KR100386543B1 - 반도체발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 반도체 발광 소자는 절연 기판, 및 상기 절연 기판 위에 형성되고, 적어도 발광부, 정전극부 및 부전극부를 포함하는 층 구조를 구비한다. 상기 정전극부의 일부와 부전극부의 일부는 절연막을 통하여 서로 중첩된다.

Description

반도체 발광 소자
본 발명은 반도체 발광 소자, 구체적으로는 특정 전극 구조를 갖는 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 절연 기판 위에 형성된 반도체 발광 소자의 전극 패드의 구조, 영상 및 배치에 관한 것이다.
GaN, AlN 또는 InN의 혼합 결정과 같은 질화물계 반도체 재료를 사용하여,가시광 영역으로부터 자외선 영역까지 발광하는 반도체 발광 소자(LED 소자)가 실현되었다. 이 LED 소자에 있어서, 성장 기판으로서 사파이어 등이 통상 사용된다. 상기 기판이 절연 기판이기 때문에, 소자의 성장면측에 정전극 및 부전극이 제공되어야 한다. 상기 목적을 위하여 다양한 구조가 제안되었다.
이후 일본 특허공개공보 7-94782호에 개시된 질화물계 반도체 재료를 사용하는 종래의 반도체 발광 소자를 기재한다.
도 3a는 종래의 질화 갈륨계 화합물의 반도체 발광 소자의 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 평면도에서 3B-3B선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3b에 있어서, 사파이어 기판과 같은 절연 기판(30) 위에 n형 질화 갈륨계 화합물의 반도체층(31)과 p형 질화 갈륨계 화합물의 반도체층(33)이 발광을 위하여 순차적으로 적층되어 있다.
n형 질화 갈륨계 화합물의 반도체층(31)에는 부전극 와이어 결합패드(32)를 포함하는 부전극부가 형성되어 있다. p형 질화 갈륨계 화합물의 반도체층(33)에는 정전극 와이어 결합패드(34) 및 투광성 전극층(35)을 포함하는 정전극부가 형성되어 있다. 전류 확산을 위한 투광성 전극층(35)은 p형 질화 갈륨계 화합물의 반도체층(33) 표면의 거의 전면에 형성된다. 창문부(36)는 투광성 전극층(35)에 제공되며 이를 통하여 정전극 와이어 결합패드(34)가 p형 질화 갈륨계 화합물의 반도체층(33)과 접촉한다.
도 3a의 평면도에서 정전극부의 정전극 와이어 결합패드(34) 및 부전극부의 부전극 와이어 결합패드(32)는 상기 소자의 대향하는 모서리에 제공된다.
유사한 정/부전극 구조를 사용하는 또 다른 종래 소자는 일본 특허공개공보 8-274377호에 개시되어 있다.
상술한 형태의 발광 소자는 통상 전극면을 표면으로 하여, 투명 전극을 통하여 빛이 방사되도록 설치된다. 그러나, 도 3a 및 3b에 나타낸 정전극부의 정전극 와이어 결합패드(34)는 통상 빛을 투과시키는 두께 이상의 두꺼운 금속막을 사용한 비투광성이다. 따라서, 정전극 와이어 결합패드(34)의 하부의 발광층(즉, 층 31 및 33)으로부터 방사된 빛은 효율적으로 출력될 수 없다.
따라서, 상술한 종래의 구조에 있어서, 도 3a 및 3b에 나타낸 소자로부터 방사되는 광출력에 기여하는 것은 정전극 와이어 결합패드(34)에 의해 덮이지 않은 투광성 정전극층(35)의 부분에서의 전류이다. 다시 말해서, 정전극 와이어 결합패드(34)의 부분으로부터 하부로 흐르는 전류는 도 3a 및 3b에서 소자의 효율적인 발광에 기여하지 않거나 또는 작다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 실시예 1에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 나타내며, 도 1a는 평면도이고, 도 1b, 1c 및 1d는 도 1a에서 각각 1B-1B선, 1C-1C선 및 1D-1D선에 따른 단면도이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예 2에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 나타내며, 도 2a는 평면도이고, 도 2b, 2c 및 2d는 도 2a에서 각각 2B-2B선, 2C-2C선 및 2D-2D선에 따른 단면도이다.
