WO2016076639A9 - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

발광 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 발광 소자는， 상면에 복수의 오목부 및 돌출부를 포함하는 패터닝된 사파이어 기판 (PSS); 오목부 상에 위치하는 오목부 버퍼층， 및 돌출부의 측면 상에 위치하며, 복수의 아일랜드 형태로 분산되어 배치된 돌출부 버퍼층을 포함하는 버퍼층; 버퍼층 및 상기 PSS 상에 위치하며， 돌출부를 덮는 하부 질화물층; 돌출부의 측면과 상기 하부 질화물층 간의 계면에 위치하는 공동; 하부 질화물층 상에 위치하는 제 1 도전형 반도체층; 제 1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제 2 도전형 반도체층; 및 제 1 및 제 2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함한다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
발광 소자 및 그 제조 방법
【기술분야】
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로， 특히， 결정성이 우수하고， 발광 효율이 높은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
【배경기술】
발광 다이오드는 전자와 정공의 재결합으로 발생되는 광올 발하는 무기 반도체 소자로서， 최근， 디스플레이， 자동차 램프, 일반 조명 등의 여러 분야에서 사용되고 있다. 특히, 질화갈륨， 질화알루미늄 등의 질화물 반도체는 직접 천이형 특성이 있고， 다양한 대역의 에너지 밴드갭을 갖도록 제조될 수 있어서， 필요에 따라 다양한 파장대의 발광 다이오드를 제조할수 있다.
질화물 반도체를 포함하는 발광 다이오드는， 동종 기판 또는 이종 기판 상에 성장됨으로써 제조된다. 상기 동종 기판은 기판의 단가가 높고， 또한 대면적 기판을 얻는 것이 어려워， 일반적으로 사파이어 기판과 같은 이종 기판이 질화믈 반도체의 성장기판으로 이용된다.
최근에는， 사파이어 기판의 성장면에 복수의 돌출부들이 배치된 패터닝된 사파이어 기판 (Patterned Sapphire Substrate; PSS)이 폭넓게 이용된다 상기 PSS 상에 성장되어 형성된 발광 다이오드에서 발광된 광은 사파이어 기판 표면의 돌출부들로 인하여 산란되는 효과가 있다. 따라서， PSS를 이용하여 제조된 발광 다이오드는 일반적인 사파이어 기판을 이용하여 제조된 발광 다이오드에 비하여 높은 광 추출 효율을 가질 수 있어, 상대적으로 높은 외부 양자 효율을 갖는다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】 본 발명이 해결하고자 하는 과제는， 패터닝된 사파이어 기판 (PSS) 상에 성장되는 질화물 반도체의 결함이 집중되는 것을 방지하여， 성장되는 질화물 반도체의 결함 밀도를 감소시킬 수 있는 질화물 반도체 성장 방법을 이용하여 제조된 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는， 상기 질화물 반도체 성장 방법을 이용하여， 결함 밀도가 낮고， 발광 효율이 높은 발광 소자를 제공하는 것이다.
【기술적 해결방법】
본 발명의 일 측면에 따른 발광 소자는， 상면에 복수의 오목부 및 돌출부를 포함하는 패터닝된 사파이어 기판 (PSS); 상기 오목부 상에 위치하는 오목부 버퍼층， 및 상기 돌출부의 측면 상에 위치하며， 복수의 아일랜드 형태로 분산되어 배치된 돌출부 버퍼층을 포함하는 버퍼층; 상기 버퍼층 및 상기 PSS 상에 위치하며， 상기 돌출부를 덮는 하부 질화물층; 상기 돌출부의 측면과 상기 하부 질화물층 간의 계면에 위치하는 공동; 상기 하부 질화물층 상에 위치하는 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제 2 도전형 반도체층; 및 상기 제 1 및 제 2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함한다.
상기 버퍼층은， AlGaN을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층에 포함된 AlGaN의 A1 조성비는 0초과 4%이하일 수 있다. 또한， 상기 공동은 상기 복수의 아일랜드로 형태로 배치된 돌출부 버퍼층에 인접하여 위치할 수 있다.
