light generated in the active layer (Multiple Quantum Well: MQW) of the LED device is reabsorbed in the individual layer and the active layer of the LED device.
  • MQW Multiple Quantum Well
  • some of the light generated in the active layer of the LED device is returned to the inside of the LED device at the interface of the GaN layer / air layer.
  • the LED device exhibits a low light output efficiency of about 4%, which seriously degrades the electrical / optical characteristics of the LED device.
  • an object of the present invention is to form a plurality of transparent electrodes having different refractive index on the nitride semiconductor layer to improve the light extraction efficiency It is to provide a light emitting device.
  • Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the semiconductor light emitting device.
  • a plurality of protrusions having inclined surfaces are formed on a semiconductor layer for generating light, and each of the plurality of protrusions is laminated with a plurality of transparent conductive films having different refractive indices. Is formed.
  • the refractive indices of the plurality of transparent conductive films may decrease from the semiconductor layer toward the upper side.
  • the refractive indexes of the plurality of transparent conductive films may decrease in steps between the refractive index of the semiconductor layer contacting the plurality of protrusions and the refractive index of the air layer as the upper portion goes from the semiconductor layer.
  • the protrusion may have a flat top surface, and an edge around the top surface may be connected to the bottom surface of the protrusion by the inclined surface.
  • the inclined surface may be formed to be convex so as to be positioned above the line connecting the periphery of the edge and the bottom of the protrusion in a straight line.
  • the inclined surface may be formed concave so as to be located below the line connecting the periphery of the edge and the bottom of the protrusion in a straight line.
  • the plurality of transparent conductive layers may be formed of a plurality of indium tin oxide (ITO) layers having different composition ratios.
  • ITO indium tin oxide
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device of the present invention for solving the above problems, (a) sequentially stacking a plurality of transparent conductive film having a different refractive index on the semiconductor layer for generating light; (b) disposing a nanostructure on the transparent conductive film to form a pattern; (c) etching the nanostructure to reduce the size of the nanostructure to expose a portion of the transparent conductive film; And (d) etching a portion of the exposed transparent conductive film and removing nanostructures remaining on the transparent conductive film, thereby stacking a plurality of transparent conductive films having different refractive indices on the semiconductor layer and having a plurality of protrusions having an inclined surface. Forming a step.
  • the plurality of transparent conductive films may be formed such that the refractive index decreases from the semiconductor layer toward the upper portion.
  • the plurality of transparent conductive films may be gradually decreased between the refractive index of the semiconductor layer contacting the plurality of protrusions and the refractive index of the air layer as the refractive index of the plurality of transparent conductive films moves upward from the semiconductor layer.
  • a conductive film can be formed.
  • the protrusion generated in the step (d) has a flat upper surface
  • the edge of the periphery of the upper surface may be connected to the bottom surface of the protrusion by the inclined surface.
  • the inclined surface is convexly formed above the line connecting the periphery of the edge and the bottom of the protrusion in a straight line by applying ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) technology. Etching can be performed.
  • ICP-RIE Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching
  • the inclined surface is formed to be concave below the line connecting the periphery of the edge and the bottom of the protrusion in a straight line by applying ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) technology. Etching can be performed as much as possible.
  • ICP-RIE Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching
  • a nanostructure of a polymer or a silica material may be disposed on the transparent conductive film to form a pattern.
  • the semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention include forming a plurality of transparent electrodes on a nitride semiconductor layer, wherein the refractive index of the plurality of transparent electrodes is between the refractive index of the nitride semiconductor layer and the refractive index of the air layer. Since the light emitted from the inside of the LED device is minimized from returning to the inside due to internal reflection due to the difference in refractive index at the interface between the nitride semiconductor layer and the air layer, the semiconductor light emission can be minimized. There is an effect that can improve the light extraction efficiency of the device.
  • a semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same according to the present invention include a plurality of laminated transparent conductive films each having a plurality of protrusions having an inclined surface on an nitride semiconductor layer in the form of an array, and the plurality of protrusions having different refractive indices, respectively.
  • the refractive index of the plurality of transparent conductive films is formed to have a value that decreases gradually between the refractive index of the nitride semiconductor layer and the refractive index of the air layer, so that the plurality of transparent electrodes having different refractive indices are graded (Graded-Index). Structure to maximize the light extraction efficiency and prevent scattering effect on the surface of the chip while directing the light to the light output surface (top, bottom or side) as much as possible. There is an effect that the light output efficiency and the electrical / optical properties are greatly improved.
  • the semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention as described above are very simple compared to other research results, thereby reducing the process cost, and also do not require a surface roughening process. Therefore, the process can be simplified and damage to the semiconductor light emitting device can be prevented, thereby improving the reliability of the semiconductor light emitting device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of a semiconductor light emitting device according to the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views schematically showing a second embodiment of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
  • 3A to 3E are exemplary views sequentially illustrating a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
  • the first embodiment of the semiconductor light emitting device according to the present invention includes first to fourth transparent conductive films 22 to 25 stacked on the nitride semiconductor layer 21.
  • the nitride semiconductor layer 21 may include an N-type gallium nitride layer (n-GaN layer), an active layer, and a P-type gallium nitride layer (p-GaN layer) constituting a nitride-based LED device on a semiconductor substrate. ) May be sequentially stacked.
  • n-GaN layer N-type gallium nitride layer
  • p-GaN layer P-type gallium nitride layer
  • the refractive index of the P-type gallium nitride layer on which the transparent conductive film is formed generally has a value of about 2.4, and the N-type gallium nitride layer (n-GaN layer), the active layer, and the P-type gallium nitride Since the structure and the formation method of a ride layer (p-GaN layer) are well-known fact, detailed description is abbreviate
  • first to fourth transparent conductive films 22 to 25 may be formed of first to fourth indium tin oxide (ITO) films having different composition ratios.