도 3a 및 3b는 질화물계 반도체 재료를 사용한 종래의 질화 갈륨계 화합물의 반도체 발광 소자를 나타내며, 도 3a는 평면도이고, 도 3b는 도 3a에서 3B-3B선을 따라 절단한 단면도이다.
본 발명의 반도체 발광 소자는 절연 기판; 및 상기 절연 기판 위에 형성되고 적어도 발광부 정전극부 및 부전극부를 포함하는 층 구조를 구비한다. 정전극부의 일부와 부전극부의 일부는 절연막을 통하여 서로 중첩된다.
하나의 실시예에 있어서, 정전극부에 제공된 제 1와이어 결합패드 및 부전극부에 제공된 제 2와이어 결합패드는 절연 기판의 동일변을 따라 서로 근접하여 형성된다.
종래의 반도체 발광 소자에 있어서는, 전극 와이어 결합패드 바로 아래에서 발생하는 내부 발광은 전극 와이어 결합패드에 의해 차단되어 소자의 외부로의 광출력에 기여하지 않는다. 그러나, 본 발명의 반도체 발광 소자에 있어서는, 절연층을 준비하여 상기 전극 와이어 결합패드 바로 아래로 전류가 흐르지 못하도록 한다. 따라서, 그 결과 얻어진 반도체 발광 소자의 광출력에 기여하지 않는 전류의 양이 감소되며, 이로써 발광 효율이 개선된다. 또한, 다른 전극부에 대한 접촉 면적이 증가하기 때문에 그 결과 얻어진 반도체 발광 소자의 순방향 전압(동작 전압)을 감소시킬 수 있다.
또한, 발광부를 직사각형과 같은 단순한 모양으로 하여, 그 결과 반도체 발광 소자의 단순한 발광 패턴을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명은 감소된 동작 전압 및 증가된 광출력을 갖는 반도체 발광소자를 제공한다는 이점이 있다.
본 발명의 상기 이점은 당업자가 첨부된 도면을 참조하여 하기 상세한 설명을 독해한다면 충분히 이해할 것이다.
실시예
도 1a 내지 1d 및 도 2a 내지 2d는 각각 본 발명의 실시예에 관한 것이다. 이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 설명한다.
실시예 1
도 1a 내지 1d는 본 발명의 실시예 1에 따른 반도체 발광 소자의 구조를 나타내며 도 1a는 소자의 평면도이고, 도 1b, 1c 및 1d는 도 1a의 단면도이다. 구체적으로는, 도 1b, 1c 및 1d는 도 1a에서 각각 1B-1B선, 1C-1C선 및 1D-1D선에 따른 단면도이다.
본 실시예의 발광 소자는 사파이어 기판(10)(약 350㎛×약 350㎛의 정방형), 발광부(19)(2개의 오목부를 갖는 약 300㎛×약 300㎛의 정방형), 정전극부용 정전극 와이어 결합패드(15), 및 부전극부용 부전극 와이어 결합패드(17)를 포함한다. 정전극 및 부전극 와이어 결합패드(15,17)(각각 약 130㎛×약 130㎛의 정방형)는 사파이어 기판(10)의 대각 모서리에 제공된다.
도 1b, 1c 및 1d에 있어서, 사파이어 기판(10) 위에 n형 AlXGaYIn1-X-YN층)0≤X≤1, 0≤Y≤1)(11)이 제공된다. 그리고 나서, n형 AlXGaYIn1-X-YN층(11) 위에는 기판과 거의 평행인 층(11)의 표면부가 층(12,13)에 의해 부분적으로 덮이지 않도록 발광층인 AlZGaTIn1-Z-TN층(0≤Z≤1, 0≤T≤1)(12) 및 p형 AlUGaVIn1-U-VN층)0≤U≤1, 0≤V≤1)(13)이 제공된다. 발광층(12)은 비-도프형 또는 Si-도프형 AlZGaTIn1-Z-TN층일 수 있다.
부전극부(16)는 층(12,13)으로 덮이지 않은 n형 AlXGaYIn1-X-YN층(11) 위에 제공된다. 부전극부(16) 위에 부전극 와이어 결합패드(17)가 추가로 제공된다.
