KR20120130840A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 발광구조물; 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 접속된 제1 및 제2 본딩전극; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 형성된 복수의 나노구조물; 및 상기 나노구조물이 덮이도록 형성된 보호층을 포함하며, 상기 투명전극층, 상기 나노구조물 및 상기 보호층의 굴절률은 순차적으로 감소되므로, 내부 전반사가 감소되어 광추출효율이 향상되는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광추출효율이 향상되는 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 발광다이오드(Light emitting diode: LED)는 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 접합된 반도체의 전자와 정공이 재결합하며 발생하는 에너지를 광으로 변환하여 방출한다. 이러한 LED는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.
그리하여, 고광량, 고광효율의 발광다이오드를 얻기 위한 하나의 방안으로, 발광다이오드에 나노구조물을 형성한 구조가 사용되었다.
본 발명의 목적 중의 하나는 광추출효율이 증대되는 반도체 발광소자를 제공하는데에 있다.
또한, 본 발명은 상기 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 반도체 발광소자는 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 발광구조물과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 접속된 제1 및 제2 본딩전극과, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층과, 상기 투명전극층 상에 형성된 복수의 나노구조물 및 상기 나노구조물이 덮이도록 형성된 보호층을 포함하며, 상기 투명전극층, 상기 나노구조물 및 상기 보호층의 굴절률은 순차적으로 감소되는 것을 특징으로 한다.
상기 투명전극층은 투명 전도성 산화물층 또는 질화물층일 수 있으며, 특히 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide),In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 나노구조물은 투명 전도성 아연 산화물(ZnO)계 화합물로 형성될 수 있으며, 상기 투명전극층을 씨드 레이어(seed layer)로 이용하여 형성될 수 있다.
상기 보호층은 SiO2, SiON, SiNx 및 그 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
또한, 상기 보호층은 개구를 가지며, 상기 개구를 통해, 상기 제2 본딩전극과 상기 제2 도전형 반도체층이 접속될 수 있다.
상기 투명전극층에는 상기 제2 본딩전극이 상기 제2 도전형 반도체층에 접속되는 개구가 형성될 수 있다.
상기 투명전극층은 개구를 가지며, 상기 개구를 통해, 상기 제2 본딩전극과 상기 제2 도전형 반도체층이 접속될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 반도체 발광소자 제조방법은 기판 상에 제1 및 제2 도전형 반도체층 및 그 사이의 활성층으로 구성된 발광구조물을 형성하는 단계와, 상기 투명전극층 상에 복수의 나노구조물을 형성하는 단계와, 상기 나노구조물이 덮이도록 보호층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 투명전극층, 상기 나노구조물 및 상기 보호층의 굴절률은 순차적으로 감소되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 투명전극층을 제거하고, 상기 제2 도전형 반도체층에 접속된 제2 본딩 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 투명전극층은 투명 전도성 산화물층일 수 있으며, 특히ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide),In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 보호층은 SiO2, SiON, SiNx 및 그 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 일 수 있으며, 이때, 상기 보호층은 CVD법 또는 스퍼터링법으로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자는 내부 전반사가 감소되어 광추출효율이 향상된다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자 제조방법은 내부 전반사가 감소되어 광추출효율이 향상되는 반도체 발광소자를 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자의 사시도이다.
도 2는 도 1의 반도체 발광소자를 일부 절개한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 발광소자의 측단면도이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자의 제조방법을 간략하게 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 반도체 발광소자를 일부 절개한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 발광소자의 측단면도이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자의 제조방법을 간략하게 도시한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 그러므로 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 특허청구범위가 제시하는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자에 대해 설명한 후, 그 다음으로 일실시예에 따른 반도체 발광소자의 제조방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 반도체 발광소자(100)를 일부 절개한 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자(100)는 발광구조물(120), 상기 발광구조물(120)의 상부에 형성된 투명전극층(130), 상기 투명전극층(130) 상에 형성된 나노구조물(140) 및 상기 나노구조물(140) 상에 형성된 보호층(150)을 포함하며, 상기 투명전극층(130), 상기 나노구조물(140) 및 상기 보호층의 굴절률은 순차적으로 감소한다. 상기 반도체 발광소자는 기판 상면으로(도 1에서 볼 때 반도체 발광소자(100)의 위쪽으로) 빛이 출사되는 수평구조의 탑-에미팅(top-emitting)형 발광소자일 수 있다.