  • the refractive index of the first to fourth indium tin oxide film is a value that is gradually decreased between the refractive index (about 2.4) of the P-type gallium nitride layer of the nitride semiconductor layer 21 and the refractive index (about 1) of the air layer It is preferable to have.
  • the refractive index of the first indium tin oxide film 22 is 2.0
  • the refractive index of the second indium tin oxide film 23 is 1.8
  • the refractive index of the third indium tin oxide film 24 is 1.6
  • the refractive index of the indium tin oxide film 25 may have a value of 1.4.
  • the light generated from the inside of the LED device is returned to the inside due to internal reflection due to the difference in refractive index at the interface between the nitride semiconductor layer 21 and the air layer Can be minimized.
  • indium tin oxide films are laminated with the transparent conductive films 22 to 25, but this is made by stacking two, three, or four or more indium tin oxide films in consideration of light extraction efficiency of the LED device. Can be used.
  • the refractive indices of the four indium tin oxide films are presented as values of 2.0, 1.8, 1.6, and 1.4, respectively. This is merely an example, and the light generated from the inside of the LED device is internally reflected at the interface with the air layer. If the regression can be minimized, any value that decreases in steps between the refractive index of the nitride semiconductor layer 21 and the refractive index of the air layer is possible, and the thicknesses of the indium tin oxide sites may be the same or different from each other. It may be formed. 1 illustrates an example in which the first to fourth transparent conductive films 22 to 25 are formed such that the thickness thereof decreases toward the upper portion, that is, the smaller the refractive index.
  • FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views schematically showing the structure of a semiconductor light emitting device according to a second preferred embodiment of the present invention.
  • a semiconductor light emitting device includes a plurality of inclined surfaces S1 on the same nitride semiconductor layer 21 as the nitride semiconductor layer 21 of the first embodiment.
  • the protrusions P1 are formed in an array shape, and the plurality of protrusions P1 are formed by stacking first to fourth transparent conductive films 22 to 25 having different refractive indices.
  • first to fourth transparent conductive films 22 to 25 may be formed of first to fourth indium tin oxide (ITO) films having different composition ratios.
  • ITO indium tin oxide
  • the refractive index of the first to fourth indium tin oxide film is gradually reduced between the refractive index (about 2.4) of the P-type gallium nitride layer formed on the nitride semiconductor layer 21 and the refractive index (about 1) of the air layer. It is desirable to have a value.
  • the first to fourth indium tin oxide when forming the first to fourth indium tin oxide, by simultaneously depositing an indium oxide (InO) material and astanium oxide (SnO) material, by changing the component ratio of indium (In) and Stanium (Sn)
  • the refractive index of the first indium tin oxide film 22 is 2.0
  • the refractive index of the second indium tin oxide film 23 is 1.8
  • the refractive index of the third indium tin oxide film 24 is 1.6
  • the fourth indium tin oxide film ( 25) may have a value of 1.4.
  • the inclined surface S1 of the protrusion P1 may be formed in a straight line or in a curved line according to the etching process conditions of the first to fourth transparent conductive films 22 to 25.
  • the inclined surface When the inclined surface is formed in a curve, it may be formed convex as shown in Fig. 2A or concave as shown in Fig. 2B.
  • the upper surface of the protrusion (P1) is flat, the circumference of the upper surface is connected to the bottom surface 50 to form an inclined surface (S1), the inclined surface (S1) may be formed in a straight line with a constant slope, The inclined surface S1 may be formed in a curve.
  • the inclined surface S1 When the inclined surface S1 is formed in a curved shape, the inclined surface S1 may be formed convexly as in the case where the inclined surface S1 is positioned above the inclined surface formed in a straight line, and the inclined surface S1 is positioned below the inclined surface formed in a straight line. It may be formed concave as in the case.
  • the light generated from the inside of the LED device is caused by the difference in refractive index at the interface between the nitride semiconductor layer 21 and the air layer as in the first embodiment. It is possible to minimize the return to the inside due to the total internal reflection, in particular in the second embodiment due to the plurality of protrusions (P1) having the inclined surface (S1) to maximize the light extraction efficiency, which occurs on the surface of the chip It is possible to direct the light directivity toward the light output surface (upper surface, lower surface or side surface) while preventing the scattering effect.
  • indium tin oxide films are stacked as the transparent conductive films 22 to 25, but in this case, two, three, or four or more indium tin oxide films are stacked in consideration of the light extraction efficiency of the LED device. Can be used.
  • the refractive indices of the four indium tin oxide films are presented as values of 2.0, 1.8, 1.6, and 1.4, respectively. This is merely an example, and the light generated from the inside of the LED device is internally reflected at the interface with the air layer. Any value that decreases in steps between the refractive index of the nitride semiconductor layer 21 and the refractive index of the air layer is possible if it can minimize the regression.
  • 3A to 3E are exemplary views sequentially illustrating a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to this, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail below. Same as
  • first to fourth transparent conductive films 32 to 35 having different refractive indices are sequentially stacked on the nitride semiconductor layer 31 according to the first embodiment of the present invention.
  • a semiconductor light emitting device is produced.
  • the nitride semiconductor layer 31 is sequentially stacked with an n-type gallium nitride layer (n-GaN layer), an active layer, and a p-type gallium nitride layer (p-GaN layer) constituting the nitride LED device It may have been.
  • the refractive index of the P-Type gallium nitride layer has a value of about 2.4.
  • the first to fourth transparent conductive films 32 to 35 may be formed of first to fourth indium tin oxide (ITO) films having different composition ratios.
  • the refractive index of the first to fourth indium tin oxide film is gradually reduced between the refractive index (about 2.4) of the P-type gallium nitride layer on the nitride semiconductor layer 31 and the refractive index of the air layer (about 1).
  • the first to fourth indium tin oxide sites may be formed to have the same thickness, may be formed to have different thicknesses, and may be formed to decrease in thickness toward the top.
