KR102013363B1 - 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 전류 분산 성능을 개선할 수 있는 발광 소자가 개시된다.
개시된 본 발명의 발광 소자는 기판상에 위치하는 제1 도전형 반도체층과, 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 활성층과, 활성층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층과, 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층 표면에 위치하는 불규칙 요철 패턴을 포함하고, 불규칙 요철 패턴은 볼록부들 및 오목부들을 가지며, 볼록부들은 불규칙한 높이를 가지고, 오목부들은 불규칙한 깊이를 가진다.
개시된 본 발명의 발광 소자는 기판상에 위치하는 제1 도전형 반도체층과, 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 활성층과, 활성층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층과, 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층 표면에 위치하는 불규칙 요철 패턴을 포함하고, 불규칙 요철 패턴은 볼록부들 및 오목부들을 가지며, 볼록부들은 불규칙한 높이를 가지고, 오목부들은 불규칙한 깊이를 가진다.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 전류 분산 성능 및 광 효율이 향상된 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적인 발광 소자는 사파이어와 같은 기판상에 N-GaN층, 활성층 및 P-GaN층이 순차적으로 형성되고, 상기 P-GaN층 상에 p-전극이 형성되고, 상기 N-GaN층 상에 n-전극이 형성된다.
상기 n-전극은 활성층과 P-GaN층의 일부가 식각되어 노출된 N-GaN층 상에 형성된다.
또한, P-GaN층상에는 투명전극층이 형성된다. 상기 투명전극층은 저항 성분이 매우 큰 P-GaN층에 균일하게 전류를 분산하기 위해 형성된다.
상기 발광 소자는 상기 p-전극과 n-전극에 외부의 전원이 연결되어 구동되며, 이때, 상기 활성층에서 광이 생성된다. 활성층에서 생성된 광의 일부는 외부로 방출되지만, 상당한 부분의 광이 사파이어 기판, 반도체층들에 흡수되어 손실된다. 특히, GaN층은 굴절률이 높기 때문에 표면에서 내부 전반사가 발생되고, 이에 따라 광이 외부로 방출되지 못하고 내부에서 손실된다.
한편, 최근에는 1Ａ 이상의 고전류 구동의 발광 소자가 도입되고 있다. 고전류하에서 발광소자를 구동할 경우, 특히 전류 집중 현상이 심하게 나타난다. 따라서, 전류 분산 성능을 개선하기 위한 연구가 더욱 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 개선된 전류 분산 성능을 갖는 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 광 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 개선된 전류 분산 성능을 가지는 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 기판상에 위치하는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층; 및 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 일부가 식각되어 노출된 상기 제1 도전형 반도체층 표면에 위치하는 불규칙 요철 패턴을 포함하고, 상기 불규칙 요철 패턴은 볼록부들 및 오목부들을 가지며, 상기 볼록부들은 불규칙한 높이를 가지고, 상기 오목부들은 불규칙한 깊이를 가진다.
제1 도전형 반도체층은 적어도 하나 이상의 저농도 N-GaN 층을 더 포함할 수 있으며, 상기 불규칙 요철 패턴은 고농도 N-GaN층 상에 형성되고, 상기 저농도 N-GaN층 까지 연장되거나, 저농도 N-GaN층 아래에 위치한 고농도 N-GaN층의 상부 영역까지 연장되어 전류 분산 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 불규칙 요철 패턴은 활성층 형성 위치보다 아래에 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 오믹접촉되는 제1 전극 패드의 하부는 평평한 면이 형성되어 전기적 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
불규칙 요철 패턴의 높이는 불규칙 요철 패턴이 비형성된 제1 도전형 반도체층의 높이보다 낮게 설계되어 전기적 특성을 더 향상시킬 수 있다.
제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 전극 패드와, 제2 도전형 반도체층과 제2 전극 패드 사이에 형성된 투명 도전층을 더 포함하고, 제1 전극 패드와 투명 도전층 사이의 간격은 5㎛~ 15㎛이상으로 설계되어 전류 분산을 보다 더 향상시킬 수 있다.
제1 전극 패드로부터 분기된 제1 전극 연장부들과, 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 전극 패드와, 제2 전극 패드로부터 분기되어 제1 전극 연장부들과 교대로 나란하게 배열된 제2 전극 연장부들을 포함하고, 불규칙 요철 패턴은 제1 전극 연장부들과 나란하게 중첩된 제1 불규칙 요철 패턴과, 제1 불규칙 요철 패턴으로부터 제2 전극 연장부들 방향으로 연장된 제2 불규칙 요철 패턴과, 발광 소자의 가장자리 영역에 형성된 제3 불규칙 요철 패턴을 포함하여 광 추출을 극대화할 수 있다.