상기 발광구조물(120)은 기판(110) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(121) 및 제2 도전형 반도체층(123)과, 그 사이에 형성된 활성층(122)을 갖으며, 상기 발광구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(121)의 일부 영역이 노출되도록 활성층(122) 및 제2 도전형 반도체층(123)이 메사 식각된 구조를 갖는다.
상기 기판(110)은 반도체 발광소자(100)를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, Al2O3, ZnO, LiAl2O3 등의 투명 기판을 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 사파이어 기판을 사용할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(121)은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질일 수 있으며, 예를 들어 n-GaN층일 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(123)은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층일 수 있으며, 예를 들어, p-GaN층 또는 p-GaN/AlGaN층일 수 있다.
상기 활성층(122)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1 그리고 0≤x+y≤1)인 GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층일 수 있으며, 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물(multi-quantum well, MQW) 또는 단일양자우물일 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(122)은 GaN/InGaN/GaN MQW 또는 GaN/AlGaN/GaN MQW 구조일 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(123) 상에는 투명 전극층(130)이 형성된다. 상기 투명 전극층(130)은 투명 전도성 산화물 또는 질화물 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(130)의 형성물질로는, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있다.
이러한 반도체 발광소자(100)에서, 상기 제1 본딩전극(160)과 제2 본딩전극(170) 사이에 소정의 전압이 인가되면, 상기 제1 도전형 반도체층(121)과 제2 도전형 반도체층(123)으로부터 각각 전자(electrons)과 정공(holes)이 상기 활성층(122)으로 주입되어 재결합되며, 이로써 활성층(122)으로부터 광이 생성될 수 있다.
상기 투명전극층(130) 상에는 복수의 나노구조물(140)이 형성된다. 상기 나노구조물(140)은 상기 투명전극층(130)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지도록 형성하되, 투명 전도성 아연 산화물(ZnO)계 화합물로 형성될 수 있다.
상기 투명 전도성 아연 산화물(ZnO)계 화합물에는, 상기 나노구조물(140)의 전자농도(Electron Concentration), 에너지 밴드갭(Energy Bandgap), 광 굴절지수(Refractive Index) 등을 조절하기 위해서 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 모리브테니움(Mo), 실리콘(Si), 저메니움(Ge), 인듐(In), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 티타니움(Ti), 탄탈륨(Ta), 캐드뮴(Cd), 란탄(La)와 같은 원소계열 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 첨가할 수도 있다.
상기 나노구조물(140)은 원형, 사각형 및 육각형을 포함하는 다각형 중 하나의 수평 단면 형상을 갖는 다양한 형태의 기둥형상, 바늘형상, 튜브형상, 판형상 등으로 형성할 수 있다. 상기 나노구조물(140)의 성장온도에서 반응시간을 조절함에 따라 성장되는 나노구조물(140)의 길이를 제어할 수 있다.
상기 나노구조물(140)은 상기 투명전극층(130) 상에 화학기상성장 (chemical vapor deposition: CVD) 법, 분자빔성장법(molecular beam epitaxy: MBE) 및 하이브리드 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy: HVPE)등으로 성장될 수 있으나, CVD법에 의해 상기 나노구조물(140)를 성장시키면, 생산공정이 간편하고, 생산 비용이 낮은 이점이 있다.
또한, 상기 나노구조물(140)의 빛투과도 및 전기전도성을 향상시키기 위해서 산소(O2), 질소(N2),수소(H2), 아르곤(Ar), 공기(Air) 및 진공(Vacuum) 분위기에서 800℃ 이하의 온도에서 열처리할 수도 있다.