  • the refractive index of the first indium tin oxide is formed by simultaneously depositing indium oxide (InO) and stannium oxide (SnO) materials as electron beam deposition sources.
  • the refractive index of silver 2.0 and the second indium tin oxide may be 1.8
  • the refractive index of the third indium tin oxide is 1.6
  • the refractive index of the fourth indium tin oxide may be 1.4.
  • simultaneous deposition of indium oxide (InO) and stannium oxide (SnO) may not only change the component ratio of indium (In) and stanium (Sn), but also about 400 ° C. to 800 ° C.
  • the composition ratio is changed, and as a result, first to fourth indium tin oxide films having different physical properties can be formed.
  • the heat treatment temperature is more preferably carried out in the range of 500 °C ⁇ 700 °C in consideration of the effects of the process conditions and temperature.
  • the semiconductor light emitting device is generated by additionally performing the processes illustrated in FIGS. 3B to 3E.
  • a nanostructure 36 made of polymer or silica is disposed on the fourth transparent conductive layer 35 to form a two-dimensional nanopattern.
  • the nanostructure 36 may be formed by forming a pattern in various ways.
  • a solution containing a polymer bead is sol-deposited on the fourth transparent conductive film 35.
  • the nano pattern was formed by aligning the nanostructures 36 and evaporating the solution by applying the gel method or the spin coating method.
  • the nanostructure 36 is etched to reduce the size of the nanostructure 36 to expose a portion of the fourth transparent conductive film 35.
  • Etching the nanostructure 36 to adjust its size can be applied in various ways, in a preferred embodiment of the present invention, RIE process using O 2 plasma (30 ⁇ 50 sccm and plasma power 60 ⁇ 100 W) The nanostructure 36 was etched through to adjust its size.
  • a portion of the exposed fourth transparent conductive film 35 is etched using the nanostructure 36 as an etching mask, and then the third, second, and first transparent conductive films are subsequently etched. Etch a portion of (34,33,32).
  • the fourth to the first transparent conductive films 35 to 32 are applied such that the upper surface of the nitride semiconductor layer 31 is not exposed by applying an inductively coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) technique.
  • ICP-RIE inductively coupled plasma-reactive ion etching
  • the etching surface by the ICP-RIE technology is a convex inclined surface S1 as shown in FIG. 3D and FIG. 2A according to process conditions such as controlling the power of the plasma and the reactive gas and / or the atmosphere in the chamber.
  • the inclined surface S1 may be formed.
  • the plasma used in the ICP-RIE process has a relatively low etching rate and power. Should be. Therefore, the convex slope can be formed by adjusting the mixing ratio of BCl 3 and Ar mixed gas to 1: 1.5 or 1: 2 rather than chlorine (Cl 2 ) -based gas which is generally used for reactive etching of GaN material.
  • the plasma used in the ICP-RIE process should have a high power and a high etching rate. Therefore, it is possible to form a concave inclined surface by adjusting with a mixed gas (1: 1.5 or 1: 2) of Cl 2 and Ar.
  • the light generated from the interior of the LED device is the same as the first and second embodiments of the semiconductor light emitting device described above between the nitride semiconductor layer 31 and the air layer. It is possible to minimize the return to the inside due to the internal reflection due to the difference in refractive index at the interface of, and the light extraction efficiency due to the laminated portion of the first to fourth transparent conductive films 32 to 35 having the inclined surface (S1) It is possible to maximize the directivity of the light to the light output surface (top, bottom or side, etc.) while maximizing and preventing the scattering effect occurring on the surface of the chip.
  • the first embodiment of the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention is very simple compared to other research results, and the process is simplified because the surface roughening process is not required. Can be prevented from being damaged.
  • indium tin oxide films are laminated with the transparent conductive films 32 to 35, but two or three are considered in consideration of the light extraction efficiency of the LED device.
  • four or more indium tin oxide films may be laminated and used.
  • the refractive indices of the four indium tin oxide films are presented as values of 2.0, 1.8, 1.6, and 1.4, respectively. Any value that decreases stepwise between the refractive index of the nitride semiconductor layer 31 and the refractive index of the air layer can be minimized if it is possible to minimize the return of the light due to total internal reflection at the interface with the air layer.
  • preferred embodiments of the present invention include a structure in which a plurality of transparent conductive films having different refractive indices are stacked on the nitride semiconductor layer;
  • a structure and a manufacturing method of the plurality of transparent conductive film laminates having an inclined surface are formed in an array form by etching the stacked transparent conductive films using a nanopattern structure on the laminated transparent conductive film, the nitride is differently described above. It can be understood that a structure in which a nanopattern structure is first formed on a semiconductor layer, and a plurality of transparent conductive films having different refractive indices are stacked on the semiconductor layer and a method of manufacturing the same are also an embodiment without departing from the essential characteristics of the present invention. There will be.

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Abstract

본 발명은 질화물 기반 LED 소자의 광추출 효율을 향상시키고, 아울러 지향각 제어를 가능하게 하는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 질화물 반도체층 상에 경사면을 갖는 복수의 돌출부가 어레이 형태로 형성되고, 상기 복수의 돌출부가 각각 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 적층된 투명도전막으로 구성되며, 상기 복수의 투명도전막의 굴절률은 상기 질화물 반도체층의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하는 값을 갖도록 형성한다. 따라서, 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명전극이 경사형 구조가 되어 광추출 효율을 극대화함과 아울러 칩의 표면에서 발생하는 스캐터링 효과를 방지하면서 광의 지향성을 최대한 광출력면으로 향하도록 하여 반도체 발광소자의 광출력 효율 및 전기/광학적 특성이 대폭 향상되는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 여타의 연구결과들에 비해 공정이 매우 간단하여 공정단가를 절감할 수 있고, 아울러 표면조화 공정이 필요하지 않기 때문에 공정이 단순해지고 반도체 발광소자가 손상되는 것을 방지할 수 있어 반도체 발광소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화물 기반 발광다이오드(Light Emitting Diode : 이하 'LED'라 한다) 소자의 광추출 효율을 향상시키고, 아울러 지향각 제어를 가능하게 하는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 발광소자는 정방향의 전류(Forwarding Current)가 흐를 경우 빛을 발생하는 LED 및 레이저다이오드(Laser Diode : LD)가 있다. LED 및 LD는 공통적으로 P-N 접합구조(P-N Junction)를 가지고 있으며, 이러한 발광소자들에 정방향의 전류를 인가하면 전류가 광자(Photon)로 변환되어 반도체 발광소자로부터 빛(Light)이 방출된다. LED 및 LD 에서 방출되는 빛은 반도체 물질의 종류에 따라 장파장 빛에서부터 단파장 빛까지 다양하다.
