KR20150109143A - 버퍼 구조물을 구비하는 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따르는 발광 소자는 서로 번갈아 적층되는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함하는 버퍼 구조물을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는 상기 버퍼 구조물 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함한다. 이때, 상기 버퍼 구조물의 상기 질화알루미늄층과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층이 서로 접하도록 배치된다.

Description

버퍼 구조물을 구비하는 발광 소자 및 이의 제조 방법{Light emitting device having buffer layer and method of fabricating the same}
본 개시(disclosure)는 발광 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광추출효율을 증가시키는 버퍼 구조물을 구비하는 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 소자는 n형 반도체층, p형 반도체층, 및 상기 n형 및 p형 반도체층들 사이에 위치하는 활성층을 구비하는 소자이다. 상기 n형 및 p형 반도체층들에 순방향 전계가 인가되었을 때 상기 활성층 내로 전자와 정공이 주입되고, 상기 활성층 내로 주입된 전자와 정공이 재결합하면서 광을 방출하도록 구성된다.
이러한 발광 소자의 효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율인 광추출 효율에 의해 결정된다. 상기 광추출효율을 증가시키기 위해, PSS(Patterned Sapphire Substrate)와 같이, 기판 상에 요철 패턴을 형성한 후 상기 요철 패턴 상에 반도체층을 성장시키는 방법이 제안되었다. 상기 PSS는 상기 기판으로 입사하는 광을 산란시켜, 상기 기판을 통해 광이 방출되는 것을 방지한다.
최근에는 굴절률이 서로 다른 두 종의 재료를 번갈아 적층하는 분산형 브래그 반사층을 발광 소자의 내부에 적용하는 기술이 제안되고 있다. 상기 분산형 브래그 반사층은 분산형 브래그 반사층을 구성하는 상기 두 종의 재료의 물성에 따라, 특정의 파장의 광을 반사하도록 구성될 수 있다. 활성층이 상기 특정 파장의 광을 방출하는 경우, 상기 분산형 브래그 반사층을 이용하여 상기 광의 반사율을 증가시킴으로써, 외부로의 광방출효율을 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 특정 파장의 광에 대한 분산형 브래그 반사층을 적용하는 최근 기술의 예로서, 한국 공개 특허 2014-0008093에 개시된 기술이 있다.
본 발명의 실시예들은 발광 소자의 내부로부터 광의 방출 효율을 증가시키는 기능을 수행함과 동시에, 질화물 반도체층의 에픽텍셜 성장을 가능하게 하는 버퍼층을 구비하는 발광 소자의 구조 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 발광 소자가 개시된다. 상기 발광 소자는 서로 교번되도록(alternatively) 적층되는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함하는 버퍼 구조물을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는 상기 버퍼 구조물 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함한다. 이때, 상기 버퍼 구조물의 상층은 상기 질화알루미늄층이다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 발광 소자가 개시된다. 상기 발광 소자는 기판 및 상기 기판 상에서 서로 번갈아 적층되는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함하고, 분산형 브래그 반사층을 구비하는 버퍼 구조물을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는 상기 버퍼 구조물 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 질화갈륨층, 활성층, 및 제2 도전형 질화갈륨층을 포함한다. 이때, 상기 버퍼 구조물은 상기 기판과 상기 제1 도전형 질화갈륨층 사이에서 완층층으로 기능한다.
본 발명의 또다른 측면에 따르는 발광 소자의 제조 방법이 개시된다. 상기 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 먼저, 기판을 준비한다. 상기 기판 상에서 서로 번갈아 적층되는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함하는 버퍼 구조물을 형성한다. 상기 버퍼 구조물 상에 순차적으로 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 적층한다. 이때, 상기 버퍼 구조물의 상기 질화알루미늄층과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층을 서로 접하도록 형성한다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함하는 버퍼 구조물을 포함할 수 있다. 상기 버퍼 구조물은 가시 광선 영역인 약 400 내지 약 800 nm 파장 영역의 광에 대한 높은 반사율을 가지고, 입사하는 광에 대하여 광방출면 방향으로의 반사를 촉진시킴으로써, 발광 소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 버퍼 구조물은 제1 도전형 질화물 반도체층과의 계면에서, 상기 질화알루미늄층이 상기 제1 도전형 질화물 반도체층과 접하도록 구성될 수 있다. 이로써, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층이 상기 질화알루미늄층 상에서 용이하게 에피택셜 성장할 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 발광 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시 예에 따르는 발광 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시 예에 따르는 발광 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 버퍼 구조물의 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광 소자의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 개시에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다.