또한, 상기 나노구조물(140)의 광학 및 전기적 특성을 향상시키기 위해서 800℃ 이하의 온도에서 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 및 아르곤(Ar) 이온을 이용한 플라즈마 처리(Plasma Treatment)를 할 수도 있다.
상기 나노구조물(140)상에는, 상기 나노구조물(140)이 덮이도록 보호층(150)이 형성된다. 상기 보호층(150)은 상기 나노구조물(140)을 봉지하여 상기 나노구조물(140)이 다음 단계에서 수행되는 포토공정 또는 식각공정에서 사용되는 화학약품(PR, stripper 등), 식각액, 식각가스 또는 플라즈마 등에 의해 손상되는 것을 방지한다.
상기 보호층(150)은 상기 나노구조물(140)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지도록 형성하되, SiO2, SiON, SiNx 및 그 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)에는 제1 및 제2 본딩전극(160, 170)이 형성되어 접속된다. 상기 제1 본딩전극(160) 및 제2 본딩전극(170)은 Au, Al, Ag와 같은 금속물질 또는 투명 전도성 물질일 수 있으며, 2층 이상의 다층구조일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 본딩전극(170)은 상기 투명전극층(130)과 상기 보호층(150)을 관통하는 개구(151)를 형성하고 상기 제2 도전형 반도체층(123)에 접속시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 개구(151)를 형성하고 제2 본딩전극(170)과 제2 도전형 반도체층(123)을 접촉시키면 전기적 저항이 감소되어, 내부 광추출효율이 향상된다.
이와 같은 구성의 반도체 발광소자(100)는 상기 투명전극층(130), 상기 나노구조물(140) 및 상기 보호층(150)이 굴절률이 점차 감소되어 그레이드형 굴절률(graded index)을 형성하게 된다.
일반적으로, 계면 사이에 굴절률의 차이가 발생하면, 임계각 이상의 광이 내부로 반사되는 내부 전반사가 발생하게 되는데, 이러한 내부 전반사는 외부 광추출 효율을 저하시키는 요소로 작용한다. 이 경우, 계면 사이의 굴절률 차이를 완화시키면, 임계각이 증가하여 내부 전반사되는 광이 감소하므로 외부 광추출 효율이 향상된다.
마찬가지로, 수평구조의 탑-에미팅(top-emitting)형 발광소자의 경우, 활성층에서 발산된 광은 제2 도전형 반도체층을 통과하여 공기 중으로 발산되게 된다. 이때, 제2 도전형 반도체층과 공기 사이의 굴절률 차이로 인하여, 광이 제2 도전형 반도체층의 내부로 반사되게 되어 외부 광추출효율이 감소된다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자(100)는 상기 제2 도전형 반도체층(123) 상에 상기 투명전극층(130)이 형성되고, 그 위에는 상기 투명전극층(130) 보다 낮은 굴절률값을 가지는 상기 나노구조물(140)이 형성된다. 상기 나노구조물(140)은 보다 낮은 굴절률값을 가지는 상기 보호층(150)에 의해 덮여져 있으므로, 굴절률이 점점 감소하는 그레이드형 굴절률(graded index)이 형성된다.
예를 들어, 상기 투명전극층(130)을 ITO(Indium Tin Oxide)층으로 형성하고, 상기 나노구조물(140)은 ZnO로 형성하고, 상기 보호층(150)은 SiO2층으로 형성하면, ITO의 굴절률은 2.0이고, ZnO는 굴절률은 1.85이며, SiO2의 굴절률은 1.47이므로, 굴절률이 점점 감소하는 그레이드형 굴절률(graded index)이 형성된다.
