KR100423185B1

KR100423185B1 - 질화물반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100423185B1
Application number: KR1020030073247A
Authority: KR
Inventors: 김창태; 유태경
Original assignee: 에피밸리 주식회사
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2004-03-18

Abstract

본 발명에 따른 질화물반도체 발광소자는, 기판(10) 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부접촉층(12); 하부접촉층(12) 상에 형성되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층(13); 활성층(13) 상에 형성되며 p형 질화물반도체층(29a) 및 n형 질화물반도체층(29b)이 순차적으로 적층되어 터널접합을 이루는 상부접촉층(24); 활성층(13) 및 상부접촉층(24)의 식각에 의해 노출되는 하부접촉층(12) 상에 형성되는 n형 오믹접촉금속층(16); 상부접촉층(24) 상에 형성되는 n형 오믹접촉투명금속층(25); 및 n형 오믹접촉투명금속층(25) 상에 형성되는 메쉬형의 도전성 투명산화막층(28);을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, p형 질화물반도체를 상부접촉층으로 사용하는 종래의 단점을 극복할 수 있다. 또한, n형 오믹접촉투명금속층(25) 상에 질화물반도체보다는 작고, 에폭시나 산화규소와 같은 보호막보다는 큰 굴절을 갖는 물질을 메쉬형태로 형성함으로써 전류확산을 용이하게 함과 동시에 LED의 활성층(13)에서 발생된 빛을 외부로 효과적으로 끌어내어 외부 양자효율을 최대화 할 수 있게 된다.

Description

질화물반도체 발광소자{III-Nitride compound semiconductor light emitting device}

본 발명은 질화물반도체 발광소자(III-Nitride compound semiconductor light emitting device)에 관한 것으로서, 특히 질화물반도체보다는 굴절율이 작고 에폭시나 산화 규소와 같은 보호막보다는 굴절율이 큰 메쉬형의 투명도전층을 이용하여 전류 확산을 용이하게 함은 물론 LED의 활성층에서 발생된 빛을 외부로 효과적으로 끌어내어 외부 양자 효율을 증가시킨 질화물반도체 발광소자에 관한 것이다. 본 발명에서 말하는 질화물반도체는 Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, x + y ≤1)를 말한다.

일반적으로, 질화물반도체 발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 버퍼층(buffer layer, 11), n형 질화물반도체로 이루어지는 하부접촉층(12), 질화물반도체로 이루어지는 활성층(13), p형 질화물반도체로 이루어지는 상부접촉층(14)을 순차적으로 결정성장 시키고, 하부접촉층(12)을 노출시키는 메사식각을 한 다음에, 상부접촉층(14)과 오믹접촉을 이루는 p형 오믹접촉투명금속층(15)을 형성한 후에, n형 오믹접촉금속층(16) 및 외부로의 전기적 연결을 위한 본딩패드(17)를 형성함으로써 만든다.

활성층(13)은 InGaN＼GaN로 이루어진 이중접합구조를 갖거나, GaN＼InGaN＼GaN로 이루어진 단일양자우물구조를 갖거나, 또는GaN＼InGaN＼GaN＼....＼GaN＼InGaN＼GaN로 이루어진 다중양자우물구조를 갖는다.

질화물반도체 발광소자의 광효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 나누어지는데, 내부 양자 효율은 활성층(13)의 설계나 품질에 따라서 결정되며, 외부 양자 효율은 활성층(13)에서 발생된 빛이 칩(chip)의 외부로 나오는 정도에 따라서 결정된다.

GaN이나 사파이어의 경우 굴절율이 1인 공기중이나 굴절율이 1.5인 에폭시로 빛이 나오기 위해서는 임계각을 넘어야 한다. 도 2는 GaN이나 사파이어 기판에서 굴절율이 이보다 작은 공기 또는 에폭시로 빛이 진행할 때의 임계각과 칩 내부에 가두어진 빛의 경로를 보이는 것이다. 도면에서 보이듯이 임계각은 θc = sin-1(n_low/n_high) 로 표시되고 GaN에서 칩의 상측 공기 중으로 빛이 진행할 때 임계각은 약 23.6도가 된다. 그 이상의 각도로 진행하는 빛은 도 2에서 점선으로 표시되는 바와 같이 칩의 내부로 다시 돌아가게 되어 빛이 칩 내부에 가두어 지게 된다. 즉, 빛이 에피텍셜층 내부 또는 사파이어 기판 내에 흡수되어 외부 양자 효율이 급격히 떨어지게 된다.

