KR100992743B1 - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 일부에 형성된 희토류원소 주입층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 제2 기판;을 포함한다.
발광소자, 활성층, 발광효율
Description
실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 최근 커다란 관심을 받고 있다. 특히, 백색, 청색, 녹색, UV 질화물 반도체 발광소자는 이미 상용화되어 있다. 따라서, 현재 질화물 반도체 발광소자의 연구는 그 성능 향상에 주력하고 있다. 특히, 질화물 반도체 백색 발광소자의 응용범위는 더욱 넓어지고 다양해지고 있다.
종래의 질화물 반도체 백색 발광소자는 대표적으로 청색 발광소자에 형광체를 접목하여 이루어 진다. 형광체 물질은 청색 빛의 일부를 흡수하여 녹색, 노랑 및 적색영역의 빛을 다시 방출한다. 현재, 이러한 형광체는 광변환 효율이 낮고 고온 상태에서의 신뢰성이 낮다. 또한, 형광체는 청색 소자 위에서 일정한 공간을 점유하므로써 소자의 부피가 커진다.
실시예는 발광효율을 높이고 그 응용범위를 넓게 하고자 한다.
실시예는 고성능의 백색 발광소자를 구현할 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 일부에 형성된 희토류원소 주입층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 제2 기판;을 포함한다.
또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 제1 기판이 준비되는 단계; 상기 제1 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 반도체층에 제2 기판을 접합시키는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층이 노출되도록 상기 제1 기판을 제거하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층에 희토류원소 주입층을 형성하는 단계;를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 발광소자는 도전성 기판; 상기 도전성 기판에 형성된 희토류원소 주입층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함한다.
또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 도전성 기판이 준비되는 단계; 상기 도전성 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차 적으로 형성하는 단계; 상기 도전성 기판의 하측의 일부를 제거하는 단계; 상기 도전성 기판에 희토류원소 주입층을 형성하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법은 고성능의 백색 발광소자를 구현할 수 있게 한다.
실시예는 희토류원소가 제1 도전형 반도체층 또는 도전성 기판의 표면부근의 일부에만 주입되고, 제1 오믹층이 고품위의 제1 도전형 반도체층 또는 도전성 기판 상에 형성되므로써 희토류원소 주입에 따른 박막의 결정성 저하 및 전기적 특성저하에 따른 소자의 성능저하 문제를 효과적으로 극복하여 고성능의 단일칩 백색 발광소자를 구현할 수 있다.
또한, 실시예는 종래의 형광체를 사용하지 않으므로 형광체 사용에 따른 문제점들을 극복하여 질화물 반도체 발광소자의 산업적 응용영역을 획기적으로 넓혀줄 수 있다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(제1 실시예)
도 1은 제1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
제1 실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(120), 제2 도전형 반도체층(130)이 순차적으로 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층(130) 상에 제2 기판(200)을 포함하며, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 제1 영역에 요철(Roughness)(R)이 형성되고, 상기 요철(R)이 형성된 제1 도전형 반도체층(110)에 희토류원소 주입층(115)이 형성될 수 있다.
제1 실시예에 따른 발광소자는 희토류원소가 제1 도전형 반도체층 표면부근의 일부에만 주입되고, 제1 오믹층(150)이 고품위의 제1 도전형 반도체층 상에 형성되므로써 희토류원소 주입에 따른 박막의 결정성 저하 및 전기적 특성저하에 따른 소자의 성능저하 문제를 효과적으로 극복하여 고성능의 단일칩 백색 발광소자를 구현할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 제1 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다. 도 1에서의 미설명 부호는 제조방법에서 설명한다.
먼저, 도 2와 같이 제1 기판(100)을 준비한다. 상기 제1 기판(100)은 사파이어(Al2O3) 단결정 기판일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 기판(100)에 대해 습식세척을 실시하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 세척은 아세톤과 메탄올 등을 이용하여 상기 제1 기판(100) 상의 이물질 을 제거하기 위한 것이고, 산 세척은 불산, 황산 및 과산화수소 등을 이용하여 상기 제1 기판(100) 상에 돌기 형태로 존재하는 불순물 입자들을 제거하기 위한 것이다.