그러므로, 제2 도전형 반도체층(123)을 통과하여 공기 중으로 곧바로 광이 방출되는 경우와 비교하여, 굴절률의 차이가 완화되므로, 내부전반사가 감소하여 외부 광추출효율이 향상되는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 발광소자(300)는 수직구조의 반도체 발광소자이다. 상기 수직구조의 반도체 발광소자(300)는 성장용 기판(미도시)에 발광구조물(320)을 형성한 후, 상기 발광구조물(320)에 지지 기판(370)을 부착한 다음, 상기 성장용 기판을 레이저 리프트-오프법(laser lift-off: LLO) 또는 화학적 리프트-오프법에 의해 제거한 반도체 발광소자이다.
상기 지지 기판(370)은 발광구조물(320)이 부착되는 기판으로, 다양한 종류의 기판을 사용할 수 있으며, 특정한 종류의 기판을 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 발광소자(300)는, 상기 발광구조물(320) 상에 투명전극층(330), 나노구조물(340) 및 보호층(350)이 형성되며, 이때, 상기 투명전극층(330), 상기 나노구조물(240) 및 상기 보호층(350)의 굴절률은 순차적으로 감소되도록 형성한다.
상기 발광구조물(320)를 구성하는 제1 도전형 반도체층(321)은 앞서 설명한 제1 실시예와 유사하게, 제1 도전형 반도체층(321), 제2 도전형 반도체층(323) 및 그 사이에 형성된 활성층(322)로 구성되며, 상기 제1 도전형 반도체층(321)은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질일 수 있으며, 예를 들어 n-GaN층일 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(323)은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층일 수 있으며, 예를 들어, p-GaN층 또는 p-GaN/AlGaN층일 수 있다. 상기 활성층(322)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1 그리고 0≤x+y≤1)인 GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층일 수 있으며, 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물(multi-quantum well: MQW) 또는 단일양자우물일 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(322)은 GaN/InGaN/GaN MQW 또는 GaN/AlGaN/GaN MQW 구조일 수 있다.
상기 투명전극층(330)은 앞서 설명한 제1 실시예와 유사하게, 투명 전도성 산화물 또는 질화물 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 투명전극층의 형성물질로는, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있다.
상기 나노구조물(340)은 앞서 설명한 제1 실시예와 유사하게, 상기 투명전극층(330)의 굴절률 보다 작은 굴절률을 가지도록 형성하되, 투명 전도성 아연 산화물(ZnO)계 화합물로 형성될 수 있다. 또한, 상기 나노구조물(140)은 원형, 사각형 및 육각형을 포함하는 다각형 중 하나의 수평 단면 형상을 갖는 다양한 형태의 기둥형상, 바늘형상, 튜브형상, 판형상 등으로 형성할 수 있다. 상기 나노구조물(340)의 성장온도에서 반응시간을 조절함에 따라 성장되는 나노구조물(340)의 길이를 제어할 수 있다. 상기 나노구조물(340)은 상기 투명전극층(330) 상에 화학기상성장 (chemical vapor deposition: CVD) 법, 분자빔성장법(molecular beam epitaxy: MBE) 및 하이브리드 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy: HVPE)등으로 성장될 수 있으나, CVD법에 의해 상기 나노구조물(140)를 성장시키면, 생산공정이 간편하고, 생산 비용이 낮은 이점이 있다.
상기 보호층(350)은 앞서 설명한 제1 실시예와 유사하게, 상기 나노구조물(340)이 덮이도록 형성된다. 상기 보호층(350)은 상기 나노구조물(340)을 보호하며, 상기 나노구조물(340)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지도록 형성하되, SiO2, SiON, SiNx 및 그 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 형성할 수 있다.
앞서 설명한 제1 실시예와 유사하게, 상기 제1 도전형 반도체층(321) 상에는 제1 본딩전극(360)이 형성되어 접속된다. 상기 제1 본딩전극(360)은 Au, Al, Ag와 같은 금속물질 또는 투명 전도성 물질일 수 있으며, 2층 이상의 다층구조일 수 있다.