본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부' 가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다.
복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110) 상에 배치되는 버퍼 구조물(120)을 포함한다. 또한, 발광 소자(100)는 버퍼 구조물(120) 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 질화물 반도체층(130), 활성층(140), 및 제2 도전형 질화물 반도체층(150)을 포함한다.
기판(110)은 일 예로서, 사파이어 기판, 탄화실리콘(SiC) 기판, GaN, AlN 기판, 실리콘 기판 등일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 버퍼 구조물(120)을 성장시킬 수 있는 조건을 만족하는 한 다른 다양한 종류의 기판이 적용될 수 있다.
버퍼 구조물(120)은 서로 번갈아(alternatively) 적층되는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함한다. 버퍼 구조물의 상층(120)은 상기 질화알루미늄층일 수 있다. 상기 산화실리콘층은 약 1.48의 굴절율을 가질 수 있으며, 상기 질화알루미늄층은 약 2.18의 굴절율을 가질 수 있다. 구체적인 실시 예에서, 버퍼 구조물(120)은 상기 산화실리콘층과 상기 질화알루미늄층을 포함하는 단위적층체가 복층으로 적층된 구조물일 수 있다. 일 예로서, 상기 단위적층체는 약 80 내지 90 nm의 두께를 가질 수 있으며, 버퍼 구조물(120)은 상기 단위적층체가 약 10 내지 100 쌍으로 적층된 구조물일 수 있다.
버퍼 구조물(120)은 버퍼 구조물(120)로 입사하는 광을 반사시키는 분산형 브래그 반사층(Distributed Bragg Reflection, DBR)을 포함한다. 상기 분산형 브래그 반사층은 상기 적어도 한쌍 이상의 상기 단위적층체에 해당될 수 있다.
구체적인 실시예로서, 버퍼 구조물(120)에서, 약 80 내지 90 nm의 두께를 가지는 상기 단위적층체가 약 10층 내지 100층으로 적층되는 경우, 버퍼 구조물(120)은 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위의 광에 대해 적어도 90% 이상의 반사율을 가지는 브래그 반사층의 기능을 수행할 수 있다. 종래의 경우, 소정의 특정 파장에 대해 높은 반사율을 가지는 분산형 브래그 반사층과 관련된 기술이 개시되었던 반면, 본 실시 예의 경우, 가시 광선의 전 영역에 걸쳐 높은 반사율을 가지는 분산형 브래그 반사층을 제공할 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 버퍼 구조물(120)은 활성층(140)으로부터 하부 방향으로 방출되는 광(145)을 반사시켜, 상부 방향의 광방출면을 통해 발광 소자(100)의 광방출효율을 증가시킨다.
버퍼 구조물(120)은 기판(110)과 제1 도전형 질화물 반도체층(130) 사이에서 격자상수 차이에 의해 발생하는 응력을 완화시키는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 버퍼 구조물(120)의 상기 산화실리콘층은 비정질 구조를 가질 수 있으며, 상기 질화알루미늄층은 다결정과 같은 결정질 구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 버퍼 구조물(120)은 상기 질화알루미늄층이 최상층으로 배치되도록 구성될 수 있다. 상기 질화알루미늄층은 제1 도전형 질화물 반도체층(130)과 서로 접하도록 배치될 수 있다. 상기 질화알루미늄층은 제1 도전형 질화물 반도체층(130), 일 예로서, 질화갈륨층(GaN)과의 격자부정합 차이가 약 3%에 불과할 정도로 작을 수 있다. 따라서, 상기 질화알루미늄층은 상기 갈륨질화층(GaN)과 같은 제1 도전형 질화물 반도체층(130)이 상기 질화알루미늄층 상에서 용이하게 에피택셜(epitaxial) 성장하도록 기능할 수 있다.
