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KR100714626B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법 - Google Patents

질화물 반도체 발광소자 및 제조방법 Download PDF

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KR100714626B1
KR100714626B1 KR1020050095748A KR20050095748A KR100714626B1 KR 100714626 B1 KR100714626 B1 KR 100714626B1 KR 1020050095748 A KR1020050095748 A KR 1020050095748A KR 20050095748 A KR20050095748 A KR 20050095748A KR 100714626 B1 KR100714626 B1 KR 100714626B1
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nitride semiconductor
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nitride
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송호영
김동식
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층로 이루어진 질화물 적층구조를 포함한 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 질화물 적층구조의 적어도 일부 측면은 상부를 향해 경사진 면을 가지며, 상기 경사진 측면에는 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
질화물 반도체 발광소자(nitride based semiconductor light emitting diode), 광취출효율(light extraction efficiency)

Description

질화물 반도체 발광소자 및 제조방법{NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICES AND MANUFACTURING METHODS}
도1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.
도2는 본 발명에 채용되는 측면요철 형성방법을 설명하기 위한 공정순서도이다.
도3a 및 도3b는 각각 본 발명에 채용되는 측면요철 형성방법에 따라 플라즈마 처리한 후와 화학적 표면처리 후에 측면 상태를 나타내는 SEM사진이다.
도4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법의 일예를 나타내는 공정단면도이다.
도5는 본 발명의 일시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.
도6a 및 도6b는 각각 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고출력 질화물 반도체 발광소자의 상부 평면도 및 부분 측단면도이다.
도7은 도6과 유사한 고출력 질화물 반도체 발광소자의 실제 발광사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11,31,41,61: 사파이어 기판 12,32,42: 버퍼층
14,34,44,64: 제1 도전형 클래드층 15,35,45,65: 활성층
16,36,46,66: 제2 도전형 클래드층 P,P1,P1',P2: 요철패턴
18,38,48,68: 제1 전극 19,39,49,69: 제2 전극
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 광취출효율을 향상시키기 위한 요철이 형성된 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 포함한 넓은 파장대역의 광을 생성할 수 있는 고출력 광소자로서, 관련 기술분야에서 크게 각광을 받고 있다. 상기 질화물 반도체 발광소자는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 단결정으로 이루어진다.
일반적으로, 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 내부양자효율(internal quantum efficiedncy)과 광취출효율(light extraction efficiency, 또는 외부양자효율이라고도 함)에 의해 결정된다. 특히, 광취출효율은 발광소자의 광학적 인자, 즉 각 구조물의 굴절률 및/또는 계면의 평활도(flatness) 등에 의해 결정된다.
이러한 광취출효율측면에서 질화물 반도체 발광소자는 근본적인 제한사항을 가지고 있다. 즉, 반도체 발광소자를 구성하는 반도체층은 외부대기나 기판에 비해 큰 굴절률을 가지므로, 빛의 방출가능한 입사각범위를 결정하는 임계각이 작아지고, 그 결과로 활성층으로부터 발생된 광의 상당부분은 내부 전반사되어 실질적으로 원하지 않는 방향으로 전파되거나 전반사과정에서 손실되어 광취출효율이 낮을 수 밖에 없다.
보다 구체적으로, 질화물계 반도체 발광소자에서, GaN의 굴절률은 2.4이므로, 활성층에서 발생된 광은 GaN/대기계면에서의 임계각인 23.6°보다 클 경우에 내부전반사를 일으키면서 측면방향으로 진행되어 손실되거나 원하는 방향으로 방출되지 못하여, 광취출효율은 약 6%에 불과하다.
이러한 광취출효율의 문제점을 개선하기 위해서, 종래에는 질화물 반도체 발광소자의 광취출면에 주기성 또는 비주기성을 갖는 요철을 형성하는 방안이 사용되고 있다. 도1에는 종래의 일예로서 상부 질화물층 상면에 요철이 형성된 질화물 반도체 발광소자가 도시되어 있다.
도1에 도시된 질화물 반도체 발광소자(10)는, 사파이어 기판(11)과 그 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(14), 활성층(15) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(16)을 포함한다. 또한, 상기 사파이어기판 상 면에 질화물 반도체층의 결정성을 향상시키기 위한 버퍼층(12)이 형성되며, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(14)과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(16)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(18,19)을 포함한다. 사파이어기판(11)의 하면에는 금속과 같은 물질로 반사층(13)이 제공된다.
