WO2009120011A2 - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device and a method of manufacturing the same.
  • the light emitting diode is attracting attention in the next generation lighting field because it has a high efficiency of converting electrical energy into light energy and a lifespan of more than 5 years on average, which can greatly reduce energy consumption and maintenance cost.
  • the light emitting diode includes a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer, and depends on a current applied through the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer. It generates light in the active layer.
  • the light emitting diode requires a current spreading layer (current spreading layer) to spread the current well in a large area in the semiconductor layer of the second conductivity type, the light generated in the active layer is not extinguished in the interior as much as possible
  • a light extraction structure is required on the current spreading layer so that it can be emitted to the outside of the light emitting diode.
  • the embodiment provides a light emitting device having a new structure and a method of manufacturing the same.
  • the embodiment provides a light emitting device having a light extraction structure and a method of manufacturing the same.
  • the embodiment provides a light emitting device having increased light efficiency and a method of manufacturing the same.
  • the light emitting device includes a first conductive semiconductor layer; An active layer on the first conductive semiconductor layer; A second conductive semiconductor layer on the active layer; A current spreading layer on the second conductive semiconductor layer; A bonding layer on the current spreading layer; And a light extracting structure layer on the bonding layer.
  • the light emitting device includes a first conductive semiconductor layer; An active layer on the first conductive semiconductor layer; A second conductive semiconductor layer on the active layer; A current spreading layer on the second conductive semiconductor layer; A bonding layer on the current spreading layer; A light extracting structure layer on the bonding layer; And a conductive via penetrating the coupling layer to electrically connect the current spreading layer and the light extracting structure layer.
  • the light emitting device manufacturing method includes a light emitting semiconductor layer including a first conductive semiconductor layer, an active layer and a second conductive semiconductor layer on a growth substrate, and forming a current spreading layer on the light emitting semiconductor layer. step; Forming a sacrificial separation layer on the temporary substrate and a light extraction layer on the sacrificial separation layer; Disposing and bonding a bonding layer between the current spreading layer and the light extraction layer to form a composite; Removing the sacrificial separation layer and the temporary substrate from the composite; Forming irregularities or patterning on the surface of the light extraction layer; And performing an etching process to partially expose the current spreading layer and the first conductive semiconductor layer to form a first electrode layer on the first conductive semiconductor layer and a second electrode layer on the current spreading layer. It includes.
  • the light emitting device manufacturing method includes a light emitting semiconductor layer including a first conductive semiconductor layer, an active layer and a second conductive semiconductor layer on a growth substrate, and forming a current spreading layer on the light emitting semiconductor layer. step; Forming a sacrificial separation layer on the temporary substrate and a light extraction layer on the sacrificial separation layer; Disposing and bonding a bonding layer between the current spreading layer and the light extraction layer to form a composite; Removing the sacrificial separation layer and the temporary substrate from the composite; Forming irregularities or patterning on the surface of the light extraction layer; Forming a via hole penetrating the light extraction layer and the bonding layer and filling an electrically conductive material in the via hole; And performing an etching process to partially expose the first conductive semiconductor layer to form a first electrode layer on the first conductive semiconductor layer, and forming a second electrode layer on the light extraction layer. Include.
  • the embodiment can provide a light emitting device having a new structure and a method of manufacturing the same.
  • the embodiment can provide a light emitting device having a light extraction structure and a method of manufacturing the same.
  • the embodiment can provide a light emitting device having increased light efficiency and a method of manufacturing the same.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view of a light emitting device according to a second embodiment
  • 3 to 14 illustrate a method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment.
  • each layer (film), region, pattern or structure is “on / on” or “bottom / on” of the substrate, each layer (film), region, pad or patterns
  • each layer (film), region, pad or patterns In the case described as being formed under, “on” and “under” are formed “directly” or “indirectly” through another layer. It includes everything.
  • the criteria for the top or bottom of each layer will be described with reference to the drawings.
  • each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description.
  • the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting device according to the first embodiment.
  • the light emitting device 1 may include a buffer layer 110, a first conductive semiconductor layer 20, an active layer 30, and a second conductive type on a growth substrate 10.
  • the semiconductor layer 40, the current spreading layer 50, the coupling layer 80, and the light extracting structure layer 90 are formed.
  • a first electrode layer 70 is formed on the first conductive semiconductor layer 20, and a second electrode layer 60 is formed on the current spreading layer 50.
  • the growth substrate 10 may be formed of, for example, a material such as sapphire or silicon carbide (SiC).
  • the buffer layer 110 may be formed of a material such as AlN or GaN to improve lattice matching between the growth substrate 10 and the light emitting semiconductor layer.
  • the first conductive semiconductor layer 20 may be an n-type nitride cladding layer, and the second conductive semiconductor layer 40 may be a p-type nitride cladding layer.
  • the first conductive semiconductor layer 20 may be a p-type nitride cladding layer, and the second conductive semiconductor layer 40 may be an n-type nitride cladding layer.
  • the first conductive semiconductor layer 20 may be formed of In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1) and doped with silicon (Si). It can be formed by doping.
  • the active layer 30 is a region in which electrons and holes are recombined, and may include, for example, any one of InGaN, AlGaN, GaN, or AlInGaN, and may form the active layer 30.
  • the wavelength of the light emitted from the light emitting device 1 is determined according to the type of material used.
  • the active layer 30 may be a multilayer film in which quantum well layers and barrier layers are repeatedly formed.
  • the barrier layer and the well layer may be a binary to quaternary compound nitride-based semiconductor layer represented by In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1).
  • the barrier layer and the well layer may be formed by doping silicon (Si) or magnesium (Mg).
  • the second conductive semiconductor layer 40 may be formed of In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1), and may include zinc (Zn) or magnesium. It can be formed by doping (Mg).
  • a surface formed of a superlattice structure, an InGaN layer of a first conductivity type, an InGaN of a second conductivity type, or a nitrogen polarity is formed on the second conductive semiconductor layer 40.
  • a nitride layer or the like having a nitrogen-polar surface may be formed.
  • the light emitting device 1 may include a structure in which the first conductive semiconductor layer 20, the active layer 30, and the second conductive semiconductor layer 40 are sequentially stacked.
  • the active layer 30 is formed on a portion of the first conductive semiconductor layer 20, and the second conductive semiconductor layer 40 is formed on the active layer 30. Therefore, a portion of the upper surface of the first conductive semiconductor layer 20 is bonded to the active layer 30, and the remaining region of the upper surface of the first conductive semiconductor layer 20 is exposed to the outside.
  • the current spreading layer 50 is formed on a portion or the entire area of the upper surface of the second conductive semiconductor layer 40, and transmits the light emitted from the active layer 30 with a high transmittance.
  • the current spreading layer 50 may be formed of at least one of, for example, oxidized nickel gold (Ni-Au-O), indium tin oxide (ITO), or zinc oxide (ZnO). Ohmic contact is made with the semiconductor layer 40.
  • the current spreading layer 50 has a high light transmittance characteristic of 70% or more in the wavelength range of 600 nm or less, and is characterized by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) method. Can be formed.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the current spreading layer 50 serves to increase the luminous efficiency of the light emitting device 1 by evenly distributing the current applied through the first electrode layer 70 and the second electrode layer 60.
  • the bonding layer 80 may be formed on a portion of the upper surface of the current spreading layer 50, and may be formed of a material having a high light transmittance to transmit light generated from the active layer 30 to the outside.
  • the bonding layer 80 provides the light extraction structure layer 90 and the current spreading layer 50 to be mechanically and thermally stable.
