KR101513947B1

KR101513947B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101513947B1
Application number: KR1020130132076A
Authority: KR
Inventors: 김동영; 김종규; 이종원
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2015-04-21
Anticipated expiration: 2033-11-01

Abstract

본 발명은 n형 반도체층의 일부를 관통하도록 형성된 노출홈의 저면에 반사구조체를 형성함에 따라 활성층의 측방으로 발광된 빛이 상방으로 반사되어 광추출효율을 높일 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부를 관통하도록 형성된 노출홈; 및 상기 노출홈의 저면에서 구비되며, 상기 활성층의 측방에서 상기 노출홈으로 발광된 빛을 상방으로 반사하도록 상협하광(上狹下廣) 형상의 반사구조체;를 포함하여 구성된다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND PRODUCING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, n형 반도체층의 일부를 관통하도록 형성된 노출홈의 저면에 반사구조체를 형성함에 따라 활성층의 측방으로 발광된 빛이 상방으로 반사되어 광추출효율을 높일 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

AlGaNInN 등과 같은 질화물 반도체는 직접 천이형의 에너지 구조를 가지며, Al, In, 및 Ga의 조합을 통하여 0.66eV(InN)에서 6.2eV(AlN)까지의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있어서, 적외선 영역에서부터 자외선 영역까지 넓은 파장 영역을 갖는 발광 소자에 사용된다.

질화물계 반도체의 대표적인 응용분야로 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신 기기의 광원이 있으며, 자외선, 백색 발광 소자(light emitting diodes) 또는 레이저 다이오드(laser diode)의 형태로 적용된다.

이러한 질화물계 발광 소자는 n형 및 p형 질화물 반도체층 사이에 위치한 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하며, 상기 활성층 내의 양자우물층에서 전자와 정공이 재결합하는 원리로 빛을 생성한다.

도 1은 종래의 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 단면도로서, 도 1을 참조하면, 상기 종래의 반도체 발광 소자는 기판(10), n형 반도체층(100), 활성층(200), 스페이서층(310), 정공주입층(320), 전자차단층(330), p형 반도체층(400), n형금속층(110), p형금속층(410), n-전극(120) 및 p-전극(420)을 포함하여 구성된다.

이러한 종래의 발광 소자는 n형 반도체층(100)과 p형 반도체층(400) 사이에 다중양자우물 구조의 활성층(200)을 포함하며 내부 양자 효율을 개선하고 있으며, 다중양자우물 구조 내의 InGaN 우물층의 In 함량 또는 AlGaN 우물층의 Al 함량을 조절하여 원하는 파장의 빛을 방출할 수 있다.

또한, 전자 차단층(330)이 p형 반도체층(400)과 활성층(200) 사이에 위치하여 전자의 오버플로우를 차단함으로써 발광 재결합율을 향상시킨다.

한편, 스페이서층(310)이 활성층(200) 상에 형성되어 전자차단층(330) 형성을 위한 버퍼층으로 사용된다.

또한, p형 반도체층(400) 상의 투명전극층(410)에 P-전극(420)이 형성되어 전류가 p형 반도체층(400) 내에 균일하게 분산되도록 하고 있다.

상술한 바와 같은 구조의 반도체 발광 소자에 전류가 인가되면, n형 반도체층(100)과 p형 반도체층(400)으로부터 각각 전자와 정공이 제공되고, 전자와 정공이 활성층(200)에서 재결합되어 빛이 발생하게 된다.

이때, 발생되는 빛의 추출효율을 높이기 위하여 p형 반도체층(400) 상단부는 건식 에칭 또는 습식 에칭 또는 리소그래피(lithography)를 통하여 거친 표면을 갖도록 하거나 특정한 구조체를 형성할 수 있다.

그러나, p형 반도체층(400)의 상단에 형성된 거친 표면 또는 구조체들은 표면 방향으로 발광하는 빛에 대한 광추출 향상에는 효과적이지만, 측면으로 발광하는 소자의 광추출 효율 향상에는 효과적이지 못한 문제점이 있었다.

