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KR100624449B1 - 요철 구조를 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

요철 구조를 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100624449B1
KR100624449B1 KR1020040103112A KR20040103112A KR100624449B1 KR 100624449 B1 KR100624449 B1 KR 100624449B1 KR 1020040103112 A KR1020040103112 A KR 1020040103112A KR 20040103112 A KR20040103112 A KR 20040103112A KR 100624449 B1 KR100624449 B1 KR 100624449B1
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layer
semiconductor
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light emitting
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Abstract

본 발명은 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 반도체 발광소자에 있어서, 요철 구조로 형성된 제 1반도체층; 상기 제 1반도체층의 요철 구조의 패턴 사이에 형성된 중간층; 상기 제 1반도체층 및 상기 중간층 상에 순차적으로 형성된 제 2반도체층, 활성층 및 제 3반도체층;을 포함하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자를 제공한다.

Description

요철 구조를 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법{Semiconductor emitting device with approved and manufacturing method for the same}
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자들을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제 1실시예에 의한 반도체 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 2실시예에 의한 반도체 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광 소자의 제조 공정 중의 이미지를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명과 종래 기술에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자와 종래 기술에 의한 반도체 발광 소자의 광 추출 효율을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
101... p-전극 102... p-GaN
103... 활성층 104... n-GaN
105... n-전극 106... 요철 계면
111... 사파이어 기판 112... n-GaN
113... n-AlGaN 114... 활성층
115... p=AlGaN 116... p-GaN
117... p-전극 118... n-전극
21... 기판 22, 37... 제 1반도체층
23, 36... 중간층 24, 35... 제 2반도체층
25, 34... 활성층 26, 33... 제 3반도체층
27, 32... 제 1전극 28, 38... 제 2전극
41, 51... 기판 42, 52... 제 1반도체층
42a, 52a... 식각 영역 43, 53... 내부 결함
44, 54... 중간층 45, 56... 제 2반도체층
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 발광 소자에 요철 구조를 채용하는 경우, 광 추출 효율을 향상시키며, 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 소자(light emitting diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여, 전기 에너지를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시킨 신호를 발신하는데 사용되는 소자이다. 발광 다이오드는 EL의 일종이며, 현재 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드가 실용화 되고 있다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 직접천이형 반도체이며, 다른 반도체를 이용한 소자보다 고온에서 안정된 동작을 얻을 수 있어서, 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드(laser diode : LD) 등의 발광 소자에 널리 응용되고 있다. 이와 같은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 통상 사파이어(sapphire : Al2O3)를 기판으로 이용하여 그 위에 형성되는 것이 일반적이며, 발광 효율, 즉 광의 추출 효율의 향상시키기 위하여 다양한 구조의 발광 다이오드에 관한 연구가 진행되고 있다. 현재 발광 소자의 광 추출 영역에 요철 구조를 형성시켜 광 추출 효율을 향상시키고자 하는 연구가 진행되고 있다.
서로 다른 굴절율을 지닌 물질층들의 계면에서는 각 물질층의 굴절율에 따른 광의 진행이 제한을 받는다. 평탄한 계면의 경우, 굴절률이 큰(n=2.5) 반도체층으로부터 굴절률이 작은 공기층(n=1)으로 광이 진행되는 경우 계면의 수직 방향을 기준으로 소정 각도 이하로 평탄한 계면에 입사해야 한다. 소정 각도 이상으로 입사하는 경우 평탄한 계면에서 전반사가 되어 광 추출 효율이 크게 감소하게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 계면에 요철 구조를 도입하는 방법이 시도되었다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다. 도 1a를 참조하면, p-전극(101) 상에 p-GaN층(102), 활성층(103) n-GaN층(104)이 순차적으로 형성되어 있으며, n-GaN층(104) 상에 n-전극 (105)이 형성되어 있다. 활성층(103)에서 발생한 광이 n-GaN층(104)을 통하여 상부로 추출되는 경우 그 입사 각도를 변화시키기 위해 n-GaN층(104)과 공기층 사이의 계면에 요철 구조(106)를 도입하였다.