제1 및 제2 전극 패드는 돔 타입으로 이루어져 광 추출을 보다 더 향상시킬 수 있다.
기판상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 성장시키는 단계; 포토 공정 및 식각 공정으로 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 일부가 제거되어 상기 제1 도전형 반도체층이 노출되는 단계; 노출된 상기 제1 도전형 반도체층을 포함하여 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 보호층 및 마스크 금속층이 형성되는 단계; 상기 마스크 금속층의 일정 온도로 가열하여 입자형태로 결합된 구조의 마스크가 형성되는 단계; 상기 마스크 상에 감광막 패턴을 형성하여, 노출된 제1 도전형 반도체층 상에 불투명 요철 패턴이 형성되는 단계; 및 식각 공정을 통해 상기 보호층 및 상기 마스크가 제거되는 단계를 포함하고, 상기 불규칙 요철 패턴은 볼록부들 및 오목부들을 가지며, 상기 볼록부들은 불규칙한 높이를 가지고, 상기 오목부들은 불규칙한 깊이를 가진다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 광 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 전류 분산 성능을 개선할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'라인을 따라 절단한 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'라인을 따라 절단한 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 불규칙 요철 패턴이 형성된 제1 도전형 반도체층 일부를 상세히 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 5g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 불규칙 요철 패턴이 형성된 제1 도전형 반도체층 일부를 상세히 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자 및 제2 실시예에 따른 발광 소자의 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'라인을 따라 절단한 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'라인을 따라 절단한 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 불규칙 요철 패턴이 형성된 제1 도전형 반도체층 일부를 상세히 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 5g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 불규칙 요철 패턴이 형성된 제1 도전형 반도체층 일부를 상세히 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자 및 제2 실시예에 따른 발광 소자의 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 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 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'라인을 따라 절단한 발광 소자를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'라인을 따라 절단한 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자는 기판(110), 버퍼층(120), 제1 도전형 반도체층(130), 활성층(140), 제2 도전형 반도체층(150), 투명 전극층(160), 제1 전극 패드(170), 제2 전극 패드(180), 제1 전극 연장부들(171) 및 제2 전극 연장부들(181)을 포함한다.
상기 기판(110)은, 사파이어 기판, 스피넬 기판, 질화갈륨 기판, 탄화실리콘 기판 또는 실리콘 기판과 같이 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시키기 위한 성장기판일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(140), 제1 및 제2 도전형 반도체층(130, 150)은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(140)은 요구되는 파장의 광, 예컨대 자외선 또는 가시광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다. 상기 활성층(140), 제1 및 제2 도전형 반도체층(130, 150)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(130)은 n형 질화물 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층(150)은 p형 질화물 반도체층이다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(130, 150)은 단일층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
상기 투명 전극층(160)은 ITO와 같은 투명 산화물 또는 Ni/Au로 형성될 수 있으며, 상기 제2 도전형 반도체층(150)에 오믹콘택된다.
상기 제1 전극 패드(170) 및 제1 전극 연장부들(171)은 상기 제1 도전형 반도체층(130) 상에 형성되고, 상기 제2 전극 패드(180) 및 제2 전극 연장부들(181)은 상기 제2 도전형 반도체층(150) 상에 형성된다.
상기 제1 전극 패드(170) 및 제1 전극 연장부들(171)은 상기 제2 도전형 반도체층(150) 및 활성층(140) 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층(130) 상에 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 연장부들(171)은 상기 제1 전극 패드(170)로부터 분기되고, 상기 제2 전극 연장부들(181)은 상기 제2 전극 패드(180)로부터 분기된다.
상기 제1 및 제2 전극 연장부들(171, 181)은 발광 소자의 수평라인을 기준으로 서로 교대로 배열되고, 상기 제1 및 제2 전극 연장부들(171, 181)은 전체적으로 일정한 간격을 두고 형성된다.
상기 제1 전극 연장부들(171)은 발광 소자의 모서리 영역에서 굴곡되어 제1 방향으로 형성된다.
상기 제2 전극 연장부들(181)은 발광 소자의 모서리 영역에서 굴곡되어 상기 제1 전극 연장부들(171)과 나란하게 제1 방향의 반대방향으로 형성된다.