버퍼 구조물(120) 상에는 제1 도전형 질화물 반도체층(130)이 배치될 수 있다. 제1 도전형 질화물 반도체층(130)은 n형 또는 p형 도펀트로 도핑된 반도체층일 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형 질화물 반도체층(130)이 n형 도펀트로 도핑되는 경우, 제2 도전형 질화물 반도체층(150)은 p형 도펀트로 도핑될 수 있다. 반대로, 제1 도전형 질화물 반도체층(130)이 p형 도펀트로 도핑되는 경우, 제2 도전형 질화물 반도체층(150)은 n형 도펀트로 도핑될 수 있다. 상기 n형 도펀트는 일 예로서, 실리콘(Si)일 수 있으며, 상기 p형 도펀트는 일 예로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 또는 이들의 2이상의 조합일 수 있다.
일 예로서, 제1 도전형 질화물 반도체층(130)은 n형 또는 p형 도펀트로 도핑된 형태로 존재하는 질화갈륨층(GaN), 알루미늄갈륨질화물층(AlxGa1 - xN, 0<x<1), 인듐갈륨질화물층(InGaN), 알루미늄인듐갈륨질화물층(AlxInyGa1 -x- yN, 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 수평형 구조의 발광 소자인 경우, 제1 도전형 질화물 반도체층(130)의 일부분 상에는 제1 전극층(160)이 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제1 전극층(160)은 본딩 와이어(미도시)를 통하여 발광 소자 패키지와 전기적으로 연결됨으로써, 외부 전원으로부터 제공되는 전압을 인가받아 제1 도전형 질화물 반도체층(130)에 제공할 수 있다. 제1 전극층(160)은 전도층으로 형성될 수 있으며, 일 예로서, 타이타늄, 알루미늄 등을 포함할 수 있다.
제1 도전형 질화물 반도체층(130) 상에는 활성층(140)이 배치될 수 있다. 활성층(140)은 제1 도전형 질화물 반도체층(130) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(150)으로부터 제공되는 전자-홀의 결합을 통해 광을 발생시킨다. 일 실시 예에 따르면, 활성층(140)은 전자-홀의 결합 효율을 높이기 위해 다중양자우물(Multple quantum well) 구조를 가질 수 있다. 일 예로서, 활성층(140)은 인듐갈륨질화물(InGaN), 질화갈륨(GaN), 갈륨알루미늄질화물(Ga1 - aAlaN, 0<a<1) 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1 -x- yN, 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
활성층(140) 상에는 제2 도전형 질화물 반도체층(150)이 배치될 수 있다. 제2 도전형 질화물 반도체층(150)은 n형 또는 p형 도펀트로 도핑된 반도체층일 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형 질화물 반도체층(130)이 n형 도펀트로 도핑되는 경우, 제2 도전형 질화물 반도체층(150)은 p형 도펀트로 도핑될 수 있다. 반대로, 제1 도전형 질화물 반도체층(130)이 p형 도펀트로 도핑되는 경우, 제2 도전형 질화물 반도체층(150)은 n형 도펀트로 도핑될 수 있다. 상기 n형 도펀트는 일 예로서, 실리콘(Si)일 수 있으며, 상기 p형 도펀트는 일 예로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 또는 이들의 2이상의 조합일 수 있다.
일 예로서, 제2 도전형 질화물 반도체층(150)은 n형 또는 p형 도펀트로 도핑된 형태로 존재하는 질화갈륨층(GaN), 알루미늄갈륨질화물층(AlxGa1 - xN, 0<x<1), 인듐갈륨질화물층(InGaN), 알루미늄인듐갈륨질화물층(AlxInyGa1 -x- yN, 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
제2 도전형 질화물 반도체층(150)의 일부분 상에는 제2 전극층(170)이 배치될 수 있다. 제2 전극(170)층은 일 예로서, 본딩 와이어(미도시)를 통하여 발광 소자 패키지와 전기적으로 연결됨으로써, 외부 전원으로부터 제공되는 전압을 인가받아 제2 도전형 질화물 반도체층(150)에 제공할 수 있다. 제2 전극층(170)은 전도층으로 형성될 수 있으며, 일 예로서, 타이타늄, 알루미늄 등을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 예에 있어서, 발광 소자(100)는 기판(110)과 제1 도전형 질화물 반도체층(130) 사이에 배치되는 버퍼 구조물(120)을 구비한다. 버퍼 구조물(120)은 산화실리콘층 및 질화알루미늄층이 번갈아 적층되는 단위적층구조체의 복층 구조물일 수 있다. 버퍼 구조물(120)은 입사하는 가사광선에 대해 적어도 90% 이상의 반사율을 가짐과 동시에, 상부에 적층되는 질화물 반도체층이 상기 질화알루미늄층 상에서 에픽택셜(epitaxial) 성장할 수 있도록 할 수 있다.