이후, 상기 제1 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(110)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 활성층(120)을 형성한다. 상기 활성층(120)은 제1 도전형 반도체층(110)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 활성층(120)은 에너지 밴드가 서로 다른 질화물 반도체 박막층을 교대로 한 번 혹은 여러 번 적층하여 이루어지는 양자우물구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(120)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 InGaN/GaN 구조를 갖는 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 활성층(120)은 청색광을 발광할 수 있도록 약 760℃에서 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 상기 활성층(120) 상에 제2 도전형 반도체층(130)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(130)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 제2 도전형 반도체층(130) 상에 제2 오믹층(140)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 오믹층(140)은 P형 오믹층일 수 있으며, 정공주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다. 상기 제2 오믹층(140)은 반사층이거나 투명층일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 오믹층(140)이 반사층인 경우 Al(알루미늄), Ag(은), 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은등은 활성층에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
또한, 상기 제2 오믹층(140)이 투명층인 경우 제2 오믹층(140) 하부에 반사기능을 할 수 있는 반사 금속층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 상기 오믹층(140)이 투명층인 경우 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
다음으로, 상기 제2 도전형 반도체층(130) 또는 제2 오믹층(140)에 제2 기 판(200)을 접합(bonding)시킨다. 상기 제2 기판(200)이 접합되는 이유는 이후 공정에서 제1 기판(100)을 제거하는 공정, 요철을 형성하는 공정 등을 효율적으로 진행하기 위함이다. 만약, 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 충분히 두꺼운 경우에는 제2 기판(200)을 본딩하는 공정은 생략될 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(110) 70㎛ 이상인 경우 제2 기판(200)을 본딩하는 공정은 생략될 수 있다.
상기 제2 기판(200)은 효율적으로 정공을 주입할 수 있도록 전기 전도성이 우수한 금속, 금속합금, 혹은 전도성 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판(200)은 구리(Cu), 구리합금(Cu Alloy) 또는 SiGe 등일 수 있다. 상기 제2 기판(200)을 접합시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 공융금속을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 3a와 같이 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 노출되도록 상기 제1 기판(100)을 제거한다.
상기 제1 기판(100)을 제거하는 방법은 고출력의 레이저를 이용하여 제1 기판(100)을 분리하거나 화학적 식각 방법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판(100)은 물리적으로 갈아냄으로써 제거할 수도 있다. 상기 제1 기판(100)의 제거는 제1 도전형 반도체층(110)을 노출시킨다. 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(110)은 제1 기판(100) 제거시 발생되는 표면 결함층을 가질 수 있다. 이러한 표면 결함층은 습식 혹은 건식 식각 방법으로 제거할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 도전형 반도체층의 일부 영역에 요철(R)을 형성한다. 예 를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상에 제1 패턴(310)을 형성한다. 이후, 상기 제1 패턴(310)을 식각마스크로 하여 상기 제1 도전형 반도체층의 일부 영역을 식각하여 요철(R)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 패턴(310)의 물질로는 실리콘 산화물 혹은 실리콘 질화물등의 유전체 물질을 사용할 수 있으며, 약 0.5~2 ㎛ 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 패턴(310)은 제작하고자 하는 발광소자의 구조에 따라서 결정될 수 있다.
상기 제1 패턴(310)은 제1 오믹층(150)이 형성될 영역만 형성될 수 있다. 이후, 도 3a와 같이 상기 제1 패턴(310)을 식각 마스크로 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(110)상에 표면 요철(R)을 형성할 수 있다. 이러한 표면 요철(R)의 목적은 발광소자의 광추출 효율을 증대시키는 것이다. 노출된 제1 도전형 반도체층(110) 표면은 질소 분극형 이므로 KOH 용액 등을 이용한 습식식각에 의해 표면 요철을 형성할 수 있다. 표면 요철(R)은 건식식각 방법에 의해서도 형성할수 있다.
또는, 다른 예로 도 3b와 같이 제1 오믹층(150)이 형성될 영역에는 패턴의 물질이 그대로 남아 있고, 그 외의 영역에는 홀을 가진 형태로 패턴(320)이 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴(320)의 홀은 원기둥과 같은 광결정 구조를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 패턴(320)의 홀이 원기둥 모양인 경우 원기둥 모양의 홀은 그 직경이 약 3 ㎛이고, 홀 사이의 거리는 약 2 ㎛일 수 있다. 이후, 도 3b와 같이 상기 패턴(320)을 식각 마스크로 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(110)상에 표면 요철(R)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 반응성 이온 에칭방법(RIE)에 의해서 홀에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(110)을 약 0.5 ㎛ 깊이로 건식식각을 실시할 수 있다.
