JP2011519484A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の発光素子は第2電極層と、前記第2電極層上に第2導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層の酸化物を含む電流遮断層と、前記第2導電型半導体層上に活性層と、前記活性層上に第1導電型半導体層と、及び前記第1導電型半導体層上に第1電極層と、を含む。
Description
本発明は発光素子及びその製造方法に関するものである。
最近、発光素子としてLED(Light Emitting Diode)を利用した装置の研究が多く成されている。
LEDは化合物半導体の特性を利用して電気信号を光に変換するもので、第1導電型半導体層、活性層、第2導電型半導体層が積層され、電源が印加されることで前記活性層から光を発生する。前記第1導電型半導体層はn型半導体層からなり、前記第2導電型半導体層はp型半導体層からなり、或いはその反対からなることもできる。
一方、前記第1導電型半導体層に電源を印加する第1電極層と前記第2導電型半導体層に電源を印加する第2電極層が垂直方向に配置される垂直型LED構造において、電流が拡散して流れることができず、前記第1電極層の下側に電流が集中して流れる現象が発生することがある。このように、電流が集中して流れる現象が発生する場合、動作電圧が上昇し、光度が低下して、結果的に発光素子の信頼性が低下してしまう。
また、LEDは前記活性層から発生した光が外部へ効果的に抽出されるように光抽出効率を改善する必要がある。
本発明は、新しい構造を持つ発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明は、光抽出効率が向上された発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明は、電流が集中して流れる現象を緩和できる発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明は、安定した駆動電圧で動作される発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明の発光素子は第2電極層と、前記第2電極層上の第2導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層の酸化物を含む電流遮断層と、前記第2導電型半導体層上の活性層と、前記活性層上の第1導電型半導体層と、及び前記第1導電型半導体層上の第1電極層と、を含む。
本発明の発光素子は第2電極層と、前記第2電極層上の第2導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層上の活性層と、前記活性層上の第1導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層内の電流遮断層と、及び前記第1導電型半導体層上の第1電極層と、を含む。
本発明の発光素子は第2電極層と、前記第2電極層上の第2導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層上の活性層と、前記活性層上の第1窒化物層と第2窒化物層を含む第1導電型半導体層と、及び前記第1導電型半導体層上の第1電極層と、を含む。
本発明は、新しい構造を持つ発光素子及びその製造方法を提供することができる。
本発明は、光抽出効率が向上された発光素子及びその製造方法を提供することができる。
本発明は、電流が集中して流れる現象を緩和できる発光素子及びその製造方法を提供することができる。
本発明は、安定した駆動電圧で動作される発光素子及びその製造方法を提供することができる。
本発明の実施例の説明において、各層(膜)、領域、パターン又は構造物が基板、各層(膜)、領域、パッド又はパターンの「上」に又は「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は直接又は他の層を介在して形成されることも含む。また、各層の「上」又は「下」の基準は図面を基準として説明する。なお、図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性を図り、誇張、省略又は概略的に図示されている。また、各構成要素の大きさは実際の大きさを全面的に反映するものではない。
以下、添付された図面を参照しながら実施例に係る発光素子及びその製造方法を説明する。図1〜図6は第1実施例に係る発光素子及びその製造方法の説明図である。
先ず、図6に示すように、第1実施例に係る発光素子は第2電極層90と、前記第2電極層90上に形成されたオーミック接触層80と、前記オーミック接触層80上に形成された第2導電型半導体層50、活性層40及び第1導電型半導体層30と、前記第1導電型半導体層30上に形成された第1電極層100を含む。
また、前記第2導電型半導体層50には電流が流れる経路を変化させるための電流遮断層70が形成される。