부전극부(16) 및/또는 부전극 와이어 결합패드(17) 위에 이 후 공정에서 형성되는 정전극부(14)로부터 절연하기 위한 절연층(18)이 제공된다. 이 절연막은 예컨대 SiO2막, SiNx막 TiO2막 등을 사용하여 형성될 수 있다. 절연막은 스패터링 증착법 또는 전자빔 증착법을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, SOG(Spin On Glass)법이 사용될 수 있다.
절연층(18)이 형성된 후, 부전극(16)과 정전극(14) 사이에서 단락을 방지하는데 필요하지 않은 불필요한 상기 층(18)은 포토리소그래피 및 에칭 방법을 사용하여 제거한다.
절연층(18)의 두께는 부전극(16)과 정전극(14) 사이의 전기적인 절연을 실현하기에 충분하며, 통상 약 0.2㎛ 이상이다.
부전극(n형 전극)(16)의 구체적인 전극 재료는 예컨대, Ti/Al의 적층 전극 또는 Al의 단층막을 포함할 수 있다.
정전극(14)은 p형 AlUGaVIn1-U-VN층(13) 및 절연층(18) 위에 형성된다. 정전극(p형 투명전극)(14)은 투명하고, 예컨대, 하나 이상의 Ni, Pd, Pt 등의 위에 얇은 Au막을 적층함으로써 얻어질 수 있거나, 또는 하나의 Ni, Pd 또는 Pt로 형성된 층일 수 있다. 또한, ITO 또는 TiN의 투명전극에 Ni, Pd 또는 Pt의 얇은 막을 적층하여 얻을 수 있다. 정전극(14)의 전극 금속층의 두께는 도전성을 유지하면서 소자 내부로부터의 발광을 가능한 한 방지할 수 있도록 설정된다. 구체적으로는, 상기 두께는 약 1nm 내지 약 100nm이다.
정전극 와이어 결합패드(15)는 절연층(18) 바로 상부의 정전극부(14) 위에 형성된다. 정전극 와이어 결합패드(15)는 공정상 정전극(14)과 같은 계통의 재료를 사용하여 형성되지만, 이의 상부에 Au층이 제공된다. 따라서, 그 결과 얻어진 정전극 와이어 결합패드(15)의 층 구조는 상부로부터 하부로 Au/(Ni,Pd,Pt)/p-GaN을 포함할 수 있다. 정전극 와이어 결합패드(15)의 총 두께는 통상 약 0.1㎛ 내지 약 1㎛이다.
부전극부(16)가 절연층(18)을 통하여 정전극 와이어 결합패드(15) 바로 아래에 존재하는 도 1a 내지 1d의 구조는 하기 이점을 제공한다.
발광층(12)과 겹치는 정전극 와이어 결합패드(15)의 대부분의 영역 바로 아래에 흐르는 발광소자로부터 방사되는 광출력에 기여하기 어렵던 전류를 제거할 수 있으며, 반면 n형 AlXGaYIn1-X-YN층(11)과 부전극부(16) 사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 발광에 필요한 동작 전압을 감소시킬 수 있고, 그 결과 얻어진 반도체 발광 소자의 외부 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 예컨대 약 350㎛×약 350㎛의 사파이어 기판(10)을 사용하는 경우, 정전극 및 부전극 와이어 결합패드(15,17)의 면적은 모두 약 130㎛×약 130㎛이며, 발광부(19)의 면적은 정전극 및 부전극 패드(15,17)와 겹치는 영역을 뺀 약 300~320㎛×약 300~320㎛이다. 또한, 발광층(12)과 겹치는 정전극 와이어 결합패드(15)의 대부분의 면적은 약 100㎛×약 100㎛이다.
실시예 2
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예 2에 따른 발광 소자의 구조를 나타내며, 발광부(21)[발광층(12)]는 직사각형이다. 도 2a는 소자의 평면도이고, 도 2b, 2c 및 2d는 도 2a의 단면도이다. 구체적으로는, 도 2b, 2c 및 2d는 도 2a에서 각각2B-2B선, 2C-2C선 및 2D-2D선에 따른 단면도이다. 도 1a 내지 1d 및 도 2a 내지 2d에서 비슷한 구성 요소는 비슷한 참고 번호로 표시하며, 여기서는 그의 설명을 생략한다.