다음으로, 도 3a와 같이 상기 요철(R)이 형성된 제1 도전형 반도체층(110)에 상기 제1 패턴(310)을 마스크로 하여 희토류원소 주입층(115)을 형성한다.
예를 들어, 제1 패턴(310) 마스크가 없는 노출된 표면 요철을 갖고 있는 제1 도전형 반도체층(110) 표면부위에 희토류원소들을 주입시킨다. 희토류원소들로는 Er, Eu, Pr, Tb, Dy, Ce, Sm, Gd, Ho, Yb, Lu, Nd, Pm, 및 Tm 등을 사용할 수 있다. 희토류원소의 선택은 활성층(발광층)의 빛의 파장에 따라서 결정될 수 있다. 주입되는 원소의 종류는 한 종류 이상이 함께 주입되는 것이 가능하다. 희토류원소의 주입량은 제조하고자 하는 발광소자의 백색 빛의 속성에 따라서 조절될 수 있다. 원소 주입 방법으로는 이온주입법(ion implantation)을 사용할 수 있다.
예를 들어, 노출된 표면 요철(R)을 갖고 있는 제1 도전형 반도체층(110) 표면상에 온도 200 내지 900℃에서 이온 주입법을 사용하여 희토류원소인 Er(녹색)과 Eu (적색)을 주입할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 3b의 경우 희토류원소 주입층을 형성하기 위해서 상기 패턴(320)을 제거하고, 제1 오믹층(150)이 형성될 영역에 제3 패턴(미도시)을 형성한 후, 상기 제3 패턴을 이온주입마스크로 하여 희토류원소 주입층(115)을 형성할 수 있다. 이후, 상기 제3 패턴을 제거하고 제1 오믹층(150)과 제1 전극층(160)을 형성할 수 있다.
이하, 실시예에서 주입되는 희토류원소의 특징을 기술한다.
희토류원소들은 부분적으로 채워진 4f-전자들이 외부의 여기광에 의해서 여기되고 여기된 전자들이 다시 안정한 상태로 내부 천이에 의해 돌아오면서 각 원소마다 갖는 고유한 에너지의 빛을 발광한다. 이러한 희토류원소에는 Er, Eu, Pr, Tb, Dy, Ce, Sm, Gd, Ho, Yb, Lu, Nd, Pm, Tm 등이 있다. 희토류(rare earth) 원소들과 비슷하게 천이금속 (transition metal) 원소들도 고유의 에너지 빛을 발광할 수 있다.
희토류원소들은 기지(host matrix) 가 되는 결정 격자속에 도핑되어 기지의 양이온 자리를 차지하고 양이온 형태로 존재할 때 효과적으로 발광한다. 질화물 반도체를 포함하는 반도체 결정 기지들은 희토류원소가 효과적으로 발광할 수 있는 바람직한 기지가 될 수 있다. 희토류원소들은 기지속에 주로 산화수 +2, +3, +4가 등의 양이온 형태로 존재한다. 부분적으로 채워진 4f 전자각내의 전자들은 완전히 채워진 5s, 5p 전자각에의해 둘러싸여 있으므로 외부각 전자들의 쉴딩(shielding) 효과에 의해 기지 격자의 결정장(crystal field) 에 크게 영향을 받지는 않는다.
희토류 이온들의 고유한 내부 f 전자 천이 (intra-f optical transition)는 가시광선 영역의 빛을 상온에서 방출할 수 있다. 여기광으로는 UV 혹은 청색 질화물 반도체 발광소자를 사용할 수 있다.
희토류 이온들의 4f 전자들은 페리티(parity) 선택 규칙에 의해 금지된 f-f 전이와 허용된 f-d 전이를 할 수 있다. f-f 전이의 예는 Tb3+(녹색), Sm3+(적색), Tm3+(청색) 등에서 나타나며, f-d 전이에 의한 발광은 Eu2+(적색), Ce3+(청색) 등에서 나타난다. 5d 전자들은 최외각에 노출되어 있기 때문에 결정장에 쉽게 영향을 받고 기지 재료에 강하게 의존한다.