한편, p형 오믹접촉투명금속층(15)으로 니켈(Ni) 또는 금(Au)이 많이 사용되는데, 충분한 투명도를 확보하고 전류 확산이 용이하도록 하기 위해서 니켈은 약 5nm, 금은 약 5nm의 두께가 되어야 한다. 이 경우 470nm 광파장에서 광투과도가 60% - 75%로서 상당히 불량하여 칩의 상부로 빠져나오는 빛이 상당히 작아 외부 양자 효율이 나쁘다. 니켈 또는 금의 두께를 줄이면 투과도는 개선되나 면저항(sheetresistance)이 증가하여 전류 확산이 나빠져서 동작 전압이 상승하고, 전류가 칩의 국부적으로 몰리는 현상이 발생되어 신뢰성을 저하시키게 된다. 니켈 또는 금의 두께를 늘리면 면저항은 줄어들게 되나 투과도가 나빠져서 외부 양자 효율이 저하된다. 또한, 상부접촉층(14)을 이루는 p형 질화물반도체의 도핑 농도가 3 X 10¹⁷cm^-3정도로 낮을 수 밖에 없어서 접촉 저항이 상당히 큰 것이 단점이며, 이는 곧 구동 전압의 증가를 가져온다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상부접촉층으로 p형 질화물반도체를 사용하는 것이 아니라 n형 질화물반도체가 위에 있는 pn 터널접합층을 사용함으로써, p형 질화물반도체를 상부접촉층으로 사용할 때의 문제점을 극복함과 동시에, pn터널접합층의 위에 접하여 존재하는 n형 오믹접촉금속층 상에 도전성 투명산화막층을 메쉬형태로 더 형성시킴으로써 광투과도를 저하시키지 않으면서 전류확산을 더욱 용이하게 할 수 있는 질화물반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도;

도 2는 빛의 탈출 임계각을 설명하기 위한 도면;

도 3은 본 발명에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도;

도 4는 본 발명에 의한 외부 양자효율 개선을 설명하기 위한 광경로 도면;

도 5는 본 발명에 사용되는 투명도전성 투명산화막층(28) 패턴의 예를 설명하기 위한 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

10: 기판 11: 버퍼층

12: 하부접촉층 13: 활성층

14, 24: 상부접촉층 15: p형 오믹접촉투명금속층

16: n형 오믹접촉금속층 17, 27: 본딩패드

25: n형 오믹접촉투명금속층 28: 도전성 투명산화막층

29a: p형 질화물반도체층 29b: n형 질화물반도체층

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물반도체 발광소자는, 기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부접촉층; 상기 하부접촉층 상에 형성되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층이 순차적으로 적층되어 터널접합을 이루는 상부접촉층; 상기 활성층 및 상기 상부접촉층의 식각에 의해 노출되는 상기 하부접촉층 상에 형성되는 n형 오믹접촉금속층; 상기 상부접촉층 상에 형성되는 n형 오믹접촉투명금속층; 및 상기 n형 오믹접촉투명금속층 상에 형성되는 메쉬형의 도전성 투명산화막층;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 메쉬는 위 끝부분이 뾰족한 것이 바람직하다.

상기 도전성 투명산화막층은 상기 질화물반도체보다는 작고, 자신의 상부에 위치하는 외부환경보다는 큰 굴절율을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 외부환경의 예로는 에폭시 또는 산화규소 등을 들 수 있다.