도1에 도시된 질화물 반도체 발광소자에서, 주된 광취출면으로 제공된 제2 도전형 질화물 반도체층 상면에는 식각공정과 같은 공정에 의해 요철이 형성된다. 상기 활성층(15)으로부터 생성된 광은 하면에서 반사되어 요철이 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층(16)의 상면으로 향하는 경우에, 미세한 요철패턴에 의해 큰 임계각이 제공되어 효과적으로 빛을 방출시킬 수 있다.
이러한 요철구조는 메탈 도트 마스크(metal dot mask) 또는 포토마스크를 이용하여 주기성 또는 비주기성을 갖는 패턴으로 습식 또는 건식 식각함으로써 얻어진다. 하지만, 메탈 마스크를 사용하는 경우에 도트구조를 형성하기 위한 열처리온도(약 600℃)가 높아 Mg과 같은 p형 불순물인 비활성화(deactivation)되어 구동전압이 증가하는 문제가 있다. 또한, 메탈 도트 마스크를 이용한 건식식각공정은 피식각면에 메탈 클로라이드 잔류물이 발생시키며, 이러한 잔류물은 화학적 처리로 쉽게 제거되지 않는 문제가 있다.
또한, 포토마스크를 이용한 리소그래피공정은 상대적으로 간소화다는 장점이 있으나, 패턴크기를 발광파장에 준하는 미세구조로 형성하기 어렵다는 문제가 있다.
특히, 현재까지 알려진 요철형성방법은 도1에 도시된 바와 같이, p형 질화물층에 적용할 경우에, 식각과정에 의한 화학적 기계적 손상에 의해 누설전류를 증가시키며, 패턴의 깊이에도 p형 질화물층 두께보다 작아야 하므로(예, ∼130㎚), 양산적용에 많은 어려움이 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 질화물 적층구조의 측면에 보다 간소화된 방법을 통해 얻어질 수 있는 양질의 광취출 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 질화물 측면의 구조를 변경하고, 그 측면에 결정성에 따른 요철패턴을 형성하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은
기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층로 이루어진 질화물 적층구조를 포함한 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 질화물 적층구조의 적어도 일부 측면은 상부를 향해 경사진 면을 가지며, 상기 경사진 측면에는 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
바람직하게, 상기 요철패턴이 형성된 측면은 상기 기판의 성장면을 기준으로 30 ∼ 60°로 경사진 구조를 갖는다.
본 발명은 전극을 형성하기 위한 메사에칭공정과 소자분리공정과 같은, 측면이 형성되는 기존 공정을 응용하여 실시될 수 있다. 즉, 상기 요철패턴이 형성된 측면은 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부 상면이 노출되도록 메사에칭된 측면일 수 있으며, 이와 달리, 상기 요철패턴이 형성된 측면은 소자분리공정을 통해 얻어진 측면일 수도 있다.
바람직하게, 상기 기판은 광투과성 기판인 경우에 추가적인 광취출효율 향상을 위해서, 상기 기판의 하면에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서는, 질화물 적층구조에 고의적으로 광취출효과 향상을 위한 측면을 갖도록 형성된 적어도 하나의 광방출부를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 상기 질화물 반도체 발광소자는, 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층으로 이루어진 질화물 적층구조를 포함하며, 내부 측벽이 상부를 향해 경사지도록 상기 질화물 적층구조의 적어도 일 영역에 제거되어 형성된 적어도 하나의 광방출부를 제공한다. 상기 광방출부의 경사진 내부 측면에는 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴이 형성된다.
바람직하게, 상기 적어도 하나의 광방출부는 상기 기판이 노출되도록 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에서 채용되는 광방출부는 복수개로 제공되며, 각각 일정한 간격을 배열될 수 있다. 이러한 형태는 대면적을 갖는 조명용 발광소자에 유익하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은, 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층이 순차적으로 형성된 질화물 적층구조를 제공하는 단계와, 플라즈마를 이용하여 상부를 향해 경사진 측면을 갖도록 상기 질화물 적층구조를 건식 식각하는 단계와, 상기 건식 식각단계에서 얻어진 측면에 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴이 형성되도록 화학적 표면처리를 실시하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법를 제공한다.