  • the bonding layer 80 may be formed of any one of SiO 2 , SiN x , Al 2 O 3 , ZnO, ZnS, MgF 2 , or spin on glass (SOV) or chemical vapor deposition (PVD). CVD) method, and may be formed of an electrically insulating material.
  • the light extracting structure layer 90 is formed on the bonding layer 80, so that the light generated from the active layer 30 can be effectively extracted. That is, the light extracting structure layer 90 increases the light extraction efficiency by reducing the amount of light generated inside the light emitting device 1 to be totally internally reflected instead of being extracted to the outside.
  • the light extracting structure layer 90 may be divided into a first light extracting structure layer 901 not having surface irregularities or patterning introduced therein and a second light extracting structure layer 902 having surface unevenness or patterning introduced therein.
  • the second light extracting structure layer 902 is a portion in contact with the air to change the incident angle of light so that more light can be emitted to the outside.
  • the light extracting structure layer 90 may be formed of an etchable material, for example, a group III nitride compound including GaN having a hexagonal structure, or a group II oxide including ZnO. It may be formed of a material system having a transparent single crystal hexagonal structure as shown.
  • the second light extracting structure layer 902 has a negative polarity that is a non-metallic surface rather than an epitaxial positive polarity hexagonal surface having a positive polarity that is a metallic surface. It is preferable to have a single crystal hexagonal crystal surface having an epitaxial negative polarity hexagonal surface or a single crystal hexagonal crystal surface having a polarity in which the positive and negative polarities are mixed.
  • the second light extracting structure layer 902 is a group III-nitride-based or oxygen polarity having nitrogen polarity in which surface irregularities or patterning is easily formed in a pyramid shape in an etching solution. It can be formed of a transparent single crystal hexagonal structure such as a group 2 oxide-based having a).
  • the light extracting structure layer 90 may be formed of a poly-crystal or amorphous transparent hexagonal structure in addition to the single crystal.
  • the light extracting structure layer 90 may be a dopant element or another layer to perform a luminescent, anti-reflective, or light filtering role. It may be formed of a transparent hexagonal structure containing.
  • the second electrode layer 60 is formed on the current spreading layer 50 exposed to the atmosphere after removing a portion of the bonding layer 80 and the light extracting structure layer 90. At least a portion of the second electrode layer 60 overlaps the coupling layer 80 in the horizontal direction.
  • the second electrode layer 60 may be formed including at least one of Cr, Al, Ag, Ti, Au, Pt, or Pd, and may be formed of, for example, a metal such as a Cr-Au alloy.
  • the second electrode layer 60 may form a schottky contact with the current spreading layer 50, but may also form an ohmic contact.
  • the second electrode layer 60 is formed of a Cr-Au alloy, not only the adhesion with the current spreading layer 50 may be improved, but also a schottky contact interface may be formed with the current spreading layer 50. have.
  • the first electrode layer 70 is formed on the first conductive semiconductor layer 20. At least a portion of the first electrode layer 70 overlaps the first conductive semiconductor layer 20 in a horizontal direction.
  • the first electrode layer 70 may include at least one of Cr, Al, Ag, Ti, Au, Pt, or Pd.
  • the first electrode layer 70 may be formed of a metal such as a Cr-Al alloy. .
  • the first electrode layer 60 forms an ohmic contact with the first conductive semiconductor layer 20.
  • the adhesion between the first conductive semiconductor layer 20 and the semiconductor layer 20 of the first conductive type is improved as well.
  • An ohmic contact interface can be formed.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a light emitting device according to a second embodiment.
  • the light emitting device 2 may include a buffer layer 110, a first conductive semiconductor layer 20, an active layer 30, and a second conductive type on the growth substrate 10.
  • Semiconductor layer 40, current spreading layer 50, coupling layer 80, light extracting structure layer 90, conductive via 903, and third light extracting structure layer 904 are formed. do.
  • a first electrode layer 70 is formed on the first conductive semiconductor layer 20, and a second electrode layer 60 is formed on the third light extracting structure layer 90.
  • the growth substrate 10 may be formed of, for example, a material such as sapphire or silicon carbide (SiC).
  • the buffer layer 110 may be formed of a material such as AlN or GaN to improve lattice matching between the growth substrate 10 and the light emitting semiconductor layer.
  • the first conductive semiconductor layer 20 may be an n-type nitride cladding layer, and the second conductive semiconductor layer 40 may be a p-type nitride cladding layer.
  • the first conductive semiconductor layer 20 may be a p-type nitride cladding layer, and the second conductive semiconductor layer 40 may be an n-type nitride cladding layer.
  • the first conductive semiconductor layer 20 may be formed of In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1) and doped with silicon (Si). It can be formed by doping.
  • the active layer 30 is a region in which electrons and holes are recombined, and may include, for example, any one of InGaN, AlGaN, GaN, or AlInGaN, and may form the active layer 30.
  • the wavelength of the light emitted from the light emitting element 2 is determined according to the type of material used.
  • the active layer 30 may be a multilayer film in which quantum well layers and barrier layers are repeatedly formed.
  • the barrier layer and the well layer may be a binary to quaternary compound nitride-based semiconductor layer represented by In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1).
  • the barrier layer and the well layer may be formed by doping silicon (Si) or magnesium (Mg).
  • the second conductive semiconductor layer 40 may be formed of In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1), and may include zinc (Zn) or magnesium. It can be formed by doping (Mg).
  • a surface formed of a superlattice structure, an InGaN layer of a first conductivity type, an InGaN of a second conductivity type, or a nitrogen polarity is formed on the second conductive semiconductor layer 40.
  • a nitride layer or the like having a nitrogen-polar surface may be formed.
  • the light emitting device 2 may include a structure in which the first conductive semiconductor layer 20, the active layer 30, and the second conductive semiconductor layer 40 are sequentially stacked.
  • the active layer 30 is formed on a portion of the first conductive semiconductor layer 20, and the second conductive semiconductor layer 40 is formed on the active layer 30. Therefore, a portion of the upper surface of the first conductive semiconductor layer 20 is bonded to the active layer 30, and the remaining region of the upper surface of the first conductive semiconductor layer 20 is exposed to the outside.
  • the current spreading layer 50 may be formed in the entire area of the upper surface of the second conductive semiconductor layer 40, and transmits the light emitted from the active layer 30 with a high transmittance.
  • the current spreading layer 50 may be formed of at least one of, for example, oxidized nickel gold (Ni-Au-O), indium tin oxide (ITO), or zinc oxide (ZnO). Ohmic contact is made with the semiconductor layer 40.
  • the current spreading layer 50 has a high light transmittance characteristic of 70% or more in the wavelength range of 600 nm or less, and is characterized by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) method. Can be formed.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the current spreading layer 50 serves to increase the luminous efficiency of the light emitting device 1 by evenly distributing the current applied through the first electrode layer 70 and the second electrode layer 60.
  • the bonding layer 80 may be formed on the current spreading layer 50, and may be formed of a material having high light transmittance to transmit light generated in the active layer 30 to the outside.
  • the bonding layer 80 provides the light extraction structure layer 90 and the current spreading layer 50 to be mechanically and thermally stable.
  • the bonding layer 80 may be formed of any one of SiO 2 , SiN x , Al 2 O 3 , ZnO, ZnS, MgF 2 , or spin on glass (SOV) or chemical vapor deposition (PVD). CVD) method, and may be formed of an electrically insulating material.
