KR100631981B1

KR100631981B1 - 수직구조 ３족 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100631981B1
Application number: KR1020050029044A
Authority: KR
Inventors: 이재훈; 김용천; 백형기; 공문헌; 김동우
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2006-10-11
Also published as: JP2011061219A; US20090075412A1; US8664019B2; TW200701526A; US20060225644A1; JP2006295162A; TWI307972B

Abstract

개선된 외부 광자 효율과 동작 전압 특성을 갖는 수직구조 3족 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자는, 도전성 기판과; 상기 도전성 기판 상에 순차 적층된 p형 클래드층, 활성층, n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층, 언도프 GaN층 및 n측 전극을 포함하고, 상기 언도프 GaN층 상면에는 요철 패턴이 형성되어 있다.

갈륨 질화물, 발광 소자, LED, 외부 광자 효율

Description

수직구조 ３족 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법{Vertical Group Ⅲ-Nitride Light Emitting Device and Method for Manufacturing the Same}

도 1은 종래의 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 일례를 나타내는 측단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자를 나타내는 측단면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자를 나타내는 측단면도이다.

도 4 내지 도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 11은 도 5의 기판 상면에 형성된 요철 패턴을 나타내는 평면도이다.

도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자 상부에 형성된 요철 패턴을 나타내는 SEM 사진이다.

도 13은 도 12의 요철 패턴을 확대한 SEM 사진이다.

도 14 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 17은 제1 기판 상면에 형성된 요철 패턴의 다양한 실시예를 나타내는 부 분 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 도전성 기판 103: 반사층

105: p형 클래드층 107: 활성층

109: n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층 111: 언도프 GaN층

110: n형 클래드층 121: 요철 패턴

123: n측 전극

본 발명은 3족 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 개선된 광 추출 효율을 갖는 수직구조 3족 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

3족 질화물 반도체를 포함하는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)가 개발된 후, LCD 백라이트(LCD backlight), 휴대폰의 키패드 및 조명용 광원 등 다양한 분야에서 LED가 광원으로 사용되고 있다. 다양한 용도의 LED를 개발하는 데에 있어서, LED의 발광 효율과 열방출 특성이 중요한 문제로 대두되고 있다. LED의 발 광 효율은 빛의 생성효율, 빛의 외부 광자 효율 및 형광체에 의해 증폭되는 효율에 의해 결정되는데, 그 중에서 가장 큰 문제는 외부 광자 효율, 즉 생성된 빛이 외부로 추출되는 효율이 낮다는 것이다. 빛이 LED 소자 밖으로 추출되는 것에 대한 가장 큰 장애는, 내부 전반사로 인한 빛의 소멸이다. 즉, LED 소자 경계면에서 큰 굴절율 차이로 인해, 생성된 빛의 약 20% 만이 소자 경계면 밖으로 추출되고, 계면을 빠져나가지 못한 빛은 계면에서 전반사하여 소자 내부를 진행(traveling)하다가 열로 감쇠되어 버린다. 결과적으로 LED 소자의 발열량은 증가되고 소자의 외부 추출 효율은 감소되며, 소자의 수명은 단축되어진다.

이러한 문제를 해결하고자 여러가지 외부 광자 효율 개선 방법이 제안되어 왔다. 예를 들어, 표면에 도달한 광자가 랜덤하게 산란되도록 LED 소자의 표면에 표면 패턴 또는 표면 텍스쳐(texture)를 형성하는 방법, LED 소자의 모양을 절두형의 역피라미드형(truncated inverted pyramid) 으로 만드는 방법 등이 있다. 또한, 최근에는, 특정 파장의 광자만을 선택적으로 투과 또는 반사시키도록 LED 표면을 패터닝하여 광자 결정(photonic crystal)을 형성하는 방법이 시도되고 있다. 또한, 두꺼운 사파이어 기판을 분리 및 제거하고 열전도율이 양호한 금속기판을 재부착하여 얻은 박막의 수직구조 GaN계 LED가 현재는 가장 좋은 추출 효율(약 72 %)을 나타내고 있다. Daisuke Morita et al.의 "Watt-Class High-Output-Power 365nm Ultraviolet Light-Emitting Diodes", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No. 9A, 2004, pp. 5945-5950에는, n-AlGaN 콘택층 상면에 요철 패턴을 갖 는 수직구조 GaN계 LED 소자 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.