前記オーミック接触層80は前記第2電極層90と、下面及び側面が接触して形成され、前記オーミック接触層80の上面と前記第2電極層90の上面は同一水平平面上に形成される。
前記第1電極層100と前記オーミック接触層80は垂直方向に配置される。または、前記第1電極層100と前記第2電極層90は垂直方向に配置される。即ち、前記第1電極層100と前記オーミック接触層80または第2電極層90は少なくとも一部分が同一垂直平面上に配置される。
第1実施例に係る発光素子では、前記第2導電型半導体層50内に電流遮断層70を形成する。前記電流遮断層70は前記第2導電型半導体層50と前記オーミック接触層80の境界部に形成される。例えば、前記電流遮断層70は上面と側面が前記第2導電型半導体層50と接触し、下面が前記オーミック接触層80と接触する。
前記電流遮断層70は絶縁特性を有する物質、例えば、前記第2導電型半導体層50が酸化された酸化物から形成される。前記電流遮断層70はプラズマ酸化工程によって形成されたGaxOyからなることができ、10〜100ｎｍの厚さを有する。
前記電流遮断層70が形成されることで、図6に矢印で示しているように、前記オーミック接触層80から前記第1電極層100に流れる電流は前記第1電極層100の下側に集中して流れず、第2導電型半導体層50、活性層40及び第1導電型半導体層30の広い領域に広がって流れることになる。
従って、前記第1電極層100の下側に電流が集中して流れる電流集中現象を防止でき、結果的に安定した動作電圧で駆動され、光放出効率が向上される。
また、前記第1導電型半導体層30は第1窒化物層31と第2窒化物層32を含むことができる。前記第1窒化物層31は前記第2窒化物層32に比べて低屈折率の媒質層から形成される。即ち、前記第2窒化物層32は前記第1窒化物層31に比べて高屈折率の媒質層から形成される。
前記第1窒化物層31はAlxGa1-xN(0<x≦1)として、n-AlGaNまたはAlN層からなることができ、前記第2窒化物層32はn-GaN層からなることができる。ここで、前記活性層40から放出される光の波長が450ｎｍである時、前記GaNの屈折率は2.44であり、AlGaNまたはAlNは2.12〜2.44となる。
ここで、前記AlGaNの場合AlとGaの組成比(composition ratio)によって屈折率が2.12〜2.44に変更され、Gaに比べてAlの含有量が相対的に多くなると屈折率は更に低下し、光抽出効率は増加する。
このように、第1実施例に係る発光素子は第1導電型半導体層30を前記第1窒化物層31と第2窒化物層32により形成することで、前記活性層40から発生した光が前記第2窒化物層32に入射された後前記第1窒化物層31を通じて外部へ効果的に抽出される。よって、発光素子の光抽出効率が向上される。
図7は第2実施例に係る発光素子の説明図で、図8は第3実施例に係る発光素子の説明図である。図7及び図8に図示された発光素子は、図6に図示された発光素子と基本的な特徴は類似している。但し、図7及び図8に図示された発光素子では、前記電流遮断層70の形成位置、大きさ、及び個数が変更されており、それにより前記第1電極層100の形成位置が変更される。
本発明の実施例において、前記電流遮断層70は前記第2導電型半導体層50の下部面の中央領域、または中央領域以外の領域に形成される。また、前記電流遮断層70は少なくとも2つが相互異なる大きさを有するように形成される。
以下、図1〜図6を参照して第1実施例に係る発光素子の製造方法を詳しく説明する。
図1〜図6は第1実施例に係る発光素子の製造方法を説明する図面である。図1に示すように、基板10上にUn-doped GaN層20、第1導電型半導体層30、活性層40及び第2導電型半導体層50を形成する。また、前記基板10と前記Un-doped GaN層20の間にはバッファ層(図示しない)を更に形成することができる。
前記基板10はサファイア(Al2O3)、Si、SiC、GaAs、ZnO、MgO中の少なくともいずれか１つからなることができる。
前記バッファ層はAlInN/GaN、InxGa1-xN/GaN、AlxInyGa1-x-yN/InxGa1-xN/GaN等のような積層構造をなす多層からなることができ、例えば、トリメチルガリウム(TMGa)とトリメチルインジウム(TMIn)及びトリメチルアルミニウム(TMAl)を水素ガス及びアンモニアガスと一緒に前記チャンバー内部に注入することで、成長させることができる。
前記Un-doped GaN層20はトリメチルガリウム(TMGa)を水素ガス及びアンモニアガスと一緒に前記チャンバーに注入して成長させることができる。
前記第1導電型半導体層30は第1導電型不純物イオンが注入された窒化物半導体層からなることができ、前記第1導電型半導体層30は低屈折率を有する第1窒化物層31と高屈折率を有する第2窒化物層32を含む。
前記第1導電型半導体層30は、例えば、n型不純物イオンが注入された半導体層からなることができる。前記第1導電型半導体層30はトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、n型不純物(例えば、Si)を含むシランガス(SiN4)を水素ガス及びアンモニアガスと一緒に前記チャンバーに注入して成長させることができる。そして、前記第1導電型半導体層30上に活性層40及び第2導電型半導体層50を形成する。