예를 들어, (0001)면의 방향으로 성장된 심자외선 발광소자, 즉, Al 조성이 큰 질화물반도체 기반 발광소자의 경우 측면 발광이 강한 비등방성 빛이 발생하기 때문에 종래의 표면 러프닝(roughening) 방식에 의한 광추출 향상이 미미한 문제점이 있었으며, 광추출효율 향상 및 외부양자효율의 향상을 위해서 종래와 다른 새로운 방법이 요구되었다.

등록특허 제10-0696194호(2007.03.12)

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, n형 반도체층의 일부를 관통하도록 형성된 노출홈의 저면에 반사구조체를 형성함에 따라 활성층의 측방으로 발광된 빛이 상방으로 반사되어 광추출효율을 높일 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부가 식각되어 형성된 노출홈; 및 상기 노출홈의 저면에서 구비되며, 상기 활성층의 측방에서 상기 노출홈으로 발광된 빛을 상방으로 반사하도록 상협하광(上狹下廣) 형상의 반사구조체;를 포함하여 구성된다.

바람직하게, 상기 반사구조체는 접착층을 개재해서 상기 노출홈의 저면에 접착고정될 수 있다.

바람직하게, 상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층이 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 반사구조체는 상기 노출홈의 저면에 선택영역성장법에 의해 성장될 수 있다.

바람직하게, 상기 반사구조체는, 상기 노출홈의 저면에 유전체층을 형성하고, 상기 유전체층의 일부를 개구시킨 후 반도체층을 성장시키는 방법에 의해 성장될 수 있다.

바람직하게, 상기 노출홈 저면에 형성되는 유전체층은 SiO₂, SiOx, SiN, SiNx, Al₂O₃, GaO 중 적어도 어느 하나로 이뤄질 수 있다.

바람직하게, 상기 유전체층의 개구 형상은 스트립 형상, 원 형상, 타원 형상, 다각형 형상, 링 형상 중 적어도 어느 하나의 형상이 개별 또는 열을 이루어 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 금속반사층이 상기 n형 반도체층의 상면에 구비된 n형금속층과 전기적으로 연결될 수 있다.

바람직하게, 상기 노출홈은 복수로 구성되되, 복수의 노출홈은 소정 길이로 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성되며, 상기 반사구조체는 각 노출홈의 길이방향을 따라 선형 또는 섬형의 형태로 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 노출홈은 적어도 하나의 메인 노출홈과 상기 메인 노출홈에서 연장된 복수의 서브 노출홈을 포함하여 구성되되, 상기 복수의 서브 노출홈은 소정 길이로 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성되며, 상기 반사구조체는 상기 메인 노출홈과 서브 노출홈 중 적어도 어느 하나의 홈의 길이방향을 따라 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 노출홈은 복수로 구성되되, 복수의 노출홈은 각각 환형의 형상으로 형성되어 상호 이격되도록 구성되며, 상기 반사구조체는 각 노출홈의 중심부에 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 노출홈은 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성의 라인형 노출홈 및 환형 형상으로 형성된 환형 노출홈을 포함하여 구성되되, 상기 반사구조체는 상기 라인형 노출홈의 길이방향을 따라 구비됨과 함께 상기 환형 노출홈의 중심부에 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 반사구조체는 n형 도핑된 반도체층일 수 있다.

바람직하게, 상기 반사구조체의 표면에 구조체용 n형 전극이 적층되고, 상기 구조체용 n형 전극의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층이 증착될 수 있다.

바람직하게, 상기 구조체용 n형 전극이 상기 n형 반도체층의 상면에 구비된 n형금속층과 전기적으로 연결될 수 있다.

바람직하게, 상기 p형 반도체층과 상기 활성층의 사이에는 전자 차단층이 구비될 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, (a) 기판상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계; (b) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부를 식각하여 노출홈을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 활성층의 측방에서 상기 노출홈으로 발광된 빛을 상방으로 반사하도록 상기 노출홈의 저면에 상협하광(上狹下廣) 형상의 반사구조체를 형성하는 단계;를 포함하여 구성된다.

바람직하게, 상기 (c) 단계에서, 상기 반사구조체는 접착층을 개재해서 상기 노출홈의 저면에 접착고정하거나 상기 노출홈의 저면에 선택영역성장법에 의해 성장시킴에 따라 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 반사구조체를 상기 노출홈의 저면에 접착고정하기 이전에 상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성할 수 있다.