도 1은 종래의 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 일례를 나타내는 측단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 3족 질화물 발광 소자(10)는 도전성 기판(11) 상에 순차적으로 적층된 도전성 접착층(12), 금속 반사층(13), p-도프(doped) AlGaN 콘택층(14), p-도프 AlGaN 클래드층(15), 다중 양자우물 구조의 활성층(16) 및 n-도프 AlGaN 콘택층(17)을 포함한다. n-도프 AlGaN 콘택층(17) 상에는 n측 전극(18)이 형성되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 외부로 노출된 n-도프 AlGaN 콘택층(17)의 상면에는 요철 패턴(21)이 형성되어 있다. 발광 소자(10) 내부로부터 요철 패턴(21)에 도달한 광자는, 요철 패턴(21)에서 산란되어 외부로 추출될 확률이 높아지게 된다. 결국, 공기 또는 에폭시 수지 등의 외부 환경과 AlGaN 물질 간의 큰 굴절율 차이에도 불구하고, 외부 광자 효율의 개선 효과를 얻을 수 있게 된다.

그러나, 이러한 종래의 수직구조 3족 질화물 발광 소자(10)에 따르면, 요철 패턴(21)을 통해 빛을 충분히 추출시키기 위해 n측 전극(18)의 콘택 면적을 상대적으로 매우 작게 한다. 이에 따라 n측 전극(18) 하부에 전류가 집중되어, 소자(10)의 동작 전압(V_f)이 상대적으로 높게 되는 문제점이 있다.

또한, 요철 패턴(21)을 갖는 종래의 수직구조 발광 소자(10)를 제조하기 위 해서는, 사파이어 기판(미도시)에서의 GaN계 반도체(17, 16, 15, 14)의 성장 공정, 도전성 기판(11)의 접착 공정, 사파이어 기판의 분리 공정 및 요철 패턴(21)의 형성 공정을 순차적으로 거치게 된다. 요철 패턴(21)을 형성하기 위해서는, n-도프 AlGaN 콘택층(17)에 대한 사진 공정과, ICP-RIE 등의 건식식각 공정 또는 습식식각 공정을 실시하게 된다. 그러나, 사파이어 기판을 분리한 상태에서 10 ㎛이하 두께의 얇은 박막의 GaN계 구조물 표면에 사진 식각 공정을 수행하는 것은, 도전성 기판(11)을 지지대로 이용한다 하더라도, 매우 어려운 작업이다. 이에 따라 제품 수율도 매우 낮아지게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 광 추출 효율이 더욱 개선되고 동작 전압 특성이 향상된 수직구조 3족 질화물 발광 소자를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 높은 광추출 효율을 갖는 수직구조 3족 질화물 발광 소자를 높은 수율로 보다 용이하고 단순하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3족 질화물 발광 소자는 도전성 기판과; 상기 도전성 기판 상에 순차 적층된 p형 클래드층, 활성층, n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층, 언도프(undoped) GaN층 및 n측 전극을 포함하고, 상기 언도프 GaN층 상면에는 요철 패턴이 형성되어 있다. 바람직하게는, 상기 언도프 GaN층 상면 중 상기 n측 전극이 형성된 영역에는 요철 패턴이 형성되어 있지 않다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 도전성 기판과 상기 p형 클래드층 사이에는 반사층이 더 포함될 수 있다. 이 반사층으로는 CuInO₂/Ag층, CuInO₂/Al층 또는 Ni/Ag/Pt층을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 언도프 GaN층 상면에는 ITO(Indium Tin Oxide) 등으로 된 투명 전극층이 더 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 도전성 기판과 상기 p형 클래드층 사이에는 도전성 접착층이 더 포함될 수 있다. 이 도전성 접착층은 Au, Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 및 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 도전성 접착층과 상기 p형 클래드층 사이에는 예를 들어 CuInO₂/Ag층, CuInO₂/Al층 또는 Ni/Ag/Pt층으로 이루어진 반사층이 더 포함될 수도 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 도전성 기판은, 금속 기판 또는 실리콘 기판일 수 있다. 상기 금속 기판은, 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄 기판(Ti) 및 이들 중 2 이상의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 금속 기판은 예를 들어, 도금법, 증착법 또는 스퍼터링법을 통해 형성될 수 있다. 다른 방안으로서, 상기 금속 기판 또는 실리콘 기판은 도전성 접착층을 통한 접합 공정에 의해 상기 p형 클래드층에 부착될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 요철 패턴의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 100㎛이다. 더 바람직하게는, 상기 요철 패턴의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 3㎛이다. 상기 요철 패턴은 광자 결정(photonic crystal)을 이룰 수도 있다.