상기 건식식각단계는, 플라즈마 소스가스를 이용한 반응성 이온에칭(reactive ion etching: RIE)에 의해 실시될 수 있다. 상기 화학적 표면처리단계는, KOH, HF, NaOH 및 H3PO4 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 식각액을 이용하여 실시될 수 있다.
나아가, 본 발명은, 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함한 질화물 적층구조를 제공하는 단계와, 상기 질화물 적층구조의 적어도 일 영역에 플라즈마를 이용한 건식식각 공정을 적용하여 상부를 향해 경사진 내부 측면을 갖는 적어도 하나의 광방출부를 형성하는 단계와, 상기 광방출부의 내부 측면에 화학적 표면처리를 적용하여 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도2는 본 발명에 채용되는 측면요철 형성방법을 설명하기 위한 공정순서도이다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 측면요철형성방법은 건식식각공정(S21)과, 화학적 표면처리공정(S25)을 포함한다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 건식식각공정(S21)은, 통상적인 건식식각공정과 달리 상부를 향해 경사진 측면을 형성하기 위한 조건으로 실시된다. 상기 건식식각공정은 플라즈마소스를 이용한 반응성 이온 에칭(RIE)공정일 수 있다. 이러한 플라즈마 소스로는 전자 사이클로트론 공진(ECR; Electron Cyclotron Resonance) 소스, 헬리콘파 여기 플라즈마(HWEP; Helicon-Wave Exited Plasma) 소스, 용량성 결합 플라즈마(CCP; Capacitively Coupled Plasma) 소스, 유도성 결합 플라즈마(ICP; Inductively Coupled Plasma) 소스 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서 요구되는 경사진 측면은 작업압력, 피드스톡가스유량, 바이어스 파워, 소스 파워를 적절히 제어함으로써 형성될 수 있다. 측면의 경사각은 기판의 상면을 기준하여 30 ∼ 60°인 것이 바람직하다. 30°미만인 경우에는 전체 소자면적에서 측면영역이 지나치게 커지므로, 실질적인 발광영역이 감소되는 문제가 있으며, 60°를 초과하는 경우에는 소자면적이 크게 상부를 향한 충분한 방출효과를 기대하기 어렵기 때문이다.
본 플라즈마를 이용한 건식식각공정 후에 얻어진 경사진 측면은 도3a에 도시된 바와 같이, 식각공정 중 플라즈마 노출에 의해 손상된 영역(두께 100㎚이하)이 발생된다.
이어, 단계(25)에서는, 손상된 영역에 화학적 표면처리를 실시하고, 이로써 경사진 측면에 질화물 단결정에 따른 요철패턴이 될 수 있다(S29). 본 화학적 표면처리공정에 사용되는 식각액은 KOH, HF, NaOH, H3PO4 또는 그 조합일 수 있다. 통상적으로 질화물 단결정은 높은 결합에너지(예: GaN: 8.9 eV)을 가지므로, 고온에서 실시되는 화학적 식각으로도 매우 낮은 식각률을 나타내지만, 플라즈마에 의해 손상된 영역은 상온에서도 높은 식각률(약 80㎚/min)로 표면처리될 수 있다. 본 화학적 표면처리공정은 엄밀한 의미로 특정 영역을 제거하기 위한 식각공정이라기 보다는 측면에서 결정성에 따른 요철이 나타나도록 손상영역을 제거하는 표면처리공정으로 이해될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기한 화학적 표면처리결과에 의해, 경사진 측면에 형성된 요철패턴은 도3b와 같이 질화물 단결정의 고유 결정구조가 노출된 형태를 갖는다. 이러한 요철패턴은 매우 미세한 패턴구조를 제공하여 광취출효과에 매우 유익할 뿐만 아니라, 별도의 패턴형성을 위한 마스크형성/제거공정 없이도 건식식각공정과 간단한 화학적 표면처리공정을 통해 용이하게 얻어질 수 있다.
이러한 측면요철형성방법은 다양한 형태로 적용될 수 있다. 본 발명의 제1 실시형태에서는, 메사에칭공정과 소자분리공정과 같은, 측면이 형성되는 기존 공정과 결합하여 구현될 수 있으며, 제2 실시형태에서는, 질화물 적층구조 상면 내에 경사진 내부측면을 갖는 고의적인 오픈영역(광방출부)을 형성하는 방식으로도 구현될 수 있다.