질화갈륨 기지속에서 Eu3+ 이온의 경우, 외부 여기광에 의해 여기(excitation) 된 전자는 내부 4f 전이(inner shell transition)를 할 때 적색(파장: 622nm) 빛을 발광한다. Tb3+ 이온의 경우는 녹색(545nm) 빛을 방출하고, Er3+ 이온은 녹색 (537nm, 558nm) 빛을 방출하고, Pr3+ 이온은 적색 (645nm, 652nm) 빛을 방출하고, Tm3+ 이온은 청색 (450nm) 빛을 방출할 수 있다.
예를 들어, Tm, Er, Eu 등의 원소들이 함께 주입되어 있는 질화갈륨 박막에 UV를 조사해 주면 각각의 원소들은 청색, 녹색, 적색을 각각 방출하게 되어 결국 백색발광을 할 수 있게 된다. 만약, Er과 Eu 원소들이 함께 주입되어 있는 질화갈륨 박막에 청색 여기광을 조사해 준다면 각각의 원소들은 청색 빛을 일부 흡수하여 각각 녹색과 적색을 재방출하므로써 결국 백색 빛을 발광할 수 있다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 희토류원소 주입층(115)이 형성된 영역 외의 영역에 제1 오믹층(150)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제1 패턴(310) 물질을 제거하고 노출된 제1 도전형 반도체층(110) 상에 제1 오믹층(150)을 형성한다. 상기 제1 오믹층(150)은 반사층이거나 투명층일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 오믹층(150)이 반사층인 경우 Al(알루미늄), Ag(은), 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
또한, 상기 제1 오믹층(150)이 투명층인 경우 제1 오믹층(150) 상부에 반사기능을 할 수 있는 반사 금속층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 또는, 상기 제1 오믹층(150)이 투명층이면 발광된 빛이 잘 투과할 수 있기 때문에 반사 금속층이 필수적이지는 않다. 상기 오믹층(150)이 투명층인 경우 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
실시예에 따르면, 제1 오믹층이 희토류원소가 포함되지 않은 전기전도도가 우수한 고품위의 n-형 질화물 반도체 박막층 위에 형성됨으로써 소자의 전기적 특성을 좋게 한다.
다음으로, 상기 제1 오믹층(150) 상에 제1 전극층(160)을 형성할 수 있다. 이후, 제2 기판(200) 상에 제2 전극층(170)을 형성할 수 있다.
제1 실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면 희토류원소가 제1 도전형 반도체층 표면부근의 일부에만 주입되고, 제1 오믹층이 고품위의 제1 도전형 반도체층 상에 형성되므로써 희토류원소 주입에 따른 박막의 결정성 저하 및 전기적 특성저하에 따른 소자의 성능저하 문제를 효과적으로 극복하여 고성능의 단일칩 백색 발광소자를 구현할 수 있다.
또한, 제1 실시예는 종래의 형광체를 사용하지 않으므로 형광체 사용에 따른 문제점들을 극복하여 질화물 반도체 발광소자의 산업적 응용영역을 획기적으로 넓혀줄 수 있다.
(제2 실시예)
도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
제2 실시예에 따른 발광소자는 도전성 기판(200a), 상기 도전성 기판(200a) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(210), 활성층(220), 제2 도전형 반도체층(230)을 포함하고, 상기 도전성 기판(200a) 하측의 일부 영역에 요철(R)이 형성되고, 상기 요철이 형성된 도전성 기판(200a)에 희토류원소 주입층(215)가 형성될 수 있다.
제2 실시예는 희토류원소가 도전성 기판의 표면부근의 일부에만 주입되고, 제1 오믹층이 고품위의 도전성 기판 표면상에 형성되므로써 희토류원소 주입에 따른 박막의 결정성 저하 및 전기적 특성저하에 따른 소자의 성능저하 문제를 효과적으로 극복하여 고성능의 단일칩 백색 발광소자를 구현할 수 있다.
제2 실시예는 도전성 기판을 채용하고, 상기 도전성 기판의 일부에 요철을 만들고, 희토류원소 주입층이 형성되는 점에 특징이 있다.