바람직하게, 상기 (c) 단계 이전에, (pc1) 상기 노출된 n형 반도체층의 상면 일부에 n형금속층을 형성하는 단계; (pc2) 상기 p형 반도체층의 상면에 p형금속층을 형성하는 단계; (pc3) 상기 n형금속층의 상면에 n형 전극을 형성하고, 상기 p형금속층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하며, 상기 (pc1)단계, (pc2)단계, (pc3)단계 중 어느 하나의 단계 이후에 접착층을 개재해서 상기 반사구조체를 상기 노출홈의 저면에 접착고정할 수 있다.

바람직하게, 상기 (c) 단계 이후에, (d) 상기 노출된 n형 반도체층의 상면 일부에 n형금속층을 형성하는 단계; (e) 상기 p형 반도체층의 상면에 p형금속층을 형성하는 단계; (f) 상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성하는 단계; (g) 상기 n형금속층의 상면에 n형 전극을 형성하고, 상기 p형금속층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 (d) 단계에서, 상기 n형금속층과 동일한 재질로 상기 반사구조체의 표면에 구조체용 n형 전극을 상기 n형금속층과 함께 형성하고, 상기 (f) 단계에서, 상기 구조체용 n형 전극의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성할 수 있다.

바람직하게, 상기 (f) 단계가 (g) 단계 이후에 실시될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, n형 반도체층의 일부를 관통하도록 형성된 노출홈의 저면에 반사구조체를 형성함에 따라 활성층의 측방으로 발광된 빛이 상방으로 반사되어 광추출효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 반사구조체를 별도로 제작하여 상기 노출홈에 접착고정하거나 상기 노출홈의 저면에서 재성장하여 형성시키는 바와 같이 다양한 방법으로 제작할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층이 구비하여 광추출효율을 더욱 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

또한, 상기 금속반사층이 상기 n형 반도체층의 상면에 구비된 n형금속층과 전기적으로 연결되도록 구성하여 발광효율 및 전기적 특성이 향상되는 이점이 있다.

또한, 상기 노출홈의 경로를 다양하게 형성하고, 상기 노출홈의 경로에 따라 반사구조체를 형성함에 따라 다양한 발광패턴을 형성할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 상기 반사구조체를 n형 도핑된 반도체층으로 구성함에 따라 전기적 특성 및 광변환효율이 향상되는 이점이 있다.

또한, p형 반도체층과 활성층의 사이에 전자 차단층이 구비되어 광추출효율을 더욱 높일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 3차원 단면 형상을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제작과정을 보여주는 사진이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층(100), 활성층(200), p형 반도체층(400)을 포함하는 질화물 반도체 발광소자이며, 활성층(200)과 p형 반도체층(400)의 사이에는 스페이서층(310), 정공주입층(320), 전자차단층(330)이 더욱 구비될 수 있다.

한편, 본 실시예의 질화물 반도체 발광소자는, 상기 n형 반도체층(100)의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층(400), 활성층(200) 및 상기 n형 반도체층(100)의 일부를 관통하는 노출홈(H)이 형성된다.

한편, 질화물 반도체 발광소자에 스페이서층(310), 정공주입층(320), 전자차단층(330)이 구비된 경우에는, 상기 노출홈(H)은 상기 전자차단층(330), 정공주입층(320), 스페이서(310)도 함께 관통하도록 형성된다.

상기 노출홈(H)의 저면, 즉, 상기 n형 반도체층(100)의 노출면에는 상기 활성층(200)의 측방에서 상기 노출홈(H)을 향하여 발광된 빛을 상방으로 반사하기 위한 반사구조체(500)가 구비된다.

상기 반사구조체(500)는 상협하광(上狹下廣)의 형상으로 형성되며, 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상부가 첨예하도록 단면이 삼각형인 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(200)의 측방에서 상기 노출홈(H)으로 발광된 빛을 상방으로 반사할 수만 있다면 사다리꼴형, 타원형 등 다양한 단면형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 반사구조체(500)의 표면에는 반사금속층(510) 또는 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층이 증착될 수 있으며, 본 실시예에서는 반사금속층(510)이 형성된 경우를 예시하여 설명하도록 한다.