상기 하부 질화물층은， 상기 오목부 버퍼층을 시드로 성장되어 형성된 러프층; 및 상기 러프층 상에 위치하는 리커버리층을 포함할 수 있다.
상기 하부 질화물층은 언도프 질화물층을 포함할 수 있다.
상기 공동의 크기는 50 내지 300nm일 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따른 발광 소자 제조 방법은， 상면에 복수'의 오목부 및 돌출부를 포함하는 패터닝된 사파이어 기판 (PSS)을 준비하고; 상기 PSS 상에 버퍼층을 형성하되， 상기 버퍼층은 상기 오목부의 상면에 형성된 오목부 버퍼층 및 상기 돌출부 측면의 적어도 일부분 상에 형성된 돌출부 버퍼층을 포함하고; 상기 버퍼층 상에 상기 돌출부를 덮는 하부 질화물층을 형성하고; 상기 하부 질화물층 상에 제 1 도전형 반도체층， 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제 2 도전형 반도체층, 및 상기 제 1 및 제 2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 구조체를 형성하는 것을 포함하고， 상기 버퍼층은 600 °C 이하의 온도 조건에서 성장되고, 상기 하부 질화물층을 형성하는 것은， 상기 돌출부 측면과 상기 하부 질화물층 간의 계면에 위치하는 공동을 형성하는 것을 포함한다.
상기 버퍼층은, AlGaN을 포함할 수 있다.
또한， 상기 하부 질화물층을 성장하는 것은， 상기 오목부 버퍼층을 시드로， 수직 방향으로의 성장이 수평 방향으로의 성장보다 우세한 3D 성장되는 러프층을 성장시키고; 및 상기 러프층 상에， 수평 방향으로의 성장이 수직 방향으로의 성장보다 우세한 2D 성장되는 리커버리충을 성장시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 러프층은 상기 돌출부들을 둘러싸는 복수의 아일랜드로 성장되어 상기 아일랜드들이 병합되어 형성될 수 있다.
【발명의 효과】
본 발명에 따르면， 또한， 상기 질화물 반도체 성장 방법을 이용하여 제조된 반도체 소자의 결정성을 우수하게 할 수 있으며， 반도체 발광 소자를 제조하는 경우 누설 전류 및 정전기 방전을 효과적으로 방지할 수 있고， 발광 효율을 증가시킬 수 있다.
【도면의 간단한 설명】 도 1의 (a) 내지 (b)는 일반적인 질화물 반도체 성장 방법을 이용하여 PSS 상에 성장된 질화물 반도체층을 설명하기 위한 단면도들 및 TEM 사진이다.
도 2a 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기: 위한 단면도들 및 확대 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 성장된 질화물 반도체의 평면을 보여주는 SEM(Sanning Electron Microscope) 사진 및 단면을 보여주는 TEMCTransmission Electron Microscope) 사진이다.
도 9는 AlGaN 버퍼층의 A1 조성비에 따른 공동의 크기 변화를 설명하기 위한 TEM 사진들이다.
【발명의 실시를 위한 형태】
도 1의 (a) 내지 (b)는 일반적인 질화물 반도체 성장 방법을 이용하여 PSS 상에 성장된 질화물 반도체층을 설명하기 위한 단면도들 및 TEM 사진이다.
도 1의 (a)를 참조하면， 복수의 돌출부들을 갖는 PSS 상에 버퍼층 (20)을 형성한다. 상기 버퍼층 (20)은 상대적으로 저온에서 성장되며 (예를 들어, 약 550° ， 주로 복수의 돌출부들 사이의 PSS 표면 상에 성장된다. 이때 버퍼층 (20)은 PSS의 복수의 돌출부들 사이에 위치하는 오목부의 표면 상에 형성되며， 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이， 불규칙한 배열로 형성된다. 이어서， 도 1의 (b)를 참조하면， 버퍼층 (20)을 시드로 질화물 반도체층 (30)이 성장되며， 질화물 반도체층 (30)은 성장과정에서 상기 복수의 돌출부들을 덮는다. 이때， 성장과정에서 하나의 돌출부를 사이에 두고 주변의 버퍼충 (20)으로부터 성장되는 질화물 반도체층 (30)이 병합 (merge)되는데， 불규칙한 배열로 형성된 버퍼층 (20)으로부터 성장된 질화물 반도체층 (30)의 병합 과정에서 격자 불일치가 발생하여 돌출부들의 끝단에 전위 (dislocation)와 같은 결함 (35)들이 발생한다. 예를 들어， 도 1의 (c)에 나타나는 바와 같이， 돌출부의 끝단으로부터 발생하여 질화물 반도체층 (30)의 성장에 따라 상부로 전파 (propagation)되는 전위 (35)가 발생한다.