한편, 발광 소자(100)는 활성층(140)에서 특정 파장의 광을 방출하도록 설계될 수 있다. 하지만, 발명자에 따르면, 활성층(140)에서 발생된 소정의 단일 파장을 가지는 광은, 다양한 원인에 의해 다양한 파장대의 광으로 변환된 상태로 발광 소자(100) 내부에 존재할 수 있다. 일 예로서, 칩으로서의 발광 소자(100)로부터 방출되는 청색광은 외부의 황색 형광체에 의해 파장 변환되어 황색광의 상태로, 발광 소자(100) 내부로 재입사될 수도 있다. 상술한 현상에 근거하여, 활성층(140)에서 방출되는 광의 파장 뿐만 아니라 이와는 다른 다양한 가시광선 파장 영역의 광을 반사시킬 수 있는 반사층이 발광 소자(100)에 요청될 수 있다고 발명자는 판단한다. 본 발명의 실시 예는 가시광선 파장의 전영역에 대해 충분히 높은 반사율을 가지는 분산형 브래그 반사층을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 발광 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 발광 소자(200)는 버퍼 구조물(220)의 구성을 제외하고는, 도 1과 관련하여 상술한 발광 소자(100)와 그 구성이 실질적으로 동일하다. 따라서, 이하에서는 중복을 배제하기 위해 서로 차별된 구성에 대하여 기술하도록 한다.
도 2를 참조하면, 버퍼 구조물(220)은 제1 도전형 질화물 반도체(130)와의 계면에 요철 패턴(222)을 구비할 수 있다. 요철 패턴(222)은 버퍼 구조물(220)을 형성한 후에, 요부 및 철부를 가지도록 버퍼 구조물(220)을 선택적으로 식각함으로써 형성될 수 있다. 상기 선택적 식각 공정은 일 예로서, 리소그래피 공정을 통해 마스크층을 상기 버퍼 구조물 상에 형성하는 공정 및, 상기 마스크층을 식각 마스크로 이용하는 식각 공정으로 진행될 수 있다. 상기 식각 공정은 일 예로서, 건식 식각, 습식 식각 또는 이들의 결합으로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 요철 패턴(222)의 요부 및 철부는 버퍼 구조물(220)의 상기 질화알루미늄층을 노출시킬 수 있다. 이에 따라, 노출된 상기 질화알루미늄층 상에 제1 도전형 질화물 반도체층(130)이 에픽택셜 성장할 수 있다. 요철 패턴(222)은 버퍼 구조물(220)로 입사하는 가시광선을 산란시키는 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 가시광선이 버퍼 구조물(220)의 계면에서 굴절되어 버퍼 구조물(220)의 내부를 통과하는 확률을 추가적으로 낮출 수 있다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시 예에 따르는 발광 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 발광 소자(300)는 제1 전극층(360)의 구성을 제외하고는, 도 1과 관련하여 상술한 발광 소자(100)와 그 구성이 실질적으로 동일하다. 따라서, 이하에서는 중복을 배제하기 위해 서로 차별된 구성에 대하여 기술하도록 한다.
도 3의 제1 전극층(360)은, 도 1의 발광 소자(100)의 성장 기판(110)이 버퍼 구조물(120)로부터 분리되어 제거된 후에, 버퍼 구조물(120)의 노출면 상에 배치될 수 있다. 또한, 제1 전극층(360)과 제1 도전형 질화물 반도체층(130)과의 전기적 연결을 위해서, 버퍼 구조물(120)을 관통하는 비아층(310)이 배치될 수 있다. 비아층(130)은 금속층, n형 또는 p형 도펀트로 도핑된 반도체층 등의 전도층을 포함할 수 있다. 이를 통해, 도 3에 도시되는 발광 소자(300)는 제1 전극층(360)과 제2 전극층(170)이 서로 대향하도록 배치되는 수직형 구조를 가질 수 있다.