前記活性層40は単一量子井戸構造、または多重量子井戸構造からなることができ、例えば、InGaN井戸層/GaN障壁層の積層構造からなることができる。
前記第2導電型半導体層50は第2導電型不純物イオンが注入された窒化物半導体層からなることができ、例えば、P型不純物イオンが注入された半導体層からなることができる。前記第2導電型半導体層50はトリメチルガリウム(TMGa)、P型不純物(例えば、Mg)を含むビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}を水素ガス及びアンモニアガスと一緒に前記チャンバーに注入して成長させることができる。
図2に示すように、前記第2導電型半導体層50上にマスク60を形成して、O2プラズマ工程により選択的に電流遮断層70を形成する。
前記電流遮断層70は酸化物であるGaxOyの形態に形成される。例えば、前記電流遮断層70は次のような化学式により形成することができる。
4GaN+3O2→2Ga2O3+2N2
一方、前記マスク60のパターンに応じて図7及び図8に示す形態の電流遮断層70が形成される。
図3に示すように、前記電流遮断層70を形成した後、前記マスク60を除去する。図4に示すように、前記第2導電型半導体層50及び電流遮断層70上にオーミック接触層80及び第2電極層90を形成する。
前記オーミック接触層80は透明電極層、例えばITO、ZnO、RuOx、TiOx、IrOx中の少なくともいずれか１つからなることができる。また、前記オーミック接触層80は反射層及び接着層の少なくともいずれか１つを含むことができる。
前記第2電極層90は、例えば銅(Cu)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、導電性基板中の少なくともいずれか１つからなることができる。
図5に示すように、図4の構造物から前記基板10及びUn-doped GaN層20を除去する。バッファ層が形成された場合には前記バッファ層も除去される。
図6に示すように、図5の構造物に対するチップ分離のためのアイソレーション(isolation)エッチング工程が行われる。そして、前記第1導電型半導体層30上に第1電極層100を形成する。前記第1電極層100は、例えば銅(Cu)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)中の少なくともいずれか１つからなることができる。このような方法によって、図6の発光素子が製造される。
図9〜図15は第4実施例に係る発光素子及びその製造方法の説明図である。
先ず、図15に示すように、第4実施例に係る発光素子は第2電極層90と、前記第2電極層90上に形成されたオーミック接触層80と、前記オーミック接触層80上に形成された第2導電型半導体層50、活性層40及び第1導電型半導体層30と、前記第1導電型半導体層30上に形成された第1電極層100を含む。また、前記第1導電型半導体層30には電流が流れる経路を変化させるための電流遮断層70が形成される。
前記オーミック接触層80は前記第2電極層90と下面及び側面が接触して形成され、前記オーミック接触層80の上面と前記第2電極層90の上面は同一水平平面上に形成される。
前記第1電極層100と前記オーミック接触層80は垂直方向に配置される。または、前記第1電極層100と前記第2電極層90は垂直方向に配置される。即ち、前記第1電極層100と前記オーミック接触層80または第2電極層90は少なくとも一部分が同一垂直平面上に配置される。
実施例に係る発光素子では、前記第1電極層100の下の前記第1導電型半導体層30内に電流遮断層70を形成する。前記電流遮断層70は絶縁物質、例えば、SiO2、SiNx、TiO2、Ta2O3、SiON、またはSiCN中の少なくともいずれか１つから形成される。
前記電流遮断層70が形成されることで、図15に矢印で示しているように、前記オーミック接触層80から前記第1電極層100に流れる電流は前記第1電極層100の下側に集中して流れず、第2導電型半導体層50、活性層40及び第1導電型半導体層30の広い領域に広がって流れることになる。
従って、前記第1電極層100の下側に電流が集中して流れる電流集中現象を防止でき、結果的に安定した動作電圧で駆動され、光度が向上される。
また、前記第1導電型半導体層30は第1窒化物層31と第2窒化物層32を含むことができる。前記第1窒化物層31は前記第2窒化物層32に比べて低屈折率の媒質層から形成される。即ち、前記第2窒化物層32は前記第1窒化物層31に比べて高屈折率の媒質層から形成される。
実施例では、前記電流遮断層70が前記第2窒化物層32に形成されたものが開示されている。
前記第1窒化物層31はAlxGa1-xN(0<x≦1)として、n-AlGaNまたはAlN層からなることができ、前記第2窒化物層32はn-GaN層からなることができる。ここで、前記活性層40から放出される光の波長が450ｎｍである時、前記GaNの屈折率は2.44であり、AlGaNまたはAlNは2.12〜2.44となる。
