KR20090074359A - 적색 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 적색 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 적색 발광 소자의 제조방법에 있어서, 기판 상에 다층 구조의 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층 상에 광 추출 구조 패턴을 정의하는 마스크를 형성하는 단계와; 상기 마스크 상에 전극 형상을 가지는 보호 영역을 정의하는 전극 마스크를 형성하는 단계와; 상기 마스크를 이용하여 광 추출 구조를 형성하는 단계와; 상기 마스크를 제거하고 상기 보호 영역 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

LED, 발광 소자, 전극, 광 추출 구조, 식각.

Description

적색 발광 소자 및 그 제조방법{Red light emitting device and method of making the same}

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 적색 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 반도체 LED의 광 추출 효율(extraction-efficiency)은 최종적으로 빛을 관측하는 매질인 공기 또는 에폭시(epoxy)와 반도체 사이의 높은 굴절률 차이로 인해 대개 수 %에 지나지 않는 값을 가지게 된다.

예를 들어, 적색 LED의 경우, 상층부에 위치한 GaP층과 표면 보호를 위해 도입한 에폭시의 굴절률 관계를 고려할 때, 임계각은 약 25°이며, 이때, 물질 내의 흡수 손실이 전혀 없어 다중 반사(multiple-reflection)를 허용할 수 있고, 하층부에 브래그 반사층(DBR; Distributed Bragg-Reflector)과 같은 거울을 두지 않은 경 우, 에폭시 영역에서 검출할 수 있는 추출 효율은 약 4.7% 정도이다.

이 외의 나머지 빛들은, 전반사에 의해 LED 내부에 갇혀있다가 하층부를 통해 기판인 GaAs에 흡수되거나, 양자우물(Quantum Well)과 같이 흡수 손실을 줄 수 있는 매질에 의해 빛의 세기가 서서히 감소되어, 광 추출 효율에 포함되지 못한 채 사라지게 된다.

따라서, LED의 광 추출 효율을 향상시키기 위한 방안이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 광 추출 구조를 포함하고, 이러한 광 추출 구조에 의하여 전극 형성시 박리 현상이 발생하지 않는 적색 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 적색 발광 소자의 제조방법에 있어서, 기판 상에 다층 구조의 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층 상에 광 추출 구조 패턴을 정의하는 마스크를 형성하는 단계와; 상기 마스크 상에 전극 형상을 가지는 보호 영역을 정의하는 전극 마스크를 형성하는 단계와; 상기 마스크를 이용하여 광 추출 구조를 형성하는 단계와; 상기 마스크를 제거하고 상기 보호 영역 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 전도성 기판 상에 위치하는 반사층과; 상기 반사층 상에 위치하는 다층 구조의 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성되며, 전극이 형성될 보호 영역을 제외한 부분에 형성되는 광 추출 구조와; 상기 보호 영역 상에 위치하는 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발광 소자에 광 추출 구조를 도입하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 광 추출 구조는 광 추출 효율에는 전혀 영향을 미치지 않으면서, 동시에 반도체 영역과 전극 계면 사이의 접합 문제를 해결할 수 있다.

따라서, 광 추출 구조의 식각 깊이 증가를 통해 광 추출 효율 증대 및 최적 주기의 확장을 실현함과 동시에, 광 추출 구조가 도입된 반도체층과 전극 계면 사이의 박리 현상을 해결할 수 있다. 이와 같이 광 추출 구조의 최적 주기가 확장되면 포토 리소그래피와 같은 통상적인 방법으로 용이하게 광 추출 구조를 형성할 수 있는 효과가 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여 기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

반도체 발광 소자의 광 추출효율은 빛이 발생하는 반도체 발광층과 최종적으로 빛을 관측하는 매질(공기 또는 에폭시) 사이의 굴절률 차이로 결정된다. 반도체 매질은 통상적으로 높은 굴절률(n > 2, 이하 굴절률을 n으로 표기한다.)을 가지므로, 광 추출효율은 대개 수 %에 지나지 않는다.