최종 구조에서, 성장 기판이 제거됨으로써, 기판 소재를 다양화할 수 있는 장점이 있다. 일 예로서, 종래의 경우, 상대적으로 낮은 가격 및 가공 용이성을 가지고 있으나, 상대적으로 높은 가시광 흡수율로 인하여 발광 소자에 적용이 어려웠던 실리콘 소재의 기판을 채용할 수 있다. 실리콘 소재의 기판은 공지의 반도체 습식 또는 건식 식각 공정을 적용하기 용이하므로, 종래 수직형 구조의 발광 소자 제조 시에, 기판을 제거 하는 과정에서 질화물 에피층이 손상되는 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시 예에 따르는 발광 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 발광 소자(400)는 제1 전극층(360)의 구성을 제외하고는, 도 2과 관련하여 상술한 발광 소자(200)와 그 구성이 실질적으로 동일하다. 따라서, 이하에서는 중복을 배제하기 위해 서로 차별된 구성에 대하여 기술하도록 한다.
도 4의 제1 전극층(360)은, 도 2의 발광 소자(200)의 기판(110)이 버퍼 구조물(220)로부터 분리되어 제거된 후에, 버퍼 구조물(220)의 노출면 상에 배치될 수 있다. 또한, 제1 전극층(360)과 제1 도전형 질화물 반도체층(130)과의 전기적 연결을 위해서, 버퍼 구조물(220)을 관통하는 비아층(410)이 배치될 수 있다. 비아층(130)은 금속층, n형 또는 p형 도펀트로 도핑된 반도체층 등의 전도층을 포함할 수 있다. 이를 통해, 도 4에 도시되는 수직형 구조의 발광 소자(400)는 가시광선의 전영역에 대한 충분히 높은 반사율을 가지며 요철 패턴을 구비하는 버퍼 구조물(220)을 구비할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 버퍼 구조물의 반사율을 나타내는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따르는 버퍼 구조물을 제1 실시예 내지 제3 실시예로 구성하였다. 상기 버퍼 구조물은 사파이어 기판 상에서 적층되었으며, 복수의 단위적층구조체로 이루어졌다. 상기 단위적층구조체는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층으로 구성되었다. 제1 실시예의 버퍼 구조물은 상기 단위적층구조체가 61쌍으로 적층되어, 총 5.35 um의 두께를 가진다. 제2 실시예의 버퍼 구조물은 상기 단위적층구조체가 81쌍으로 적층되어, 총 7.27 um의 두께를 가진다. 제3 실시예의 버퍼 구조물은 상기 단위적층구조체가 47쌍으로 적층되어, 총 4.12 um의 두께를 가진다.
도 5를 다시 참조하면, 제1 실시예 내지 제3 실시예에 대해, 가시광선 전체 영역인 약 400 내지 800 nm 파장의 광에 대해 적어도 90% 이상 거의 100%에 가까운 반사율을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 발광 소자의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 6을 참조하면, S610 단계에서, 기판을 준비한다. 상기 기판은 일 예로서, 사파이어 기판, 탄화실리콘(SiC) 기판 또는 실리콘 기판일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 버퍼 구조물을 성장시킬 수 있는 조건을 만족하는 한 다양한 다른 기판이 적용될 수 있다.