이하, 도 6 내지 도 7을 참조하여 제2 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하되 상기 제1 실시예와 다른 점을 주로 설명한다. 제2 실시예는 상기 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
우선, 도 6과 같이 도전성 기판(200a)이 준비된다. 상기 도전성 기판(200a)은 전기전도도가 우수하고 가시광선 영역에서 투명한 특성을 가질 수 있다. 상기 도전성 기판(200a)으로는 갈륨질화물(예, GaN), 갈륨산화물(예, Ga2O3), 산화아연(ZnO), 실리콘 카바이드(SiC) 혹은 금속산화물 등으로 이루어진 단결정 기판일 수 있다.
이후, 제1 실시예와 같이 상기 도전성 기판(200a) 상에 제1 도전형 반도체층(210), 활성층(220), 제2 도전형 반도체층(230)을 순차적으로 형성한다.
다음으로, 도 7과 같이 상기 도전성 기판(200a)의 하측의 일부를 제거한다. 예를 들어, 상기 도전성 기판(200a)의 하부층을 얇게 만드는 폴리싱(polishing) 처리를 실시한다. 폴리싱을 실시하여 얇아지는 도전성 기판(200a)의 두께는 제조하고자 하는 소자의 응용 제품에 따라서 적절히 결정할 수 있다. 예를 들어, 약 400~500㎛로 형성된 도전성 기판(200a)을 폴리싱하여 약 70~100㎛의 두께를 남길 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도전성 기판(200a) 위에 박막성장장비를 이용하여 고온에서 질화물 반도체 박막을 형성하게 되면 도전성 기판(200a)의 하부면이 높은 박막성장 온도와 반응성 가스들에 의해서 표면 결정 품질이 저하된다. 따라서, 도전성 기판(200a)의 하부층을 폴리싱하는 것이 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있다.
다음으로, 상기 도전성 기판(200a)의 일부 영역에 요철(R)을 형성하고, 상기 요철이 형성된 도전성 기판(200a)에 희토류원소를 주입하여 희토류원소 주입층(215)을 형성시킨다. 예를 들어, 폴리싱 처리에 의해서 노출된 고품위의 도전성 기판(200a) 위에 일정한 모양의 제2 패턴(미도시) 마스크를 형성하고 이를 식각마스크로하여 식각하고, 또한, 제2 패턴을 이온주입 마스크로하여 희토류원소를 주입 시킬 수 있다.
제2 실시예는 희토류원소가 도전성 기판의 표면부근의 일부에만 주입되고, 제1 오믹층이 고품위의 도전성 기판 상에 형성되므로써 희토류원소 주입에 따른 박막의 결정성 저하 및 전기적 특성저하에 따른 소자의 성능저하 문제를 효과적으로 극복하여 고성능의 단일칩 백색 발광소자를 구현할 수 있다.
다음으로, 상기 제2 패턴을 제거하고 상기 도전성 기판(200a)의 상기 요철이 형성된 일부 영역 외의 영역에 제1 오믹층(250)을 형성한다. 제2 실시예에 따르면, 제1 오믹층이 희토류원소가 포함되지 않은 전기전도도가 우수한 고품위의 도전성 기판(200a) 위에 형성되므로써 소자의 전기적 특성을 좋게 한다. 다음으로, 상기 제1 오믹층(250) 상에 제1 전극층(260)을 형성할 수 있다. 이후, 제2 기판(200) 상에 제2 전극층(270)을 형성할 수 있다.
제2 실시예에 의하면 희토류원소가 도전성 기판의 표면부근의 일부에만 주입되고, 제1 오믹층이 고품위의 도전성 기판 상에 형성되므로써 희토류원소 주입에 따른 박막의 결정성 저하 및 전기적 특성저하에 따른 소자의 성능저하 문제를 효과적으로 극복하여 고성능의 단일칩 백색 발광소자를 구현할 수 있다.
또한, 실시예는 종래의 형광체를 사용하지 않으므로 형광체 사용에 따른 문제점들을 극복하여 질화물 반도체 발광소자의 산업적 응용영역을 획기적으로 넓혀줄 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실 시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2 내지 도 4는 제1 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도.
도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 6 내지 도 7은 제2 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도.