또한, 상기 제1 본딩전극(360)은 상기 투명전극층(330)과 상기 보호층(350)을 관통하는 개구(351)를 형성하고 상기 제1 도전형 반도체층(321)에 접속시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 개구(351)를 형성하고 제1 본딩전극(360)과 제1 도전형 반도체층(321)을 접촉시키면 전기적 저항이 감소되어, 내부 광추출효율이 향상된다.
또한, 상기 발광구조물(320)의 하면에는 반사층(380)을 형성하여, 상기 지지 기판(370)을 향하여 방출된 광을 반사하여 광 출사면으로 방출되게 하여 외부 광추출효율을 더욱 향상시킬 수도 있다.
도면부호 390은 성장용 기판의 분리시에 발광구조물(320)의 손상을 방지하기 위한 버퍼층이다.
이와 같은 수직구조의 반도체 발광소자(300)는 활성층(322)에서 발산된 광이 투명전극층(330)을 향하여 발산되게 되며, 상기 투명전극층(330) 상에 형성된 나노구조물(340) 및 보호층(350)의 굴절률은 순차적으로 감소되므로, 외부 광추출효율이 향상된다.
다음으로, 도 4 내지 도 11를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자의 제조방법에 대해 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, 준비된 기판(110)에 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123) 및 그 사이의 활성층(122)으로 구성된 발광구조물(120)을 형성한다.
상기 발광구조물(120)은 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition: MOCVD), 분자빔성장법(molecular beam epitaxy: MBE) 및 하이브리드 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy: HVPE) 등으로 성장될 수 있다.
그 다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도전형 반도체층(121)의 일부 영역, 상기 제2 도전형 반도체층(123) 및 상기 활성층(122)을 메사 식각한다.
그 다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 도전형 반도체층(123) 상에 투명전극층(130)을 형성한다.
상기 투명전극층(130)은 투명 전도성 산화물층으로 형성할 수 있으며, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide),In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
그 다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 투명전극층(130)을 식각하여, 투명전극층(130) 상에 개구(131)를 형성한다.
상기 투명전극층(130) 상의 개구(131)는 다양한 물리적, 화학적 식각법에 의해 식각할 수 있다.
그 다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 투명전극층(130) 상에 복수의 나노구조물(140)을 형성한다.
상기 나노구조물(140)은 상기 투명전극층(130) 상부에 금속유기 화학 증기 증착법(Metalorganic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 비롯한 화학적 반응을 통한 화학기상성장법(Chemical Vapor Deposition: CVD) 이나 열 또는 이빔 증착법(Theral or E-beam Evaporation), 높은 에너지를 갖는 레이저빔을 이용한 증착법(Laser Deposition), 산소(O2), 질소(N2), 또는 아르곤(Ar) 등의 개스 이온을 사용한 스퍼터링 증착 방법(Sputtering Deposition), 또는 2개 이상의 스퍼터 건(Sputtering Gun)을 이용한 코스퍼터링 증착 방법(Co-sputtering Deposition) 등의 다양한 방법의 물리적 증착 방법 (Physical Vapor Deposition) 중 하나 이상을 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 나노구조물(140)의 빛투과도 및 전기전도성을 향상시키기 위해서 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 및 진공(Vacuum) 분위기에서 800℃ 이하의 온도에서 열처리를 행할 수도 있다.
그 다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 나노구조물(140)이 덮이도록 보호층(150)을 형성한다.
상기 보호층(150)은 SiO2, SiON 또는 SiNx으로 형성할 수 있으며, SiO2, SiON, SiNx 및 그 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 사용하여 형성할 수도 있다.
이때, 상기 보호층(150)은 CVD법, 스퍼터링(sputtering)법, 또는PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 형성할 수 있다.
상기 보호층(150)은 후술할, 개구(151)를 형성하는 단계 또는 제1 및 제2 본딩 전극(160, 170)을 형성하는 단계에서 수행되는 포토공정 또는 식각공정에서 사용되는 화학약품(PR, stripper 등), 식각액, 식각가스 또는 플라즈마 등에 의해 상기 나노구조물(140)이 손상되는 것을 방지한다.