가령, 질화갈륨(GaN; n = 2.46) 기반의 청색 발광 소자의 경우, 외부 물질을 에폭시(n = 1.4)로 가정했을 때 소자의 상층부를 통한 추출효율은 약 9% 정도에 불과하다. 이를 제외한 나머지 빛들은, 소자 내부에 전반사 과정에 의해 갇혀 있으면서, 양자우물층과 같은 흡수층에 의해 소실된다.

입사 각도에 대한 빛의 방출비율을 살펴볼 때, 전반사 각도에 해당하는 빛이 전체 광량의 대략 80%까지 차지하므로, 이 영역에 속해 있는 빛을 추출하지 못한다면 광 추출 향상 효과는 사실상 기대할 수 없다. 따라서, 발광 소자의 추출효율 향상을 위해서는 필연적으로 전반사 각도에 해당하는 빛을 추출할 수 있는 구조가 필요하다는 결론에 이른다. 이때, 이러한 역할을 수행할 수 있는 것 중 하나가 광결정이다.

빛의 투과라는 현상을 역학적 관점에서 보자면, 굴절률이 서로 다른 물질을 빛이 이동하는 것이다. 역학에서의 물체 이동과 마찬가지로 빛의 이동에도 운동량 보존 법칙이 항상 뒤따른다(여기서, 빛의 운동량은 파수 벡터(k = 2πn/λ)로 표현된다.).

다시 말해, 빛이 서로 다른 매질을 이동할 때에는 경계 면의 평면 방향 운동량 성분이 보존되어야 한다. 이를 전반사 현상에 대입하면, 운동량 보존 현상을 보다 명확하게 이해할 수 있다.

전반사 현상은 항상 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 이동할 때 일어난다. 굴절률이 높은 매질 내에 속해 있는 빛은 이미 큰 운동량을 지니고 있으므로, 특정 입사 각도 이상에서는 굴절률이 낮은 매질 내에서 어떠한 각도를 가지더라도 가질 수 없는 (평면 성분의)운동량을 지니게 된다. 빛의 투과를 위해서는 평면 성분의 운동량이 보존되어야 하므로, 빛이 선택할 수 있는 길은 반사 과정밖에 없다. 여기서, 평면 성분의 운동량을 보존할 수 없는 최소의 입사각도가 바로 임계각에 해당하는 것이다.

광결정은 운동량을 보존할 수 없는 전반사 각도의 빛에 대해 자신의 주기성(periodicity)이 생성하는 운동량 성분을 더하거나 감하여, 외부로 추출할 수 있도록 도와준다(도 1 참고). 이것이 광결정을 통한 발광 소자의 추출효율 향상 원리이다.

이는, 분광기에서 말하는 빛의 회절 원리와 동일한 개념이다. 광결정의 주기에 따라 운동량의 크기가 달라지고, 이에 따라 전반사 각도에 해당하는 빛의 회절 효율이 변화한다.

광결정에 의한 빛의 추출효율은 광결정의 주기 외에도 식각 깊이, 공극률 (filling factor), 격자 구조 등과 같은 구조 변수와도 밀접한 상관 관계가 있다. 따라서, 반도체 발광 소자 내에서 높은 추출효율 향상 효과를 얻기 위해서는 최적의 광결정 구조를 고안하고 적용하는 것이 매우 중요하다.

광결정에 의한 추출효율 향상 정도는 광결정과 관련된 내부 구조 변수 외에도 발광 소자를 채우고 있는 배경 물질의 굴절률과 발광 소자 내 반사 거울의 반사율 특성에도 영향을 받는다.