이와 같은 결함 (35)들이 발광 다이오드의 활성층까지 전파되어 발광 효율을 떨어뜨리거나 누설 전류가 발생하는 것을 방지하기 위하여， 중간층을 삽입하는 기술이 개시된바 있다. 그러나， 돌출부들의 끝단에서 발생하는 전위는 그 밀도가 높고， 격자 블일치의 정도가 커서 중간층을 삽입하는 것으로는 효과적으로 상부로 전파되는 것을 차단하기 어렵다.
이하， 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 층분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서， 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서， 구성요소의 폭， 길이， 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한， 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 발명의 실시예들에 있어서， 질화물 반도체층들은 성장 챔버 내에서 성장될 수 있고， 특히， MOCVEKMetal Organic Chemical Vapor Deposition) 챔버 내에서 성장됨으로써 형성될 수 있다. 따라서， 이하 설명에서 제시되는 성장 조건 등은 M0CVD를 이용하여 질화물 반도체층들을 성장하는 경우에 적용될 수 있다. 다만， 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며， MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 이용하여 질화물 반도체를 성장시키는 경우도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
도 2a 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들 및 확대 단면도들이다. 도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 성장된 버퍼층의 평면을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이고， 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 성장된 질화물 반도체의 단면을 보여주는 TEMOYansmission Electron Microscope) 사진이다. 또한， 도 9는 AlGaN 버퍼층의 A1 조성비에 따른 공동의 크기 변화를 설명하기 위한 TEM 사진들이다.
먼저， 도 2a 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명한다. 도 2b는 도 2a의 일부를 확대 도시하며， 도 3b는 도 3a의 일부를 확대 도시한다.
먼저， 도 2a를 참조하면， 패터닝된 사파이어 기판 (PSS; 110)을 준비하고， 상기 PSS(l lO) 상에 버퍼층 (120)을 형성한다.
PSS(l lO)는 성장면， 즉， 상면에 오목부 (111) 및 돌출부 (113)를 포함할 수 있다. 돌출부 (113)는 일정한 패턴 및 /또는 간격으로 PSS(l lO)의 상면 상에 배치될 수 있고， 그 크기 및 배치 형태는 제한되지 않는다. 예를 들어, 돌출부 (113)는 다각뿔 형태일 수 있고， 그 높이는 약 1.6 내지 1.7/ m일 수 있다. 특히， 본 실시예에 있어서， 돌출부 (113)의 측면은 PSS(l lO)의 상면과 이루는 각이 예각을 갖도록 경사를 가질 수 있다. 이에 따라， 돌출부 (113)의 측면 상에 버퍼층 (120)이 더욱 용이하게 형성될 수 있다.
버퍼층 (120)은 질화물 반도체를 포함할 수 있고， 특히， AlGaN을 포함할 수 있다. 버퍼층 (120)은， 도 2b에 도시된 바와 같이， 다결정체 (polycrystal)로 PSS(l lO) 상에 성장될 수 있다. 다만， 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한， 버퍼층 (120)은 PSS(l lO) 오목부 (111)의 표면 및 PSS(l lO) 돌출부 (113)의 표면의 적어도 일부 상에 형성될 수 있다. 따라서， 버퍼층 (120)은 오목부 (111)의 표면 상에 형성되는 오목부 버퍼층 (121) 및 돌출부 (113)의 표면 일부 상에 형성되는 돌출부 버퍼층 (123)을 포함할 수 있다.