특히, LED 소자는 1990년도 초반까지 가전제품의 표시용 광원과 같은 제한적인 분야에서만 사용되었지만, 2000년도에 들어서면서 질화갈륨(GaN)의 금속유기화학기상 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD) 및 분자선 성장법(Molecular-Beam Epitaxial Growth : MBE)과 같은 반도체 물질의 형성방법과 새로운 공정기술을 바탕으로 에너지 밴드갭이 넓은 반도체 물질로 LED 소자의 제작이 가능해졌다.
따라서, 고휘도의 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Blue) LED 소자가 개발되었고, 이를 통해 백색광의 구현이 가능해짐에 따라 각종 전자장치의 표시부품, 교통신호등, 각종 디스플레이 장치 등의 광원에 적용되는 등 산업적으로 폭넓게 응용되고 있으며, 최근 들어 효율이 향상된 백색광원의 개발이 활발해짐에 따라 일반 조명용 광원장치에도 적용이 확대되어 형광등을 대체할 것으로 전망되고 있다.
하지만, 상기한 바와 같은 질화물 기반 LED 소자는 반도체 물질인 GaN층과 공기층 사이의 굴절률 차이로 인하여 LED 소자의 광출력 효율 및 전기/광학적 특성이 심각하게 저하되는 문제를 발생시킨다.
즉, LED 소자의 활성층(Multiple Quantum Well : MQW)에서 생성된 광의 일부가 LED 소자의 개별층 및 활성층에서 재흡수되는 프레넬 손실(Fresnel Loss) 문제로 인하여 LED 소자의 광출력 효율이 저하되며, 특히 GaN층과 공기층 사이의 굴절률 차이(GaN층 n=2.4, 공기층 n=1)로 인하여 LED 소자의 활성층에서 생성된 광의 일부가 GaN층/공기층의 계면에서 LED 소자 내부로 회귀되는 내부전반사(Total Internal-Reflection)를 발생시킴에 따라 LED 소자는 약 4% 정도의 낮은 광출력 효율을 나타내며, 이로 인해 LED 소자의 전기/광학적 특성은 심각하게 저하된다.
따라서, 광출력 효율 및 전기/광학적 특성이 우수한 LED 소자를 구현하기 위하여 세계 각국의 선행 연구기관에서 다양한 연구 - 예를 들면, 플립-칩 구조, Chip Shaping, 표면 요철형성, 요철이 형성된 사파이어 기판, 광결정 기술, 반사방지막 구조 등 - 를 수행하고 있다.
그 중 NIST(미국) 연구팀은 Resonance-Ring 나노구조를 이용하여 LED 소자의 광출력을 7배 이상 증가시킨 결과를 보고하였다. 또한, National Chiao Tung Univ.(대만)에서는 LED 칩의 양면에 거칠기를 주어 활성층에서 발생된 빛이 밖으로 탈출할 기회를 증가시킴으로써, LED 소자의 전면부 휘도를 약 3배 이상 증가시킨 결과들을 보고하였다.
그러나, 상기한 바와 같은 연구결과들은 공정방법이 매우 복잡하여 공정단가를 상승시키고, 아울러 표면조화(Surface Roughening) 공정 수행으로 인해 LED 칩을 심각하게 손상시킬 수 있어 LED 소자의 신뢰성 확보가 어려울 뿐만 아니라 칩의 표면에서 발생하는 스캐터링 효과(Scattering Effect)에 의해 지향성을 갖는 광의 확보가 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 상기한 바와같은 종래 기술의 문제점 보완 및 한계를 극복하기 위한 보다 진보된 나노공정 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 질화물 반도체층 상에 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명전극을 형성하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 질화물 반도체층 상에 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명전극을 경사형(Graded-Index) 구조로 형성하여 광추출 효율을 극대화하고, 아울러 지향각 제어가 가능한 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 발광 소자는, 빛을 발생시키는 반도체층 위에 경사면을 갖는 복수의 돌출부가 형성되고, 상기 복수의 돌출부 각각은 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명 도전막이 적층되어 형성된다.
또한, 상기 복수의 투명 도전막의 굴절률은 상기 반도체층으로부터 상부로 갈수록 감소할 수 있다.
또한, 상기 복수의 투명 도전막의 굴절률은 상기 반도체층으로부터 상부로 갈수록, 상기 복수의 돌출부와 접촉하는 반도체층의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소할 수 있다.
또한, 상기 돌출부는 상면이 평평하고, 상기 상면의 둘레인 가장자리가 상기 경사면에 의해서 상기 돌출부의 저면과 연결될 수 있다.