S620 단계를 참조하면, 기판 상에서 서로 번갈아 적층되는 실리콘산화층 및 질화알루미늄층을 포함하는 버퍼 구조물을 형성한다. 상기 버퍼 구조물의 상층은 상기 질화알루미늄층일 수 있다. 일 예로서, 상기 버퍼 구조물은 약 80 내지 90 nm의 두께를 가지는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층의 단위적층구조체가 약 10 내지 100 쌍으로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 버퍼 구조물을 형성하는 공정은 일 예로서, 분자빔에픽택시법(molecular beam epitaxy), 전자빔증착법(E-Beam deposition), 플라즈마 증착법, 스퍼터증착법, 화학기상증착법 등을 적용할 수 있다. 한편, 상기 버퍼 구조물을 형성하는 공정은 유기금속화학기상법의 적용을 배제할 수 있어, 박막 내 불순물의 잔존을 억제하여 보다 조밀한 구조의 박막을 형성할 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 버퍼 구조물을 형성한 후에, 상기 실리콘 산화층 및 상기 알루미늄질화층을 선택적으로 식각하여 요철 구조를 형성할 수 있다. 상기 선택적 식각 공정은 일 예로서, 리소그래피 공정을 통해 마스크층을 상기 버퍼 구조물 상에 형성하는 공정 및, 상기 마스크층을 식각 마스크로 이용하는 식각 공정으로 진행될 수 있다. 상기 식각 공정은 일 예로서, 건식 식각, 습식 식각 또는 이들의 결합으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 요철 패턴의 요부 및 철부는 상기 버퍼 구조물의 상기 질화알루미늄층을 노출시킬 수 있다.
S630 단계를 참조하면, 상기 버퍼 구조물 상에 순차적으로 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 적층한다. 상기 제1 도전형 질화물 반도체층, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 질화물 반도체층은 일 예로서, 유기금속화학증착법, 전자빔 증착법, 증발법 등에 의해 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 n형 또는 p형 도펀트로 도핑된 형태로 존재하는 질화갈륨층(GaN), 알루미늄갈륨질화물층(AlxGa1 - xN, 0<x<1), 인듐갈륨질화물층(InGaN), 알루미늄인듐갈륨질화물층(AlxInyGa1 -x- yN, 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하기 전에, 상기 버퍼 구조물의 최상층인 상기 질화알루미늄층 상에, 알루미늄의 질화처리를 수행할 수 있다. 이를 통해, 상기 질화알루미늄층 상에 질화알루미늄 시드층을 형성한다. 상기 질화알루미늄 시드층은 상기 제1 도전형 질화물 반도체층이 형성될 때, 성장 핵으로 기능할 수 있으며, 이에 따라, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 에피텍셜 성장할 수 있다. 일 실시 예로서의 상기 질화알루미늄 시드층은 일 예로서, 분자빔에픽택시법(molecular beam epitaxy), 전자빔증착법(E-Beam deposition), 플라즈마 증착법, 스퍼터증착법, 화학기상증착법, 유기금속화학기상증착법 등을 적용하여 형성할 수 있다. 상기 알루미늄의 질화처리는 일 예로서, 수 내지 수십 Å의 두께를 가질 수 있다.
상기 활성층은 인듐갈륨질화물(InGaN), 질화갈륨(GaN), 갈륨알루미늄질화물(Ga1 - aAlaN, 0<a<1) 알루미늄인듐갈륨질화물(AlxInyGa1 -x- yN, 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 상기 활성층은 전자-홀의 결합 효율을 높이기 위해 다중양자우물(Multple quantum well) 구조를 가질 수 있다.
상기 제2 도전형 질화물 반도체층은 n형 또는 p형 도펀트로 도핑된 형태로 존재하는 질화갈륨층(GaN), 알루미늄갈륨질화물층(AlxGa1 - xN, 0<x<1), 인듐갈륨질화물층(InGaN), 알루미늄인듐갈륨질화물층(AlxInyGa1 -x- yN, 0≤x,y,x+y≤1) 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
몇몇 실시 예에 있어서, 상기 발광 소자가 수평형 구조인 경우, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 및 활성층을 선택적으로 식각하여 상기 제1 도전형 질화물 반도체층을 노출시킨다. 이어서, 노출된 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 제1 전극층을 형성하고, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 제2 전극층을 형성한다.
몇몇 실시 예에 있어서, 상기 발광 소자가 수직형 구조인 경우, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성한 후에, 상기 기판을 상기 버퍼 구조물과 서로 분리하여 제거한다. 이어서, 분리되어 노출된 상기 버퍼 구조물 상에 제1 전극층을 형성한다. 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 제2 전극층을 형성한다. 또한, 상기 버퍼 구조물을 형성한 후에, 상기 버퍼 구조물을 관통하는 비아홀을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 비아홀을 채우는 전도성 비아층을 형성할 수 있다. 상기 전도성 비아층은 상기 제1 전극층과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층을 전기적으로 연결할 수 있다.