본 발명의 제1 실시형태는, 메사에칭 또는 소자분리를 위해 질화물 적층구조에 적용되는 플라즈마를 이용한 건식식각공정의 조건을 변경하고, 추가적으로 간단한 화학적 표면처리공정을 통해 측면 요철을 제공할 수 있다는 장점이 있으며, 본 발명의 제2 실시형태는 조명용과 같이 대면적을 갖는 고출력 질화물 발광소자에 유익하게 적용될 수 있다.
도4a 내지 도4e는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법을 나타내는 공정단면도이다. 여기에 도시되어 설명된 제조방법은 기존의 소자분리공정을 응용하여 측면요철을 형성하는 예를 나타낸다.
도4a와 같이, 본 발명에 따른 제조방법은 버퍼층(32)이 형성된 기판(31) 상에 발광소자를 위한 질화물 적층구조(34,35,36)를 형성하는 공정으로 시작된다. 상기 질화물 적층구조는 제1 도전형 질화물 반도체층(34), 활성층(35), 제2 도전형 질화물 반도체층(37)을 포함한다. 상기 기판(31)은 질화물 성장에 사용가능한 기판으로서 사파이어기판일 수 있다.
이어, 도4b와 같이, 제1 및 제2 전극(38,39)을 형성하고, 소자 분리를 위한 마스크(M)를 형성한다. 전극형성공정은 제1 전극(38)을 형성하기 위해서 제1 도전형 질화물층(34)의 일부영역을 노출시키는 메사에칭공정을 포함한다.
다음으로, 도4c와 같이, 분리된 각 질화물 적층구조(34,35,36)의 측면이 상부를 향해 경사진 측면으로 형성되도록, 소자 분리를 위한 플라즈마를 이용한 건식식각공정을 실시한다. 이러한 건식식각공정은 반응성이온에칭(RIE)공정일 수 있다. 이와 같이 경사진 측면과 그 각도는 당업자에게 자명한 바와 같이, 작업압력, 피드스톡가스유량, 바이어스 파워, 소스 파워를 적절히 제어함으로써 형성될 수 있다. 질화물 적층구조의 측면의 경사각은 기판(31)의 상면을 기준하여 30 ∼ 60°인 것이 바람직하다. 본 건식식각공정에서 얻어진 측면은 플라즈마의 노출에 의해 손상된 영역(D)을 갖는다.
이어, 도4d와 같이, 손상된 측면영역(D)에 화학적 표면처리를 적용하여 질화물 단결정에 따른 요철패턴(P)이 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 플라즈마에 의해 손상된 영역(D)은 통상의 질화물 단결정에 비해 용이하게 제거될 수 있다. 즉, 상온에서 높은 식각률로 실시될 수 있으며, 식각액의 선택 폭도 넓다. 예를 들어, 표면처리를 위한 식각액으로 KOH, HF, NaOH, H3PO4 또는 그 조합이 사용될 수 있다. 이러한 결정구조에 따른 요철패턴은 도3b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 광취출을 향상시키기 위한 요철구조로서 바람직하게 주기적이면서 미세한 구조를 갖는다.
최종적으로, 도4e와 같이, 마스크(M)를 제거하고 기판(31)을 소자 단위로 완전히 분리하는 공정을 실시한다. 이로써 소자의 측면에 광취출개선을 위한 요철패턴을 갖는 질화물 반도체 발광소자(30)를 제공할 수 있다.
본 실시형태에서는 소자분리공정에서 얻어진 질화물 적층구조의 측면에 요철을 형성하는 방안을 설명하였으나, 전극을 형성하기 위한 메사에칭공정에서 얻어진 측면에서 대해서도 유사한 방식으로 적용될 수 있다. 즉, 도4b의 메사에칭공정에서 도4c에 설명된 경사진 측면을 얻기 위한 플라즈마를 이용한 건식식각공정을 실시하고, 그 얻어진 측면에 화학적 표면처리를 적용함으로써 질화물 결정구조에 따른 요철패턴을 추가적으로 형성할 수 있다.
이러한 질화물 반도체 발광소자는 도5에 예시되어 있다. 도5는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 측단면도이다.
도5에 도시된 질화물 반도체 발광소자(40)는, 사파이어 기판(41)과 그 사파이어 기판(41) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(44), 활성층(45) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(46)을 포함한다. 상기 사파이어 기판(41) 상면에 질화물층의 결정성을 향상시키기 위해 버퍼층(42)을 포함한다.