그 다음으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 투명전극층(150)을 식각하여 개구(151)를 형성한다.
상기 개구(151)는 상기 제2 도전형 반도체층(123)에 제2 본딩전극(170) 형성하기 위한 공간으로, 앞서 설명한 투명전극층(130)의 개구(131)와 유사하게, 다양한 물리적, 화학적 식각법이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 개구(151)가 형성될 부분의 SiO2를 RIE 또는, ICP/RIE(inductive coupled plasma/reactive ion etching) 건식식각 방법, BOE (bufferoxide echant) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 식각할 수 있다.
그 다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 개구(151)내에 상기 제2 도전형 반도체층(123)에 접속되는 제2 본딩 전극(170) 및 메사식각된 제1 도전형 반도체층(121)에 접속되는 제1 본딩 전극(160)을 형성한다
이와 같은 과정을 거치면 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자(100)가 완성된다.
100, 300 : 반도체 발광소자
110 : 기판
120, 320 : 발광구조물
121, 321 : 제1 도전형 반도체층
122, 322 : 활성층
123, 323 : 제2 도전형 반도체층
130, 330 : 투명전극층
140, 340 : 나노구조물
150, 350 : 보호층
151, 351 : 개구
160, 360 : 제1 본딩전극
170 : 제2 본딩전극
380 : 반사층
370 : 도전성 기판
380 : 버퍼층
110 : 기판
120, 320 : 발광구조물
121, 321 : 제1 도전형 반도체층
122, 322 : 활성층
123, 323 : 제2 도전형 반도체층
130, 330 : 투명전극층
140, 340 : 나노구조물
150, 350 : 보호층
151, 351 : 개구
160, 360 : 제1 본딩전극
170 : 제2 본딩전극
380 : 반사층
370 : 도전성 기판
380 : 버퍼층
Claims (16)
- 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 발광구조물;
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 접속된 제1 및 제2 본딩전극;
상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층;
상기 투명전극층 상에 형성된 복수의 나노구조물; 및
상기 나노구조물이 덮이도록 형성된 보호층을 포함하며,
상기 투명전극층, 상기 나노구조물 및 상기 보호층의 굴절률은 순차적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명전극층은 투명 전도성 산화물층 또는 질화물층 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제2항에 있어서,
상기 투명전극층은 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide),In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제3항에 있어서,
상기 나노구조물은 투명 전도성 아연 산화물(ZnO)계 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 보호층은 SiO2, SiON, SiNx 및 그 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명전극층은 개구를 가지며,
상기 개구를 통해, 상기 제2 본딩전극과 상기 제2 도전형 반도체층이 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제6항에 있어서,
상기 보호층은 개구를 가지며,
상기 개구를 통해, 상기 제2 본딩전극과 상기 제2 도전형 반도체층이 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 나노구조물은 상기 투명전극층을 씨드 레이어(seed layer)로 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 투명전극층은 ITO(Indium Tin Oxide)층이고, 상기 나노구조물은 ZnO로 형성되고, 상기 보호층은 SiO2층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 기판 상에 제1 및 제2 도전형 반도체층 및 그 사이의 활성층으로 구성된 발광구조물을 형성하는 단계;
상기 제2 도전형 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
상기 투명전극층 상에 복수의 나노구조물을 형성하는 단계;
상기 나노구조물이 덮이도록 보호층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 투명전극층, 상기 나노구조물 및 상기 보호층의 굴절률은 순차적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 투명전극층을 제거하고, 상기 제2 도전형 반도체층에 접속된 제2 본딩 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 투명전극층은 투명 전도성 산화물층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 투명전극층은 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide),In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 보호층은 SiO2, SiON, SiNX 및 그 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,
상기 보호층은 CVD법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,
상기 보호층은 스퍼터링법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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