본 실시예의 발광 소자는 사파이어 기판(20)(약 350㎛×약 350㎛의 정방형), 발광부(21)(약 300㎛×약 170㎛의 직사각형), 정전극부용 정전극 와이어 결합패드(15), 및 부전극부용 부전극 와이어 결합패드(17)를 포함한다. 정전극 및 부전극 와이어 결합패드(15,17)(각각 약 130㎛×약 130㎛의 정방형)는 사파이어 기판(20)의 동일변을 따라 서로 근접하여 제공된다.
실시예 1에서와 같이, 본 실시예에서 정전극 와이어 결합패드(15) 바로 아래부분에 절연층(18)을 통하여 부전극부(16)가 매설되며, 이로써 하기 이점을 제공한다.
정전극 와이어 결합패드(15) 바로 아래에 흐르는 발광 소자로부터 방사되는 광출력에 기여하기 어려운 전류를 제거할 수 있고, 또한, n형 AlXGaYIn1-X-YN층(11)과 부전극(16) 사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에서 부전극(16)의 접촉 면적은 종래 예의 약 1.8배이며; 즉, 접촉 면적은 종래 예의 약 150㎛×약 130㎛에서 본 실시예의 약 150㎛×약 130㎛ + 약 150㎛×약 100㎛로 증가된다. 따라서, 종래 예의 동작 전압 약 3.5V는 본 실시예에서 동작 전압(순방향 전류 약 20mA에서의 전압) 약 3.4V 내지 약 3.45V로 되어, 약 0.05V 내지 약 0.1V 만큼 감소된다. 또한, 광출력은 약 2% 내지 약 5% 증가된다.
또한, 정전극 및 부전극 와이어 결합패드(15,17)를 사파이어 기판(20)의 한변에 제공함으로써, 발광부(21)의 모양을 단순한 다각형으로 할 수 있다. 따라서, 상기 발광 소자를 사용하여 비균일성이 적은 방사 특성을 갖는 발광 장치를 쉽게 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 절연 기판 및 상기 절연기판 위에 형성되고, 적어도 발광부, 정전극부 및 부전극부를 포함하는 층 구조를 구비한다. 정전극부의 일부와 부전극부의 일부는 절연막을 통하여 서로 중첩된다. 상기 구조는 하나의 전극부 바로 아래를 흘러 발광 소자로부터 방사되는 광출력에 기여하기 어렵던 전류를 감소시킬 수 있으며, 또한, 다른 전극부에 대한 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 광출력을 향상시킬 수 있으며, 그 결과 얻어진 반도체 발광 소자의 동작 전압을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의해, 정전극부용 (제 1)와이어 결합패드 및 또 다른 부전극부용 (제 2)와이어 결합패드는 절연층의 동일변을 따라 서로 근접하여 제공될 수 있다. 상기 구조에 있어서, 발광부는 단순한 형태를 가지며, 그 결과 얻어지는 발광 패턴은 복잡하지 않으며, 예컨대 오목부를 갖는 패턴과는 다르다. 따라서, 상기 반도체 발광 소자를 램프와 같은 발광 장치에 조립한 경우 단순한 방사 특성을 갖는 발광 장치를 얻을 수 있다.
또한, n형 층(예컨대, n형 AlXGaYIn1-X-YN층)을 갖는 부전극의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 그 결과 얻어진 반도체 발광 소자의 동작 전압을 감소시킬 수 있으며 광출력을 향상시킬 수 있다.
다양한 다른 변형이 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 명세서에 설명된 기재에 한정되지 않으며 넓게 해석될 수 있다.

Claims (2)

  1. 절연 기판;
    상기 절연 기판 위에 형성된 층구조(layered structure)로서, 적어도 발광부, 정전극부 및 부전극부를 구비하며, 상기 정전극부와 부전극부는 상기 층구조의 상부면들에 제공되는 층구조; 및
    서로 중첩하는 상기 정전극부의 부분과 부전극부의 부분 사이에 배치된 절연막을 구비하는 반도체 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 정전극 와이어 결합패드와 부전극 와이어 결합패드가 상기 절연 기판의 일측을 따라 서로 인접하여 형성되고, 상기 발광부가 상기 절연기판의 타측에 형성되는 반도체 발광 소자.
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