또한, 상기 질화물 반도체 발광소자(40)는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(44)과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(46)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(48,49)을 포함한다. 사파이어기판(41)의 하면에는 금속과 같은 물질로 반사층(43)이 제공된다. 상기 반사층(43)은 적어도 90%의 반사율을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 반사층(43) 물질은 Ag, Al, Rh, Ru, Pt, Au, Cu, Pd, Cr, Ni, Co, Ti, In 및 Mo으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 금속층 또는 합금층일 수 있다.
본 실시형태에서는, 도4a 내지 도4e에 설명된 바와 같이, 소자분리시 형성되는 측면이 상부를 향해 경사진 측면을 갖는다. 상기 측면의 경사각(θ)은 기판(41)의 상면을 기준하여 30 ∼ 60°인 것이 바람직하다. 30°미만인 경우에는 전체 소자면적에서 측면영역이 지나치게 커지므로, 실질적인 발광영역이 감소되는 문제가 있으며, 60°를 초과하는 경우에는 소자면적이 크게 상부를 향한 충분한 방출효과를 기대하기 어렵기 때문이다. 또한, 소자 분리로 얻어진 측면에는 형성된 질화물 단결정에 따른 요철패턴(P1,P'1)을 갖는다.
추가적으로, 상기 질화물 반도체 발광소자(40)는 제1 전극(48)을 위한 제1 도전형 질화물 반도체층(44)의 일부영역이 노출되도록 실시된 메사에칭으로부터 얻어진 측면도 경사진 측면을 가지며, 그 측면도 역시 표면처리되어 추가적인 요철패턴(P2)을 갖는다. 이와 같이, 경사면을 제공하는 플라즈마 건식공정을 기존의 소자분리공정과 메사에칭공정에 응용하여 원하는 요철패턴(P1,P'1,P2)을 용이하게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 고의적으로 질화물 적층구조에 요철패턴을 갖는 경사진 내부측면을 갖는 오픈영역을 형성하여 광방출부를 제공하는 형태로도 제공될 수 있다. 이러한 형태는 질화물 적층구조가 비교적 큰 면적으로 제공되는 고출력 질화물 발광소자에 매우 유익하게 적용될 수 있다.
도6a은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고출력 질화물 반도체 발광소자의 상부 평면도이며, 도6b는 도6a의 질화물 반도체 발광소자의 X-X'영역을 절개하여 본 부분 측단면도이다.
도6b와 함께 도6a를 참조하면, 본 실시형태에 따른 고출력 질화물 반도체 발 광소자는 사파이어 기판(61)과 그 사파이어 기판(61) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(64), 활성층(65) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(66)을 포함한다. 또한, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(64) 상면에는 투명전극층(67)이 제공되며, 사파이어기판(61)의 하면에는 금속과 같은 물질로 반사층(63)이 제공된다.
또한, 상기 질화물 반도체 발광소자(60)는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(64)과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(66)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(68,69)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 전극(68,69)은 대면적에서 균일한 전류분포를 위해서 각각 본딩전극부(68a,69a)와 그로부터 연장된 전극지(68b,69b)로 구성된다.
본 실시형태에서는, 대면적인 질화물 적층구조에서 광취출효율을 효과적으로 향상시키기 위해서, 질화물 적층구조의 일부영역을 제거되어 경사진 내부측벽(A)을 갖는 오픈영역으로 정의되는 광방출부(L)를 형성한다. 본 발명에서 채용되는 광방출부(M)는 바람직하게 30 ∼ 60°인 경사각을 갖는 내부측면을 가지며, 기판(61) 상면이 노출되도록 형성된다. 또한, 본 실시형태와 같이, 상기 광방출부(L)는 복수개로 제공되며, 전체 면적에 광취출효율을 개선하기 위해서 소정의 간격으로 균일하게 분포시킬 수 있다. 상기 광방출부(L)는 사각형인 단면을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 질화물 적층구조의 구조에 따라 원형, 육각형과 같이 적절한 다른 형상과 크기로 제공될 수 있다.