본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 상기 요철 패턴의 단면은 양각 또는 음각으로 형성될 수 있다. 상기 양각 또는 음각의 형상은 반구형, 직사각형 또는 톱니형일 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법은, 제1 기판 상면에 요철 패턴을 형성하는 단계와; 요철 패턴이 형성된 상기 제1 기판 상면에 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 순차 형성하는 단계와; 상기 p형 클래드층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계와; 상기 n형 클래드층에 형성된 요철 패턴을 노출시키도록 상기 제1 기판을 제거하는 단계와; 상기 n형 클래드층의 노출면의 일 부 영역 상에 n측 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 기판은, 사파이어 기판, SiC 기판, GaN 기판 또는 AlN 기판일 수 있다. 또한, 상기 도전성 기판은 실리콘 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 상기 금속 기판은 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti) 및 이들 중 2 이상의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제1 기판 상면에 요철 패턴을 형성할 때, 상기 제1 기판 상면 중 n측 전극에 상응하는 영역에는 요철 패턴을 형성하지 않는다. 이와 같이 상기 제1 기판 상의 n측 전극에 상응하는 영역에 요철 패턴을 형성하지 않음으로써, 상기 n형 클래드층 상의 n측 전극 영역에는 요철 패턴이 형성되지 않게 된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제1 기판 상면에 상기 n형 클래드층을 형성하는 단계는, 상기 제1 기판 상면에 언도프 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 언도프 GaN층 상에 n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층을 형성하는 단계를 포함한다. 이 경우, 상기 언도프 GaN층 표면에 요철 패턴이 형성되어진다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 도전성 접착층을 이용하여 상기 p형 클래드층 상에 도전성 기판을 접합하는 단계를 포함한다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 p형 클래드층 상에 도금, 증착 또는 스퍼터링을 통해 도전성 금속 기판을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 p형 클래드층을 형성하는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에, 상기 p형 클래드층 상에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 반사층은 CuInO₂/Ag층, CuInO₂/Al층 또는 Ni/Ag/Pt층으로 형성된다. 또한, 상기 제1 기판을 제거한 후에, 상기 n형 클래드층 상에 ITO층 등의 투명 전극층을 형성할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제1 기판에 형성되는 요철 패턴의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 100㎛이다. 더 바람직하게는, 상기 제1 기판에 형성되는 요철 패턴의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 3㎛이다. 상기 n형 클래드층에 형성되는 요철 패턴은 광자 결정을 이룰 수 있다.

본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 상기 제1 기판에 형성되는 요철 패턴 은 반구형, 직사각형 또는 톱니형 등의 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다.