도 1b를 참조하면, 사파이어 기판(111) 상에 n-GaN층(112)이 형성되어 있으며, n-GaN층(112)의 일부 영역 상에 n-AlGaN층(113), 활성층(114), p-AlGaN층(115), p-GaN(116) 및 p전극(117)이 순차적으로 형성되어 있다. 그리고, n-GaN층(112)의 n-AlGaN층(113)이 형성되지 않은 영역 상에 n-전극(118)이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 구조는 플립 칩(flip-chip) 형태로서 활성층(114)에서 방생한 광을 주로 투광성인 사파이어 기판(111) 방향으로 추출시켜 이용하게 된다. 여기서는 사파이어 기판(111) 표면에 요철 구조(120)를 형성시킴으로써 광추출 효율을 향상시키는 것이다.
이와 같은 종래 기술에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 경우, 주로 광 추출 효율을 향상시키기 위해 요철 구조를 도입한 것이다. 그러나, 특히 도 1b에 나타낸 바와 같이 사파이어 기판(111)을 패터닝하여 요철 구조를 도입하는 경우 사파이어 기판(111)과 그 상부에 형성되는 반도체층의 결정 구조가 맞지 않아 반도체층의 결함이 발생하기 쉬워 균질한 반도체층의 성장이 어려운 문제점이 있다. 따라서, 내부적인 결정 결함에 의해 광효율이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 반도체 발광 소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 반도체 발광 소자 내부의 결정 결함 을 감소시킬 수 있는 반도체 발광 소자의 구조 및 이를 형성시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
반도체 발광소자에 있어서,
요철 구조로 형성된 제 1반도체층;
상기 제 1반도체층의 요철 구조의 패턴 사이에 형성된 중간층;
상기 제 1반도체층 및 상기 중간층 상에 순차적으로 형성된 제 2반도체층, 활성층 및 제 3반도체층;을 포함하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 중간층은 굴절률이 2.5 이하의 광투과성 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 중간층은 투명 절연체로서 SiO2, SiNx, Al2O 3, HfO, TiO2 또는 ZrO 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 중간층은 투명 전도체로서 ZnO로 형성시키거나, In 산화물에 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 또는 La 중 적어도 어느 하나의 첨가물이 포함된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1반도체층, 상기 제 2반도체층 및 상기 제 3반도 체층은 GaN을 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1반도체층 및 상기 중간층은 사파이어 기판 상에 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 3반도체층 상에 형성된 제 1전극; 및
상기 제 2반도체층의 상기 활성층이 형성되지 않은 영역에 형성된 제 2전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1반도체층의 요철 패턴의 폭은 상방으로 갈수록 좁아지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
(가) 기판 상에 제 1반도체층을 형성시키는 단계;
(나) 상기 제 1반도체층을 식각하여 요철 구조로 형성시키며, 상기 기판을 일부를 노출시키는 단계;
(다) 상기 제 1반도체층의 요철 구조 사이의 상기 노출된 기판 상에 중간층을 형성시키는 단계; 및
(라) 상기 제 1반도체층 및 상기 중간층 상에 제 2반도체층, 활성층 및 제 3반도체층을 순차적으로 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계는
상기 제 1반도체층의 표면에 에치 핏을 형성시키는 제 1식각 단계; 및
상기 제 1반도체층의 에치 핏을 식각하여 상기 기판의 표면을 노출시키는 제 2식각 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1식각 단계는 H3PO4을 사용하며, 상기 제 2식각 단계는 KOH를 사용하여 식각을 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (다) 단계는,
상기 노출된 기판 및 요철 구조의 상기 제 1반도체층 상에 광투과성 물질을 도포하는 단계; 및
상기 제 1반도체층의 표면이 노출되도록 상기 광투과성 물질을 제거하여 레벨링 하여 상기 중간층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 광투과성 물질을 도포한 후 열처리를 실시하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 노출된 상기 기판 표면을 건식 식각에 의해 식각하는 제 3식각 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 플립 칩(flip chip) 형태의 반도체 발광 소자에 적용된 요철 구조를 나타내며, 도 3은 버티컬(vertical) 형태의 반도체 발광 소자에 적용된 요철 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면 투광성 기판(21) 상에 제 1반도체층(22)과 중간층(23)이 요철 구조로 형성되어 있으며, 그 상부에 제 2반도체층(24)이 형성되어 있다. 그리고, 제 2반도체층(24) 상의 제 1영역에 활성층(25), 제 3반도체층(26), 제 1전극(27)이 순차적으로 형성되어 있다. 제 2반도체층(24)의 제 2영역에는 제 2전극(28)이 형성되어 있다.