버퍼층 (120)이 AlGaN을 포함하는 경후， 버퍼층 (120)은 상대적으로 저온 조건에서 성장될 수 있으며， 예를 들어， 600°C 이하의 은도 조건， 나아가， 400 내지 60CTC 범위 내의 온도 조건， 특히， 약 520T:의 온도 조건에서 성장될 수 있다. AlGaN올 포함하는 버퍼층 (120)은 성장 챔버 내에 A1 소스와 GaN 소스를 소정의 비율로 공급함으로써 성장될 수 있으며， 예를 들어， A1 소스와 GaN 소스를 각각 약 6:4의 비율로 성장 챔버 내에 공급하여 AlGaN을 포함하는 버퍼층 (120)을 성장시킬 수 있다. 이때， 버퍼층 (120)은， 예를 들어， 약 500 torr 이하， 나아가， 약 400 torr의 압력 조건에서 성장될 수 있다. 성장된 버퍼충 (120)에 포함된 AlGaN의 A1 조성비는 0초과 4% 이하일 수 있다.
한편, AlGaN을 포함하는 버퍼층 (120)은 GaN에 비해 반웅성이 강하여,
PSS(l lO)의 오목부 (111) 상면뿐만 아니라, 돌출부 (113) 측면의 적어도 일부 상에도 형성될 수 있다. 이때， 본 실시예에 따른 AlGaN을 포함하는 버퍼층 (120)은 상대적으로 낮은 온도 (약 520°C)에서 성장되므로， 상대적으로 높은 온도에서 버퍼층 (120)이 성장되는 경우와 달리 돌출부 (113)의 측면 상에 형성된 돌출부 버퍼층 (123)이 소멸되지 않고， 그대로 잔류하게 된다.
*36돌출부 (113)의 측면 상에 형성된 돌출부 버퍼층 (123)은 서로 이격된 복수의 아일랜드 형태로 분산되어 배치될 수 있으며， 상기 복수의 아일랜드들은 불규칙적으로 분산되어 배치될 수 있다. 또한， 돌출부 버퍼층 (123)의 아일랜드들의 평균 크기 (예를 들어， 직경)는 AlGaN의 A1 조성비에 대한 의존성을 가질 수 있다. 상대적으로 적은 A1 조성비를 갖는 돌출부 버퍼충 (123) 아일랜드들의 평균 크기는 상대적으로 큰 A1 조성비를 갖는 돌출부 버퍼층 (123) 아일랜드들의 평균 크기보다 작을 수 있다. 예를 들어， A10.01GaN0.99N를 포함하는 돌출부 버퍼층 (123)의 아일랜드들의 평균 크기는 A10.02GaN0.98N를 포함하는'돌출부 버퍼층 (123)의 아일랜드들의 평균 크기보다 작을 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면， 돌출부 (113)의 측면 상에도 버퍼충 (123)이 형성될 수 있다. 후속 공정에서， PSS(l lO)의 오목부 (111) 상에 형성된 오목부 버퍼층 (121)으로부터 성장되어 돌출부 (113)를 덮는 하부 질화물층 (130)이 형성되면， 돌출부 (113)의 측면 상에 형성된 돌출부 버퍼층 (123)에 의해 하부 질화물층 (130)과 들출부 (113) 측면 간의 계면에서 공동이 형성될 수 있다. 이와 관련하여서는 후술하여 상세하게 설명한다.
이어서， 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 버퍼층 (120) 상에 하부 질화물층 (130)을 형성한다.
하부 질화물층 (130)은 버퍼층 (120)을 시드 (seed)로 단결정으로 성장될 수 있으며， 수직 성장보다 수평 성장이 우세한 2D 성장 조건에서 2D 성장될 수 있다. 이때， 하부 질화물층 (130)은 오목부 (111) 상에 형성된 오목부 버퍼층 (120)을 시드로 성장될 수 있다. 하부 질화물층 (130)은 도편트를 포함하지 않는， 언도프 질화물층을 포함할 수 있으며， 예를 들어， u-GaN(undoped GaN)을 포함할 수 있다. 하부 질화물층 (130)은 3D 성장 조건에 비해 성장 온도를 상대적으로 높게 성장 압력을 상대적으로 낮게， v/m 비를 상대적으로 높게 함으로써 2D 성장시킬 수 있다. 예를 들어， 약 1 KX C의 성장온도， 약 150 torr의 성장 압력， 약 150의 V/ΠΙ 비의 조건으로 하부 질화물층 (130)을 성장시키는 경우， 2D 성장할 수 있다.