본 명세서에서, '3족 질화물'이란, Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다. 또한, '3족 질화물 발광 소자'란, 발광 구조물을 구성하는 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 3족 질화물로 되어 있다는 것을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자를 나타내는 측단면도이다. 도 2를 참조하면, 발광 소자(100)는 도전성 기판(101) 상에 순차 적층되어 있는 반사층(103), p형 클래드층(105), 활성층(107), n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)(109) 및 언도프 GaN층(111)을 포함 한다. n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층(109)과 언도프 GaN층(111)은 n형 클래드층(110)을 구성한다. p형 및 n형 클래드층(105, 110)과 활성층(107)은 3족 질화물, 즉 Al_mGa_nIn_(1-m-n)N(0≤m≤1, 0≤n≤1, 0≤m+n≤1)로 형성되어 있다. 활성층(107)은 예를 들어 다중 양자우물 구조를 가질 수 있다. 언도프 GaN층(111) 상면에는 n측 전극(123)이 형성되어 있다. 이와 같이 발광 소자(100)의 상부에 n측 전극(123)을 위치시키고 발광 소자의 하부 즉, 도전성 기판(101) 쪽을 p측 전극으로 이용함으로써, 서로 대향하는 전극들을 갖는 수직구조의 발광 소자를 이루게 된다.

상기 도전성 기판(101)으로는, 예를 들어 실리콘(Si) 기판을 사용하거나, 텅스텐(W) 기판, 구리(Cu) 기판, 니켈(Ni) 기판 또는 티탄 (Ti) 기판 또는 이들 금속 중 2이상의 금속을 포함하는 합금 기판 등의 금속 기판을 사용할 수 있다. 이러한 도전성 기판(101)은 후술할 도전성 접착층을 통한 접합 공정에 의해 p형 클래드층(105) 아래에 접착되거나, p형 클래드층(105)의 노출면 상에서의 도금, 증착 또는 스퍼터링 공정에 의해 p형 클래드층(105) 아래에 형성될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, n측 전극(123)이 형성된 영역을 제외하고는 언도프 GaN층(111) 상면에 요철 패턴(121)이 형성되어 있다. 이러한 요철 패턴(121)에 의해, 소자(100) 내부에서 생성된 광자는 외부로 쉽게 추출된다. 즉, 요철 패턴(121)에 도달한 빛은 요철 패턴(121)에 의해 산란됨으로써, 발광 소자(100) 외부 로 쉽게 빠져나갈 수 있게 된다. 또한, 언도프 GaN층(111)의 상면 중 n측 전극(123) 영역에는 요철 패턴을 형성시키지 않음으로써 언도프 GaN층(111)과 n측 전극(123)간의 접촉저항의 증가를 방지한다.

후술하는 바와 같이, 상기 요철 패턴(121)은, 다른 기판(예컨대, 사파이어 기판)에 형성된 요철 패턴이 언도프 GaN층(111)에 전사(transfer)됨으로써 만들어진다. 따라서, 상기 요철 패턴(121)은 매우 정확한 치수로 규칙적으로 형성될 수 있다. 충분한 산란 효과를 얻기 위해서, 요철 패턴(121)의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 100㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 요철 패턴(121)의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 3㎛이다. 이와 같이 요철 패턴(121)의 간격과 크기를 3㎛이하가 되도록 함으로써 광자 결정을 형성시킬 수 있다. 이러한 광자 결정은 반사의 법칙가 아닌 회절의 법칙에 따라 빛을 회절시킬 수 있다. 이에 따라, 빛의 외부 추출 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 상기 요철 패턴(121)은 양각 또는 음각으로 형성될 수 있으며, 반구형, 직사각형, 톱니형 등 다양한 단면 형상을 가질 수 있다.

상기 반사층(103)은 빛의 출사 방향인 상방향으로 빛이 반사되도록 하는 역할을 하여 빛의 외부 추출을 더욱 높인다. 반사층(103)으로는, 예를 들어 CuInO₂/Ag층, CuInO₂/Al층 또는 Ni/Ag/Pt층을 사용하는 것이 바람직하다. 도 2에는 도시되어 있지 않으나, 요철 패턴(121)이 형성된 언도프 GaN층(111) 상면에는 ITO 등으로 된 투명 전극층이 형성될 수도 있다. 이러한 투명 전극층은 빛의 균일한 방출을 돕는다.