각 층의 물질을 예시적으로 서술하면 다음과 같다. 투광성 기판(21)은 일반적으로 널리 사용되는 사파이어(Al2O3) 기판을 사용할 수 있으며, 제 1반도체층(22)과 제 2반도체층(24)은 p-GaN으로 형성될 수 있다. 그리고, 중간층(23)은 굴절률이 2.5 이하의 투명 절연체 또는 투명 전도체로 형성시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 투명 절연체로는 SiO2, SiNx, Al2O3, HfO, TiO2 또는 ZrO를 사용할 수 있다. 그리고, 투명 전도체로는 ZnO와 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 또는 La 중 적어도 어느 하나의 첨가물이 포함된 In 산화물을 사용할 수 있다. 여기서, 중간층(23)은 투광성 물질을 사용하는 것을 알 수 있다. 활성층(25)은 통상 반도체 발광소자 또는 레이저 발광 소자에 사용되는 물질로 형성시킬 수 있으며, 다중 양자 장벽 구조의 다층 구조로 형성될 수 있다. 제 3반도체층(26)은 p-GaN으로 형성될 수 있으며, 이때, 제 1전극(27)은 p형 전도성 물질로 형성시키고, 제 2전극(28)은 n형 전도성 물질로 형성시킬 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조는 제 1반도체층(22)의 요철 형상으로 패턴 된 영역 내에 중간층(23)이 형성된 구조이다. 여기 서, 제 1반도체층(22)의 요철 형상 패턴들 사이의 거리는 일정한 것이 아니고, 그 거리는 제 1반도체층(22) 내의 결함, 특히 screw dislocation에 의해 결정된다. 이에 대해서는 후술하는 제조 공정에서 상세히 설명하기로 한다. 이와 같은 반도체 발광 소자의 구조에 따르면, 제 1반도체층(22)의 결함 영역에 중간층(23)이 형성되며, 그 상부에 다시 제 2반도체층(24)이 형성되어 반도체 발광 소자 내부의 결정 결함을 감소시킬 수 있으며, 요철 구조를 도입하여 활성층(25) 내에서 발생하는 광의 외부 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조를 지닌 버티컬 형태의 반도체 발광 소자에 관한 도면으로, 하부 구조체(31) 상에 제 1전극(32), 제 3반도체층(33), 활성층(34), 제 2반도체층(35)가 순차적으로 형성되어 있다. 그리고, 제 2반도체층 (35) 상에는 요철 형상으로 패턴된 제 1반도체층(37) 및 중간층(36)이 형성되어 있다. 그리고, 제 1반도체층(37) 및 중간층(36) 상에는 제 2전극(38)이 형성되어 있다.