  • the light extracting structure layer 90 is formed on the bonding layer 80, so that the light generated from the active layer 30 can be effectively extracted. That is, the light extracting structure layer 90 increases the light extraction efficiency by reducing the amount of light generated inside the light emitting device 2 is not totally reflected outside but totally reflected inside.
  • the light extracting structure layer 90 may be divided into a first light extracting structure layer 901 not having surface irregularities or patterning introduced therein and a second light extracting structure layer 902 having surface unevenness or patterning introduced therein.
  • the second light extracting structure layer 902 is a portion in contact with the air to change the incident angle of light so that more light can be emitted to the outside.
  • the light extracting structure layer 90 may be formed of an electrically conductive material that can be etched, for example, a Group 3 nitride group including GaN having a hexagonal structure, or a Group 2 including ZnO. It may be formed of a material system having a transparent single crystal hexagonal structure such as an oxide system.
  • the second light extracting structure layer 902 has a negative polarity that is a non-metallic surface rather than an epitaxial positive polarity hexagonal surface having a positive polarity that is a metallic surface.
  • An epitaxial negative polarity hexagonal surface having a single crystal or an epitaxial mixed polarity hexagonal surface having a polarity in which the positive and negative polarities are mixed is preferable.
  • the second light extracting structure layer 902 is a group III-nitride-based or oxygen polarity having nitrogen polarity in which surface irregularities or patterning is easily formed in a pyramid shape in an etching solution. It can be formed of a transparent single crystal hexagonal structure such as a group 2 oxide-based having a).
  • the light extracting structure layer 90 may be formed of a poly-crystal or amorphous transparent hexagonal structure in addition to the single crystal.
  • the light extracting structure layer 90 may be a dopant element or another layer to perform a luminescent, anti-reflective, or light filtering role. It may be formed of a transparent hexagonal structure containing.
  • the conductive via 903 is formed through the bonding layer 80 and electrically connects the upper structure and the lower structure of the bonding layer 80. That is, the conductive via 903 may include the current spreading layer 50 in at least one of the first light extracting structure layer 901, the second light extracting structure layer 902, or the third light extracting structure layer 903. Electrically connected to either.
  • the conductive via 903 may be formed by filling a via hole formed in the coupling layer 80 and the first light extracting structure layer 901 with a material such as transparent ITO or ZnO having electrical conductivity.
  • the third light extracting structure layer 904 is formed on the second light extracting structure layer 902 and may be formed of a material such as ITO or ZnO that is optically transparent and has electrical conductivity.
  • the third light extracting structure layer 904 is not necessarily formed, and when the third light extracting structure layer 904 is not formed, the second electrode layer 60 may be formed of the second light extracting structure layer ( 902 may be formed.
  • the second electrode layer 60 is formed on the third light extracting structure layer 904.
  • the second electrode layer 60 may be formed including at least one of Cr, Al, Ag, Ti, Au, Pt, or Pd, and may be formed of, for example, a metal such as a Cr-Au alloy.
  • the second electrode layer 60 may form a schottky contact with the third light extracting structure layer 904, but may also form an ohmic contact.
  • the second electrode layer 60 is formed of Cr-Au alloy, not only the adhesion with the third light extracting structure layer 904 can be improved, but also the third light extracting structure layer 904 and the schottky.
  • the contact interface can be formed.
  • the first electrode layer 70 is formed on the first conductive semiconductor layer 20.
  • the first electrode layer 70 may include at least one of Cr, Al, Ag, Ti, Au, Pt, or Pd.
  • the first electrode layer 70 may be formed of a metal such as a Cr-Al alloy. .
  • the first electrode layer 60 forms an ohmic contact with the first conductive semiconductor layer 20.
  • the adhesion between the first conductive semiconductor layer 20 and the semiconductor layer 20 of the first conductive type is improved as well.
  • An ohmic contact interface can be formed.
  • 3 to 14 illustrate a method of manufacturing the light emitting device according to the first embodiment.
  • a buffer layer 101 is formed on a growth substrate 10, and a first conductive semiconductor layer 20, an active layer 30, and a second conductive semiconductor are formed on the buffer layer 101.
  • the light emitting semiconductor layer including the layer 40 is formed.
  • the growth substrate 10 may be formed of a material such as sapphire or silicon carbide (SiC), and a patterned or corrugated substrate may be used.
  • the buffer layer 110 may be formed of a material such as AlN or GaN to improve lattice matching between the growth substrate 10 and the light emitting semiconductor layer.
  • the first conductive semiconductor layer 20 may be formed of In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1) and doped with silicon (Si). It can be formed by doping.
  • the active layer 30 is a region where electrons and holes are recombined, and may include, for example, any one of InGaN, AlGaN, GaN, or AlInGaN.
  • the active layer 30 may be a multilayer film in which quantum well layers and barrier layers are repeatedly formed.
  • the barrier layer and the well layer may be a binary to quaternary compound nitride-based semiconductor layer represented by In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1).
  • the barrier layer and the well layer may be formed by doping silicon (Si) or magnesium (Mg).
  • the second conductive semiconductor layer 40 may be formed of In x Al y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1), and may include zinc (Zn) or magnesium. It can be formed by doping (Mg).
  • a surface formed of a superlattice structure, an InGaN layer of a first conductivity type, an InGaN of a second conductivity type, or a nitrogen polarity is formed on the second conductive semiconductor layer 40.
  • a nitride layer or the like having a nitrogen-polar surface may be formed.
  • a current spreading layer 50 is formed on the second conductive semiconductor layer 40.
  • the current spreading layer 50 may be formed of at least one of, for example, oxidized nickel gold (Ni-Au-O), indium tin oxide (ITO), or zinc oxide (ZnO). Ohmic contact is made with the semiconductor layer 40.
  • the current spreading layer 50 has a high light transmittance characteristic of 70% or more in the wavelength range of 600 nm or less, and physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (PVD) in a temperature range of room temperature to 600 ° C or less. It may be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.
  • PVD physical vapor deposition
  • PVD chemical vapor deposition
  • an additional annealing process is performed after depositing the current spreading layer 50 on the second conductive semiconductor layer 40. It can also be done.
  • a temporary substrate 11 is prepared, and a sacrificial separation layer 120 and a light extraction layer 91 for forming a light extraction structure layer are formed on the temporary substrate 11. To form.
  • the temporary substrate 11 is preferably selected from the same material as the growth substrate 10, but is not necessarily selected to be the same material.
  • the temporary substrate 11 may be formed of a material having light transmittance of 50% or more in a wavelength range of 600 nm or less, such as Al 2 O 3 , SiC, glass, AlGaN, AlN, GaN, InGaN, or GaAs, Si. Easily etched materials such as may be used.
  • the sacrificial separation layer 120 may form the temporary substrate 11 through a chemical reaction using an etching solution or a chemical and thermo-chemical decomposition reaction using a photo-beam. It may be formed of a material system that is advantageous to lift-off from the light extraction layer 91.
  • the light extraction layer 91 may be formed of an etchable material, and may include, for example, a group III nitride compound including GaN having a hexagonal structure or a group II oxide including ZnO. As a material system having a transparent single crystal hexagonal structure, it may be formed by a method such as MOCVD, MBE, PVD, CVD, and the like.
  • FIG. 6 a composite 3 in which the structure shown in FIG. 4 and the structure shown in FIG. 5 is coupled through a bonding layer 80 is formed.
  • the bonding layer 80 is disposed between the current spreading layer 5 and the light extraction layer 91 and then bonded to form the composite 3.