상기 제1 도전형 반도체층(130) 표면에 위치하는 불규칙 요철 패턴(190)을 갖는다.
상기 불규칙 요철 패턴(190)은 볼록부들과 오목부들을 가지며, 예컨대 원뿔 형상으로 상기 제1 도전형 반도체층(130)의 상부방향으로 돌출된 구조를 가질 수 있다.
상기 불규칙 요철 패턴(190)은 메사 영역을 형성하기 위해 상기 제2 도전형 반도체층(150) 및 활성층(140) 일부가 식각되어 노출되는 제1 도전형 반도체층(130) 상에 형성된다. 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(130) 표면으로 입사되는 광을 굴절시켜 광 추출 효율을 향상시키는 기능을 가진다.
여기서, 상기 메사 영역은 일정한 기울기를 가지는 경사면을 포함한다. 상기 경사면은 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(130)의 표면을 기준으로 20~50도의 경사각을 가진다.
또한, 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 상기 제1 전극 패드(170)와 상기 활성층(140)이 가장 인접한 영역에서의 전류가 집중되는 문제를 개선하기 위한 기능을 가진다. 즉, 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 볼록부들 및 오목부들에 의해 상기 제1 전극 패드(170)로부터 제1 도전형 반도체층(130)의 표면을 따라 상기 활성층(140)으로 캐리어(전자)가 이동하는 것을 방지하며, 따라서 상기 제1 도전형 반도체층(130)의 넓은 영역에 걸쳐 전류를 분산시킬 수 있다.
상기 불규칙 요철 패턴(190)은 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(130)의 상부면 전체에 형성될 수 있다. 또한, 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 상기 제1 도전형 반도체층(130)과 상기 제1 전극 패드(170) 사이에 형성될 수 있고, 상기 제1 도전형 반도체층(130)과 상기 제1 전극 연장부(171) 사이에 형성될 수 있다.
또한, 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 도시한 바와 같이, 발광 소자의 가장자리 영역에 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(130)은 전자 및 정공의 이동이 낮은 발광 소자의 가장자리 영역이 식각 공정에 의해 노출된다. 즉, 발광 소자의 가장자리 영역은 광 추출을 위해 상기 제2 도전형 반도체층(150) 및 활성층(140)이 식각되어 상기 제1 도전형 반도체층(130)이 노출된다. 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 상기 발광 소자의 가장자리 영역과 대응되는 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(130) 상에 형성될 수 있다.
상기 발광 소자의 가장자리 영역과 대응되는 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(130)에 있어서, 모서리 영역의 폭(W2)은 상기 모서리를 제외한 측부 영역의 폭(W1)보다 넓을 수 있다. 예컨대, 상기 제2 전극 연장부(181)는 상기 제1 전극 연장부(171)와의 일정한 수평간격 유지를 위해 발광 소자의 모서리 영역에서 굴곡 형상을 가진다. 상기 발광 소자의 가장자리 영역에 있어서, 상기 발광 소자의 모서리 영역은 상기 제2 전극 연장부(181)의 굴곡 형상에 의해 측부 영역보다 큰 식각 마진을 가질 수 있다. 상기 모서리 영역의 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(130)은 상기 제2 전극 연장부(181)의 모서리 영역의 형상과 대응되도록 노출된 구조를 가진다. 이와 같이, 상기 발광 소자의 가장자리 영역에 있어서, 본 발명의 발광 소자는 상기 제2 전극 연장부(181)의 구조에 따라 모서리 영역의 폭(W2)을 조절하여 광 추출을 극대화할 수 있다.
본 발명의 메사 영역의 측면의 높이(a)는 상기 활성층(140) 및 상기 제2 도전형 반도체층(150)의 높이의 총합보다 크다.
상기 제1 전극 패드(170)와 상기 투명 도전층(160) 사이의 수평 간격(d)은 전류 분산 성능과 밀접한 관련을 가진다. 본 발명에서는 상기 제1 전극 패드(170)와 상기 투명 도전층(160) 사이의 간격(d)은 적어도 5㎛ 이상으로 설계된다. 상한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 발광 영역이 감소되는 것을 방지하기 위해 50㎛ 미만으로 할 수 있다.
상기 불규칙 요철 패턴(190)의 높이(b)는 상기 불규칙 요철 패턴(190)이 비형성된 제1 도전형 반도체층(130)의 높이(c)보다 작게 설계된다. 즉, 상기 제1 도전형 반도체층(130)의 노출된 영역에서 상기 불규칙 요철 패턴(190)이 형성되는 제1 도전형 반도체층(130)의 두께가 상기 불규칙 요철 패턴(190) 아래의 제1 도전형 반도체층(130)의 두께보다 작다.