본 실시형태에 따르면, 수직구조 발광 소자(100)는 n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층(109)과 n측 전극(123) 사이에 언도프 GaN층(111)을 포함하고 있다. 이와 같이 n측 전극(123) 아래에 언도프 GaN층(111)을 위치시킴으로써, 종래 문제가 되었던 n측 전극(123) 아래에서의 전류 집중 현상을 방지할 수 있다. 즉, 언도프 GaN층(111)은 전류를 확산시키는 특성을 갖고 있기 때문에, n측 전극(123)으로부터 인가되는 전압에 의해 발생되는 전류를 측방향으로 넓게 확산시키게 된다. 이에 따라, 발광 소자(100)의 동작 전압(V_f)이 감소되고, ESD(Electrostatic Discharge: 정전기 방전) 특성이 향상되며, 소자의 수명이 개선된다.

또한 본 실시형태에 따르면, n형 클래드층(110) 상면에 요철 패턴(121)을 형성시킴으로써 빛의 외부 추출 효율을 개선시킬 수 있다. 특히, 3㎛ 이하의 폭과 간격 그리고 높이를 갖도록 요철 패턴(121)을 형성함으로써, 요철 패턴(121)에 의한 표면 광자 결정을 형성할 수 있다. 이러한 표면 광자 결정은 빛의 외부 광자 효율을 크게 증대시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자 (200)를 나타내는 측단면도이다. 도 3의 발광 소자(200)는, 도전성 접착층(202)에 의해 접착된 도전성 기판(201)을 구비한다. 도 3을 참조하면, 도전성 기판(201) 상에는 도전성 접착층(202), 반사층(103), p형 클래드층(105), 활성층(107), n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층(109), 요철 패턴(121)이 형성된 언도프 GaN층(111) 및 n측 전극(123)이 적층되어 있다. 상기 도전성 접착층(202)은 Au, Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 또는 Pb-Sn으로 이루어질 수 있다. 이러한 도전성 접착층(202)은 미리 준비된 실리콘 기판 등의 도전성 기판(201)을 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N계 발광 구조물에 접착시키는 역할을 한다. 도전성 접착층(202)외의 다른 구성요소들은 전술한 실시형태와 마찬가지이므로 자세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법을 설명한다. 도 4 내지 도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

먼저, 도 4를 참조하면 3족 질화물 반도체층을 성장시키기 위한 기판(이하, "제1 기판" 이라 함)(151)을 준비한다. 이 제1 기판(151)은 예를 들어 사파이어 기판일 수 있다. 그 외도, 상기 제1 기판(151)으로서, SiC 기판, GaN 기판 또는 AlN 기판을 사용할 수도 있다.

다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 기판(151)에 반구형의 양각부(150) 를 갖는 요철 패턴(153)을 형성한다. 이러한 요철 패턴(153)은, 예를 들어 리플로우된 포토레지스트 패턴을 이용하여 제1 기판(151) 상면을 선택적으로 식각함으로써 형성될 수 있다. 종래와 달리, 사파이어 등으로 된 기판(151) 상면에 사진 식각 공정을 통해 요철 패턴(153)을 형성하기 때문에, 요철 패턴(153) 형성 공정이 비교적 용이하며, 요철 패턴(153)이 매우 정확한 치수로 규칙적으로 형성될 수 있다.

도 11은 도 5의 제1 기판(151) 상면에 형성된 요철 패턴(153)을 나타내는 평면도이다. 도 5는 도 11의 XX' 라인을 따라 자른 측단면도에 해당한다. 도 5 및 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 기판(151) 상면 중 일부 영역(A)에는 요철 패턴이 형성되어 있지 않다. 요철 패턴이 형성되어 있지 않은 이 영역(A)은 나중에 형성될 n측 전극에 상응하는 영역에 해당한다. 후술하는 바와 같이, 제1 기판(151) 상면 중 n측 전극에 상응하는 영역에 요철 패턴을 형성하지 않음으로써, n측 전극의 접촉 저항 증가를 방지할 수 있게 된다.