상기 반사금속층(510), 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 등과 같이 상기 반사구조체(500)의 표면에 형성되는 층은, 상기 활성층(200)의 측방에서 상기 노출홈(H)을 향하여 발광된 빛의 반사율을 높여 광추출효율을 더욱 향상시키도록 기능한다.

예를 들어, 상기 반사금속층(510)은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 전방향 반사기층은 낮은 굴절률의 물질과 반사도가 높은 금속 층을 포함하여 구성될 수 있다. 낮은 굴절률의 물질은 다공성의 나노구조체를 지닐 수 있다. 반사도가 높은 금속층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 분포 브래그 반사계층은 굴절률이 서로 다른 두 물질층의 반복적인 층상 구조를 포함 할 수 있으며, 각 층의 두께는 반도체 발광 소자의 발광 파장의 1/4배 근처로 형성 될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 반사구조체(500)는 반도체 소자와 별도로 제작된 후 접착층(미도시)을 통해 상기 노출홈(H)의 저면인 n형 반도체층(100)의 노출면에 접착식으로 고정되거나 상기 노출홈(H)의 저면인 n형 반도체층(100)의 노출면에 선택영역성장법에 의해 성장됨에 따라 구성될 수 있다.

구체적으로, 상기 반사구조체는, 상기 노출홈의 저면에 유전체층을 형성하고, 상기 유전체층의 일부를 개구시킨 후 반도체층을 성장시키는 선택영역성장법에 의해 성장될 수 있으며, 상기 노출홈 저면에 형성되는 유전체층은 SiO₂, SiOx, SiN, SiNx, Al₂O₃, GaO 중 적어도 어느 하나로 이뤄질 수 있다.

또한, 상기 유전체층의 개구 형상은 스트립 형상, 원 형상, 타원 형상, 다각형 형상, 링 형상 중 적어도 어느 하나의 형상이 개별 또는 열을 이루어 형성될 수 있으며, 상술한 형상 이외에도 다양한 형상이 적용될 수 있음을 배제하지 않는다.

한편, 접찹층을 개재해서 상기 반사구조체(500)를 접착고정하는 경우에는 메탈을 이용한 접착이나 수지를 이용한 접착 등과 같의 공지의 다양한 접착방식으로 접합하여 고정할 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(H)은 복수로 구성될 수 있으며, 복수의 노출홈(H)은 소정 길이로 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성되며, 상기 반사구조체(500)는 각 노출홈(H)의 길이방향을 따라 구비될 수 있다.

이때, 반사구조체(500)는 각 노출홈(H)의 길이방향을 따라 선형 또는 섬형의 형태로 구비될 수 있으며, 구체적으로, 상기 반사구조체는 상기 노출홈(H)의 길이방향과 대응하는 선의 형태로 구비되거나, 다각형상 또는 환형의 하면을 갖는 상협하광(上狹下廣) 형상인 섬형(예를 들어, 하면이 사각이고 상부 일부가 절단(truncated)된 피라미드, 하면이 육각이고 상부 일부가 절단(truncated)된 피라미드, 상부로 향할수록 폭이 좁아지는 사다리꼴)으로 구비될 수 있다.

특히, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(H)은 적어도 하나의 메인 노출홈(H1)과 상기 메인 노출홈(H1)에서 연장된 복수의 서브 노출홈(H2)을 포함하여 구성되되, 상기 복수의 서브 노출홈(H2)은 소정 길이로 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성되며, 상기 반사구조체(500)는 상기 메인 노출홈(H1)과 서브 노출홈(H2) 중 적어도 어느 하나의 홈의 길이방향을 따라 구비될 수 있으며, 도 4 및 도 5에서는 서브 노출홈(H2)에만 반사구조체(500)가 구비된 경우에 대해 도시하였다.

한편, 도 3 내지 도 5에는 상기 노출홈(H)이 직선인 형태에 대해 도시하였지만, 상기 노출홈은 곡선의 형태로도 형성될 수 있으며, 예를 들어, 구불구불하게 절곡된 형태, C자형태로 절곡된 형태 등 다양한 곡선의 형태로도 형성될 수 있음은 물론이다.