상기 도전성 투명산화막층은 ITO 또는 ATO로 이루어지거나, 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

상기 n형 오믹접촉투명전극층은 Ni, Au, Ti, Cr, Ir, Al, Pt, Ru, 및 Rh 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어지거나 또는 선택된 두개 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1과 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.

아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형을 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 종래와 달리 상부접촉층(24)은 p형 질화물반도체층(29a)과 n형 질화물반도체층(29b)이 순차적으로 적층되어 터널접합을 이루는 구조를 갖는다. 따라서, 상부접촉층(24) 상에는 종래와 달리 n형 질화물반도체층(29b)과 오믹접촉을 이루기 위한 n형 오믹접촉투명금속층(25)이 p형 오믹접촉투명금속층(15) 대신에 존재하게 된다. n형 오믹접촉투명금속층(25) 상에는 외부로의 전기적 연결을 위하여 이와 오믹접촉되는 본딩패드(27)가 형성된다.

기판(10)은 투명한 특징을 가지는 사파이어, GaN 또는 SiC로 이루어질 수 있다.

도 1에서와 같이 상부접촉층(14)으로 p형 질화물반도체를 사용할 경우에는 p형 오믹접촉투명금속층(15)이 필요한데, p형 오믹접촉투명금속층(15)으로는 상술한 바와 같이 Ni과 Au의 조합이 사용된다. 그러나 이 경우 투과도가 낮아서 외부 양자 효율이 낮고, 면저항이 크고, p형 질화물반도체와의 접촉저항이 커서 높은 구동전압이 요구되는 단점이 있다.

그러나, 본 발명의 경우 이러한 단점을 극복하기 위해서 p형 질화물반도체층(29a)과 n형 질화물반도체층(29b)이 순차적으로 적층된 터널접합을 상부접촉층(14)으로 사용한다. 따라서, 최상층으로는 n형 질화물반도체층(29b)이 사용되며, 이로인해 도 1의 p형 오믹접촉투명전극층(15)이 아닌 n형 오믹접촉투명금속층(25)이 필요하다. n형 오믹접촉투명금속층(25)은 니켈(Ni), 금(Au),티타늄(Ti), 크롬(Cr), 이리듐(Ir), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 루세늄(Ru) 및 로듐(Rh) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어지거나 또는 선택된 두개 이상의 조합으로 이루어질 수 있다. 양호한 오믹접촉저항을 얻기 위하여 n형 오믹접촉투명금속층(25)은 열처리하여 형성하는 것이 바람직하며, 이 때의 열처리 분위기는 산소 분위기 또는 산소와 질소의 혼합가스 분위기가 좋다.

칩의 상측으로의 투과도를 확보하기 위해서는 n형 오믹접촉투명금속층(25)이 수 nm 정도로 아주 얇게 형성되어야 하는데 이 경우 면저항이 증가하여 전류 확산(spreading)이 어렵고 전류가 부분적으로 몰리게 되는 현상이 발생된다.

본 발명에서는 이를 해결하기 위해서 n형 오믹접촉투명금속층(25)을 아주 얇게 형성하고, 그 위에 식각 또는 리프트 오프 등의 방법으로 메쉬(mesh) 형태의 도전성 투명산화막층(28)을 더 형성한다. 위에서 내려다 봤을 때의 메쉬의 구멍형태는 원형이어도 되고 다각형이어도 된다. 도 5에는 사각형인 경우가 도시되었다.