  • the coupling layer 80 is positioned between the current spreading layer 50 and the light extraction layer 91 to allow the current spreading layer 50 and the light extraction layer 91 to be mechanically and thermally stably coupled.
  • the bonding layer 80 may be formed by physical vapor deposition (PVD) or chemically forming an electrically insulating material system such as SiO 2 , SiN x , Al 2 O 3 , ZnO, ZnS, MgF 2 , or spin on glass It may be formed through a vapor deposition (CVD) method.
  • an isolation etching process may be performed on the structure formed on the growth substrate 10 and the structure formed on the temporary substrate 11 to set a predetermined dimension. It can also be separated into a unit element of the shape (shape).
  • the temporary substrate 11 is separated from the composite 3 illustrated in FIG. 6. 7 and 8 illustrate two methods of separating the temporary substrate 11.
  • the photon beam 12 is a beam of a specific wavelength is selected and used, the temporary substrate 11 is transmitted, but the strong absorption occurs in the sacrificial separation layer and the high heat is generated to form the sacrificial separation layer Decompose material.
  • the temporary substrate 11 is separated by selectively removing the sacrificial separation layer 120 through a chemical decomposition reaction using the etching solution 13.
  • the support substrate 11 may be removed through a chemical mechanical polishing (CMP) process, which is a polishing process or a chemical-mechanical process.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the light extracting layer 91 is exposed as the temporary substrate 11 is separated, thereby forming surface texturing or patterning on the surface of the light extracting layer 91.
  • the second light extracting structure layer 902 is formed.
  • isolation etching is performed to selectively expose the growth substrate 10 by selectively removing the second light extracting structure layer 902 to the buffer layer 110.
  • the structure of FIG. 9 is separated into unit elements having a predetermined dimension and shape through the isolation etching process.
  • an etching process is performed such that the current spreading layer 50 and the first conductive semiconductor layer 20 are partially exposed, and the second spreading layer 50 is disposed on the current spreading layer 50.
  • the electrode layer 60 is formed.
  • a first electrode layer 70 is formed on the first conductive semiconductor layer 20.
  • 12 and 14 are cross-sectional views of one unit device separated by the isolation etching process.
  • the light emitting device 1 according to the first embodiment can be manufactured.
  • the manufacturing method of the light emitting device 2 according to the second embodiment is similar to the manufacturing method of the light emitting device 1 according to the first embodiment described with reference to FIGS. 3 to 14.
  • a via hole is formed through the first light extracting structure layer 901 and the coupling layer 80 in a process corresponding to FIG. 9 of the first embodiment. Thereafter, the via hole is filled with an electrically conductive material to form a conductive via 903.
  • a third light extracting structure layer 904 is formed on the second light extracting structure layer 902 and the semiconductor layer of the first conductivity type is formed. Etch only (20) to partially expose it.
  • a second electrode layer 60 is formed on the third light extracting structure layer 904, and a first electrode layer 70 is formed on the first conductive semiconductor layer 20.
  • the light emitting device 2 according to the second embodiment can be manufactured.
  • the embodiment can be applied to a light emitting device including a light emitting diode.

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Abstract

실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 전류 퍼짐층; 상기 전류 퍼짐층 상에 결합층; 및 상기 결합층 상에 광 추출 구조층을 포함한다.

Description

발광소자 및 그 제조방법
본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 발광소자로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)가 각광 받고 있다. 발광 다이오드는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 평균 5년 이상으로 길기 때문에, 에너지 소모와 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어 차세대 조명 분야에서 주목받고 있다.
상기 발광 다이오드는 제1 도전형의 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 반도체층을 포함하여 구성되며, 상기 제1 도전형의 반도체층 및 제2 도전형의 반도체층을 통해 인가되는 전류에 따라 상기 활성층에서 빛을 발생시킨다.
한편, 상기 발광 다이오드는 상기 제2 도전형의 반도체층에서 넓은 면적으로 전류가 잘 퍼질 수 있도록 하는 전류 퍼짐층(current spreading layer)이 요구되며, 상기 활성층에서 발생된 빛이 내부에서 소멸되지 않고 최대한 발광 다이오드의 외부로 방출될 수 있도록 상기 전류 퍼짐층 상에 광 추출 구조가 요구된다.
그러나, 상기 전류 퍼짐층 상에 광 추출 구조를 형성하는 것이 용이하지 않으며, 광 추출 구조를 형성하는 과정에서 상기 전류 퍼짐층이 손상되는 문제가 발생될 수도 있다.
실시예는 새로운 구조의 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예는 광 추출 구조가 형성된 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예는 광 효율이 증가된 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 전류 퍼짐층; 상기 전류 퍼짐층 상에 결합층; 및 상기 결합층 상에 광 추출 구조층을 포함한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 전류 퍼짐층; 상기 전류 퍼짐층 상에 결합층; 상기 결합층 상에 광 추출 구조층; 및 상기 결합층을 관통하여 상기 전류 퍼짐층과 상기 광 추출 구조층을 전기적으로 연결하는 도전비아를 포함한다.
실시예에 따른 발광소자 제조방법은 성장 기판 상에 제1 도전형의 반도체층, 활성층, 제2 도전형의 반도체층을 포함하는 발광 반도체층과, 상기 발광 반도체층 상에 전류 퍼짐층을 형성하는 단계; 임시 기판 상에 희생 분리층과, 상기 희생 분리층 상에 광 추출층을 형성하는 단계; 상기 전류 퍼짐층과 상기 광 추출층 사이에 결합층을 배치하고 결합하여 복합체를 형성하는 단계; 상기 복합체에서 상기 희생 분리층과 임시 기판을 제거하는 단계; 상기 광 추출층의 표면에 요철 또는 패터닝을 형성하는 단계; 및 상기 전류 퍼짐층 및 제1 도전형의 반도체층이 부분적으로 노출되도록 식각 공정을 진행하여 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층 및 상기 전류 퍼짐층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 발광소자 제조방법은 성장 기판 상에 제1 도전형의 반도체층, 활성층, 제2 도전형의 반도체층을 포함하는 발광 반도체층과, 상기 발광 반도체층 상에 전류 퍼짐층을 형성하는 단계; 임시 기판 상에 희생 분리층과, 상기 희생 분리층 상에 광 추출층을 형성하는 단계; 상기 전류 퍼짐층과 상기 광 추출층 사이에 결합층을 배치하고 결합하여 복합체를 형성하는 단계; 상기 복합체에서 상기 희생 분리층과 임시 기판을 제거하는 단계; 상기 광 추출층의 표면에 요철 또는 패터닝을 형성하는 단계; 상기 광 추출층 및 상기 결합층을 관통하는 비아홀을 형성하고 상기 비아홀 내에 전기 도전성 물질을 충진하는 단계; 및 상기 제1 도전형의 반도체층이 부분적으로 노출되도록 식각 공정을 진행하여 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층을 형성하고, 상기 광 추출층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예는 새로운 구조의 발광소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
실시예는 광 추출 구조가 형성된 발광소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
실시예는 광 효율이 증가된 발광소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 제2 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 3 내지 도 14는 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하는 도면.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하아래(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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광소자(1)는 성장 기판(10) 상에 버퍼층(110), 제1 도전형의 반도체층(20), 활성층(30), 제2 도전형의 반도체층(40), 전류 퍼짐층(current spreading layer)(50), 결합층(80) 및 광 추출 구조층(90)이 형성된다. 또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(20) 상에 제1 전극층(70)이 형성되며, 상기 전류 퍼짐층(50) 상에 제2 전극층(60)이 형성된다.