상기 불규칙 요철 패턴(190)의 높이(b)는 광 추출을 위해 160nm 이상으로 형성될 수 있으며, 아래도 도 4a 및 도 4b를 참조하여 저농도 도핑된 N-GaN층까지 형성되는 경우, 3㎛ 미만으로 형성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 불규칙 요철 패턴이 형성된 제1 도전형 반도체층을 도시한 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 제1 도전형 반도체층(130)은 상부면 상에 불규칙 요철 패턴(190)이 형성되고, 도핑 농도가 상이한 복수의 층으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 제1 도전형 반도체층(130)은 n형 질화물 반도체층이며, 고농도 도핑된 제1 N-GaN층(131), 저농도 도핑된 제2 N-GaN층(133), 및 고농도 도핑된 제3 N-GaN층(135)이 성장된다. 여기서, 고농도 도핑과 저농도 도핑은 제2 N-GaN층(133)에 대한 제1 및 제3 N-GaN층(131, 135)의 상대적인 도핑 농도를 나타내며, 절대적인 도핑 농도를 의도한 것은 아니다. 다만, N형 불순물이 5E17/cm3 이상 도핑된 것은 일반적으로 고농도 도핑된 것으로 볼 수 있으며, 5E17/cm3 이하로 도핑되거나 불순물이 의도적으로 도핑되지 않은 것을 저농도 도핑으로 볼 수 있다.
상기 제1 N-GaN층(131)은 고농도 도핑된 불순물을 포함한다.
상기 제2 N-GaN층(133)은 저농도 도핑된 불순물을 포함한다.
상기 제3 N-GaN층(135)은 전극 패드와의 오믹콘택을 위해 고농도 도핑된 불순물을 포함한다.
즉, 상기 제1 및 제3 N-GaN층(131, 135)은 고농도 도핑된 불순물을 포함하여 상기 제2 N-GaN층(133)보다 저항이 낮으므로 전류 이동이 용이하다.
상기 불규칙 요철 패턴(190)은 산과 골 형상을 가지는 볼록부들와 오목부들이 불규칙하게 형성된 구조를 가진다. 즉, 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 볼록부들의 높이와 오목부들의 깊이가 불규칙하게 형성된다.
상기 불규칙 요철 패턴(190)은 상기 제3 N-GaN층(135)에 형성되고, 오목부의 깊이가 제2 N-GaN층(133)까지 연장될 수 있다. 즉, 오목부의 깊이가 제2 N-GaN층(133)까지 연장됨으로써, 상기 제3 N-GaN층(135)을 통한 전류 이동을 억제할 수 있다. 나아가, 제2 N-GaN층(133)을 저농도 도핑된 층으로 형성함으로써, 전류가 제1 N-GaN층(131)을 통해 이동하도록 유도하여 전류 분산을 도모할 수 있다.본 발명의 제1 도전형 반도체층(130)은 전극 패드와 오믹콘택을 위한 고농도 도핑된 상기 제3 N-GaN층(135)에 상기 불규칙 요철 패턴(190)이 형성되어 일정한 각도 범위내로 입사되는 광을 확산시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 저농도 도핑된 상기 제2 N-GaN층(133)까지 오목부가 연장되어 상기 제3 N-GaN층(135)으로 집중되는 전류 이동을 억제하여 고농도 도핑된 제1 N-GaN층(131)으로 전류가 분산될 수 있다. 따라서, 본 발명의 발광 소자는 전류 분산 성능을 개선할 수 있는 장점을 가진다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 제1 도전형 반도체층(130)은 불규칙 요철 패턴(190)의 오목부의 깊이를 제외하고 도 4a와 동일한 구조를 가짐으로써, 각 구성들의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4b의 상기 제1 도전형 반도체층(130)은 불규칙 요철 패턴(190)의 오목부 깊이가 제3 N-GaN층(135)으로부터 제1 N-GaN층(131)까지 연장된다. 상기 불규칙 요철 패턴(190)의 오목부 깊이는 상기 제1 N-GaN층(131)의 일부까지만 연장된다. 즉, 불규칙 요철 패턴(190)의 오목부 깊이가 제3 N-GaN층(135)으로부터 제1 N-GaN층(131)까지 연장된다. 상기 불규칙 요철 패턴(190)의 오목부 깊이는 효율적인 전류 분산을 위해 상기 제1 N-GaN층(131)의 상부영역 일부까지 연장되는 것이 바람직하다
따라서, 상기 불규칙 요철 패턴(190)은 일정한 각도 범위내로 입사되는 광을 확산시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 오목부의 깊이가 제1 N-GaN층(131)의 상부영역까지 연장되어 제1 N-GaN층(131)을 통해 전류가 분산되어 전류 분산 성능을 극대화할 수 있다.