또한, 상기 경사면은, 상기 가장자리 둘레와 상기 돌출부의 저면을 직선으로 연결한 선보다 위에 위치하도록 볼록하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 경사면은, 상기 가장자리 둘레와 상기 돌출부의 저면을 직선으로 연결한 선보다 아래에 위치하도록 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 투명도전막은 서로 다른 조성비를 갖는 복수의 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO)막으로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 발광소자의 제조방법은, (a) 빛을 발생시키는 반도체층 상에 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명도전막을 순차적으로 적층하는 단계; (b) 상기 투명도전막 상에 나노 구조체를 배치하여 패턴을 형성하는 단계; (c) 상기 나노 구조체를 식각하여 나노 구조체의 크기를 감소시켜 상기 투명도전막의 일부를 노출시키는 단계; 및 (d) 상기 노출된 투명도전막의 일부를 식각하고, 상기 투명 도전막상에 잔류하는 나노 구조체를 제거하여, 상기 반도체층 위에 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명 전도막이 적층되고 경사면을 갖는 복수의 돌출부를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (a) 단계는, 상기 반도체층으로부터 상부로 갈수록 굴절률이 감소하도록 상기 복수의 투명 도전막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 (a)단계는, 상기 복수의 투명도전막의 굴절률이 상기 반도체층으로부터 상부로 갈수록, 상기 복수의 돌출부와 접촉하는 반도체층의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하도록 상기 복수의 투명도전막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계에서 생성된 상기 돌출부는 상면이 평평하고, 상기 상면의 둘레인 가장자리가 상기 경사면에 의해서 상기 돌출부의 저면과 연결될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) 기술을 적용하여, 상기 경사면이 상기 가장자리 둘레와 상기 돌출부의 저면을 직선으로 연결한 선보다 위에 위치하여 볼록하게 형성되도록 식각을 수행할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) 기술을 적용하여, 상기 경사면이 상기 가장자리 둘레와 상기 돌출부의 저면을 직선으로 연결한 선보다 아래에 위치하여 오목하게 형성되도록 식각을 수행할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, 상기 반도체층 상에 인듐옥사이드(InO) 소재와 스태늄옥사이드(SnO) 소재를 동시증착(Co-deposition)하면서, 인듐(In)과 스태늄(Sn)의 성분비를 변화시켜 물리적 특성이 서로 다른 복수의 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO)막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 투명도전막 상에 폴리머 또는 실리카 소재의 나노구조체를 배치하여 패턴을 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법은, 질화물 반도체층 상에 복수의 투명전극을 적층 형성함에 있어서, 상기 복수의 투명전극의 굴절률이 질화물 반도체층의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하는 값을 갖도록 형성함에 따라 LED 소자의 내부로부터 발생된 빛이 질화물 반도체층과 공기층 사이의 계면에서 굴절률 차이에 기인하는 내부전반사로 인하여 내부로 회귀되는 것을 최소화할 수 있게 되어 반도체 발광소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법은 질화물 반도체층 상에 경사면을 갖는 복수의 돌출부가 어레이 형태로 형성되고, 상기 복수의 돌출부가 각각 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 적층된 투명도전막으로 구성되며, 상기 복수의 투명도전막의 굴절률은 상기 질화물 반도체층의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하는 값을 갖도록 형성함에 따라 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명전극이 경사형(Graded-Index) 구조가 되어 광추출 효율을 극대화함과 아울러 칩의 표면에서 발생하는 스캐터링 효과(Scattering Effect)를 방지하면서 광의 지향성을 최대한 광출력면(상면, 하면 또는 측면 등)으로 향하도록 하여 반도체 발광소자의 광출력 효율 및 전기/광학적 특성이 대폭 향상되는 효과가 있다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법은 여타의 연구결과들에 비해 공정이 매우 간단하여 공정단가를 절감할 수 있고, 아울러 표면조화(Surface Roughening) 공정이 필요하지 않기 때문에 공정이 단순해지고 반도체 발광소자가 손상되는 것을 방지할 수 있어 반도체 발광소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제1실시예를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제2실시예를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3a 내지 도3e는 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법의 제1실시예를 순차적으로 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법의 제1실시예에서 인듐옥사이드(InO)와 스태늄옥사이드(SnO)를 동시증착하여 인듐(InO)과 스태늄(Sn)의 조성비를 제어하는 개념을 개략적으로 도시한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예들을 순차적으로 설명한다.
- 반도체 발광소자에 대한 제 1 실시예 -
도1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도1을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제1실시예는 질화물 반도체층(21) 상에 적층된 제1 내지 제4투명도전막(22~25)으로 구성된다.
이때, 상기 질화물 반도체층(21)은, 반도체 기판위에 질화물 기반 LED 소자를 구성하는 N-type 갈륨나이트라이드층(n-GaN층), 활성층, 및 P-Type 갈륨나이트라이드층(p-GaN층)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이 때, 투명도전막이 형성되는 P-Type 갈륨나이트라이드층의 굴절률은 일반적으로 약 2.4 정도의 값을 가지며, N-type 갈륨나이트라이드층(n-GaN층), 활성층, 및 P-Type 갈륨나이트라이드층(p-GaN층)의 구성 및 형성 방법은 공지의 사실이므로 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 상기 제1 내지 제4투명도전막(22~25)은 서로 다른 조성비를 갖는 제1 내지 제4 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO)막으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제4 인듐틴옥사이드막의 굴절률은 상기 질화물 반도체층(21)인 P-Type 갈륨나이트라이드층의 굴절률(약 2.4)과 공기층의 굴절률(약 1) 사이에서 단계적으로 감소하는 값을 갖는 것이 바람직하다.