스넬의 법칙(Snell's law)에 따르면, 반도체 물질의 굴절률이 높아질수록 임계각이 커지게 되어 소자 내부에 전반사 과정에 의해 갇혀 있는 빛의 양이 많아짐을 뜻한다. 도 2는 외부 배경 물질을 공기로 가정했을 때, 반도체 발광 영역의 굴절률에 따른 추출 효율을 나타낸 그래프를 도시하고 있다.

이때, 발광 표면은 어떠한 광 추출구조가 도입되지 않은 평면 구조이다. 그래프를 살펴보면 발광층의 굴절률과 추출효율이 반비례 관계에 놓여 있음을 알 수 있다. 이는 광 추출 구조를 소자 표면에 도입했을 때, 상대적 추출효율 증대비가 증가할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 광 추출 구조에 의한 회절 효과는 굴절률 대비에 비례하므로, 높은 굴절률 층의 소자 표면에 광 추출 구조를 도입하는 것이 더욱 큰 추출효과를 얻을 수 있다.

이를 종합하면, 광 추출 구조를 통한 발광 소자의 상대적 추출효율 향상은 굴절률이 낮은 유기 물질(organic material)이나 질화갈륨(GaN)보다는 굴절률이 높은 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 반도체 계열에서 보다 두드러질 것임을 예상할 수 있다.

광 추출 구조에 의한 추출효율 향상 정도는 소자 하단의 반사 거울 특성과도 밀접한 관련이 있다. 광 추출 구조는 전반사에 해당하는 입사각도를 가진 빛이라도 광 추출 구조와의 결합 과정을 통해 외부로 추출될 수 있음을 앞서 밝힌 바 있다. 그러나, 회절 효율이 100%가 될 수 없으므로, 항상 일부분의 빛은 다시 반사되어 소자 내부로 진입한다. 따라서, 하단의 반사 거울 특성에 따라 추출 효율 향상 정도가 좌우된다.

하단의 반사 거울은 크게 세 종류로 나눌 수 있다. 발광층의 굴절률보다 낮은 굴절률 층을 도입하는 방법(측면형 GaN 발광 소자), 금속층을 도입하는 방법(수직형 GaN LED, metal-bonding 적색 LED), 굴절률이 다른 유전체의 조합으로 반사율을 높이는 방법 (적색 DBRs LED) 등을 생각할 수 있다.

각 반사 거울은 입사 각도에 따른 고유한 특성을 가지고 있다. 낮은 굴절률 층을 도입하는 반사 거울 방식은 수직 방향의 입사 각도에 대해 낮은 반사율을 나 타내지만, 임계 각도 이상에서는 전반사 과정에 의해 100%의 이상적인 반사율을 나타낸다.

금속층 반사 거울은 모든 입사 각도에 대해 전반적으로 우수한 반사율을 나타내지만, 금속 물질 고율의 흡수율로 인해 100%의 반사율에는 접근할 수 없다. 일반적인 브래그 리플렉터(DBR) 거울의 경우에는 수직 방향의 입사 각도 근처에서는 매우 우수한 반사율 특성을 나타내지만, 이를 벗어나게 되면 반사율이 급격하게 떨어지게 된다.

광 추출 구조를 통해 높은 추출효율 향상 효과를 얻기 위해서는 하단의 반사 거울이 수직 방향뿐만 아니라 이를 벗어난 입사 각도에서도 높은 반사율을 유지하여야 한다.

거울 종류에 따라 입사 각도와 반사율 특성의 그래프를 살펴보면, 도 3에서 도시하는 바와 같이, 금속층 거울 또는 낮은 굴절률 층의 반사 거울이 광 추출 구조 도입을 통한 추출 효율 향상에 유리하다는 것을 알 수 있다.

앞으로 본 특허를 통해 전개할 내용은 발광층 물질과는 상관없이 일반적인 LED 구조에 적용 가능하나, 논의의 폭을 제한하기 위해 적색 AlGaInP 계열 발광 소자에 대한 실시예를 분석하여 설명하기로 한다.