도 5a 내지 5g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 기판(110) 상에 버퍼층(120), 제1 도전형 반도체층(130), 활성층(140) 및 제2 도전형 반도체층(150)이 순차적으로 형성된다.
상기 기판(110)은 사파이어 기판, 스피넬 기판, Si 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, GaN 기판 중 어느 하나의 기판일 수 있다. 본 실시예에서는 일예로 상기 기판(120)을 사파이어 기판으로 한다.
상기 버퍼층(120), 활성층(140), 제1 및 제2 도전형 반도체층(130, 150)은 금속유기화학증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자 빔 적층성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물기상성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 포함한 다양한 증착 및 성장방법을 통해 형성된다.
상기 제1 도전형 반도체층(130)은 N형 불순물이 주입된 질화갈륨(GaN)막이 사용될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(150)은 P형 불순물이 주입된 질화갈륨막이 사용된다. 상기 N형의 불순물은 Si가 사용된다. P형의 불순물은 Mg이 사용된다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다.
상기 활성층(140)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다중양자우물구조일 수 있다. 상기의 장벽층과 우물층은 2원 화합물인 GaN, InN, AlN 등을 사용할 수 있고, 3원 화합물 InxGa1 - xN(0=x=1), AlxGa1 - xN(0=x=1)등을 사용할 수 있고, 4원 화합물 AlxInyGa1 -x- yN(0=x+y=1)을 사용할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 마스크를 이용한 패터닝 공정, 예컨대 포토 공정 및 식각 공정에 의해 제1 도전형 반도체층(130)의 일부가 노출된다.
구체적으로 마스크를 이용한 포토 공정은 상기 제2 도전형 반도체층(150) 상에 감광막을 도포하고, 마스크를 이용하여 감광막을 선택적으로 경화시켜 감광막 패턴이 형성된다. 상기 감광막 패턴은 제1 도전형 반도체층(130)이 노출되는 영역이 제거된 패턴 구조를 가진다. 상기 식각 공정은 상기 감광막 패턴을 마스크로 식각 공정을 진행하여 제2 도전형 반도체층(150) 및 활성층(140)의 일부가 식각되어 상기 제1 도전형 반도체층(130)이 노출된다. 여기서, 상기 식각 공정은 습식 식각 또는 건식 식각이 사용될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(130)을 포함하여 제2 도전형 반도체층(150) 상에 보호층(201)이 형성된다. 보호층(150)은 활성층(140)의 측부 및 제2 도전형 반도체층(150)의 측부에도 형성된다.
상기 보호층(201)은 본 발명의 일예로 SiO2일 수 있으며, 상기 보호층(201)의 두께는 본 발명의 일예로 300Å일 수 있다.
상기 보호층(201) 상에는 마스크 금속층(202)이 형성된다. 상기 마스크 금속층(202)은 본 발명의 일예로 Ni일 수 있다. 한편, 상기 마스크 금속층(202)의 두께는 본 발명의 일예로 100Å일 수 있다.
상기 보호층(201)은 상기 마스크 금속층(202)의 마스크 패턴 형성시에 제2 도전형 반도체층(150)의 표면으로 Ni 확산에 의한 상기 제2 도전형 반도체층(150)의 오염을 방지하는 기능을 가진다.
도 5d를 참조하면, 상기 마스크 금속층(202)은 일정한 온도 이상으로 가열되어 입자형태로 응집된 구조의 마스크(203)가 형성된다.
구체적으로 본 발명의 마스크(203)는 마스크 금속층(도5c의 202)의 표면 에너지와 하부층의 계면 에너지에 의한 자기조립(self-assembled) 특성을 이용하여 형성될 수 있다.
예를 들면, 상기 마스크(203)는 마스크 금속층(도5c의 202)이 Ni일 경우, 임계점 400℃~900℃로 가열함으로써, 자기조립 특성을 얻을 수 있다. 상기 마스크 금속층(도5c의 202)은 자기조립을 시작하는 임계점(500℃~600℃)으로 가열하여 입자형태로 응집된 구조를 형성할 때, 가장 조밀하고 높은 구조의 요철을 얻을 수 있다.