상기 성장 기판(10)은 예를 들어, 사파이어(sapphire) 또는 실리콘카바이드(SiC)와 같은 재질로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(110)은 상기 성장 기판(10)과 발광 반도체층의 격자 정합을 향상시키기 위한 것으로 AlN 또는 GaN과 같은 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 n형 질화물계 클래드층이 될 수 있고, 상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 p형 질화물계 클래드층이 될 수 있다. 반대로, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 p형 질화물계 클래드층이 될 수도 있고, 상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 n형 질화물계 클래드층이 될 수도 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.
상기 활성층(30)은 전자(electron) 및 정공(hole)이 재결합되는 영역으로서, 예를 들어, InGaN, AlGaN, GaN, 또는 AlInGaN 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 활성층(30)을 사용되는 물질의 종류에 따라 상기 발광소자(1)에서 방출되는 빛의 파장이 결정된다.
상기 활성층(30)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 질화물계 반도체층일 수 있다. 또한, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.
상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.
또한, 비록 도시되지는 않았지만, 상기 제2 도전형의 반도체층(40) 상에는 슈퍼래티스 구조(spuerlattice structure), 제1 도전형의 InGaN층, 제2 도전형의 InGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 질화물층 등이 형성될 수도 있다.
상기 발광소자(1)는 상기 제1 도전형의 반도체층(20), 상기 활성층(30), 그리고 상기 제2 도전형의 반도체층(40)이 연속적으로 적층된 구조를 포함할 수 있으며, 상기 활성층(30)은 상기 제1 도전형의 반도체층(20)의 일부 영역 상에 형성되며, 상기 활성층(30) 상에 제2 도전형의 반도체층(40)이 형성된다. 따라서, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)의 상면 일부 영역은 상기 활성층(30)과 접합되어 있으며, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)의 상면 나머지 영역은 외부로 노출된다.
한편, 상기 전류 퍼짐층(50)은 상기 제2 도전형의 반도체층(40)의 상면의 일부 또는 전체 영역에 형성되며, 상기 활성층(30)에서 방출된 빛을 높은 투과율로 투과시킨다.
상기 전류 퍼짐층(50)은 예를 들어, 산화된 니켈금(Ni-Au-O), 인디움틴산화막(ITO), 또는 아연산화막(ZnO) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으며 상기 제2 도전형의 반도체층(40)과 오믹접촉을 형성한다.
상기 전류 퍼짐층(50)은 600nm 이하의 파장 영역 대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 지니며, 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 전류 퍼짐층(50)은 상기 제1 전극층(70) 및 제2 전극층(60)을 통해 인가되는 전류를 골고루 분산시킴으로써 발광소자(1)의 발광 효율을 높이는 역할을 한다.
상기 결합층(80)은 상기 전류 퍼짐층(50)의 상면 일부 영역 상에 형성되며, 광 투과율이 높은 재질로 형성되어 상기 활성층(30)에서 발생된 빛을 외부로 투과되도록 할 수 있다.
또한, 상기 결합층(80)은 상기 광 추출 구조층(90)과 상기 전류 퍼짐층(50)을 기계적 및 열적으로 안정적으로 결합시켜 준다.
예를 들어, 상기 결합층(80)은 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, 또는 SOG(spin on glass) 중 어느 하나로 물리적 증기 증착(PVD) 또는 화학적 증기 증착(CVD) 방법에 의해 형성될 수 있으며, 전기 절연성 물질로 형성될 수 있다.
상기 광 추출 구조층(90)은 상기 결합층(80) 상에 형성되고, 상기 활성층(30)에서 발생된 빛이 효과적으로 추출될 수 있도록 한다. 즉, 상기 광 추출 구조층(90)은 상기 발광소자(1) 내부에서 생성된 빛이 외부로 추출되지 못하고 내부로 전반사되는 양을 감소시켜 광 추출 효율을 증가시킨다.
상기 광 추출 구조층(90)은 표면 요철 또는 패터닝이 도입되지 않은 제1 광 추출 구조층(901)과 표면 요철 또는 패터닝이 도입된 제2 광 추출 구조층(902)으로 구분할 수 있다. 특히, 상기 제2 광 추출 구조층(902)은 대기(air)와 접한 부분으로서 빛의 입사각을 변화시켜 보다 많은 빛이 외부로 방출될 수 있도록 한다.
상기 광추출 구조층(90)은 식각(etching) 가능한 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 육방정계의 구조를 갖는 GaN을 포함하는 그룹 3족 질화물계 또는 ZnO을 포함하는 그룹 2족 산화물계와 같이 투명성 단결정 육방정계 구조의 물질계로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 광 추출 구조층(902)은 금속성 표면(metallic surface)인 양성 극성을 갖는 단결정 육방정계 결정 표면(epitaxial positive polarity hexagonal surface)보다는 비금속성 표면(non-metallic surface)인 음성 극성을 갖는 단결정 육방정계 결정 표면(epitaxial negative polarity hexagonal surface) 또는 상기 양성 극성 및 음성 극성이 혼합된 극성을 갖는 단결정 육방정계 결정 표면(epitaxial mixed polarity hexagonal surface)이 바람직하다.
예를 들어, 상기 제2 광 추출 구조층(902)은 식각 용액 속에서 용이하게 피라미드 형상으로 표면 요철 또는 패터닝이 형성되는 질소 극성(nitrogen polarity)을 갖는 그룹 3족 질화물계 또는 산소 극성(oxygen polarity)을 갖는 그룹 2족 산화물계와 같은 투명성 단결정 육방정계 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광 추출 구조층(90)은 단결정(epitaxy) 이외에도, 다결정체(poly-crystal) 또는 비정질(amorphous)의 투명성 육방정계 구조로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 광 추출 구조층(90)은 형광성(luminescent), 비반사성(anti-reflective), 또는 광 필터링(light filtering) 역할을 수행 할 수 있도록 도판트(dopant) 원소 내지 또 다른 층(layer)을 포함하고 있는 투명성 육방정계 구조로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(60)은 상기 결합층(80) 및 상기 광 추출 구조층(90)의 일부 영역을 제거한 후, 대기 중에 노출된 상기 전류 퍼짐층(50)의 상부에 형성된다. 상기 제2 전극층(60)은 적어도 일부분이 상기 결합층(80)과 수평 방향에서 오버랩된다.
상기 제2 전극층(60)은 Cr, Al, Ag, Ti, Au, Pt, 또는 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 예를 들어 Cr-Au 합금과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(60)은 상기 전류 퍼짐층(50)과 쇼키접촉(schottky contact)을 형성하는 것이 바람직하나, 오믹접촉(ohmic contact)을 형성하는 것도 가능하다.
상기 제2 전극층(60)이 Cr-Au 합금으로 형성된 경우, 상기 전류 퍼짐층(50)과 접착력(adhesion)이 개선될 수 있을 뿐만 아니라 상기 전류 퍼짐층(50)과 쇼키접촉 계면을 형성할 수 있다.
상기 제1 전극층(70)은 상기 제1 도전형의 반도체층(20) 상에 형성된다. 상기 제1 전극층(70)은 적어도 일부분이 상기 제1 도전형의 반도체층(20)과 수평 방향에서 오버랩된다.
상기 제1 전극층(70)은 Cr, Al, Ag, Ti, Au, Pt, 또는 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, Cr-Al 합금과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극층(60)은 상기 제1 도전형의 반도체층(20)과 오믹접촉(ohmic contact)을 형성한다.