상술한 공정을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따르는 발광 소자를 형성할 수 있다. 이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 200 300 400: 발광소자,
110: 기판, 120 220: 버퍼 구조물,
130: 제1 도전형 질화물 반도체층, 140: 활성층,
150: 제2 도전형 질화물 반도체층,
160 360: 제1 전극층,
170: 제2 전극층, 222: 요철 패턴.

Claims (21)

  1. 서로 번갈아 적층되는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함하는 버퍼 구조물; 및
    상기 버퍼 구조물 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하되,
    상기 버퍼 구조물의 상층은 상기 질화알루미늄층인 발광 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물은 상기 산화실리콘층과 상기 질화알루미늄층으로 이루어지는 단위적층구조체가 복수의 쌍(pair)으로 적층되는
    발광 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물은 80 내지 90 nm의 두께를 가지는 단위적층구조체가 10 내지 100 쌍으로 적층되는
    발광 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물은 상기 버퍼 구조물로 입사하는 광을 반사시키는 분산형 브래그 반사층(DBR)으로 기능하는
    발광 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물은 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위를 가지는 광에 대해 적어도 90% 이상의 반사율을 가지는
    발광 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물의 하부에 배치되어, 상기 버퍼 구조물이 적층되도록 하는 기판을 더 포함하는
    발광 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼구조물은 상기 제1 도전형 질화물 반도체와의 계면에 요철 패턴을 구비하는
    발광 소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 요철 패턴의 요부 및 철부는 상기 버퍼 구조물의 상기 질화알루미늄층을 노출시키는
    발광 소자.
  9. 기판;
    상기 기판 상에서 서로 번갈아 적층되는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함하고, 분산형 브래그 반사층을 구비하는 버퍼 구조물; 및
    상기 버퍼 구조물 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 질화갈륨층, 활성층, 및 제2 도전형 질화갈륨층을 포함하되,
    상기 버퍼 구조물은 상기 기판과 상기 제1 도전형 질화갈륨층 사이에서 완층층으로 기능하는
    발광 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 기판은
    사파이어 기판, 탄화실리콘(SiC) 기판 및 실리콘 기판 중 어느 하나인
    발광 소자.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물은 상기 산화실리콘층과 상기 질화알루미늄층으로 이루어지는 단위적층구조체의 복층 구조물을 포함하는
    발광 소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물은 80 내지 90 nm의 두께를 가지는 단위적층구조체가 10 내지 100의 쌍으로 적층되는
    발광 소자.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물은 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위를 가지는 광에 대해 적어도 90% 이상의 반사율을 가지는
    발광 소자.
    ?
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 버퍼구조물은 상기 제1 도전형 갈륨질화층과의 계면에 요철 패턴을 구비하는
    발광 소자.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 요철 패턴의 요부 및 철부는 상기 버퍼 구조물의 상기 질화알루미늄층을 노출시키는
    발광 소자.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 산화실리콘층은 비정질 구조를 가지며,
    상기 질화알루미늄층은 결정질 구조를 가지는
    발광 소자.
  17. 제9 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물의 상기 질화알루미늄층은 상기 제1 도전형 질화갈륨층의 에피텍셜 성장을 돕는
    발광 소자.
  18. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에서 서로 번갈아 적층되는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층을 포함하는 버퍼 구조물을 형성하는 단계;
    상기 버퍼 구조물 상에 순차적으로 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 적층하는 단계를 포함하되,
    상기 버퍼 구조물의 상기 질화알루미늄층과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층을 서로 접하도록 형성하는
    발광 소자의 제조 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물은 80 내지 90 nm의 두께를 가지는 산화실리콘층 및 질화알루미늄층의 단위적층구조체가 10 내지 100의 쌍으로 적층되는
    발광 소자의 제조 방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 버퍼 구조물을 형성한 후에,
    상기 실리콘산화층 및 상기 알루미늄질화층을 선택적으로 식각하여, 요철 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는
    발광 소자의 제조 방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성한 후에,
    상기 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는
    발광 소자의 제조 방법.

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