즉, 상기 제1 내지 제4 인듐틴옥사이드막(22~25)을 형성할 때, 인듐옥사이드(InO) 소재와 스태늄옥사이드(SnO) 소재를 동시증착하면서, 인듐(In)과 스태늄(Sn)의 성분비를 변화시킴으로써, 제1 인듐틴옥사이드막(22)의 굴절률은 2.0, 제2 인듐틴옥사이드막(23)의 굴절률은 1.8, 제3인듐틴옥사이드막(24)의 굴절률은 1.6, 제4인듐틴옥사이드막(25)의 굴절률은 1.4의 값을 갖도록 할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제1실시예는 LED 소자의 내부로부터 발생된 빛이 질화물 반도체층(21)과 공기층 사이의 계면에서 굴절률 차이에 기인하는 내부전반사로 인하여 내부로 회귀되는 것을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 상기 제1실시예에서는 투명도전막(22~25)으로 4개의 인듐틴옥사이드막을 적층하였으나, 이는 LED 소자의 광추출 효율을 고려하여 2개, 3개 또는 4개 이상의 인듐틴옥사이드막을 적층하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1실시예에서는 4개의 인듐틴옥사이드막의 굴절률을 각각 2.0, 1.8, 1.6, 1.4의 값으로 제시하였으나, 이는 단순한 예시로서 LED 소자의 내부로부터 발생된 빛이 공기층과의 계면에서 내부전반사로 인하여 회귀되는 것을 최소화할 수 있다면 상기 질화물 반도체층(21)의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하는 어떠한 값도 가능하며, 각각의 인듐틴옥사이트막의 두께는 서로 동일할 수도 있고, 서로 다르게 형성될 수도 있다. 도 1에서는 상부로 갈수록, 즉, 굴절률이 작을수록 두께가 감소하도록 제 1 내지 제 4 투명 도전막(22~25)을 형성한 예를 도시하였다.
- 반도체 발광소자에 대한 제2실시예 -
도2a 및 도2b는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
제 2 실시예의 경우에는, 상술한 제 1 실시예의 구조에서, 제 1 내지 제 4 투명도전막(22~25)을 식각하여 경사면을 갖는 돌출부를 형성하는 것에 차이점이 있다. 따라서, 차이점을 중심으로 설명한다.
먼저, 도2a를 참조하면, 본 발명에 바람직한 제 2 실시예에 따른 반도체 발광소자는 제 1 실시예의 질화물 반도체층(21)과 동일한 질화물 반도체층(21) 상에 경사면(S1)을 갖는 복수의 돌출부(P1)가 어레이 형태로 형성되고, 상기 복수의 돌출부(P1)는 각각 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 내지 제4투명도전막(22~25)이 적층되어 구성된다.
또한, 상기 제1 내지 제4투명도전막(22~25)은 서로 다른 조성비를 갖는 제1 내지 제4인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO)막으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제4인듐틴옥사이드막의 굴절률은 상기 질화물 반도체층(21)에 형성된 P-Type 갈륨나이트라이드층의 굴절률(약 2.4)과 공기층의 굴절률(약 1) 사이에서 단계적으로 감소하는 값을 갖는 것이 바람직하다.
즉, 상기 제1 내지 제4인듐틴옥사이드를 형성할 때, 인듐옥사이드(InO) 소재와 스태늄옥사이드(SnO) 소재를 동시증착하면서, 인듐(In)과 스태늄(Sn)의 성분비를 변화시킴으로써, 제1인듐틴옥사이드막(22)의 굴절률은 2.0, 제2인듐틴옥사이드막(23)의 굴절률은 1.8, 제3인듐틴옥사이드막(24)의 굴절률은 1.6, 제4인듐틴옥사이드막(25)의 굴절률은 1.4의 값을 갖도록 할 수 있다.
한편, 상기 돌출부(P1)의 경사면(S1)은 제1 내지 제4투명도전막(22~25)의 식각공정 조건에 따라서, 직선으로 형성되거나, 곡선으로 형성될 수 있다. 경사면이 곡선으로 형성되는 경우에는, 도2a에 도시한 바와 같이 볼록하게 형성되거나, 도2b에 도시한 바와 같이 오목하게 형성될 수 있다.
즉, 상기 돌출부(P1)의 상면은 평평하고, 상면의 가장자리인 둘레는 저면(50)과 연결되어 경사면(S1)을 형성하며, 경사면(S1)은 기울기가 일정한 직선형태로 형성될 수 있고, 경사면(S1)이 곡선으로 형성될 수도 있다.
경사면(S1)이 곡선으로 형성되는 경우에는, 직선으로 형성된 경사면보다, 경사면(S1)이 위에 위치하는 경우와 같이 볼록하게 형성될 수 있고, 직선으로 형성된 경사면보다, 경사면(S1)이 아래에 위치하는 경우와 같이 오목하게 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제2실시예는 상기 제1실시예와 동일하게 LED 소자의 내부로부터 발생된 빛이 질화물 반도체층(21)과 공기층 사이의 계면에서 굴절률 차이에 기인하는 내부전반사로 인하여 내부로 회귀되는 것을 최소화할 수 있게 되며, 특히 제2실시예에서는 상기 경사면(S1)을 갖는 복수의 돌출부(P1)로 인해 광추출 효율을 극대화하고, 칩의 표면에서 발생하는 스캐터링 효과를 방지하면서 광의 지향성을 최대한 광출력면(상면, 하면 또는 측면 등)으로 향하도록 할 수 있게 된다.
한편, 상기 제2실시예에서는 투명도전막(22~25)으로 4개의 인듐틴옥사이드막을 적층하였으나, 이는 LED 소자의 광추출 효율을 고려하여 2개, 3개 또는 4개 이상의 인듐틴옥사이드막을 적층하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 제2실시예에서는 4개의 인듐틴옥사이드막의 굴절률을 각각 2.0, 1.8, 1.6, 1.4의 값으로 제시하였으나, 이는 단순한 예시로서 LED 소자의 내부로부터 발생된 빛이 공기층과의 계면에서 내부전반사로 인하여 회귀되는 것을 최소화할 수 있다면 상기 질화물 반도체층(21)의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하는 어떠한 값도 가능하다.