도 5e 및 도 5f를 참조하면, 상기 마스크(203) 상에는 감광막이 도포되고, 제2 도전형 반도체층(150) 및 활성층(140) 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층(130)의 상부영역(r)을 노출하는 감광막 패턴(PR)이 형성된다.
상기 감광막 패턴(PR)은 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(130)의 상부영역(r)을 개방한다. 본 발명에서는 습식 식각 또는 건식 식각을 이용한 식각 공정을 통해 상기 상부영역(r)의 마스크(203) 및 보호층(201)이 식각되고, 상기 제1 도전형 반도체층(130) 상에 불규칙 요철 패턴(190)이 형성된다. 여기서, 상기 불규칙 요철 패턴(190)의 볼록부들의 높이 및 오목부들의 깊이는 식각 공정의 설계치를 가변하여 얼마든지 변경할 수 있다.
도 5g를 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(150) 상에 투명 도전층(160)이 형성된다. 상기 투명 도전층(160)은 투명 금속 또는 투명 전도 산화물로 형성될 수 있다. 또한, 상기 투명 도전층(160) 및 불규칙 요철 패턴(190) 상에는 각각 제1 및 제2 전극 패드(170, 180)가 형성된다. 여기서, 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 제1 및 제2 전극 패드(170, 180) 형성시에 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전극 연장부들(도1의 171) 및 제2 전극 연장부들(도1의 181)이 동시에 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이고, 도 7은 도 6의 불규칙 요철 패턴이 형성된 제1 도전형 반도체층 일부를 상세히 도시한 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자와 불규칙 요철 패턴(290)의 형성위치를 제외하고 모든 구성이 동일하므로, 상기 불규칙 요철 패턴(290)을 제외한 구성들은 동일한 부호를 병기하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 불규칙 요철 패턴(290)은 제2 도전형 반도체층(150) 및 활성층(140)의 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층(130)상에 형성된다. 상기 불규칙 요철 패턴(290)이 형성된 영역을 제1 영역(r1)으로 정의한다.
노출된 상기 제1 도전형 반도체층(130) 상에는 상기 제1 영역(r1) 외에 제1 전극 패드(170)가 형성되는 제2 영역(r2)을 더 포함한다. 제3 영역(r3)은 상기 불규칙 요철 패턴(290)을 형성하기 위한 감광막 패턴을 형성하기 위한 공정상의 마진이다.
상기 제2 영역(r2)은 제1 전극 패드(170)가 형성되는 영역으로 상기 제2 영역(r2)과 대응되는 제1 도전형 반도체층(130)은 평평한 면(130a)을 가진다.
상기 불규칙 요철 패턴(290)의 볼록부들의 단부는 상기 활성층(140)보다 아래에 형성되고, 상기 평평한 면(130a)과 동일하거나 그보다 아래에 형성된다.
이에 한정되지 않고, 상기 불규칙 요철 패턴(290)의 볼록부들의 단부는 공정순서 변경시에 상기 활성층(140)보다 아래에 형성되고, 상기 평평한 면(130a)보다 높은 높이에 형성될 수도 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자는 상기 불규칙 요철 패턴(290)을 메사 영역과 제1 전극 패드(170) 사이에만 형성하여 전기적 특성을 보다 더 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.
상기 제2 실시예에 따른 발광 소자의 전기적 특성 향상은 도 8을 참조하여 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자 및 제2 실시예에 따른 발광 소자의 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자의 경우, 제1 실시예에 따른 발광 소자에 비해 동일한 전류에서 낮은 전압을 보여준다 . 이는 제2 실시예에 따른 발광 소자에서 제1 전극 패드(170)와 제1 도전형 반도체층(130)의 표면저항이 제1 실시예의 경우에 비해 더 낮은 것을 나타낸다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자는 상기 제1 실시예에 따른 발광 소자와 대비하여 동일한 전류량을 기준으로 낮은 구동전압이 요구되어 전기적 특성이 우수한 장점을 가진다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자는 상기 제1 전극 패드(170)가 평평한 면(130a)상에 형성되어 상기 제1 실시예에 따른 발광 소자와 대비하여 계면 사이에 기공발생 및 거친 계면에 의한 표면저항 및 열 발생을 줄여 전기적 특성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 소자는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자와 불규칙 요철 패턴(390)의 형성위치를 제외하고 모든 구성이 동일함으로써, 상기 불규칙 요철 패턴(390)을 제외한 구성들은 동일한 부호를 병기하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 불규칙 요철 패턴(390)은 제1 전극 연장부(171)들과 나란하게 중첩된 제1 불규칙 요철 패턴(391)과, 상기 제1 불규칙 요철 패턴(391)으로부터 제2 전극 연장부(181) 방향으로 연장된 제2 불규칙 요철 패턴(392)과, 발광 소자의 가장자리 영역에 형성된 제3 불규칙 요철 패턴(393)을 포함한다.