Claims (24)
- 제1 도전형 반도체층;상기 제1 도전형 반도체층 일부에 형성된 희토류원소 주입층;상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층;상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층; 및상기 제2 도전형 반도체층 상에 제2 기판;을 포함하고,상기 희토류원소 주입층이 형성된 제1 도전형 반도체층이 요철을 포함하는 발광소자.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역외의 영역 상에 제1 전극층을 포함하는 발광소자.
- 제1 도전형 반도체층;상기 제1 도전형 반도체층 일부에 형성된 희토류원소 주입층;상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역외의 영역 상에 제1 전극층;상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역외의 영역과 상기 제1 전극층 사이에 제1 오믹층;상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층;상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층; 및상기 제2 도전형 반도체층 상에 제2 기판;을 포함하는 발광소자.
- 제1 도전형 반도체층;상기 제1 도전형 반도체층 일부에 형성된 희토류원소 주입층;상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층;상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;상기 제2 도전형 반도체층 상에 제2 오믹층;상기 제2 오믹층 상에 제2 기판; 및상기 제2 기판 상에 제2 전극층;을 포함하는 발광소자.
- 제1 기판이 준비되는 단계;상기 제1 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 제2 도전형 반도체층에 제2 기판을 접합시키는 단계;상기 제1 도전형 반도체층이 노출되도록 상기 제1 기판을 제거하는 단계;상기 제1 도전형 반도체층에 희토류원소 주입층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
- 제6 항에 있어서,상기 제1 기판을 제거하는 단계 후에,상기 노출된 제1 도전형 반도체층의 일부 영역에 요철을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광소자 제조방법.
- 제7 항에 있어서,상기 노출된 제1 도전형 반도체층의 일부 영역에 요철을 형성하는 단계는,상기 제1 도전형 반도체층의 일부 영역을 노출하는 제1 패턴을 형성하는 단 계; 및상기 제1 패턴을 식각마스크로 하여 상기 일부 영역을 식각하여 요철을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
- 제8 항에 있어서,상기 제1 패턴은실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성하는 발광소자 제조방법.
- 제6 항에 있어서,상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역외의 영역 상에 제1 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자의 제조방법.
- 제10 항에 있어서,상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역외의 영역과 상기 제1 전극층 사이에 제1 오믹층을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자 제조방법.
- 제6 항에 있어서,상기 제2 도전형 반도체층에 제2 기판을 접합시키는 단계 전에 상기 제2 도전형 반도체층 상에 제2 오믹층을 형성하는 단계; 및상기 제2 기판 상에 제2 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조 방법.
- 도전성 기판;상기 도전성 기판에 형성된 희토류원소 주입층;상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층; 및상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하는 발광소자.
- 제13항에 있어서,상기 도전성 기판은 일부 영역에 요철을 포함하는 발광소자.
- 제13 항에 있어서,상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역 외의 영역 상에 제1 전극층을 포함하는 발광소자.
- 제15 항에 있어서,상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역 외의 영역과 상기 제1 전극층 사이에 제1 오믹층을 포함하는 발광소자.
- 제13 항에 있어서,상기 제2 도전형 반도체층 상에 제2 오믹층; 및상기 제2 오믹층 상에 제2 전극층;을 포함하는 발광소자.
- 도전성 기판이 준비되는 단계;상기 도전성 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 도전성 기판의 하측의 일부를 제거하는 단계;상기 도전성 기판에 희토류원소 주입층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
- 제18 항에 있어서,상기 도전성 기판의 일부 영역에 요철을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자 제조방법.
- 제19 항에 있어서,상기 도전성 기판의 일부 영역에 요철을 형성하는 단계는,상기 도전성 기판의 일부 영역을 노출하는 제2 패턴을 형성하는 단계; 및상기 제2 패턴을 식각마스크로 하여 상기 일부 영역을 식각하여 요철을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
- 제20 항에 있어서,상기 제2 패턴은실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성하는 발광소자 제조방법.
- 제18 항에 있어서,상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역 외의 영역에 제1 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자의 제조방법.
- 제22 항에 있어서,상기 희토류원소 주입층이 형성된 영역 외의 영역과 상기 제1 전극층 사이에 제1 오믹층을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자 제조방법.
- 제18 항에 있어서,상기 제2 도전형 반도체층 상에 제2 오믹층을 형성하는 단계; 및상기 제2 오믹층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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