적색 AlGaInP 계열 발광 소자는 하단 반사 거울의 종류에 따라 두 가지로 나눌 수 있다. 그 중 하나는 도 4에서 도시하는 바와 같은 구조로서, GaAs 기판(10) 위에 AlAs/AlGaAs (혹은, AlGaInP/AlInP) 층을 1/4 파장(quarter-wave length) 두께로 차례로 증착 한 DBRs(Distributed Bragg-Reflectors) 거울 구조(20)이다.

이러한 거울 구조(20) 상에는 AlGaInP 발광층(30)의 상하측에 다수의 AlGaInP 계열 n-형 반도체층(40)과 p-형 반도체층(50)이 위치하게 된다.

다른 하나는 도 5에서 도시하는 바와 같이, GaAs 기판을 제거하고 대신 금속 반사 거울(21)과 Si 기판(11)을 접합한 구조이다. 이러한 금속 거울(21) 상에도 AlGaInP 발광층(31)의 상하측에 다수의 AlGaInP 계열 n-형 반도체층(41)과 p-형 반도체층(51)이 위치하게 된다.

DBRs 거울 구조(20)는 한 번의 성장 과정으로 반사 거울까지 포함할 수 있는 공정상의 장점이 있는 반면에 반사율 특성이 금속 거울(21)에 비해 떨어진다는 단점이 있다. 반면에, 금속 거울(21) 접합 구조는 접합이라는 공정이 추가되지만, 금속 거울(21)의 우수한 반사 특성을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 앞서 밝힌 대로 광 추출 구조를 표면에 도입할 때, 추출효율 특성을 크게 개선할 수 있다.

광 추출 구조가 도입되는 위치를 비교하면, DBRs 구조는 p-형으로 도핑(doping) 된 GaP 층(52) 내에 형성되며, 금속 접합 구조는 n-형으로 도핑 된 AlGaInP 층(42) 내에 형성된다. 내부양자효율의 저하를 방지하기 위해 광 추출 구조의 깊이는 양자우물 층까지 확장되지 않는 것이 유리하다. 이를 고려하면, DBRs 거울 구조(20)는 대략 10 mm까지의 깊이의 여유가 있으며, 금속 거울(21) 접합 구조는 약 2 mm까지의 여유가 있다.

광결정을 통한 추출 효율 향상 정도는 광결정의 구조 인자와 밀접한 관련이 있다. 이 중에서 특히, 광결정의 주기와 식각 깊이는 가장 중요한 인자들이다. 광결정의 주기와 식각 깊이에 따른 효율 변화를 살펴보기 위해, 3D-FDTD 계산을 실시 하였다.

계산을 실시한 구조는 GaN 계열 발광 소자 구조이며, 하단에는 100%의 반사 거울을 가정하였다. 결과를 살펴보면, 도 6에서와 같이, 특정 주기에서 추출 효율이 극대가 됨을 알 수 있다. 극대가 되는 주기를 최적 주기라고 칭할 때, 최적 주기는 반도체 발광층의 굴절률과 외부 배경 물질의 굴절률에 따라 달라질 수 있다.

일반적으로 최적 주기는 광결정을 구성하고 있는 굴절률 대비가 작을수록 긴 방향으로 이동하고, 반대로 굴절률 대비가 클수록 짧은 방향으로 이동한다. 한편, 도 6의 그래프를 살펴보면, 최적 주기는 식각 깊이와도 상관이 있음을 알 수 있다. 식각 깊이가 증가할수록, 최적 주기는 긴 방향으로 조금씩 이동하는 경향을 나타낸다.

도 7에서와 같이, 주기와 식각 깊이에 따른 효율 변화의 경향성을 표면 그래프로 나타내면 이 현상을 보다 명확하게 이해할 수 있다.

표면 그래프 결과를 살펴보면, 식각 깊이가 늘어날수록 1 mm 이상의 주기를 가진 구조의 추출 효율은 꾸준히 상승하며, 식각 깊이가 900 nm에 도달하면 최적 주기가 두 점에서 나타남을 알 수 있다.