상기 제1 전극층(70)은 Cr-Al 합금으로 형성된 경우, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)과 접착력(adhesion)이 개선될 뿐만 아니라 상기 제1 도전형의 반도체층(20)과의 오믹접촉(ohmic contact) 계면을 형성할 수 있다.
도 2는 제2 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광소자(2)는 성장 기판(10) 상에 버퍼층(110), 제1 도전형의 반도체층(20), 활성층(30), 제2 도전형의 반도체층(40), 전류 퍼짐층(current spreading layer)(50), 결합층(80), 광 추출 구조층(90), 도전비아(903) 및 제3 광 추출 구조층(904)이 형성된다. 또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(20) 상에 제1 전극층(70)이 형성되며, 상기 제3 광 추출 구조층(90) 상에 제2 전극층(60)이 형성된다.
상기 성장 기판(10)은 예를 들어, 사파이어(sapphire) 또는 실리콘카바이드(SiC)와 같은 재질로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(110)은 상기 성장 기판(10)과 발광 반도체층의 격자 정합을 향상시키기 위한 것으로 AlN 또는 GaN과 같은 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 n형 질화물계 클래드층이 될 수 있고, 상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 p형 질화물계 클래드층이 될 수 있다. 반대로, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 p형 질화물계 클래드층이 될 수도 있고, 상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 n형 질화물계 클래드층이 될 수도 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.
상기 활성층(30)은 전자(electron) 및 정공(hole)이 재결합되는 영역으로서, 예를 들어, InGaN, AlGaN, GaN, 또는 AlInGaN 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 활성층(30)을 사용되는 물질의 종류에 따라 상기 발광소자(2)에서 방출되는 빛의 파장이 결정된다.
상기 활성층(30)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 질화물계 반도체층일 수 있다. 또한, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.
상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.
또한, 비록 도시되지는 않았지만, 상기 제2 도전형의 반도체층(40) 상에는 슈퍼래티스 구조(spuerlattice structure), 제1 도전형의 InGaN층, 제2 도전형의 InGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 질화물층 등이 형성될 수도 있다.
상기 발광소자(2)는 상기 제1 도전형의 반도체층(20), 상기 활성층(30), 그리고 상기 제2 도전형의 반도체층(40)이 연속적으로 적층된 구조를 포함할 수 있으며, 상기 활성층(30)은 상기 제1 도전형의 반도체층(20)의 일부 영역 상에 형성되며, 상기 활성층(30) 상에 제2 도전형의 반도체층(40)이 형성된다. 따라서, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)의 상면 일부 영역은 상기 활성층(30)과 접합되어 있으며, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)의 상면 나머지 영역은 외부로 노출된다.
한편, 상기 전류 퍼짐층(50)은 상기 제2 도전형의 반도체층(40)의 상면의 전체 영역에 형성될 수 있으며, 상기 활성층(30)에서 방출된 빛을 높은 투과율로 투과시킨다.
상기 전류 퍼짐층(50)은 예를 들어, 산화된 니켈금(Ni-Au-O), 인디움틴산화막(ITO), 또는 아연산화막(ZnO) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으며 상기 제2 도전형의 반도체층(40)과 오믹접촉을 형성한다.
상기 전류 퍼짐층(50)은 600nm 이하의 파장 영역 대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 지니며, 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 전류 퍼짐층(50)은 상기 제1 전극층(70) 및 제2 전극층(60)을 통해 인가되는 전류를 골고루 분산시킴으로써 발광소자(1)의 발광 효율을 높이는 역할을 한다.
상기 결합층(80)은 상기 전류 퍼짐층(50) 상에 형성되며, 광 투과율이 높은 재질로 형성되어 상기 활성층(30)에서 발생된 빛을 외부로 투과되도록 할 수 있다.
또한, 상기 결합층(80)은 상기 광 추출 구조층(90)과 상기 전류 퍼짐층(50)을 기계적 및 열적으로 안정적으로 결합시켜 준다.
예를 들어, 상기 결합층(80)은 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, 또는 SOG(spin on glass) 중 어느 하나로 물리적 증기 증착(PVD) 또는 화학적 증기 증착(CVD) 방법에 의해 형성될 수 있으며, 전기 절연성 물질로 형성될 수 있다.
상기 광 추출 구조층(90)은 상기 결합층(80) 상에 형성되고, 상기 활성층(30)에서 발생된 빛이 효과적으로 추출될 수 있도록 한다. 즉, 상기 광 추출 구조층(90)은 상기 발광소자(2) 내부에서 생성된 빛이 외부로 추출되지 못하고 내부로 전반사되는 양을 감소시켜 광 추출 효율을 증가시킨다.
상기 광 추출 구조층(90)은 표면 요철 또는 패터닝이 도입되지 않은 제1 광 추출 구조층(901)과 표면 요철 또는 패터닝이 도입된 제2 광 추출 구조층(902)으로 구분할 수 있다. 특히, 상기 제2 광 추출 구조층(902)은 대기(air)와 접한 부분으로서 빛의 입사각을 변화시켜 보다 많은 빛이 외부로 방출될 수 있도록 한다.
상기 광추출 구조층(90)은 식각(etching) 가능한 전기 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 육방정계의 구조를 갖는 GaN을 포함하는 그룹 3족 질화물계 또는 ZnO을 포함하는 그룹 2족 산화물계와 같이 투명성 단결정 육방정계 구조의 물질계로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 광 추출 구조층(902)은 금속성 표면(metallic surface)인 양성 극성을 갖는 단결정 육방정계 결정 표면(epitaxial positive polarity hexagonal surface)보다는 비금속성 표면(non-metallic surface)인 음성 극성을 갖는 단결정 육방정계 결정 표면(epitaxial negative polarity hexagonal surface) 또는 상기 양성 극성 및 음성 극성이 혼합된 극성을 갖는 단결정 육방정계 결정 표면(epitaxial mixed polarity hexagonal surface)이 바람직하다.
예를 들어, 상기 제2 광 추출 구조층(902)은 식각 용액 속에서 용이하게 피라미드 형상으로 표면 요철 또는 패터닝이 형성되는 질소 극성(nitrogen polarity)을 갖는 그룹 3족 질화물계 또는 산소 극성(oxygen polarity)을 갖는 그룹 2족 산화물계와 같은 투명성 단결정 육방정계 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광 추출 구조층(90)은 단결정(epitaxy) 이외에도, 다결정체(poly-crystal) 또는 비정질(amorphous)의 투명성 육방정계 구조로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 광 추출 구조층(90)은 형광성(luminescent), 비반사성(anti-reflective), 또는 광 필터링(light filtering) 역할을 수행 할 수 있도록 도판트(dopant) 원소 내지 또 다른 층(layer)을 포함하고 있는 투명성 육방정계 구조로 형성될 수 있다.
상기 도전비아(903)는 상기 결합층(80)을 관통하여 형성되며, 상기 결합층(80)의 상부 구조와 하부 구조를 전기적으로 연결한다. 즉, 상기 도전비아(903)은 상기 전류 퍼짐층(50)을 상기 제1 광 추출 구조층(901), 제2 광 추출 구조층(902), 또는 제3 광 추출 구조층(903) 중 적어도 어느 하나와 전기적으로 연결한다.
상기 도전비아(903)는 상기 결합층(80) 및 제1 광 추출 구조층(901)에 형성된 비아홀에 투명하고 전기전도성을 갖는 ITO 또는 ZnO와 같은 물질을 충진함으로써 형성될 수 있다.