또한， 하부 질화물층 (130)을 성장하는 것은， 수직 성장이 더 우세한 3D 성장 조건에서 3D 성장시켜 러프층 (131)을 성장하고， 이어서， 2D 성장 조건에서 2D 성장시켜 리커버리층 (133)을 성장하는 것을 포함할 수 있다. 3D 성장 조건은 2D 성장 조건에 비해， 상대적으로 성장 온도가 낮고， 상대적으로 성장 압력이 높으며， 상대적으로 v/m 비를 낮게 함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어， 도시된 바와 같이， 약 103C C의 성장 온도로 3D 성장 조건에서 먼저 러프층 (131)을 성장시키고， 상기 러프층 (131)으로부터 성장되는 리커버리층 (133)을 2D 성장 조건에서 성장시킴으로써， 하부 질화물층 (130)을 형성할 수 있다.
하부 질화물층 (130)은 돌출부 (113)의 높이 이상의 두께로 성장될 수 있고， 이에 따라， 하부 질화물층 (130)은 돌출부 (113)들을 덮을 수 있다. 예를 들어， 하부 질화물층 (130)의 두께는 돌출부 (113)의 높이보다 1 내지 3 더 큰 두께일 수 있다. 더욱 구체적으로， 하부 질화물층 (130)은 약 3 내지 5/im의 두께로 성장될 수 있으며， 이때， 러프층 (131)은 약 2 의 두께로 성장될 수 있다.
러프층 (131) 및 리커버리층 (133)은 PSS(l lO)의 오목부 (111)의 상면에 위치하는 오목부 버퍼층 (121)을 시드로 성장하고， 돌출부 (113) 상에 위치하는 돌출부 버퍼층 (123)으로부터는 성장하지 않을 수도 있다. 이 경우， 오목부 (111) 상면의 오목부 버퍼층 (121)으로부터 성장되는 하부 질화물층 (130)은 병합 (merge) 과정을 거쳐 돌출부 (113)를 덮도록 형성된다. 한편， 러프층 (131)은 그 전체가 단결정 (single crystal) 형태로 형성될 수 있으나， 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어， 본 발명의 일 실시예에 따라 AlGaN을 포함하는 버퍼층 (120)을 시드로 러프층 (131)을 형성하는 경우, 도 8a에 도시된 바와 같이， 돌출부 (113)들을 둘러싸는 규칙적인 형태의 러프층 (131)이 형성될 수 있다. 이 경우， 러프층 (131)은 오목부 (111) 상에 위치하는 오목부 버퍼층 (121)을 시드로 성장될 수 있다. 러프층 (131)은， 사진에 도시된 바와 같이, 돌출부 (113)를 둘러싸는 복수의 아일랜드들이 성장되어 상기 복수의 아일랜드들이 병합되어 형성될 수 있다. 이때， 상기 복수의 아일랜드들은 대체로 동일한 크기로 형성될 수 있다. 이에 따라, 복수의 아일랜드들로부터 성장된 러프충 (131)이 돌출부 (113) 상부에서 병합하는 과정에서 격자 부정합이 발생하는 정도 및 빈도를 최소화할 수 있어， 하부 질화물층 (130)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 나아가， 후속 공정에서 하부 질화물층 (130) 상에 성장되는 다른 반도체층들의 결정성 역시 향상시킬 수 있다. 또한， 러프층 (131)이 대체로 동일한 크기의 아일랜드들로 형성됨으로써， 하부 질화물층 (130)이 돌출부 (113)들을 덮는 병합 (merge) 공정이 더욱 용이해질 수 있다. 다만, PSS(l lO)의 돌출부 (113)는 그 크기에 따라, 러프층 (131)에 의해서 덮일 수도 있다.
한편， 하부 질화물층 (130)이 형성됨에 따라， 하부 질화물층 (130)과 돌출부 (113)의 계면 주변에 공동 (V)이 형성될 수 있다. 특히， 공동 (V)은 아일랜드 형태로 분산되어 배치된 돌출부 버퍼층 (123)의 주변에 형성될 수 있다.