- 반도체 발광소자의 제조방법에 대한 실시예 -
도3a 내지 도3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 순차적으로 도시한 예시도로써, 이를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도3a를 참조하면, 질화물 반도체층(31) 상에 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 내지 제4투명도전막(32~35)을 순차적으로 적층하여 상술한 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 반도체 발광소자를 생성한다.
이때, 상기 질화물 반도체층(31)은 질화물 LED 소자를 구성하는 n-type 갈륨나이트라이드층(n-GaN층), 활성층, 및 p-Type 갈륨나이트라이드층(p-GaN층)이 순차적으로 적층된 것일 수 있다. 통상 P-Type 갈륨나이트라이드층의 굴절률은 약 2.4 정도의 값을 갖는다.
또한, 상기 제1 내지 제4투명도전막(32~35)은 서로 다른 조성비를 갖는 제1 내지 제4인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO)막으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제4인듐틴옥사이드막의 굴절률은 상기 질화물 반도체층(31)의 상부인 P-Type 갈륨나이트라이드층의 굴절률(약 2.4)과 공기층의 굴절률(약 1) 사이에서 단계적으로 감소하는 값을 갖는 것이 바람직하고, 제 1 내지 제 4 인듐틴옥사이트층은 서로 동일한 두께로 형성될 수 있고, 서로 다른 두께로 형성될 수도 있으며, 상부로 갈수록 두께가 감소하도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1 내지 제4인듐틴옥사이드막을 형성할 때, 전자선 증착소스인 인듐옥사이드(InO)와 스태늄옥사이드(SnO) 소재를 동시증착한 후, 열처리를 실시하여 제1인듐틴옥사이드의 굴절률은 2.0, 제2인듐틴옥사이드의 굴절률은 1.8, 제3인듐틴옥사이드의 굴절률은 1.6, 제4인듐틴옥사이드의 굴절률은 1.4의 값을 갖도록 할 수 있다.
상기한 바와 같은 인듐옥사이드(InO)와 스태늄옥사이드(SnO)의 동시증착에 대해서 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시한 바와 같이 인듐옥사이드(InO)와 스태늄옥사이드(SnO)를 동시증착하면 임의적으로 인듐(In)과 스태늄(Sn)의 성분비를 변화시키는 것이 가능할 뿐만 아니라, 약 400℃~800℃의 온도범위에서 열처리하여 개별적으로 존재하는 인듐옥사이드(InO)층과 스태늄옥사이드(SnO)층의 내부혼합(Inter-Mixing)을 하면 증착조건에 따른 인듐(In)과 스태늄(Sn)의 조성비가 변화하게 되어 결과적으로 각각 다른 물성을 갖는 제1 내지 제4인듐틴옥사이드막을 형성할 수 있다. 이때, 상기 열처리온도는 공정조건 및 온도에 따른 영향등을 고려하여 500℃~700℃의 범위에서 실시하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 상술한 공정에 도 3b 내지 도 3e 에 도시된 공정을 추가적으로 수행하여, 상술한 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 반도체 발광소자를 생성한다.
구체적으로, 도 3b를 참조하면, 상기 제4투명도전막(35) 상에 폴리머나 실리카 소재의 나노 구조체(36)를 배치하여 2차원 나노패턴을 형성한다. 나노 구조체(36)를 배치하여 패턴을 형성하는 방식은 다양하게 적용이 가능하고, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 폴리머 비드(bead)가 포함된 용액을 제 4 투명 도전막(35) 위에 sol-gel 방식 또는 스핀 코팅 방식으로 도포하여 나노 구조체(36)를 정렬시키고 용액을 증발시킴으로써 나노패턴을 형성하였다.
그리고, 도 3c를 참조하면, 상기 나노 구조체(36)를 식각하여 나노 구조체(36)의 크기를 감소시켜 상기 제 4 투명도전막(35)의 일부를 노출시킨다.
나노 구조체(36)를 식각하여 그 크기를 조절하는 방식은 다양하게 적용이 가능하며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, O2 plasma (30~50 sccm 및 plasma power 60~100 W)를 이용한 RIE 공정을 통해 나노 구조체(36)를 식각하여 그 크기를 조절하였다.
그 후, 도 3d에 도시된 바와 같이, 나노 구조체(36)를 식각 마스크로 이용하여 상기 노출된 제 4 투명도전막(35)의 일부를 식각하고, 계속해서 제3,제2,제1투명도전막(34,33,32)의 일부를 식각한다. 이때, 상기 제4 내지 제1투명도전막(35~32)은 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) 기술을 적용하여 상기 질화물 반도체층(31)의 상면이 노출되지 않도록 실시한다.
상기 ICP-RIE 기술에 의한 식각면은 플라즈마의 파워와 반응성 가스 및/또는 챔버내 분위기를 제어하는 등의 공정조건에 따라 도 3d 및 전술한 도 2a에 도시한 바와 같이 볼록한 형태의 경사면(S1)으로 형성하거나, 전술한 도 2b에 도시한 바와 같이 오목한 형태의 경사면(S1)으로 형성될 수 있다.
ICP-RIE 공정을 이용하여 경사면(S1)이 볼록한 형태를 갖도록 제4 내지 제1투명도전막(35~32)을 식각하기 위해서는 ICP-RIE 공정에 사용되는 plasma가 상대적으로 낮은 에칭 rate 및 파워를 갖도록 해야한다. 따라서, GaN 소재의 반응성 식각에 일반적으로 사용되는 chlorine (Cl2)계 가스보다는 BCl3와 Ar 혼합가스의 혼합비를 1:1.5 또는 1:2 정도로 조절하여 볼록한 형태의 경사면을 형성할 수 있다.
반면, 오목한 경사면을 형성하기 위해서는, ICP-RIE 공정에 이용되는 plasma가 높은 파워 및 높은 에칭 rate를 갖도록 해야한다. 따라서, Cl2와 Ar의 혼합가스 (1:1.5 또는 1:2)로 조절하여 오목한 형태의 경사면을 형성할 수 있다.
