KR100972852B1 - 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이의 경계면; 그리고, 경계면으로부터 기판측에 형성된 경사면과 경계면으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층측에 형성된 경사면이 쐐기 형태로 연결되어 이루어지는 한쌍의 경사면으로서, 활성층에서 생성된 빛을 외부로 방출시키는 한쌍의 경사면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
3족, 질화물, 반도체, 발광소자, LED, 다이오드, 칩세이핑, 경계면
Description
본 발명은 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 외부 양자 효율을 향상시키는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 에피성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 에피성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 질화물 반도체 층(500)과 활성층(400)이 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si기판 등이 이용되지만, 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 에피성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기장성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/053042호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 개시되어 있다.
n형 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 개시되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0＜x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 질화물 반도체층(500)은 Mg와 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/022655호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 개시되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 질화물 반도체층과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 개시되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판(100) 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립 칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 개시되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 개시되어 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략되어도 좋다.
한편, n형 질화물 반도체층(300)이나 p형 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
도 2는 한국특허 제10-0674486호에 개시된 발광소자의 반도체층에서의 빛의 반사경로(203)에 대한 일예를 나타내는 것으로서, 반도체층(202)과 발광소자 외부와의 밀도차에 의한 전반사로 인하여, 활성층에서 생성된 빛이 발광소자 외부로 나오지 못하는 것을 보여준다.
이와 같은 현상은 발광소자의 외부 양자 효율을 저하시키는 문제가 있으며, 도 3은 일본특허 제2836687호에 개시된 발광소자의 일예를 나타내는 것으로서, 반도체층의 일면에 굴곡면을 형성하여, 외부 양자 효율을 개선하는 발광소자를 나타내고 있다.
도 4는 한국특허 제0674486호에 개시된 발광소자의 일예를 나타내는 것으로 서, 반도체층의 측면에 경사면을 형성하여 빛을 추출함으로써, 외부 양자 효율을 개선하는 발광소자를 나타내고 있다.
그러나, 이들은 활성층에서 생성된 빛의 추출이 반도체층에 한정되어 기판으로 입사한 빛은 반도체층에서와 마찬가지로 반사되어 추출이 되지 않는 문제가 있다.
본 발명은 발광소자의 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 발광소자의 측면에 경사면을 형성하여 빛의 추출을 용이하게 할 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 발광소자의 기판에 경사면을 형성하여 빛의 추출이 용이하게 이루어지는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이의 경계면; 그리고, 경계면으로부터 기판측에 형성된 경사면과 경계면으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층측에 형성된 경사면이 쐐기 형태로 연결되어 이루어지는 한쌍의 경사면으로서, 활성층에서 생성된 빛을 외부로 방출시키는 한쌍의 경사면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 기판이 기판측 경사면의 아래에서 브레이킹된 면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 기판은 기판측 경사면의 아래에서 브레이킹된 면;을 포함하며, 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 기판은 기판측 경사면의 아래에서 브레이킹된 면;을 포함하며, 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 그리고, 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이의 경계면;을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서, 경계면을 노출시키는 제1 단계; 그리고, 경계면 양측의 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층을 식각하여 쐐기 형태의 경사면을 형성하는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다.
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또한 본 발명은 기판을 개별소자로 분리하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 제1 단계에서 경계면이 레이저 스크라이빙에 의해 노출되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 제2 단계에서 경사면이 습식 식각에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 습식 식각이 황산과 인산의 혼합 용액을 이용하여 이루어지 는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 발광소자의 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 발광소자의 측면에 경사면을 형성하여 빛의 추출을 용이하게 할 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 발광소자의 기판에 경사면을 형성하여 빛의 추출이 용이하게 이루어지는 3족 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10), 기판(10) 위에 에피성장되는 n형 질화물 반도체층(20), n형 질화물 반도체층(20) 위에 에피성장되는 활성층(30), 활성층(30) 위에 에피성장되는 p형 질화물 반도체층(40), p형 질화물 반도체층(40) 위에 형성되는 p측 전극(50), p측 전극(50) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(60), 그리고, p형 질화물 반도체층(40)과 활성층(30)이 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(20) 위에 형성되는 n측 전극(70)을 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일예를 나타내는 사진으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 경계면(15)과, 경사면(11,21)과, 브레이킹된 면(13)을 포함한다. 경계면(15)은 기판(10)과 n형 질화물 반도체(20)층 사이에 형성된다. 경사면(11,21)은 경계면(15)으로부터 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(20)의 측면에 형성되어 활성층(30:도 5에서 도시)에서 생성된 빛이 외부로 방출되는 것을 도와준다. 여기서, 기판(10)은 사파이어로 이루어지는 것이 바람직하다. 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(20)의 측면을 형성하는 경사면(11,21)은 빛의 추출을 용이하게 하기 위하여 전체적으로 쐐기 형태를 가진다.