구체적으로， 하부 질화물층 (130)이 버퍼층 (120)， 특히 오목부 버퍼층 (121)으로부터 성장되는 과정에서， 하부 질화물층 (130)은 돌출부 (113)를 덮으면서 하나의 결정으로 병합되는 과정을 거칠 수 있다. 이때， 돌출부 (113)의 측면 상에 복수의 아일랜드 형태로 배차된 돌출부 버퍼층 (123)에 의해 성장되는 하부 질화물층 (130)이 돌출부 (113)의 측면에 밀착되지 않는 부분이 형성될 수 있고， 이러한 부분으로부터 공동 (V)이 형성될 수 있다. 따라서， 공동 (V)은 하부 질화물층 (130)과 돌출부 (113)의 계면에서， 돌출부 버퍼층 (123)의 아일랜드들에 인접하여 형성될 수 있다.
또한， 돌출부 버퍼층 (123)이 돌출부 (113)의 측면 상에 형성되어 있는 상태로 하부 질화물층 (130)이 성장됨으로써 공동 (V)이 형성될 수 있으므로, 공동 (V)의 크기는 돌출부 버퍼층 (123)의 아일랜드들의 크기에 대한 의존성을 가질 수 있다. 아일랜드들의 평균 크기가 클수록， 공동 (V)의 평균 크기가 커질 수 있다. 이에 따라， 버퍼층 (120)이 AlGaN을 포함하는 경우， A1의 조성비가 커질수흑 공동 (V)의 크기도 커질 수 있다. 예를 들어， 도 9의 사진들에 도시된 바와 같이， 버퍼층 (120)의 A1 조성비가 커질수록， 공동 (V)의 크기가 커질 수 있다. 따라서， 버퍼층 (120)의 A1 조성비를 조절하여， 공동 (V)의 크기를 조절할 수 있다.
공동 (V)의 크기는 제한되지 않으나, 예를 들어， 50 내지 300nm의 크기를 가질 수 있다.
본 실시예에 따라 제조된 발광 소자는, PSS(l lO)의 돌출부 (113) 측면과 하부 질화물층 (130)의 계면 주변에 형성된 공동 (V)을 포함할 수 있다. 이러한 공동 (V)은 발광 소자의 발광 시， PSS(llO) 측으로 향하는 광을 산란 및 /또는 반사시켜 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면， 하부 질화물층 (130) 상에 중간층 (150)을 형성할 수 있다. 중간층 (150)은 하부 질화물층 (130)의 성장 과정에서 발생하는 전위 (dislocation)가 추가적으로 성장되는 반도체층들에 전파되는 것을 방지할 수 있다.
중간층 (150)은 하부 질화물층 (130) 상에 성장될 수 있고， Al, Ga, 및 In 중 적어도 하나를 포함하는 2원계 내지 4원계 질화물층일 수 있다. 또한， 중간층 (150)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있고， 나아가， 초격자층을 포함할 수도 있다. 예를 들어， 중간층 (150)은 AlGaN을 포함할 수 있다.
중간층 (150)과 관련하여 통상의 기술자에게 알려진 공지의 기술적 사항에 대해서는 이하 자세한 설명을 생략하며， 중간층 (150)은 생략될 수도 있다. 도 5를 참조하면， 하부 질화물층 (130) 상에 제 1 도전형 반도체층 (161)을 형성한다.
제 1 도전형 반도체층 (161)은 (Al, Ga, In)N와 같은 질화물 반도체를 포함할 수 있으며, 또한， Si와 같은 n형 도펀트를 더 포함하여 n형으로 도핑될 수 있다. 제 1 도전형 반도체층 (161)은 3족 원소 소스， N 소스， 및 n형 도편트 소스를 챔버 내에 도입하여 성장시킴으로써 형성될 수 있고， 예를 들어， TMGa(Trimethylgallum) 또는 TEGa(Triethylgallium)와 같은 Ga 소스， NH3와 같은 N 소스， 및 Si 도편트 전구체를 챔버 내에 도입하여 성장시킬 수 있다. 제 1 도전형 반도체층 (161)은 다중층을 포함할 수도 있으며， 예를 들어， 컨택층 및 /또는 클래드충을 포함할 수도 있다.