도 3에 나타낸 버티컬 형태의 반도체 발광 소자의 각 구성 층들의 물질을 나타내면 다음과 같다. 제 1반도체층(37)과 제 2반도체층(35)은 p-GaN으로 형성될 수 있다. 그리고, 중간층(36)은 굴절률이 2.5 이하의 투명 절연체 또는 투명 전도체로 형성시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 투명 절연체로는 SiO2, SiNx, Al2 O3, HfO, TiO2 또는 ZrO를 사용할 수 있다. 그리고, 투명 전도체로는 ZnO와 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 또는 La 중 적어 도 어느 하나의 첨가물이 포함된 In 산화물을 사용할 수 있다. 활성층(34)은 통상 반도체 발광 소자 또는 레이저 발광 소자에 사용되는 물질로 형성시킬 수 있으며, 다중 양자 장벽 구조의 다층 구조로 형성될 수 있다. 제 3반도체층(33)은 p-GaN으로 형성될 수 있으며, 이때, 제 1전극(32)은 p형 전도성 물질로 형성시키고, 제 2전극(38)은 n형 전도성 물질로 형성시킬 수 있다.
도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조는 제 1반도체층(37)의 요철 형상으로 패턴 된 영역 내에 중간층(36)이 형성된 구조이다. 여기서, 제 1반도체층(37)의 요철 형상 패턴들 사이의 거리는 일정한 것이 아니고, 제 1반도체층(37) 내의 결함, 특히 screw dislocation에 의해 결정된다. 이와 같은 반도체 발광 소자의 구조에 따르면, 제 1반도체층(37)의 결함 영역에 중간층(36)이 형성되며, 그 상부에 다시 제 2반도체층(35)이 형성되어 반도체 발광 소자 내부의 결정 결함을 감소시킬 수 있으며, 요철 구조를 도입하여 활성층(33) 내에서 발생하는 광의 외부 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제 1실시예에 의한 요철 구조를 지닌 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대해 상세히 살펴보도록 한다.
도 4a를 참조하면, 기판(41) 상에 제 1반도체층(42)을 형성시킨다. 여기서, 기판(41)은 사파이어 기판(굴절률 n = 1.78)을 사용하며, 제 1반도체층(42)은 예를 들어 n-GaN으로 형성시킨다. 그리고, 제 1반도체층(42)의 표면을 H3PO4에 의해 제 1식각 공정을 실시한다. 사파이어 물질과 GaN은 서로 결정 구조가 다르기 때문에, 그 내부적으로 결정 결함이 형성되기 쉽다. 특히, 수직 방향으로 형성된 결정 결함, 예를 들어 screw dislocation(43)이 형성될 수 있으며 이는 사파이어 기판(41)으로부터 제 1반도체층(42)의 표면 방향으로 형성될 수 있다. 제 1반도체층(42)의 표면은 H3PO4에 의해 습식 식각 공정을 실시하면, 특히, screw dislocation(43) 영역에서 주로 식각이 진행되어 에치 핏(etch pit)이 형성된다. 식각 방향은 screw dislocation(43)의 방향에 따른 하방으로 진행될 뿐만 아니라, 측방향으로도 진행된다. 도 6a에서는 도 4a에 나타낸 바와 같이 H3PO4에 의해 식각 공정을 실시한 경우의 제 1반도체층(42)을 나타낸 이미지이다.
다음으로 도 4b를 참조하면, 제 1반도체층(42)에 대해 KOH에 의해 제 2식각 공정을 진행한다. KOH에 의한 식각 공정을 실시하면, 제 1반도체층(42)의 screw dislocation(43)의 수직 하방으로 식각이 진행된다. KOH에 의한 제 1반도체층(42)의 식각 방향은 H3PO4와는 달리 주로 수직 하방으로 진행되며, 결국 기판(41)의 표면이 드러나며, 제 1반도체층(42)의 단면이 사다리꼴 구조로 패턴된 요철 형상이 된다. 부재 번호 42a는 H3PO4 및 KOH에 의해 식각된 영역을 나타낸다. 이와 같이 제 1반도체층(42)에 대한 식각 공정을 한 결과를 도 6b의 이미지로 나타내었다. 도 6b를 참조하면, 사파이어 기판(41)의 표면까지 KOH에 의해 식각되어 제 1반도체층(42)의 단면이 사다리꼴 형태의 요철 형상을 지닌 것을 알 수 있다.