상기 요철 패턴(153)은 200nm 내지 100㎛의 간격(a, b)과 폭 그리고 높이를 갖도록 제1 기판(151) 상에 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 요철 패턴(153)은 200nm 내지 3㎛의 간격과 폭을 갖도록 형성된다. 제1 기판(151) 상면에 3㎛ 이하의 간격을 갖는 요철 패턴(153)을 형성함으로써, 나중에 형성될 n형 클래드층 상면에 광자 결정을 형성할 수도 있다.

본 실시형태에서, 요철 패턴(153)은 반구형의 단면 형상을 갖도록 형성되지만, 다른 형태로 형성될 수 있다. 도 17의 (a) 내지 (e)에 도시된 바와 같이, 반구형의 양각부(150a)를 갖는 요철 패턴(153a)뿐만 아니라, 반구형의 음각부(150b)를 갖는 요철 패턴(153b), 직사각형의 음각부(150c)를 갖는 요철 패턴(153c), 톱니 모양의 양각부(150d)를 갖는 요철 패턴(153d), 및 톱니 모양의 음각부(150e)를 갖는 요철 패턴(153e) 등 다양한 형태의 요철 패턴(153)을 제1 기판(151) 표면 상에 형성할 수 있다.

다음으로, 도 6을 참조하면, 상기 요철 패턴(153)이 형성된 제1 기판(151) 상면에 언도프 GaN층(111), n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층(109), 활성층(107) 및 p형 클래드층(105)을 순차적으로 성장시킨다. 이에 따라, n형 클래드층(110), 활성층(107) 및 p형 클래드층(105)으로 이루어진 발광 구조물이 형성된다. 요철 패턴(153)을 갖는 제1 기판(151) 상면에 언도프 GaN층(111)을 성장시킴으로써, 상기 요철 패턴(153)은 제1 기판(151)과 접하는 언도프 GaN층(111) 표면 상으로 전사된다. 이에 따라, 언도프 GaN층(111)의 하면에도 요철 패턴(도 9의 도면부호 121 참조)이 형성된다. 언도프 GaN층(111)에 형성된 요철 패턴(121)의 간격과 폭 그리고 높이는, 제1 기판(151)에 형성된 요철 패턴(153)의 간격 및 폭 그리고 높이와 실질적으로 같게 된다. 도 5 및 도 11을 참조하여 이미 설명한 바와 같이 'n측 전극에 상응하는 영역(도 11의 A 영역)'에는 제1 기판(151)의 요철 패턴(153)이 형성되어 있지 않기 때문에, 그 영역에서는 언도프 GaN층(111)의 요철 패턴(121)도 형성되지 않게 된다.

본 실시형태의 제조방법에서는 n형 클래드층(110)으로서 언도프 GaN층(111)과 n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층(109)을 형성하고 있지만, 언도프 GaN층(111) 없이 n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층(109)만으로 n형 클래드층을 형성할 수도 있다. 이 경우, 제1 기판(151)의 요철 패턴(153)은 n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N층(109) 하면으로 전사되어 진다.

다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이 p형 클래드층(105) 상에 예를 들어, CuInO₂/Ag층, CuInO₂/Al층 또는 Ni/Ag/Pt층으로 된 반사층(103)을 형성한다. 이 반사층은 빛을 출사면 쪽으로 반사하여 광의 외부 추출효율을 높이는 역할을 한다. 그 후에는, 도 8에 도시된 바와 같이 반사층(103) 상에 예를 들어, 텅스텐, 구리, 니켈, 티탄 또는 이들 중 2이상의 합금으로 된 도전성 기판(101)을 형성한다. 이러한 금속성의 도전성 기판(101)은 예를 들어, 도금, 증착 또는 스퍼터링을 통해 형성될 수 있다. 본 실시형태에서는 반사층(103)을 형성하고 있지만, 다른 실시형태로서 반사층 없이 p형 클래드층(105) 상에 도전성 기판(101)을 형성할 수도 있다.