추출효율이 극대가 되는 최적 주기가 존재하며, 식각 깊이에 따라 최적 주기가 이동하는 현상은 반도체 물질에 관계없이 나타나는 일반적인 결과이다. 적색 AlGaInP 계열 발광 소자의 경우에도 역시 식각 깊이 증대를 통해 리소그래피(lithography) 공정이 보다 용이한 긴 방향의 주기를 이용할 수 있는 가능성이 생긴다.

상술한 바와 같이, 발광 소자의 추출효율이 광결정 식각 깊이에 따라 증가하며, 최적 주기 또한 긴 방향으로 이동할 수 있음을 확인하였다. 이러한 특성을 활용하기 위해서는 기본적으로 발광 소자 내의 광 추출 구조가 도입되는 층의 두께가 충분히 커야 유리하다. 가령, n-GaN 층을 식각하는 수직형 GaN 계열 발광 소자나 적색 AlGaInP 계열 발광 소자는 상술한 특성을 만족한다고 볼 수 있다.

따라서, 식각 깊이에 따른 추출 효율 증대와 최적 주기의 이동 효과를 누릴 수 있다. 그러나, 이와 같이 광 추출 구조의 식각 깊이를 증가하면, 도 8a 내지 도 8d에서 도시하는 바와 같이, 때로는 반도체 층과 전극 계면 사이에 박리 현상이 발생할 수 있다.

도 8a는 표면 굴곡의 정도가 발광층의 파장보다 매우 작은 광 추출 구조(70)와 전극(60) 계면 사이를 나타낸 전자현미경 사진이다. 이 경우, 광 추출 구조(70)와 전극(60) 계면 사이의 특별한 박리 현상은 관찰되지 않는다. 하지만, 광 추출 구조의 식각 깊이가 증가하면, 전극 증착 영역이 광 추출 구조 사이를 채우지 못해 도 8b에서 도시하는 바와 같은 박리 현상이 나타날 수 있다.

단면을 자세히 살펴보면 이러한 현상을 보다 명확하게 관찰할 수 있는데, 도 8c에서와 같이, 광 추출 구조(70)와 전극(60) 층 사이에 미세한 간격이 관찰된다. 이러한 상태에서 발광 소자에 전류를 인가하면 과도한 열이 발생하여, 도 8d에서와 같이 전극(60) 층이 박리되거나 변형되어, 소자의 전기적 특성에 치명적인 영향을 줄 수 있다.

즉, 광 추출 구조의 식각 깊이 증가는 광학적인 추출효율 증가에는 분명한 도움을 주나, 반도체 물질과 전극층 사이의 접합 문제에 따라 때로는 심각한 단전 문제를 야기할 수 있다.

상술한 바와 같은 특성을 고려하여, 식각 깊이를 늘리면서도 전극 층 박리에 의한 전기적인 문제를 방지하기 위해서는 전극 층 증착 영역 내에는 광 추출 구조를 도입하지 않는 공정이 필요하다.

도 9 내지 도 15에는 AlGaInP 계열 발광 소자의 금속 접합 구조에 대해, 공정의 흐름을 도시하고 있다.

공정을 요약하자면, 먼저, 도 9에서와 같이, GaAs 기판(도시되지 않음) 상에 AlGaInP 계열의 p-형 반도체층, 발광층, 및 n-형 반도체층을 차례로 형성한다. 그 구체적인 예로서, p-GaP층(310), AlGaInP 발광층(320), n-AlInP층(330), 및 n-GaAs층(331)을 차례로 형성한다.

이와 같이 형성된 발광 소자 구조에서, 기판을 제거하고 Si 기판(100)과 금속 거울(200)을 부착한다(이때, n-GaAs층(331) 상에 위치한 습식 식각에 대한 식각장벽층(도시되지 않음)을 제거하는 공정이 추가될 수 있다). 이러한 금속 거울(200)은 Ag 또는 Al을 포함할 수 있다.