다음으로 도 4c를 참조하면, 기판(41) 상의 요철 형상으로 패턴된 제 1반도체층(42) 상에 중간층(44)을 도포한다. 활성층으로부터 발생된 광이 요철 형상을 통하여 외부로 추출되므로, 중간층(44)은 광 투과성이 높은 물질로 형성시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 굴절률이 2.5 이하의 투명 절연체 또는 투명 전도체로 형성시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 투명 절연체로는 SiO2, SiNx, Al2 O3, HfO, TiO2 또는 ZrO를 사용할 수 있다. 그리고, 투명 전도체로는 ZnO와 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 또는 La 중 적어도 어느 하나의 첨가물이 포함된 In 산화물을 사용할 수 있다. 등을 사용할 수 있다. 이들을 약 1.4 내지 1.8의 굴절률을 지닌다. 도 6c에서는 요철 형상으로 패터닝된 제 1반도체층(42) 상에 중간층(44)이 형성된 것을 나타낸 이미지 사진이다. 중간층은 제 1반도체층(42) 상부 뿐만 아니라, 제 1반도체층(42)의 식각된 영역에도 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 중간층(44)을 도포한 후, 어닐링 공정을 더 실시할 수 있다. 예를 들어, MOCVD의 H2 분위기 하에서 섭씨 약 1100에서 약 1시간 정도 실시한다.
다음으로 도 4d를 참조하면, 요철 형상으로 패턴된 제 1반도체층(42)의 상부를 노출시키기 위하여 중간층(44)을 상부를 수평 방향으로 제거하는 레벨링(leveling) 공정을 실시한다. 따라서, 제 1반도체층(42)의 요철 구조 사이에서만 중간층(44)이 잔존하는 구조가 된다.
다음으로 도 4e를 참조하면, 노출된 제 1반도체층(42) 및 잔존한 중간층(44) 상에 제 2반도체층(45)이 형성된다. 제 2반도체층(45)은 제 1반도체층(42)과 동일한 물질로 형성시키는 것이 바람직하며, 예를 들어 n-GaN으로 형성시킨다. 이 경 우, 상대적으로 결정 결함이 없는 제 1반도체층(42) 상에서 성장하므로 사파이어 기판(41) 표면에서 바로 형성시키는 경우에 비해 결정 결함이 크게 감소하게 된다.
상술한 바와 같은 도 4a 내지 도 4e의 공정에 의해 본 발명의 실시예에 의한 요철 형상을 반도체 발광 소자 내에 형성시킬 수 있다. 제 2반도체층(45) 상에 형성되는 활성층, 제 3반도체층은 종래 기술에 의한 공정을 이용하면 용이하게 형성할 수 있다. 이와 같이 형성한 요철 구조를 플립-칩 구조로 그대로 이용할 수 있으며, 하부 기판을 제거하고, 전극을 더 형성시켜 버티컬 구조로 이용할 수 있다.
이와 같은 공정으로 반도체 발광 소자 내에 요철 구조를 형성시키면 종래 기술과 달리, 광의 추출 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 소자 내부의 결정 결함도 크게 감소시킬 수 있어, 안정적인 성능을 발휘하며 그 수명을 연장시킬 수 있다.
이하, 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 본 발명의 제 2실시예에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 공정에 대해 상세하게 설명하고자 한다.
도 5a를 참조하면, 기판(51) 상에 제 1반도체층(52)을 형성시킨다. 여기서, 기판(51)은 사파이어 기판을 사용하며, 제 1반도체층(52)은 예를 들어 n-GaN을 사용할 수 있다. 제 1반도체층(52)을 도포한 후, 제 1반도체층(52)의 표면을 H3PO4에 의해 제 1식각 공정을 실시한다. 제 1반도체층(52)의 표면은 H3PO4에 의해 습식 식각 공정을 실시하면, 특히, screw dislocation(53) 영역에서 주로 식각이 진행되어 에치 핏(etch pit)이 형성된다. 식각 방향은 screw dislocation(53)의 방향에 따른 하방으로 진행될 뿐만 아니라, 측방향으로도 진행된다.