ここで、前記AlGaNの場合AlとGaの組成比(composition ratio)によって屈折率が2.12〜2.44に変更され、Gaに比べてAlの含有量が相対的に多くなると屈折率は更に低下し、光抽出効率は増加する。
このように、第4実施例に係る発光素子は第1導電型半導体層30を前記第1窒化物層31と第2窒化物層32により形成することで、前記活性層40から発生した光が前記第2窒化物層32に入射された後前記第1窒化物層31を通じて外部へ効果的に抽出される。よって、発光素子の光抽出効率が向上される。
図16は、本発明の第5実施例に係る発光素子の説明図である。図16に図示された発光素子は、図15に図示された発光素子と基本的な特徴は類似している。但し、図16に図示された発光素子で前記電流遮断層70は部分的に複数個形成される。
前記電流遮断層70が部分的に複数個が形成される場合、前記第1導電型半導体層30がより容易に成長される長所を有する。また、前記電流遮断層70と電流遮断層70の間にも電流が流れるために、電流の拡散効果がより極大化される。
図17は図15の電流遮断層の平面図で、図18は図16の電流遮断層の平面図である。
図15及び図16に示すように、前記電流遮断層70の上側にも第1導電型半導体層30が成長するが、図18に示すように、前記電流遮断層70が複数個に分割して離隔されて形成される場合、電流遮断層70と電流遮断層70の間に前記第1導電型半導体層30が成長できる長所を有する。
以下、図9〜図15を参照して第4実施例に係る発光素子の製造方法を詳しく説明する。図9〜図15は第4実施例に係る発光素子の製造方法を説明するための図面である。
図9に示すように、基板10上にUn-doped GaN層20及び第1導電型半導体層30を形成する。また、前記基板10と前記Un-doped GaN層20の間にはバッファ層(図示しない)を更に形成することができる。
前記基板10はサファイア(Al2O3)、Si、SiC、GaAs、ZnO、MgO中の少なくともいずれか１つからなることができる。
前記バッファ層はAlInN/GaN、InxGa1-xN/GaN、AlxInyGa1-x-yN/InxGa1-xN/GaN等のような積層構造をなす多層からなることができ、例えば、トリメチルガリウム(TMGa)とトリメチルインジウム(TMIn)及びトリメチルアルミニウム(TMAl)を水素ガス及びアンモニアガスと一緒に前記チャンバー内部に注入することで、成長させることができる。
前記Un-doped GaN層20はトリメチルガリウム(TMGa)を水素ガス及びアンモニアガスと一緒に前記チャンバーに注入して成長させることができる。
前記第1導電型半導体層30は第1導電型不純物イオンが注入された窒化物半導体層からなることができ、前記第1導電型半導体層30は低屈折率を有する第1窒化物層31と高屈折率を有する第2窒化物層32を含む。
前記第1導電型半導体層30は、例えば、n型不純物イオンが注入された半導体層からなることができる。前記第1導電型半導体層30はトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、n型不純物(例えば、Si)を含むシランガス(SiN4)を水素ガス及びアンモニアガスと一緒に前記チャンバーに注入して成長させることができる。
前記Un-doped GaN層20上に前記第1窒化物層31を形成した後、前記第1窒化物層31上に第2窒化物層32を一定厚さに成長させる。
図2に示すように、前記第2窒化物層32上にマスク(図示しない)を形成して、絶縁物質からなる電流遮断層70を形成する。前記電流遮断層70はSiO2、SiNx、TiO2、Ta2O3、SiON、SiCN中の少なくともいずれか１つからなることができる。例えば、前記電流遮断層70がSiO2から形成される場合、SiH4またはSi2H6のようなシリコン(Si)を含むガスと、N2O、O2、O3のような酸素(O)を含むガスを注入し、CVD法により形成することができる。
この時、前記第2窒化物層32上に形成されるマスク(図示しない)のパターン形状に応じて図10及び図17に示すような電流遮断層70、図16及び図18に示すような電流遮断層70が形成される。
図11に示すように、前記マスク(図示しない)を除去して、前記第2窒化物層30を更に成長させる。前記第2窒化物層32が更に成長されることで、前記電流遮断層70は前記第2窒化物層32内に埋められる形態となる。
そして、前記第1導電型半導体層30上に活性層40及び第2導電型半導体層50を形成する。
前記活性層40は単一量子井戸構造、または多重量子井戸構造からなることができ、例えば、InGaN井戸層/GaN障壁層の積層構造からなることができる。
前記第2導電型半導体層50は第2導電型不純物イオンが注入された窒化物半導体層からなることができ、例えば、p型不純物イオンが注入された半導体層からなることができる。前記第2導電型半導体層50はトリメチルガリウム(TMGa)、P型不純物(例えば、Mg)を含むビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}を水素ガス及びアンモニアガスと一緒に前記チャンバーに注入して成長させることができる。