상기 제3 광 추출 구조층(904)은 상기 제2 광 추출 구조층(902) 상에 형성되며, 광학적으로 투명하고 전기전도성을 갖는 ITO 또는 ZnO와 같은 물질로 형성될 수도 있다.
상기 제3 광 추출 구조층(904)는 반드시 형성되어야 하는 것은 아니며, 상기 제3 광 추출 구조층(904)이 형성되지 않은 경우에 상기 제2 전극층(60)은 상기 제2 광 추출 구조층(902) 상에 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(60)은 상기 제3 광 추출 구조층(904) 상에 형성된다. 상기 제2 전극층(60)은 Cr, Al, Ag, Ti, Au, Pt, 또는 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 예를 들어 Cr-Au 합금과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(60)은 상기 제3 광 추출 구조층(904)과 쇼키접촉(schottky contact)을 형성하는 것이 바람직하나, 오믹접촉(ohmic contact)을 형성하는 것도 가능하다.
상기 제2 전극층(60)이 Cr-Au 합금으로 형성된 경우, 상기 제3 광 추출 구조층(904)과 접착력(adhesion)이 개선될 수 있을 뿐만 아니라 상기 제3 광 추출 구조층(904)과 쇼키접촉 계면을 형성할 수 있다.
상기 제1 전극층(70)은 상기 제1 도전형의 반도체층(20) 상에 형성된다. 상기 제1 전극층(70)은 Cr, Al, Ag, Ti, Au, Pt, 또는 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, Cr-Al 합금과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극층(60)은 상기 제1 도전형의 반도체층(20)과 오믹접촉(ohmic contact)을 형성한다.
상기 제1 전극층(70)은 Cr-Al 합금으로 형성된 경우, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)과 접착력(adhesion)이 개선될 뿐만 아니라 상기 제1 도전형의 반도체층(20)과의 오믹접촉(ohmic contact) 계면을 형성할 수 있다.
도 3 내지 도 14는 제1 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 성장 기판(10) 상에 버퍼층(101)을 형성하고, 상기 버퍼층(101) 상에 제1 도전형의 반도체층(20), 활성층(30) 및 제2 도전형의 반도체층(40)을 포함하는 발광 반도체층을 형성한다.
상기 성장 기판(10)은 사파이어(sapphire) 또는 실리콘카바이드(SiC)와 같은 재질로 형성될 수 있으며, 패터닝된 또는 주름진 표면을 갖는 기판(patterned or corrugated substrate)이 사용될 수도 있다.
상기 버퍼층(110)은 상기 성장 기판(10)과 발광 반도체층의 격자 정합을 향상시키기 위한 것으로 AlN 또는 GaN과 같은 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(20)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.
상기 활성층(30)은 전자(electron) 및 정공(hole)이 재결합되는 영역으로서, 예를 들어, InGaN, AlGaN, GaN, 또는 AlInGaN 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 활성층(30)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 질화물계 반도체층일 수 있다. 또한, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.
상기 제2 도전형의 반도체층(40)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.
또한, 비록 도시되지는 않았지만, 상기 제2 도전형의 반도체층(40) 상에는 슈퍼래티스 구조(spuerlattice structure), 제1 도전형의 InGaN층, 제2 도전형의 InGaN, 또는 질소 극성으로 형성된 표면(nitrogen-polar surface)을 갖는 질화물층 등이 형성될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제2 도전형의 반도체층(40) 상에 전류 퍼짐층(50)을 형성한다.
상기 전류 퍼짐층(50)은 예를 들어, 산화된 니켈금(Ni-Au-O), 인디움틴산화막(ITO), 또는 아연산화막(ZnO) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으며 상기 제2 도전형의 반도체층(40)과 오믹접촉을 형성한다.
상기 전류 퍼짐층(50)은 600nm 이하의 파장 영역 대에서 70% 이상의 높은 빛 투과율 특성을 지니며, 상온 내지 600℃ 이하의 온도 범위에서 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 전류 퍼짐층(50)의 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시키기 위하여 상기 제2 도전형의 반도체층(40)상에 상기 전류 퍼짐층(50)을 증착한 후 추가적인 열처리(annealing) 공정을 수행할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 임시 기판(11)을 준비하고, 상기 임시 기판(11) 상에 희생 분리층(sacrificial separation layer)(120)과, 광 추출 구조층의 형성을 위한 광 추출층(91)을 형성한다.
상기 임시 기판(11)은 상기 성장 기판(10)과 동일한 물질로 선택되는 것이 바람직하나, 반드시 동일한 물질로 선택되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 임시 기판(11)은 Al2O3, SiC, 유리, AlGaN, AlN, GaN, InGaN 등과 같이 600nm 이하의 파장 영역 대에서 50% 이상의 빛 투과율 특성을 갖는 물질, 또는 GaAs, Si 등과 같이 용이하게 식각이 되는 물질이 사용될 수 있다.
상기 희생 분리층(120)은 상기 임시 기판(11)을 식각 용액(etching solution)에 의한 화학 반응 또는 포톤 빔(photo-beam)에 의한 열-화학 분해(chemical and thermo-chemical decomposition) 반응을 통해 상기 광 추출층(91)으로부터 분리(lift-off)하는데 유리한 물질계로 형성될 수 있다.
상기 광추출층(91)은 식각(etching) 가능한 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 육방정계의 구조를 갖는 GaN을 포함하는 그룹 3족 질화물계 또는 ZnO을 포함하는 그룹 2족 산화물계와 같이 투명성 단결정 육방정계 구조의 물질계로서 MOCVD, MBE, PVD, CVD 등의 방법으로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 4에 도시된 구조물과 도 5에 도시된 구조물을 결합층(80)을 매개로 결합시킨 복합체(3)를 형성한다.
즉, 상기 전류 퍼짐층(5)과 상기 광 추출층(91) 사이에 상기 결합층(80)을 배치한 후 본딩하여 상기 복합체(3)를 형성한다.
상기 결합층(80)은 상기 전류 퍼짐층(50)과 광 추출층(91) 사이에 위치하며, 상기 전류 퍼짐층(50)과 광 추출층(91)이 기계적 및 열적으로 안정적으로 결합되도록 한다. 예를 들어, 상기 결합층(80)은 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, SOG(spin on glass) 등의 전기 절연성인 물질계를 물리적 증기 증착(PVD) 또는 화학적 증기 증착(CVD) 방법을 통해 형성할 수 있다.
한편, 상기 복합체(3)를 형성하기 전, 상기 성장 기판(10) 상에 형성된 구조물 및 상기 임시 기판(11) 상에 형성된 구조물에 대해 아이솔레이션(isolation) 식각 공정을 수행하여 미리 설정된 디멘젼(demiension)과 형상(shape)의 단위 소자로 분리할 수도 있다.
도 7과 도 8을 참조하면, 도 6에 도시된 상기 복합체(3)에서 상기 임시 기판(11)을 분리한다. 도 7과 도 8에는 상기 임시 기판(11)을 분리하는 두가지 방법에 예시되어 있다.
먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 임시 기판(11)의 후면(back-side)에 포톤 빔(12)을 조사하여 상기 희생 분리층을 열-화학 분해 반응을 통해 제거함으로써 상기 임시 기판(11)을 분리한다.
상기 포톤 빔(12)은 특정 파장의 빔이 선택되어 사용되며, 상기 임시 기판(11)은 투과하되, 상기 희생 분리층에서 강한 흡수가 일어나는 동시에 높은 열이 발생하게 되어 상기 희생 분리층을 구성하는 물질을 분해한다.