볼록형 또는 오목형의 경사면이 형성되면, 도3e에 도시된 바와 같이, 제 4 투명도전막(35)위에 잔류하는 나노 구조체(36)를 제거한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 전술한 반도체 발광소자의 제1실시예 및 제2실시예와 동일하게 LED 소자의 내부로부터 발생된 빛이 질화물 반도체층(31)과 공기층 사이의 계면에서 굴절률 차이에 기인하는 내부전반사로 인하여 내부로 회귀되는 것을 최소화할 수 있게 되며, 상기 경사면(S1)을 갖는 제1 내지 제4투명도전막(32~35)의 적층부로 인해 광추출 효율을 극대화하고, 칩의 표면에서 발생하는 스캐터링 효과를 방지하면서 광의 지향성을 최대한 광출력면(상면, 하면 또는 측면 등)으로 향하도록 할 수 있게 된다.
특히, 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법의 제1실시예는 여타의 연구결과들에 비해 공정이 매우 간단하며, 아울러 표면조화(Surface Roughening) 공정이 필요하지 않기 때문에 공정이 단순해지고 반도체 발광소자가 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 상기 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법의 제1실시예에서는 투명도전막(32~35)으로 4개의 인듐틴옥사이드막을 적층하였으나, 이는 LED 소자의 광추출 효율을 고려하여 2개, 3개 또는 4개 이상의 인듐틴옥사이드막을 적층하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조방법의 제1실시예에서는 4개의 인듐틴옥사이드막의 굴절률을 각각 2.0, 1.8, 1.6, 1.4의 값으로 제시하였으나, 이는 단순한 예시로서 LED 소자의 내부로부터 발생된 빛이 공기층과의 계면에서 내부전반사로 인하여 회귀되는 것을 최소화할 수 있다면 상기 질화물 반도체층(31)의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하는 어떠한 값도 가능하다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법은 첨부된 도면을 참고하여 바람직한 실시예들로 한정하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예로 구현이 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
특히, 본 발명의 바람직한 실시예들에서는 질화물 반도체층 상부에 굴절률이 서로 다른 복수의 투명도전막이 적층되는 구조와; 상기 적층된 투명도전막 상에 나노패턴 구조를 이용하여 적층된 투명도전막을 식각함으로써, 경사면을 갖는 복수의 투명도전막 적층부가 어레이 형태로 형성되는 구조 및 그 제조방법에 대해서 설명하고 있지만, 이와 다르게 상기 질화물 반도체층 상부에 먼저 나노패턴 구조를 형성하고, 그 상부에 굴절률이 서로 다른 복수의 투명도전막이 적층되는 구조 및 그 제조방법도 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않은 하나의 실시예에 해당된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 전술한 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하며, 본 발명의 진정한 보호범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 빛을 발생시키는 반도체층 위에 경사면을 갖는 복수의 돌출부가 형성되고, 상기 복수의 돌출부 각각은 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명 도전막이 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 투명 도전막의 굴절률은 상기 반도체층으로부터 상부로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 투명 도전막의 굴절률은 상기 반도체층으로부터 상부로 갈수록, 상기 복수의 돌출부와 접촉하는 반도체층의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상면이 평평하고, 상기 상면의 둘레인 가장자리가 상기 경사면에 의해서 상기 돌출부의 저면과 연결된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 경사면은
    상기 가장자리 둘레와 상기 돌출부의 저면을 직선으로 연결한 선보다 위에 위치하도록 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 경사면은
    상기 가장자리 둘레와 상기 돌출부의 저면을 직선으로 연결한 선보다 아래에 위치하도록 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 투명도전막은 서로 다른 조성비를 갖는 복수의 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO)막인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. (a) 빛을 발생시키는 반도체층 상에 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명도전막을 순차적으로 적층하는 단계;
    (b) 상기 투명도전막 상에 나노 구조체를 배치하여 패턴을 형성하는 단계;
    (c) 상기 나노 구조체를 식각하여 나노 구조체의 크기를 감소시켜 상기 투명도전막의 일부를 노출시키는 단계; 및
    (d) 상기 노출된 투명도전막의 일부를 식각하고, 상기 투명 도전막상에 잔류하는 나노 구조체를 제거하여, 상기 반도체층 위에 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 투명 전도막이 적층되고 경사면을 갖는 복수의 돌출부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 (a) 단계는
    상기 반도체층으로부터 상부로 갈수록 굴절률이 감소하도록 상기 복수의 투명 도전막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 (a)단계는
    상기 복수의 투명도전막의 굴절률이 상기 반도체층으로부터 상부로 갈수록, 상기 복수의 돌출부와 접촉하는 반도체층의 굴절률과 공기층의 굴절률 사이에서 단계적으로 감소하도록 상기 복수의 투명도전막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 생성된 상기 돌출부는 상면이 평평하고, 상기 상면의 둘레인 가장자리가 상기 경사면에 의해서 상기 돌출부의 저면과 연결된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 (d) 단계는
    ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) 기술을 적용하여, 상기 경사면이 상기 가장자리 둘레와 상기 돌출부의 저면을 직선으로 연결한 선보다 위에 위치하여 볼록하게 형성되도록 식각을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 (d) 단계는
    ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) 기술을 적용하여, 상기 경사면이 상기 가장자리 둘레와 상기 돌출부의 저면을 직선으로 연결한 선보다 아래에 위치하여 오목하게 형성되도록 식각을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (a) 단계는
    상기 반도체층 상에 인듐옥사이드(InO) 소재와 스태늄옥사이드(SnO) 소재를 동시증착(Co-deposition)하면서, 인듐(In)과 스태늄(Sn)의 성분비를 변화시켜 물리적 특성이 서로 다른 복수의 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO)막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  15. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    상기 투명도전막 상에 폴리머 또는 실리카 소재의 나노구조체를 배치하여 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
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