또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 노출홈(H)은 각각 환형의 형상으로 형성되어 상호 이격되도록 복수로 구성될 수 있으며, 상기 반사구조체(500)는 각 노출홈(H)의 중심부에 구비될 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 노출홈(H)은 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성의 라인형 노출홈(H3) 및 환형 형상으로 형성된 환형 노출홈(H4)을 포함하여 구성되되, 상기 반사구조체(500)는 상기 라인형 노출홈(H3)의 길이방향을 따라 구비됨과 함께 상기 환형 노출홈(H4)의 중심부에 구비될 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 노출홈(H)은 반도체 발광소자의 평면상에서 다양한 배열과 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 이러한 노출홈(H)의 다양한 배열 및 형상에 대응하여 반사구조체(500)가 구비될 수 있다. 이처럼, 상기 노출홈(H)의 다양한 배열 및 형상에 따라 반사구조체(500)를 다양한 형태로 형성함에 따라 다양한 발광패턴의 구현이 가능하게 된다.

예를 들어, 상기 노출홈을 라인형으로 형성되고, 상기 반사구조체가 하면이 사각이 피라미드, 하면이 육각인 피라미드, 하면이 사각이고 상부 일부가 절단(truncated)된 피라미드, 하면이 육각이고 상부 일부가 절단(truncated)된 피라미드, 상부로 향할수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 중 적어도 어느 하나의 형상으로 형성되어 상기 라인형의 노출홈을 따라 배열되어 구성될 수도 있다.

한편, 상기 반사구조체(500)는 n형 도핑된 반도체층으로 구성될 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 n형 도핑된 반도체층으로 구성된 반사구조체(500)의 표면에 구조체용 n형 전극(520)이 적층되고, 상기 구조체용 n형 전극(520)의 표면에 반사금속층(510), 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층이 증착되도록 구성될 수 있다.

상기 구조체용 n형 전극(520)의 표면에 증착된 반사금속층(510)은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 구조체용 n형 전극(520)은 n형금속층(110)과 동일한 재질의 금속층 일 수 있으며, 증착 공정을 동시에 진행할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 반사구조체(500)가 n형 도핑된 반도체층으로 구성되고, 이러한 반사구조체(500)의 표면에 구조체용 n형 전극(520)이 적층되도록 구성된 경우에는 전기적 특성이 향상되고, 광변환 효율이 개선되어 광추출효율을 높일 수 있게 된다.

구체적으로, Al 조성이 높은 n형 반도체층(100)의 상부에 Al 조성이 상대적으로 낮은 n형 도핑된 반도체층으로 구성된 반사구조체(500)를 형성함에 따라 전기적 특성이 향상되고, 광변환 효율이 개선되어 광추출효율을 높일 수 있는 것이다.

한편, 상술한 바와 같이, 반사구조체(500), 구조체용 n형 전극(520), 반사금속층(510)이 순차적으로 형성된 구조에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 구조체용 n형 전극(520)이 상기 n형 반도체층(100)의 상면에 구비된 n형금속층(110)과 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 전극의 면적이 전체적으로 늘어남에 따라 발광효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 상기에서는, 상기 반사구조체가 상기 노출홈(H)의 저면에 대응하는 위치에 구비되는 경우에 대해 설명하였지만, 상기 반사구조체는 n-전극(120)의 형성을 위해 메사 식각되는 부분에도 구비될 수도 있음은 물론이다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같은 형태의 질화물 반도체 발광소자에서, n-전극(120)의 형성을 위해 노출되는 n형 반도체층의 노출면에도 반사구조체가 구비될 수 있으며, 이와 같은 구조로 반사구조체를 형성하는 경우에는 기존의 질화물 반도체 발광소자의 형상을 변경하지 않는 상태로 적용이 가능하다는 이점이 있다.

이하에서는, 상술한 바와 같이 구성된 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.

먼저, 기판상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계를 수행한다.