이어서， 도 6을 참조하면, 제 1 도전형 반도체층 (161) 상에 활성층 (163) 및 제 2 도전형 반도체층 (165)을 형성할 수 있다. 제 2 도전형 반도체층 (165)이 형성되면， 제 1 도전형 반도체층 (161)， 활성층 (163) 및 제 2 도전형 반도체층 (165)을 포함하는 발광 구조체 (160)가 형성될 수 있다.
활성층 (163)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며， 제 1 도전형 반도체층 (161) 상에 성장될 수 있다. 또한， 활성층 (163)은 복수의 장벽층과 우물층을 포함하는 다중양자우물 구조 (MQW)를 가질 수 있다. 이때， 상기 다중 양자우물구조를 이루는 반도체층들이 원하는 피크 파장의 광을 방출하도록， 상기 반도체층들을 이루는 원소 및 그 조성이 조절될 수 있다.
제 2 도전형 반도체충 (165)은 (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있으며， 활성층 (163) 상에 성장될 수 있다. 제 2 도전형 반도체층 (165)은 p형 도펀트를 포함하여 p형으로 도핑될 수 있고， 예를 들어， Mg을 도편트로서 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 발광 소자는, AlGaN을 포함하는 버퍼층 (120) 상에 형성된 하부 질화물층 (130)으로부터 성장된 발광 구조체 (160)를 포함할 수 있다. 따라서， 우수한 결정성을 갖는 발광 구조체 (160)가 제공될 수 있으며ᅳ 하부 질화물층 (130)과 돌출부 (113)의 계면 주변에 형성된 공동 (V)을 포함하여 발광 효율이 높은 발광 구조체 (160)가 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7의 발광 소자는 도 6의 구조로부터 형성될 수 있다. 도 6의 발광 구조체 (160)를 부분적으로 제거하여 제 1 도전형 반도체층 (161)을 부분적으로 노출시켜 제 1 전극 (181)을 형성하고， 이에 더하여 제 2 도전형 반도체층 (165) 상에 투명 전극층 (170) 및 제 2 전극 (183)을 더 형성함으로써， 도 7의 발광 소자가 제공될 수 있다.
따라서， 상기 발광 소자는， PSS(l lO), 버퍼층 (120)， 하부 질화물층 (130)， 발광 구조체 (160)， 제 1 전극 (181) 및 제 2 전극 (183)을 포함한다. 나아가， 상기 발광 소자는 중간층 (150) 및 투명 전극 (170)을 더 포함할 수 있다.
PSS(l lO), 버퍼층 (120)， 하부 질화물층 (130)， 발광 구조체 (160)， 및 중간층 (150)과 관련된 내용은 도 2a 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 대체로 유사하므로， 이하 상세한 설명은 생략한다.
제 1 전극 (181)은 상기 제 1 도전형 반도체층 (161)이 부분적으로 노출된 영역 상에 위치하여， 제 1 도전형 반도체층 (161)과 전기적으로 연결될 수 있고， 제 2 전극 (183)은 제 2 도전형 반도체층 (165) 상에 위치하여 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 전극 (181， 183)은 외부 전원과 전기적으로 연결되어 발광 소자에 전원을 공급하는 역할을 할 수 있다.
투명 전극 (170)은 게 2 도전형 반도체층 (165) 상에 위치할 수 있으며， 제 2 도전형 반도체층 (165)과 제 2 전극 (183)의 사이에 개재될 수 있다. 투명 전극 (170)은 Ni/Au와 같은 투명 금속 적층 구조， ITO 또는 IZO 등과 같은 투명 도전성 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라 제조된 발광 소자는， 발광 구조체 (160) 내의 결함 밀도가 낮아 결정성이 우수하다. 따라서 누설 전류 및 정전기 방전에 의한 소자의 파손 발생이 최소화된 발광 소자가 제공될 수 있다. 또한， 돌출부 (113)의 측면 상에 형성되어 있던 돌출부 버퍼층 (123)에 의해， 성장된 하부 질화물층 (130)과 돌출부 (113)의 계면 주변에 공동 (V)이 형성될 수 있다. 이러한 공동은 상기 발광 소자의 발광 시, 광을 산란 및 반사시키는 역할을 할 수 있어， 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
한편， 본 실시예에서 수평형 발광 다이오드와 같은 반도체 발광 소자만을 개시하고 있으나， 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 수직형， 플립칩형 등 다양한 다른 구조의 반도체 발광 소자에도 본 발명은 적용될 수 있다.