본 발명에서 채용되는 광방출부(L)는 앞서 설명한 바와 같이, 경사진 내부 측면(A)을 제공하는 플라즈마를 이용한 건식식각공정을 통해 형성될 수 있으며, 그 내부측면(A)에 대한 화학적 표면처리공정을 통해 그 측면(A)에 질화물 결정에 따른 요철패턴(P)을 형성할 수 있다. 상기 광방출부는 내부측면에 형성된 요철패턴을 통해 광을 보다 효과적으로 추출시킴으로써 전체적으로 발광효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도7은 도6과 유사한 고출력 질화물 반도체 발광소자의 실제 발광사진이다. 도7을 참조하면, 경사진 내부측면에 마련된 요철패턴을 갖는 광방출부를 통해 높은 휘도로 발광되어 전체적으로 발광휘도가 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 플라즈마 건식식각공정을 통해 얻어진 질화물 적층구조의 측면에 간단한 화학적 표면처리를 적용하여 양질의 광취출 구조인 요철패턴을 용이하게 형성하는 방안이 제공된다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 결정성에 따른 미세한 요철패턴을 통해 광취출효율을 획기적으 로 개선시킬 수 있다.

Claims (24)

  1. 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층로 이루어진 질화물 적층구조를 포함한 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 질화물 적층구조의 적어도 일부 측면은 상부를 향해 경사진 면을 가지며, 상기 경사진 측면에는 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철패턴이 형성된 측면은 상기 기판의 성장면을 기준으로 30 ∼ 60°경사진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자
  3. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 발광소자는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부 상면이 노출되도록 메사에칭된 측면을 가지며, 상기 요철패턴이 형성된 측면은 상기 메사에칭된 면인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 요철패턴이 형성된 측면은 소자분리공정을 통해 얻어진 측면인 것을 특 징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 광투과성 기판이며, 상기 기판의 하면에 형성된 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층으로 이루어진 질화물 적층구조를 포함한 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 질화물 적층구조의 적어도 일 영역에 제거되어 형성되며 그 내부 측벽이 상부를 향해 경사진 적어도 하나의 광방출부를 포함하며,
    상기 광방출부의 경사진 내부 측면에는 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 요철패턴이 형성된 내부 측면은 상기 기판의 성장면을 기준으로 30 ∼ 60°경사진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자
  8. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광방출부는 상기 기판이 노출되도록 형성된 것을 특징으 로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광방출부는 일정한 간격을 배열된 복수의 광방출부인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 기판은 광투과성 기판이며, 상기 기판의 하면에 형성된 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층이 순차적으로 형성된 질화물 적층구조를 제공하는 단계;
    플라즈마를 이용하여 상부를 향해 경사진 측면을 갖도록 상기 질화물 적층구조를 건식 식각하는 단계; 및
    상기 건식 식각단계에서 얻어진 측면에 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴이 형성되도록 화학적 표면처리를 실시하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 건식식각에 의해 얻어진 측면은 상기 기판의 성장면을 기준으로 30 ∼ 60°로 경사진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 건식식각단계는, 플라즈마 소스가스를 이용한 반응성 이온에칭(RIE)에 의해 실시되는 것을 특징으로 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 건식식각단계는, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부 상면이 노출시키기 위한 메사에칭공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 건식식각단계는, 상기 질화물 적층구조물를 각 소자단위로 분리하기 위한 소자분리공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 화학적 표면처리단계는, KOH, HF, NaOH 및 H3PO4 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 식각액을 이용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 광투과성 기판이며, 상기 기판의 하면에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  18. 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함한 질화물 적층구조를 제공하는 단계;
    상기 질화물 적층구조의 적어도 일 영역에 플라즈마를 이용한 건식식각 공정을 적용하여 상부를 향해 경사진 내부 측면을 갖는 적어도 하나의 광방출부를 형성하는 단계; 및
    상기 광방출부의 내부 측면에 화학적 표면처리를 적용하여 질화물 단결정에 따른 구조를 갖는 요철패턴을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 건식식각에 의해 얻어진 내부측면은 상기 기판의 성장면을 기준으로 30 ∼ 60°로 경사진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 건식식각단계는, 플라즈마 소스가스를 이용한 반응성 이온에칭공정에 의해 실시되는 것을 특징으로 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광방출부는 상기 기판이 노출되도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광방출부는 일정한 간격을 배열된 복수의 광방출부인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 화학적 표면처리단계는, KOH, HF, NaOH 및 H3PO4 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 식각액을 이용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 기판은 광투과성 기판이며, 상기 기판의 하면에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
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