図12に示すように、前記第2導電型半導体層50上にオーミック接触層80及び第2電極層90を形成する。前記オーミック接触層80は透明電極層、例えばITO、ZnO、RuOx、TiOx、IrOx中の少なくともいずれか１つからなることができる。また、前記オーミック接触層80は反射層及び接着層の少なくともいずれか1つを含むことができる。
前記第2電極層90は、例えば銅(Cu)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、電導性基板中の少なくともいずれか１つからなることができる。
図13に示すように、図12の構造物から前記基板10及びUn-doped GaN層20を除去する。バッファ層が形成された場合には前記バッファ層も除去される。
図14に示すように、図13の構造物に対するチップ分離のためのアイソレーション(isolation)エッチング工程が行われる。
図15に示すように、前記第1導電型半導体層30上に第1電極層100を形成する。前記第1電極層100は、例えば銅(Cu)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)中の少なくともいずれか１つからなることができる。このような方法によって、図15及び図16の発光素子が製造される。
以上、本発明を実施例を中心に説明したが、これらの実施例は例示であり、本発明を限定するものではない。本発明の精神と範囲を遺脱することなく、多様な変形と応用が可能であることは、当業者によって自明である。例えば、本発明の実施例に具体的に示された各構成要素は変形して実施することができるものであり、このような変形と応用に係る差異点は、添付の特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
本発明は光源として使われる発光素子及びその製造方法に適用することができる。
Claims (15)
- 第２電極層と、
前記第２電極層上の第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層の酸化物を含む電流遮断層と、
前記第２導電型半導体層上の活性層と、
前記活性層上の第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上の第１電極層と、を含む発光素子。 - 前記第１電極層、第２電極層、及び電流遮断層は少なくとも一部分が垂直方向にオーバーラップする請求項１に記載の発光素子。
- 前記電流遮断層は上面及び側面が前記第２導電型半導体層と接し、下面が前記第２電極層に対向する請求項１に記載の発光素子。
- 前記電流遮断層は複数個に離隔されて形成される請求項１に記載の発光素子。
- 前記第２電極層と前記電流遮断層間にオーミック接触層を含む請求項１に記載の発光素子。
- 前記電流遮断層は複数個形成され、少なくとも二つの電流遮断層は互いに異なる大きさを有する請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１導電型半導体層は第１窒化物層と第２窒化物層を含み、前記第１窒化物層は前記第２窒化物層より屈折率が小さい請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１窒化物層はＡｌＧａＮ層またはＡｌＮ層から形成され、前記第２窒化物層はＧａＮ層から形成される請求項７に記載の発光素子。
- 前記電流遮断層はＧａｘＯｙから形成される請求項１に記載の発光素子。
- 第２電極層と、
前記第２電極層上の第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層上の活性層と、
前記活性層上の第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層内の電流遮断層と、
前記第１導電型半導体層上の第１電極層と、を含む発光素子。 - 前記第１電極層、第２電極層、及び電流遮断層は少なくとも一部分が垂直方向にオーバーラップする請求項１０に記載の発光素子。
- 前記電流遮断層は上面、下面及び側面が前記第１導電型半導体層により囲まれて形成される請求項１０に記載の発光素子。
- 前記電流遮断層はＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、ＳｉＯＮ、またはＳｉＣＮ中の少なくともいずれか１つから形成される請求項１０に記載の発光素子。
- 前記電流遮断層は複数個に離隔されて形成される請求項１０に記載の発光素子。
- 前記第１導電型半導体層は第１窒化物層と第２窒化物層を含み、前記第１窒化物層は前記第２窒化物層より屈折率が小さく、前記電流遮断層は前記第２窒化物層内に形成される請求項１５に記載の発光素子。
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