다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 식각 용액(13)을 이용하여 상기 희생 분리층(120)을 선택적으로 화학 분해 반응을 통해 제거함으로써 상기 임시 기판(11)을 분리한다.
비록 도시되지는 않았지만, 상기 지지 기판(11)은 폴리싱(polishing) 공정 또는 화학-기계적 가공인 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 통해 제거될 수도 있다.
도 9를 참조하면, 상기 임시 기판(11)을 분리함에 따라 상기 광 추출층(91)이 노출되고, 상기 광 추출층(91)의 표면에 요철(surface texturing) 또는 패터닝(patterning)을 형성함으로써 제2 광 추출 구조층(902)을 형성한다.
도 10을 참조하면, 상기 제2 광 추출 구조층(902)부터 상기 버퍼층(110)까지 선택적으로 제거함으로써 상기 성장 기판(10)이 노출되도록 하는 아이솔레이션 식각을 수행한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 도 9의 구조물은 상기 아이솔레이션 식각 공정을 통해 미리 설정된 디멘젼(demiension)과 형상(shape)의 단위 소자로 분리된다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 복합체(3)를 형성하기 전 미리 아이솔레이션 식각 공정이 수행되는 것도 가능하다.
도 11과 도 12를 참조하면, 상기 전류 퍼짐층(50) 및 상기 제1 도전형의 반도체층(20)이 부분적으로 노출되도록 식각 공정을 수행하고, 상기 전류 퍼짐층(50) 상에 제2 전극층(60)을 형성한다.
도 13과 도 14를 참조하면, 상기 제1 도전형의 반도체층(20) 상에 제1 전극층(70)을 형성한다.
참고로, 도 12 및 도 14는 상기 아이솔레이션 식각 공정에 의해 분리된 하나의 단위 소자의 단면도이다.
따라서, 제1 실시예에 따른 발광소자(1)가 제조될 수 있다.
한편, 제2 실시예에 따른 발광소자(2)의 제조방법은 도 3 내지 도 14에서 설명한 제1 실시예에 따른 발광소자(1)의 제조방법과 유사하다.
다만, 제2 실시예에 따른 발광소자(2)의 제조방법은 제1 실시예의 도 9와 대응되는 공정에서 상기 제1 광 추출 구조층(901) 및 결합층(80)을 관통하여 비아홀을 형성한 후, 상기 비아홀에 전기 전도성 물질을 충진하여 도전비아(903)를 형성한다.
이후, 제1 실시예의 도 11 내지 도 14에 대응되는 공정에서, 상기 제2 광 추출 구조층(902) 상에 제3 광 추출 구조층(904)을 형성하고, 상기 제1 도전형의 반도체층(20)만 부분적으로 노출되도록 식각한다. 그리고, 상기 제3 광 추출 구조층(904) 상에 제2 전극층(60)을 형성하고, 상기 제1 도전형의 반도체층(20) 상에 제1 전극층(70)을 형성한다.
따라서, 제2 실시예에 따른 발광소자(2)가 제조될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 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.
실시예는 발광 다이오드를 포함하는 발광소자에 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 제1 도전형의 반도체층;
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층;
    상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층;
    상기 제2 도전형의 반도체층 상에 전류 퍼짐층;
    상기 전류 퍼짐층 상에 결합층; 및
    상기 결합층 상에 광 추출 구조층을 포함하는 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 도전형의 반도체층 아래에 버퍼층 및 성장 기판을 포함하는 발광소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층을 포함하고,
    상기 제1 전극층은 적어도 일부분이 상기 제1 도전형의 반도체층과 수평 방향에서 오버랩되는 발광소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 퍼짐층 상에 제2 전극층을 포함하고,
    상기 제2 전극층은 적어도 일부분이 상기 결합층과 수평 방향에서 오버랩되는 발광소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전류 퍼짐층은 상기 제2 도전형의 반도체층과 오믹접촉을 형성하고, 상기 제2 전극층은 상기 전류 퍼짐층과 쇼키 접촉을 형성하는 발광소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 결합층은 전기 절연성 물질로 형성된 발광소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 결합층은 SiO2, SiNx, Al2O3, ZnO, ZnS, MgF2, 또는 SOG(spin on glass) 중 어느 하나로 형성된 발광소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광 추출 구조층은 표면 요철 또는 패터닝이 도입되고,
    상기 광 추출 구조층은 음성 극성을 갖는 단결정 육방정계 결정 표면(epitaxial negative polarity hexagonal surface)으로 형성되거나, 양성 극성 및 음성 극성이 혼합된 극성을 갖는 단결정 육방정계 결정 표면(epitaxial mixed polarity hexagonal surface)으로 형성되는 발광소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광 추출 구조층은 질소 극성(nitrogen polarity)을 갖는 그룹 3족 질화물계 또는 산소 극성(oxygen polarity)을 갖는 그룹 2족 산화물계로 형성되는 발광소자.
  10. 제1 도전형의 반도체층;
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 활성층;
    상기 활성층 상에 제2 도전형의 반도체층;
    상기 제2 도전형의 반도체층 상에 전류 퍼짐층;
    상기 전류 퍼짐층 상에 결합층;
    상기 결합층 상에 광 추출 구조층; 및
    상기 결합층을 관통하여 상기 전류 퍼짐층과 상기 광 추출 구조층을 전기적으로 연결하는 도전비아를 포함하는 발광소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 도전형의 반도체층 아래에 버퍼층 및 성장 기판을 포함하는 발광소자.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층 및 상기 광 추출 구조층 상에 제2 전극층을 포함하는 발광소자.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 결합층은 전기 절연성 물질로 형성된 발광소자.
  14. 성장 기판 상에 제1 도전형의 반도체층, 활성층, 제2 도전형의 반도체층을 포함하는 발광 반도체층과, 상기 발광 반도체층 상에 전류 퍼짐층을 형성하는 단계;
    임시 기판 상에 희생 분리층과, 상기 희생 분리층 상에 광 추출층을 형성하는 단계;
    상기 전류 퍼짐층과 상기 광 추출층 사이에 결합층을 배치하고 결합하여 복합체를 형성하는 단계;
    상기 복합체에서 상기 희생 분리층과 임시 기판을 제거하는 단계;
    상기 광 추출층의 표면에 요철 또는 패터닝을 형성하는 단계; 및
    상기 전류 퍼짐층 및 제1 도전형의 반도체층이 부분적으로 노출되도록 식각 공정을 진행하여 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층 및 상기 전류 퍼짐층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자 제조방법.
  15. 성장 기판 상에 제1 도전형의 반도체층, 활성층, 제2 도전형의 반도체층을 포함하는 발광 반도체층과, 상기 발광 반도체층 상에 전류 퍼짐층을 형성하는 단계;
    임시 기판 상에 희생 분리층과, 상기 희생 분리층 상에 광 추출층을 형성하는 단계;
    상기 전류 퍼짐층과 상기 광 추출층 사이에 결합층을 배치하고 결합하여 복합체를 형성하는 단계;
    상기 복합체에서 상기 희생 분리층과 임시 기판을 제거하는 단계;
    상기 광 추출층의 표면에 요철 또는 패터닝을 형성하는 단계;
    상기 광 추출층 및 상기 결합층을 관통하는 비아홀을 형성하고 상기 비아홀 내에 전기 도전성 물질을 충진하는 단계; 및
    상기 제1 도전형의 반도체층이 부분적으로 노출되도록 식각 공정을 진행하여 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층을 형성하고, 상기 광 추출층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자 제조방법.
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