도전성 투명산화막층(28)을 메쉬형태로 하는 이유는 전류확산의 용이성과 함께 상면으로 빛이 효율적으로 방출되도록 하기 위함이다. 메쉬형태로 하지 않고 n형 오믹접촉투명금속층(25) 전면에 형성시켜 버리면 외부로 빛이 효율적으로 방출되지 못하여 도전성 투명산화막층(28)의 존재로 인하여 외부양자효율이 감소된다. 이러한 외부양자효율의 감소를 최소화하기 위해서 메쉬형으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 메쉬는 위 끝 부분이 뾰족한 것이 바람직한데, 도 4는 메쉬의 위 끝부분이 뾰족한 경우의 양자효율의 증가를 설명하기 위한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 활성층(13)에서 발생한 빛은 상부접촉층(24) 및 n형 오믹접촉투명금속층(25)을 거쳐서 도전성 투명산화막층(28)으로 진행하게 되는데, 메쉬의 뾰족한 부분으로 진행한 빛은 광경로 B와 같이 투명산화막층(28)의 경사면에 한번 반사되어 외부로 빠져나가기도 하고, 광경로 C와 같이 투명산화막층(28)의 경사면에서 굴절되고 바로 외부로 빠져나가기도 한다. 광경로 D는 투명산화막층(28)의 경사면에 2회 반사된 후에 외부로 관이 빠져나가는 경우를 보이고 있다. 이와 같이 투명산화막층(28)으로 진행된 모든 빛은 외부로 빠져 나오게 되어 외부 양자효율이 극대화된다.

도전성 투명산화막층(28)은 1.0 nm ≤ t ≤ 10,000 nm 정도의 두께로 증착되며, 바람직하게는 100nm ~ 1000nm가 양호하다.

도전성 투명산화막층(28)으로는 ITO 또는 ATO(Antimony Tin Oxide)가 사용될 수 있다. ITO의 경우 굴절율이 1.9 - 2.1 사이로 알려져 있다. GaN 층의 굴절율이 2.4 정도이고 패키지 과정을 거치면 칩 표면은 굴절율이 약 1.5인 에폭시에 접하게 되는 바, 그 사이에 위치하는 ITO의 굴절율이 약 2.0이면 빛이 외부로 빠져 나오기 위해서 아주 적합한 구성이 된다. 양호한 투과도를 얻기 위해서 도전성 투명산화막층(28)은 열처리하여 형성하는 것이 바람직하며, 이 때의 열처리 분위기는 산소 분위기 또는 산소와 질소의 혼합가스 분위기가 좋다.

본 발명에 의하면, 상부접촉층(24)을 n형이 위에 있는 pn 터널접합을 사용함으로써 p형 질화물반도체를 상부접촉층으로 사용하는 종래의 단점을 극복할 수 있다. 또한, n형 오믹접촉투명금속층(25) 상에 질화물반도체보다는 작고, 에폭시나 산화규소와 같은 보호막보다는 큰 굴절을 갖는 물질을 메쉬형태로 형성함으로써 전류확산을 용이하게 함과 동시에 LED의 활성층(13)에서 발생된 빛을 외부로 효과적으로 끌어내어 외부 양자효율을 최대화 할 수 있게 된다.

Claims

기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부접촉층;

상기 하부접촉층 상에 형성되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층;

상기 활성층 상에 형성되며 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층이 순차적으로 적층되어 터널접합을 이루는 상부접촉층;

상기 활성층 및 상기 상부접촉층의 식각에 의해 노출되는 상기 하부접촉층 상에 형성되는 n형 오믹접촉금속층;

상기 상부접촉층 상에 형성되는 n형 오믹접촉투명금속층; 및

상기 n형 오믹접촉투명금속층 상에 형성되는 메쉬형의 도전성 투명산화막층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 메쉬는 위 끝부분이 뾰족한 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 도전성 투명산화막층은 상기 질화물반도체보다는 작고, 자신의 상부에 위치하는 외부환경보다는 큰 굴절율을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제3항에 있어서, 상기 외부환경이 에폭시 또는 산화규소인 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 도전성 투명산화막층이 ITO 또는 ATO로 이루어지거나, 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 n형 오믹접촉투명전극층은 Ni, Au, Ti, Cr, Ir, Al, Pt, Ru, 및 Rh 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어지거나 또는 선택된 두개 이상의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 기판이 사파이어, GaN, 또는 SiC로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항에 있어서, n형 오믹접촉투명금속층이 이리듐으로 이루어지고, 상기 도전성 투명산화막층이 ITO로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제8항에 있어서, 상기 n형 오믹접촉투명금속층 및 상기 도전성 투명산화막층이 열처리 과정을 각각 거쳐서 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.