다음으로 도 5b를 참조하면, 제 1반도체층(52)에 대해 KOH에 의해 제 2식각 공정을 진행한다. KOH에 의한 식각 공정을 실시하면, 제 1반도체층(52)의 screw dislocation(53)의 수직 하방으로 식각이 진행된다. KOH에 의한 제 1반도체층(52)의 식각 방향은 H3PO4와는 달리 주로 수직 하방으로 진행되며, 결국 기판(51)의 표면이 드러나며, 제 1반도체층(52)의 단면이 사다리꼴 구조로 패턴된 요철 형상이 된다. 부재 번호 52a는 H3PO4 및 KOH에 의해 식각된 영역을 나타낸다. 이 때, KOH에 의한 제 1반도체층(52)의 식각을 진행 한 후, 건식 식각에 의해 노출된 기판(51) 영역에 대해서 식각 공정을 진행한다. 따라서, 노출된 기판(51) 영역이 식각되어 홈이 형성된다. 도 6d에서는 KOH에 의한 제 1반도체층(52)의 식각을 진행한 후 다시 건식 식각을 진행하여 기판(51)을 식각한 것을 나타낸 이미지이다.
다음으로 도 5c를 참조하면, 기판(51) 상의 요철 형상으로 패턴된 제 1반도체층(52) 상에 중간층(54)을 도포한다. 활성층으로부터 발생된 광이 요철 형상을 통하여 외부로 추출되므로, 중간층(54)은 광 투과성이 높은 굴절률이 2.5 이하의 투명 절연체 또는 투명 전도체로 형성시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 투명 절연체로는 SiO2, SiNx, Al2O3, HfO, TiO2 또는 ZrO를 사용할 수 있다. 그리고, 투명 전도체로는 ZnO와 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 또는 La 중 적어도 어느 하나의 첨가물이 포함된 In 산화물을 사용할 수 있다. 중간층(54)을 도포한 후, 어닐링 공정을 더 실시할 수 있다. 예를 들어, MOCVD의 H2 분위기 하에서 섭씨 약 1100에서 약 1시간 정도 실시한다.
다음으로 도 5d를 참조하면, 요철 형상으로 패턴된 제 1반도체층(52)의 상부를 노출시키기 위하여 중간층(54)을 상부를 수평 방향으로 제거하는 레벨링(leveling) 공정을 실시한다. 따라서, 제 1반도체층(52)의 요철 구조 사이에서만 중간층(54)이 존재하게 된다.