다음으로, 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부를 식각하여 노출홈을 형성하는 단계를 수행한다.(도 7의 (a))

다음으로, 상기 활성층의 측방에서 상기 노출홈으로 발광된 빛을 상방으로 반사하도록 상기 노출홈의 저면에 상협하광(上狹下廣) 형상의 반사구조체를 형성하는 단계를 수행한다.(도 7의 (b))

상기 단계에서, 상기 반사구조체는 접착층을 개재해서 상기 노출홈의 저면에 접착고정하거나 상기 노출홈의 저면에 선택영역성장법에 의해 성장시킴에 따라 형성될 수 있다.

다음으로, 상기 노출된 n형 반도체층의 상면 일부에 n형금속층을 형성하는 단계를 수행한다.(도 7의 (c))

한편, 상기 단계에서, 상기 n형금속층과 동일한 재질로 상기 반사구조체의 표면에 구조체용 n형 전극을 상기 n형금속층과 함께 형성할 수 있다.

다음으로, 상기 p형 반도체층의 상면에 p형금속층을 형성하는 단계를 수행한다.(도 7의 (d))

다음으로, 상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성하는 단계를 수행한다.(도 7의 (e))

한편, 상기 n형금속층과 동일한 재질로 상기 반사구조체의 표면에 구조체용 n형 전극을 상기 n형금속층과 함께 형성한 경우에, 상기 단계에서는, 상기 구조체용 n형 전극의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성할 수 있다.

다음으로, 상기 n형금속층의 상면에 n형 전극을 형성하고, 상기 p형금속층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계를 수행한다.(도 7의 (f))

상술한 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일예에 대해 설명하였지만, 반사구조체를 형성하는 단계 이후의 과정은 필요에 따라 적절하게 변경적용될 수도 있음은 물론이다.

예를 들어, 재성장을 통해 형성된 상기 반사구조체 상면에 반사금속층을 형성하는 과정은 n형 및 p형 전극 형성 후에 진행할 수 있다.

예를 들어, 접착층을 이용해 반사구조체를 접착고정할 때, 상기 반사구조체는 일부 n형 반도체가 식각에 의해 드러난 이후에는 공정과정에 상관없이 반도체 발광 소자에 접착고정될 수 있다.

예를 들어, 접착층을 이용해 반사구조체를 접착고정할 때, 반사금속층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층과 같은 층은 반사구조체를 반도체 발광소자에 접착고정하기 이전에 형성할 수도 있으며, 상기 반사금속층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층과 같은 층을 포함한 반사구조체는 일부 n형 반도체가 식각에 의해 드러난 이후에는 공정과정에 상관없이 반도체 발광 소자에 접착고정될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

10:기판
100:n형 반도체층
110:n형금속층
120:n형 전극
200:활성층
310:전자차단층
320:정공주입층
330:스페이서
400:p형 반도체층
410:p형금속층
420:P형 전극
500:반사구조체
510:반사금속층
520:구조체용 n형 전극
H:노출홈