브레이킹된 면(13)은 기판(10) 측 경사면(11) 아래에서 형성된다. 이것의 형성에 대하여서는 이하에서 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자 내부 빛 경로를 나타내는 도면으로서, 활성층(30)에서 생성되어 기판(10) 및 n형 질화물 반도체층(20) 내부에서 반사되는 빛은 경사면(11,21)을 통하여 발광소자 외부로 방출된다. 이에 따라, 발광소자의 외부 양자 효율이 향상된다.
도 8은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 광효율을 나타내는 그래프로서, 일반적인 측면을 지니는 기판 및 n형 질화물 반도체층을 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자(normal)와, 일반적인 기판 및 경사면을 지니는 n형 질화물 반도체층을 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자(GaN shaping)와, 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(GaN+Sapphire shaping)의 외부 양자 효율을 나타낸다. 여기서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 외부 양자 효율이 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.
이하에서는, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자는 경계면(15)을 노출시키는 제1 단계와, 경계면(15) 양측의 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(20)을 식각하여 경사면(11,21)을 형성하는 제2 단계와, 기판(10)을 개별소자로 분리하는 제3 단계를 포함한다. 본 실시예에서 경계면(15)은 레이저 스크라이빙에 의해 노출되는데, 노출되는 기판(10)의 깊이는 물리적인 힘을 가해 발광소자가 쉽게 분리되도록 0.5 내지 30㎛로 형성되는 것이 바람직하다. 0.5㎛이하일 경우, 물리적인 힘에 의한 분리시 소자 표면 및 내부에 균열을 초래하거나 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다. 반대로 30㎛ 이상일 경우, 공정 중에 소자가 쉽게 깨지는 현상이 발생하여 생산성이 저하될 수 있다. 스크라이빙은 다이아몬드 커터에 의해 이루어질 수 있으나, 레이저를 사용하는 것이 공정 속도 측면에서 좋다.
또한 제2 단계의 경사면(11,21) 형성은 습식식각에 의해 이루어지는데 염산(HCl), 질산(HNO3), 불산(HF) 또는 인산(H3PO4) 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서 식각용액은 혼합비율 3:1의 황산과 인산 혼합용액으로 한다. 식각액의 온도는 150℃ 이상의 온도로 가열된 상태에서 사용되는 것이 바람직하다. 식각액의 온도가 150℃ 이하가 되면 기판(10) 및 n형 질화물 반도체층(20) 측면의 식각률이 떨어진다. 이러한 이유로 본 실시예에서 식각액의 온도는 280 내지 290℃하고, 식각시간은 30분 내외로 하여 발광소자를 식각하였다. 이때, 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(20)의 경계면(15)에서 식각이 일어나는 이유는 경계면(15)이 서로 다른 물질간의 계면이므로 불안정하여 식각이 활발히 일어나는 것으로 판단된다. 더불어, 레이 저 스크라이빙에 의해 발생하는 잔류물(debris)이 습식식각에 과정에서 제거되어 발광소자의 외부 양자 효율을 개선하는 효과가 있다. 또한 BOE(Buffered Oxide Etchant)가 식각용액으로 사용될 수 있다.
제3 단계는 기판(10)을 브레이킹하여 개별소자로 분리하는데, 이에 의하여 분리된 개별소자는 기판(10) 측 경사면(11) 아래에서 브레이킹된 면(13)이 형성된다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 한국특허 제0674486호에 개시된 발광소자의 반도체층에서의 빛의 반사경로에 대한 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 일본특허 제2836687호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 한국특허 제0674486호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예,
도 6은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일예를 나타내는 사진,
도 7은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자 내부 빛 경로를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 외부 양자 효율을 나타내는 그래프.
Claims (10)
- 기판;기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층;기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이의 경계면; 그리고,경계면으로부터 기판측에 형성된 경사면과 경계면으로부터 복수개의 3족 질화물 반도체층측에 형성된 경사면이 쐐기 형태로 연결되어 이루어지는 한쌍의 경사면;으로서, 활성층에서 생성된 빛을 외부로 방출시키는 한쌍의 경사면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 청구항 1에 있어서,기판은 기판측 경사면의 아래에서 브레이킹된 면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 청구항 1에 있어서,기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,기판은 기판측 경사면의 아래에서 브레이킹된 면;을 포함하며,기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 그리고, 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층 사이의 경계면;을 포함하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서,경계면을 노출시키는 제1 단계; 그리고,경계면 양측의 기판과 복수개의 3족 질화물 반도체층을 식각하여 쐐기 형태의 경사면을 형성하는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
- 청구항 6에 있어서,기판을 개별소자로 분리하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
- 청구항 6에 있어서,제1 단계에서 경계면은 레이저 스크라이빙에 의해 노출되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
- 청구항 6에 있어서,제2 단계에서 경사면은 습식 식각에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
- 청구항 9에 있어서,습식 식각은 황산과 인산의 혼합 용액을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
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