상기 제2 불규칙 요철 패턴(392)은 제1 방향으로 나란하게 교대로 형성된 제1 및 제2 전극 연장부(171, 181)로부터 평면을 기준으로 수직한 제2 방향으로 연장 형성된다.
상기 제2 불규칙 요철 패턴(392)은 상기 제1 및 제2 전극 연장부(171, 181) 사이에 다수개 형성되어 광 추출을 극대화하는 기능을 가진다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 소자는 상기 제1 전극 연장부(171)와 나란하게 형성된 제1 불규칙 요철 패턴(391)으로부터 평면을 기준으로 수직한 방향으로 상기 제2 불규칙 요철 패턴(392)이 형성되어 광 추출을 보다 더 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 소자는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자와 제1 및 제2 전극 패드(270, 280)를 제외하고 모든 구성이 동일하므로, 상기 제1 및 제2 전극 패드(270, 280)를 제외한 구성들은 동일한 부호를 병기하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제1 및 제2 전극 패드(270, 280)는 돔 타입의 구조를 가진다.
상기 제1 및 제2 전극 패드(270, 280)는 돔 타입으로 이루어져 메사 영역의 외측 방향으로 진행하는 광이 전극 패드들(270, 280)에 반사되는 것을 최소화하며, 나아가, 전극 패들(270, 280)에서 반사되어 다시 반도체층 내부로 입사되어 손실되는 것을 최소화할 수 있다. 이에 따라 광 추출을 보다 더 향상시킬 수 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들 및 특징들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 위에서 설명한 실시예들 및 특징들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.
190, 290, 390: 불규칙 요철 패턴
Claims (23)
- 기판상에 위치하는 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 활성층;
상기 활성층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층; 및
상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 일부가 식각되어 노출된 상기 제1 도전형 반도체층 표면에 위치하는 불규칙 요철 패턴; 및
노출된 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 제1 전극 패드를 포함하고,
상기 불규칙 요철 패턴은 볼록부들 및 오목부들을 가지며, 상기 볼록부들은 불규칙한 높이를 가지고, 상기 오목부들은 불규칙한 깊이를 가지며,
상기 제1 도전형 반도체층은 제1 N-GaN층, 상기 제1 N-GaN층 상에 위치하는 제2 N-GaN층 및 상기 제2 N-GaN층 상에 위치하는 제3 N-GaN층을 포함하고, 상기 제1 및 제3 N-GaN층은 상기 제2 N-GaN층 보다 n형 불순물이 고농도 도핑되며, 상기 제3 N-GaN층은 상기 제1 전극 패드와 오믹콘택되고, 상기 불규칙 요철 패턴은 상기 제3 N-GaN층에 형성되며,
상기 불규칙 요철 패턴의 오목부들 중 적어도 일부는 상기 제2 N-GaN층의 일부 또는 전체 영역까지 연장되거나 상기 제1 N-GaN층의 상부 영역까지 연장된 발광 소자. - 청구항 1에 있어서, 상기 불규칙 요철 패턴은 적어도 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 발광 소자.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 불규칙 요철 패턴은 상기 활성층 아래에 위치하는 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극 패드로부터 분기된 제1 전극 연장부들을 더 포함하고, 상기 불규칙 요철 패턴은 상기 제1 전극 패드의 하부 및 상기 제1 전극 연장부들의 하부에 형성된 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극 패드와 접촉되는 상기 제3 N-GaN층의 상부는 평평한 면을 가지는 발광 소자.
- 청구항 7에 있어서, 상기 불규칙 요철 패턴은 상기 볼록부들의 단부들은 상기 평평한 면과 동일한 높이에 위치하거나 또는 상기 평평한 면보다 낮은 높이에 위치하는 발광 소자.