Claims

기판상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부가 식각되어 형성된 노출홈; 및
상기 노출홈의 저면에서 구비되며, 상기 활성층의 측방에서 상기 노출홈으로 발광된 빛을 상방으로 반사하도록 상협하광(上狹下廣) 형상의 반사구조체;를 포함하여 구성되며,
상기 반사구조체는 접착층을 개재해서 상기 노출홈의 저면에 접착고정되거나 상기 노출홈의 저면에 선택영역성장법에 의해 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
삭제
제1항에 있어서,
상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층이 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,
상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
삭제
제1항에 있어서,
상기 반사구조체는,
상기 노출홈의 저면에 유전체층을 형성하고, 상기 유전체층의 일부를 개구시킨 후 반도체층을 성장시키는 방법에 의해 성장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제6항에 있어서,
상기 노출홈 저면에 형성되는 유전체층은 SiO₂, SiOx, SiN, SiNx, Al₂O₃, GaO 중 적어도 어느 하나로 이뤄진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제6항에 있어서,
상기 유전체층의 개구 형상은
스트립 형상, 원 형상, 타원 형상, 다각형 형상, 링 형상 중 적어도 어느 하나의 형상이 개별 또는 열을 이루어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층이 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제9항에 있어서,
상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제4항 또는 제10항에 있어서,
상기 금속반사층이 상기 n형 반도체층의 상면에 구비된 n형금속층과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 노출홈은 복수로 구성되되, 복수의 노출홈은 소정 길이로 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성되며, 상기 반사구조체는 각 노출홈의 길이방향을 따라 선형 또는 섬형의 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 노출홈은 적어도 하나의 메인 노출홈과 상기 메인 노출홈에서 연장된 복수의 서브 노출홈을 포함하여 구성되되, 상기 복수의 서브 노출홈은 소정 길이로 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성되며, 상기 반사구조체는 상기 메인 노출홈과 서브 노출홈 중 적어도 어느 하나의 홈의 길이방향을 따라 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 노출홈은 복수로 구성되되, 복수의 노출홈은 각각 환형의 형상으로 형성되어 상호 이격되도록 구성되며, 상기 반사구조체는 각 노출홈의 중심부에 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 노출홈은 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성의 라인형 노출홈 및 환형 형상으로 형성된 환형 노출홈을 포함하여 구성되되, 상기 반사구조체는 상기 라인형 노출홈의 길이방향을 따라 구비됨과 함께 상기 환형 노출홈의 중심부에 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 노출홈은 복수로 구성되되, 복수의 노출홈은 소정 길이로 연장형성되어 상호 이격된 줄무늬 형태로 형성되며, 상기 반사구조체는 각 노출홈의 길이방향을 따라 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 반사구조체는 n형 도핑된 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제17항에 있어서,
상기 반사구조체의 표면에 구조체용 n형 전극이 적층되고, 상기 구조체용 n형 전극의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층이 증착된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제18항에 있어서,
상기 금속반사층은 Au, Ag, Al, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, Pt 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제18항에 있어서,
상기 구조체용 n형 전극이 상기 n형 반도체층의 상면에 구비된 n형금속층과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 p형 반도체층과 상기 활성층의 사이에는 전자 차단층이 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
(a) 기판상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층하는 단계;
(b) 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 p형 반도체층, 활성층 및 상기 n형 반도체층의 일부를 식각하여 노출홈을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 활성층의 측방에서 상기 노출홈으로 발광된 빛을 상방으로 반사하도록 상기 노출홈의 저면에 상협하광(上狹下廣) 형상의 반사구조체를 형성하는 단계;를 포함하여 구성되며,
상기 (c) 단계에서,
상기 반사구조체는 접착층을 개재해서 상기 노출홈의 저면에 접착고정하거나 상기 노출홈의 저면에 선택영역성장법에 의해 성장시킴에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
삭제
제22항에 있어서,
상기 반사구조체를 상기 노출홈의 저면에 접착고정하기 이전에 상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제22항 또는 제24항에 있어서,
상기 (c) 단계 이전에,
(pc1) 상기 노출된 n형 반도체층의 상면 일부에 n형금속층을 형성하는 단계;
(pc2) 상기 p형 반도체층의 상면에 p형금속층을 형성하는 단계;
(pc3) 상기 n형금속층의 상면에 n형 전극을 형성하고, 상기 p형금속층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하며,
상기 (pc1)단계, (pc2)단계, (pc3)단계 중 어느 하나의 단계 이후에 접착층을 개재해서 상기 반사구조체를 상기 노출홈의 저면에 접착고정하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제22항에 있어서,
상기 (c) 단계 이후에,
(d) 상기 노출된 n형 반도체층의 상면 일부에 n형금속층을 형성하는 단계;
(e) 상기 p형 반도체층의 상면에 p형금속층을 형성하는 단계;
(f) 상기 반사구조체의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성하는 단계;
(g) 상기 n형금속층의 상면에 n형 전극을 형성하고, 상기 p형금속층의 상면에 p형 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제26항에 있어서,
상기 (d) 단계에서, 상기 n형금속층과 동일한 재질로 상기 반사구조체의 표면에 구조체용 n형 전극을 상기 n형금속층과 함께 형성하고,
상기 (f) 단계에서, 상기 구조체용 n형 전극의 표면에 금속반사층, 전방향 반사기층, 분포 브래그 반사계층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제26항에 있어서,
상기 (f) 단계가 (g) 단계 이후에 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.