한편, 기판을 제거하지 않는 경우에는, GaAs 기판 상에 AlAs/AlGaAs 또는 AlGaInP/AlInP 반도체층이 교대로 위치하는 다중반사층(DBR)을 형성할 수 있다.

상술한 GaAs 기판 또는 Si 기판(100)은 모두 전도성을 띨 수 있으며, p-형 전도성을 가지는 것이 유리하다.

이후, 도 10에서 도시하는 바와 같이, 포토 리소그래피(photolithography) 과정을 통해 n-GaAs층(331) 상에 식각 마스크층(400)을 형성하고, 이 마스크층(400) 위에 포토 레지스트(PR)와 같은 물질로 광 추출 구조를 정의하는 제1마스크(500)를 형성하여, 이 제1마스크(500)를 이용하여 마스크층(400)을 식각한다.

이때, 마스크층(400)은 SiO₂, SiN_x와 같은 산화물 또는 질화물 계열 물질로 형성할 수 있다.

이와 같은 식각 과정에 의하여, 도 11에서와 같이, 마스크층(400)은 광 추출 구조가 정의되는 패턴이 형성된 제2마스크(410)로 형성되며, 이때 제1마스크(500)는 제거된다.

이후에는 도 12에서 도시하는 바와 같이, 제2마스크(410) 상에 추후 형성될 n-형 전극의 형상과 동일하거나 크기가 큰 전극 마스크(510)를 형성한다. 이러한 전극 마스크(510)는 전극 형성 영역을 보호할 수 있다.

다음에, 도 13에서와 같이, 제2마스크(410)를 이용하여 n-GaAs층(331) 및 n-AlInP층(330)을 식각하여 광 추출 구조(700)를 형성한다.

이후, 도 14에서와 같이, 제2마스크(410)를 제거하고, 전극 마스크(510)에 의하여 확보된 영역에 n-형 전극(600)을 형성한다.

다음, n-GaAs층(331)은 제거될 수 있고, 도 15에서와 같은 수직형 발광 소자 구조가 이루어진다.

상술한 과정에 의하여, 도 16에서 도시하는 바와 같이, n-형 전극(600) 형성 영역을 제외한 부분에 광 추출 구조(700)가 형성된다. 전극(600) 영역을 통해서 는 빛이 빠져나올 수 없으므로, 전극(600) 영역 하단의 광 추출 구조는 사실상 무의미하다.

따라서, 이러한 선택 영역 식각 광 추출 구조는 광 추출 효율에는 전혀 영향을 미치지 않으면서, 동시에 반도체 영역과 전극 계면 사이의 접합 문제를 해결할 수 있는 것이다.

한편, 상술한 광 추출 구조(700)는 주기성을 가지는 일반적인 광 결정 구조(Square Lattice, Triangular Lattice, Archimedean Lattice)와 주기성을 가지고 있지 않는 광 결정 구조(Quasicrystal, Pseudorandom, random structure)를 모두 포함할 수 있다. 이때, 광 추출 구조(700)의 주기는 발광 파장(λ) 내지 5000 nm의 값을 가질 수 있다.

이러한 광 추출 구조(700)는 식각 깊이에 따라 그 추출 효율이 증가하며, 식각 깊이 증가에 대해, 특정 값(발광 파장; ~λ)보다 작은 주기의 구조는 특정 식각 깊이(~λ/n; n은 반도체층의 굴절률) 이상에서 효율이 포화되는 경향을 보이는 반면에, 특정 값(λ)보다 큰 주기의 구조는 특정 식각 깊이(~λ/n) 이상에서도 꾸준히 효율이 증가하는 경향을 나타낸다. 따라서, 특정 식각 깊이에 대해 최적 주기가 서로 다른 값을 가진 두 주기에서 나타난다. 즉, 광 추출 구조(700)는 식각 깊이에 따라 최적 주기가 장 주기 방향으로 이동한다.