- 청구항 7에 있어서, 상기 불규칙 요철 패턴은 상기 볼록부들의 단부들은 상기 평평한 면과 동일한 높이에 위치하거나 또는 상기 평평한 면보다 높은 높이에 위치하는 발광 소자.
- 청구항 7에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 전극 패드와, 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 패드 사이에 형성된 투명 도전층을 더 포함하고, 상기 제1 전극 패드와 상기 투명 도전층 사이의 수평 간격은 5㎛~50㎛인 발광 소자.
- 청구항 7에 있어서, 상기 제1 전극 패드로부터 분기된 제1 전극 연장부들과, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 전극 패드와, 상기 제2 전극 패드로부터 분기되어 상기 제1 전극 연장부들과 교대로 나란하게 배열된 제2 전극 연장부들을 포함하고,
상기 불규칙 요철 패턴은 상기 제1 전극 연장부들과 나란하게 중첩된 제1 불규칙 요철 패턴과, 상기 제1 불규칙 요철 패턴으로부터 상기 제2 전극 연장부들 방향으로 연장된 제2 불규칙 요철 패턴과, 상기 발광 소자의 가장자리 영역에 형성된 제3 불규칙 요철 패턴을 포함하는 발광 소자. - 청구항 7에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 전극 패드를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 패드는 돔 타입인 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 상기 발광 소자의 가장자리 영역을 따라 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 일부가 식각되어 노출되고, 상기 가장자리 영역의 노출된 상기 제1 도전형 반도체층 상에 불규칙 요철 패턴이 형성된 발광 소자.
- 청구항 13에 있어서, 상기 가장자리 영역은 모서리 영역과 측부 영역을 포함하고, 상기 모서리 영역은 상기 측부 영역의 폭보다 넓은 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층 내의 상기 불규칙 요철 패턴의 높이는 상기 불규칙 요철 패턴 아래의 상기 제1 도전형 반도체층의 높이보다 작은 발광 소자.
- 삭제
- 기판상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 성장시키는 단계;
상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층을 패터닝하여 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 노출시키는 단계;
노출된 상기 제1 도전형 반도체층 상에 보호층 및 마스크 금속층을 형성하는 단계;
상기 마스크 금속층을 일정 온도로 가열하여 입자형태로 응집된 구조의 마스크를 형성하는 단계;
상기 마스크를 식각 마스크로 사용하여, 노출된 제1 도전형 반도체층을 식각하여 불규칙 요철 패턴을 형성하는 단계;
상기 보호층 및 상기 마스크를 제거하는 단계; 및
상기 노출된 제1 도전형 반도체층 상에 제1 전극 패드를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 불규칙 요철 패턴은 볼록부들 및 오목부들을 가지며, 상기 볼록부들은 불규칙한 높이를 가지고, 상기 오목부들은 불규칙한 깊이를 가지며,
상기 제1 도전형 반도체층은 제1 N-GaN층, 상기 제1 N-GaN층 상에 위치하는 제2 N-GaN층 및 상기 제2 N-GaN층 상에 위치하는 제3 N-GaN층을 포함하고, 상기 제1 및 제3 N-GaN층은 상기 제2 N-GaN층 보다 n형 불순물이 고농도 도핑되며, 상기 제3 N-GaN층은 상기 제1 전극 패드와 오믹콘택되고, 상기 불규칙 요철 패턴은 상기 제3 N-GaN층에 형성되며, 상기 불규칙 요철 패턴의 오목부들 중 적어도 일부는 상기 제2 N-GaN층의 일부 또는 전체 영역까지 연장되거나 상기 제1 N-GaN층의 상부 영역까지 연장된 발광 소자의 제조 방법. - 제17 항에 있어서, 상기 보호층 및 마스크 금속층은 상기 노출된 제1 도전형 반도체층과 함께 상기 제2 도전형 반도체층을 덮도록 형성되는 발광 소자의 제조방법.
- 청구항 17에 있어서, 상기 불규칙 요철 패턴을 형성하기 전에 상기 제1 도전형 반도체층 상의 마스크를 덮고 상기 제1 도전형 반도체층 상의 마스크를 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
- 청구항 17에 있어서, 상기 보호층은 SiO2인 발광소자의 제조방법.
- 청구항 17에 있어서, 상기 마스크 금속층은 Ni인 발광 소자의 제조방법.
- 청구항 21에 있어서, 상기 마스크 형성 단계는 상기 마스크 금속층이 400℃ 내지 900℃으로 가열되는 발광 소자의 제조방법.
- 삭제
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