이상， 상기 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하고， 본 발명은 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 모두 포함한다.

Claims

【청구의 범위】
【청구항 1】
상면에 복수의 오목부 및 돌출부를 포함하는 패터닝된 사파이어 기판 (PSS);
상기 오목부 상에 위치하는 오목부 버퍼층， 및 상기 돌출부의 측면 상에 위치하며， 복수의 아일랜드 형태로 분산되어 배치된 돌출부 버퍼층을 포함하는 버퍼층;
상기 버퍼층 및 상기 PSS 상에 위치하며， 상기 돌출부를 덮는 하부 질화물층;
상기 돌출부의 측면과 상기 하부 질화물층 간의 계면에 위치하는 공동; 상기 하부 질화물층 상에 위치하는 게 1 도전형 반도체층;
상기 제 1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제 2 도전형 반도체층; 및 상기 제 1 및 제 2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 소자.
【청구항 2】
청구항 1에 있어서,
상기 버퍼층은， AlGaN을 포함하는 발광 소자.
【청구항 3】
청구항 2에 있어서，
상기 버퍼층에 포함된 AlGaN의 A1 조성비는 0초과 4%이하인 발광 소자.
【청구항 4】
청구항 1에 있어서,
상기 공동은 상기 복수의 아일랜드로 형태로 배치된 돌출부 버퍼층에 인접하여 위치하는 발광 소자.
【청구항 5】
청구항 1에 있어서，
상기 하부 질화물층은， 상기 오목부 버퍼층을 시드로 성장되어 형성된 러프층; 및 상기 러프층 상에 위치하는 리커버리층을 포함하는 발광 소자.
【청구항 6】
청구항 1에 있어서，
상기 하부 질화물층은 언도프 질화물층을 포함하는 발광 소자.
【청구항 7】
청구항 1에 있어서，
상기 공동의 크기는 50 내지 300nm인 발광 소자.
【청구항 8】
상면에 복수의 오목부 및 돌출부를 포함하는 패터닝된 사파이어 기판 (PSS)을 준비하고;
상기 PSS 상에 버퍼층을 형성하되， 상기 버퍼층은 상기 오목부의 상면에 형성된 오목부 버퍼층 및 상기 돌출부 측면의 적어도 일부분 상에 형성된 돌출부 버퍼층을 포함하고;
상기 버퍼층 상에 상기 돌출부를 덮는 하부 질화물층을 형성하고; 상기 하부 질화물층 상에 제 1 도전형 반도체층, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제 2 도전형 반도체층， 및 상기 제 1 및 제 2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 구조체를 형성하는 것을 포함하고，
상기 버퍼층은 60CTC 이하의 온도 조건에서 성장되고， - 상기 하부 질화물층을 형성하는 것은， 상기 돌출부 측면과 상기 하부 질화물층 간의 계면에 위치하는 공동을 형성하는 것을 포함하는 발광 소자 제조 방법.
【청구항 9]
청구항 8에 있어서，
상기 버퍼층은, AlGaN을 포함하는 발광 소자 제조 방법.
【청구항 10】
청구항 9에 있어서，
상기 하부 질화물층을 성장하는 것은,
상기 오목부 버퍼층을 시드로, 수직 방향으로의 성장이 수평 방향으로의 성장보다 우세한 3D 성장되는 러프층을 성장시키고; 및
상기 러프층 상에， 수평 방향으로의 성장이 수직 방향으로의 성장보다 우세한 2D 성장되는 리커버리층을 성장시키는 것을 포함하는 발광 소자 제조 방법.
【청구항 11】
청구항 10에 있어서，
상기 러프층은 상기 돌출부들을 둘러싸는 복수의 아일랜드로 성장되어 상기 아일랜드들이 병합되어 형성된 발광 소자 제조 방법.
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