다음으로, 도 9를 참조하면, 제1 기판(151)을 발광 구조물로부터 분리, 제거한다. 제1 기판(151)은 예를 들어 레이저 빔을 이용한 레이저 리프트 오프(laser lift-off) 공정에 의해 제거될 수 있다. 이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이 언도프 GaN층(111)의 하면에 형성된 요철 패턴(121)이 드러나게 된다.

다음으로, 도 10에 도시된 바와 같이 언도프 GaN층(111)의 노출면 중 요철 패턴(121)이 없는 영역 상에 n측 전극(123)을 형성한다. 이에 따라 본 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자가 완성된다. 만약 요철 패턴(121)이 있는 표면 상에 n측 전극(123)을 형성하면 n측 전극의 접촉 저항이 커지게 된다. 따라서, 이러한 접촉 저항 증가를 방지하기 위해서, 요철 패턴(121)이 없는 영역 상에 n측 전극(123)을 형성하는 것이 바람직하다. n측 전극(123)을 형성하기 전에, 상기 언도프 GaN층(121)의 노출면 상에 ITO 등으로 된 투명 전극(미도시)을 형성할 수도 있다.

도 12는 언도프 GaN층(111)의 상면에 형성된 요철 패턴(121)을 나타내는 SEM 사진이고, 도 13은 도 12의 요철 패턴(121)을 확대한 SEM 사진이다. 도 12 및 도 13에 나타난 바와 같이, 언도프 GaN층(111) 표면에 형성된 요철 패턴(121)은 명확히 한정된 형태를 갖고 있으며 매우 규칙적이다. 사파이어 등으로 된 제1 기판(151)에 정확한 치수를 갖는 요철 패턴(153)을 형성하는 것은 비교적 용이하기 때문에, 언도프 GaN층(111) 상에 정확한 치수의 요철 패턴(121)을 쉽게 구현할 수 있다. 이에 따라 제품의 수율이 향상된다.

도 14 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 이 실시형태에서는, 도전성 접착층을 이용하여 p형 클래드층 상에 도전성 기판을 접합한다. 본 실시형태에서도, 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한 공정 단계들을 거치게 된다.

그 후, 도 14에 도시된 바와 같이, 반사층(103)의 노출면과 도전성 기판(201)의 일면에 도전성 접착층(202a, 202b)을 형성한다. 도전성 기판(201)으로는 전술한 금속 기판 또는 실리콘 기판을 사용할 수 있다. 도전성 접착층(202a, 202b)으로는 예를 들어 금(Au)을 사용할 수 있으며, 그 외에도 Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 또는 Pb-Sn을 사용할 수도 있다. 그 후, 상기 도전성 접착층(202a, 202b)을 이용하여 도전성 기판(201)을 반사층(103)에 부착시킨다. 이에 따라, 도전성 기판(201)과 발광 구조물이 서로 접합된다. 본 실시형태에서는 도전성 접착층을 도전성 기판(201) 및 발광 구조물 양자 모두에 형성하였지만, 어느 일방에만 도전성 접착층을 형성할 수도 있다. 또한, 반사층(103)을 생략할 수도 있다.