이와 같은 현상을 고려할 때, 광 추출 구조(700)의 깊이는 λ/n 내지 광 추출 구조(700)가 형성되는 반도체층(330)의 최대 두께에 이를 수 있으며, 이는 500 nm 내지 2 ㎛에 이를 수 있다.

상술한 바와 같이, 광 추출 구조(700)의 식각 깊이 증가를 통해 광 추출 효율 증대 및 최적 주기의 확장을 실현함과 동시에, 광 추출 구조가 도입된 반도체층과 전극 계면 사이의 박리 현상을 해결할 수 있다. 이와 같이 광 추출 구조(700)의 최적 주기가 확장되면 포토 리소그래피와 같은 통상적인 방법으로 용이하게 광 추출 구조(700)를 형성할 수 있는 장점을 가진다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1a 및 도 1b는 광결정의 원리를 나타내는 개략도이다.

도 2는 굴절률에 따른 추출 효율을 나타내는 그래프이다.

도 3은 반사 거울의 중류에 따른 입사 각도와 반사율을 나타내는 그래프이다.

도 4는 적색 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 5는 적색 발광 소자의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 6은 광결정 식각 깊이에 따른 추출 효율을 나타내는 그래프이다.

도 7은 도 6의 결과를 2차원 표면 그래프로 나타내는 그래프이다.

도 8a 내지 도 8d는 광 추출 구조 상에 형성된 전극의 형상을 나타내는 사진이다.

도 9 내지 도 15는 적색 발광 소자의 제조 단계의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 16은 적색 발광 소자의 발광면을 나타내는 사진이다.

Claims (13)

1. 적색 발광 소자의 제조방법에 있어서,

   기판 상에 다층 구조의 반도체층을 형성하는 단계와;

   상기 반도체층 상에 광 추출 구조 패턴을 정의하는 마스크를 형성하는 단계와;

   상기 마스크 상에 전극 형상을 가지는 보호 영역을 정의하는 전극 마스크를 형성하는 단계와;

   상기 마스크를 이용하여 광 추출 구조를 형성하는 단계와;

   상기 마스크를 제거하고 상기 보호 영역 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 보호 영역의 면적은, 상기 전극과 같거나 큰 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 광 추출 구조의 깊이는, 500 nm 내지 2 ㎛인 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 기판을 제거하고, 기판이 제거된 면에 실리콘 기판 상에 위치하는 반사 금속을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 기판 상에는 AlAs/AlGaAs 또는 AlGaInP/AlInP 반도체층이 교대로 위치하는 다중반사층(DBR)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 반도체층은, AlGaInP 계열 반도체층인 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자의 제조방법.
7. 전도성 기판 상에 위치하는 반사층과;

   상기 반사층 상에 위치하는 다층 구조의 반도체층과;

   상기 반도체층 상에 형성되며, 전극이 형성될 보호 영역을 제외한 부분에 형성되는 광 추출 구조와;

   상기 보호 영역 상에 위치하는 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자.
8. 제 7항에 있어서, 상기 반사층은, 반사 금속 또는 다중반사층인 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자.
9. 제 8항에 있어서, 상기 다중반사층은, AlAs/AlGaAs 또는 AlGaInP/AlInP 반도 체층이 교대로 위치하는 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자.
10. 제 8항에 있어서, 상기 반사 금속은, Ag를 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자.
11. 제 7항에 있어서, 상기 기판은, GaAs 기판 또는 Si 기판인 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자.
12. 제 7항에 있어서, 상기 광 추출 구조의 깊이는, 500 nm 내지 2 ㎛인 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자.
13. 제 7항에 있어서, 상기 광 추출 구조의 주기는, 상기 반도체층의 발광 파장 내지 5000 nm인 것을 특징으로 하는 적색 발광 소자.

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