다음으로 도 5e를 참조하면, 노출된 제 1반도체층(52) 및 잔존한 중간층(54) 상에 제 2반도체층(56)이 형성된다. 제 2반도체층(56)은 제 1반도체층(52)과 동일한 물질로 형성시키는 것이 바람직하며, 예를 들어 n-GaN으로 형성시킨다. 이 경우, 상대적으로 결정 결함이 없는 제 1반도체층(52) 상에서 성장하므로 사파이어 기판(41) 표면에서 바로 형성시키는 경우에 비해 결정 결함이 크게 감소하게 된다. 그리고, 제 2반도체층(56) 상에 형성되는 활성층, 제 3반도체층은 종래 기술에 의한 공정을 이용하면 용이하게 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자와 종래 기술에 의한 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 광 추출 효율을 나타낸 그래프이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 요철 형상의 패턴이 형성된 제 1반도체층의 패턴의 형태는 평단면에서는 육각형이며, 측단면에서는 사다리꼴, 육각형 또는 이들의 역상 중 어느 하나이다. 각 패턴의 직경 및 각 패턴간의 간격을 1마이크로미터, 패턴의 높이를 0.5마이크로미터로 형성하여 광 추출 효율을 조사하였다. 그 결과 본 발명의 실시예에 의한 요철 구조(Dielectric Embedded Nitride Structure, n=1.4)를 포함하는 반도체 발광 소자는 일반적인 평면 구조(planar LED)의 반도체 발광 소자에 비해 최대 약 85%의 광추출 효율이 증가하였으며, 일반적인 사다리꼴 요철 기판(PSS : Patterned Sapphire Substrate, n=1.78) 구조를 지닌 반도체 발광 소자(Ref 2)는 최대 약 77%이 광추출 효율이 증가하였다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면, 반도체 발광 소자의 반도체층에 요철 구조이 패턴을 형성시킴으로써, 활성층에서 발생한 광의 추출 효율을 크게 향상시키면서, 반도체 소자 내부의 결함을 감소시켜 반도체 발광소자의 안정된 동작을 유도하여 그 수명을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (17)

  1. 반도체 발광소자에 있어서,
    요철 구조로 형성된 제 1반도체층;
    상기 제 1반도체층의 요철 구조의 패턴 사이에 형성된 중간층;
    상기 제 1반도체층 및 상기 중간층 상에 순차적으로 형성된 제 2반도체층, 활성층 및 제 3반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 중간층은 굴절률이 2.5 이하의 광투과성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 중간층은 투명 절연체로서 SiO2, SiNx, Al2O3, HfO, TiO 2 또는 ZrO 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 중간층은 투명 전도체로서 ZnO로 형성시키거나, In 산화물에 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 또는 La 중 적어도 어느 하나의 첨가물이 포함된 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1반도체층, 상기 제 2반도체층 및 상기 제 3반도체층은 GaN을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1반도체층 및 상기 중간층은 사파이어 기판 상에 형성된 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3반도체층 상에 형성된 제 1전극; 및
    상기 제 2반도체층의 상기 활성층이 형성되지 않은 영역에 형성된 제 2전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1반도체층의 요철 패턴의 형상은 평단면은 육각형이며, 측단면은 사다리꼴, 육각형 또는 이들의 역상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자.
  10. 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서,
    (가) 기판 상에 제 1반도체층을 형성시키는 단계;
    (나) 상기 제 1반도체층을 식각하여 요철 구조로 형성시키며, 상기 기판을 일부를 노출시키는 단계;
    (다) 상기 제 1반도체층의 요철 구조 사이의 상기 노출된 기판 상에 중간층을 형성시키는 단계; 및
    (라) 상기 제 1반도체층 및 상기 중간층 상에 제 2반도체층, 활성층 및 제 3반도체층을 순차적으로 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 (나) 단계는
    상기 제 1반도체층의 표면에 에치 핏을 형성시키는 제 1식각 단계; 및
    상기 제 1반도체층의 에치 핏을 식각하여 상기 기판의 표면을 노출시키는 제 2식각 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1식각 단계는 H3PO4을 사용하며, 상기 제 2식각 단계는 KOH를 사용하여 식각을 행하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 (다) 단계는,
    상기 노출된 기판 및 요철 구조의 상기 제 1반도체층 상에 광투과성 물질을 도포하는 단계; 및
    상기 제 1반도체층의 표면이 노출되도록 상기 광투과성 물질을 제거하여 레벨링 하여 상기 중간층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 중간층은 투명 절연체로서 SiO2, SiNx, Al2O3, HfO, TiO 2 또는 ZrO 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 중간층은 투명 전도체로서 ZnO로 형성시키거나, In 산화물에 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 또는 La 중 적어도 어느 하나의 첨가물이 포함하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 광투과성 물질을 도포한 후 열처리를 실시하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 노출된 상기 기판 표면을 건식 식각에 의해 식각하는 제 3식각 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 구조를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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