다음으로, 도 15에 도시된 바와 같이 제1 기판(151)을 분리, 제거한다. 이에 따라 언도프 GaN층(111)에 형성된 요철 패턴이 드러나게 된다. 그 후에는 도 16에 도시된 바와 같이 언도프 GaN층(111) 상면에 n측 전극(123)을 형성하여 발광 소자(200)를 완성한다. 본 실시형태에 따르면, 도전성 접착층(202)을 이용하여 미리 준비된 도전성 기판(201)을 발광 구조물에 부착시키게 된다. 따라서, 도전성 기판 (201)을 형성하기 위한 도금, 증착 또는 스퍼터링 공정이 필요하지 않으며, 도전성 기판(201)으로서 실리콘 기판을 사용할 수도 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 요철 패턴이 형성된 언도프 GaN층을 n측 전극 아래에 위치시킴으로써 광추출 효율과 동작 전압 특성이 개선된 수직구조 3족 질화물 발광 소자를 얻게 된다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 제1 기판에 형성된 요철 패턴을 n형 클래드층에 전사시킴으로써, 높은 광추출 효율을 갖는 수직구조 3족 질화물 발광 소자를 높은 수율로 용이하게 제조할 수 있게 된다.

Claims

도전성 기판; 및

상기 도전성 기판 상에 순차 적층된 p형 클래드층, 활성층, n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층, 언도프 GaN층 및 n측 전극을 포함하고,

상기 언도프 GaN층 상면에는 요철 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 언도프 GaN층 상면 중 상기 n측 전극이 형성된 영역에는 요철 패턴이 형성되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 도전성 기판과 상기 p형 클래드층 사이에는 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 언도프 GaN층 상면에 형성된 투명 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 도전성 기판과 상기 p형 클래드층 사이에 형성된 도전성 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제5항에 있어서,

상기 도전성 접착층은 Au, Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 및 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제5항에 있어서,

상기 도전성 접착층과 상기 p형 클래드층 사이에는 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제3항 또는 제7항에 있어서,

상기 반사층은 CuInO₂/Ag층, CuInO₂/Al층 및 Ni/Ag/Pt층 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 도전성 기판은, 금속 기판 또는 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제9항에 있어서,

상기 금속 기판은 텅스텐, 구리, 니켈, 티탄 및 이들 중 2이상의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 요철 패턴의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 요철 패턴의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 요철 패턴은 광자 결정을 형성하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 요철 패턴은 반구형, 직사각형 및 톱니형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
제1 기판 상면에 요철 패턴을 형성하는 단계;

요철 패턴이 형성된 상기 제1 기판 상면에 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 순차 형성하는 단계;

상기 p형 클래드층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계;

상기 n형 클래드층에 형성된 요철 패턴을 노출시키도록 상기 제1 기판을 제거하는 단계; 및

상기 n형 클래드층의 노출면의 일부 영역 상에 n측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 기판은, 사파이어 기판, SiC 기판, GaN 기판 및 AlN 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 기판 상면에 요철 패턴을 형성할 때, 상기 제1 기판 상면 중 n측 전극에 상응하는 영역에는 요철 패턴을 형성하지 않는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 기판 상면에 n형 클래드층을 형성하는 단계는,

상기 제1 기판 상면에 언도프 GaN층을 형성하는 단계; 및

상기 언도프 GaN층 상에 n-도프 Al_xGa_yIn_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 도전성 접착층을 이용하여 상기 p형 클래드층 상에 도전성 기판을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 도전성 기판을 형성하는 단계는, 상기 p형 클래드층 상에 도금, 증착 및 스퍼터링 중 어느 하나를 통해 도전성 금속 기판을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항 또는 제19항에 있어서,

상기 p형 클래드층을 형성하는 단계와 상기 도전성 기판을 형성하는 단계 사이에, 상기 p형 클래드층 상에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제21항에 있어서,

상기 반사층은 CuInO₂/Ag층, CuInO₂/Al층 및 Ni/Ag/Pt층 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 기판을 제거하는 단계 후에, 상기 n형 클래드층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 기판에 형성되는 요철 패턴의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 기판에 형성되는 요철 패턴의 간격과 폭 그리고 높이는 200nm 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 수직구조 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 기판 상면에 요철 패턴을 형성하는 단계에서, 상기 요철 패턴은 반구형, 직사각형 및 톱니형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자의 제조 방법.