KR100558134B1

KR100558134B1 - 질화 갈륨계 반도체 led 소자

Info

Publication number: KR100558134B1
Application number: KR20030021380A
Authority: KR
Inventors: 김창태
Original assignee: 삼성전기주식회사; 에피밸리 주식회사
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2006-03-10
Also published as: KR20040087122A

Abstract

본 발명은 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 LED 소자에서 사파이어 기판의 하단에 요철 형상의 패턴을 갖는 투명 박막을 형성하고 요철면에 고반사율의 금속막을 증착하여 LED 소자 칩 내부의 활성층에서 발생한 빛이 고반사율의 금속막에 반사되어 외부로 효율적으로 방출되도록 하여 외부 양자 효율을 극대화한 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 LED 기판으로 사용되는 사파이어 기판에 접하여 실리콘 산화막 등의 투명 박막을 요철 형상으로 제작하고, 요철면에 접하여 광반사율이 우수한 금속을 증착하여 요철면에서 반사된 빛의 탈출 임계각을 변형시켜 활성층에서 발생된 빛이 사파이어 기판의 표면에 반사되어 칩의 상부로 방출되는 빛의 양이 극대화될 수 있으며, 이에 따라 외부 양자효율이 획기적으로 개선되는 효과가 있다.

LED, 고반사율, 금속막, 양자 효율

Description

질화 갈륨계 반도체 LED 소자{AlGaInN LIGHT EMITTING DIODE}

도 1은 종래의 질화갈륨계 반도체 LED소자의 구조를 나타내는 단면도.

도 2는 도 1의 질화갈륨층에서 빛의 탈출 임계각을 설명하기 위한 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 바람직한 제 1 실시예의 구조를 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 바람직한 제 2 실시예의 구조를 도시한 단면도.

도 5은 본 발명에 따른 바람직한 제 3 실시예의 구조를 도시한 단면도.

도 6는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 외부 양자 효율이 개선된 경로를 나타내기 위한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 사파이어 기판 11: 버퍼층

12: N-GaN층 13,: InGaN/GaN 활성층

14: p-GaN층 15: 투명전극

16: n형 금속전극 17: p형 금속전극

28: 투명 박막 29: 금속막

30: 돌출부 47: 광경로

본 발명은 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 LED 소자에서 사파이어 기판의 하단에 요철 형상의 패턴을 갖는 투명 박막을 형성하고 요철면에 고반사율의 금속막을 증착하여 LED 소자 내부의 활성층에서 발생한 빛이 고반사율의 금속막에 반사되어 외부로 효율적으로 방출되도록 하여 외부 양자 효율을 개선한 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 관한 것이다.

최근 정보기술과 이동통신기술 등의 비약적인 발전과 함께 정보를 시각적으로 표시해줄 수 있는 디스플레이 장치의 발전 또한 비약적으로 이루어지고 있으며, 디스플레이 장치는 그 구동 형태에 따라 투사형, 직시형, 허상이용형, 홀로그램 등이 있으며, 직시형 디스플레이는 크게 재질 자체가 발광 특성을 갖는 자체 발광형 디스플레이와 다른 외부의 요인으로 발광케할 수 있는 비발광형으로 분류되고 있다.

그리고, 최근의 개발 추이는 고휘도, 고속응답특성, 높은 발광강도, 전체 제조 공정수 등의 다양한 요구를 만족시키기 위해 LCD(Lyquid Crystal Display, 액정표시장치), PDP(Plasma Display Pannel), 유기 EL(Organic Electroluminescent), LED(Light Emitting Diode) 등이 기존 디스플레이 장치 시장을 급속하게 대체해나가고 있는 실정이다.

이중에서 특히, 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode)는 소형, 저소비전력, 고신뢰성 등의 특징을 겸비하여 표시용 광원으로서 널리 이용되고 있으며, 실용화되어 있는 LED의 재료로서는 AlGaAs, GaAlP, GaP, InGaAlP 등의, 5족 원소로 As, P를 사용한 3-5족 화합물 반도체가 적색, 등색(橙色), 황색, 녹색 발광용으로서 이용되고, 녹색, 청색, 자외(紫外)영역용으로서는 GaN계 화합물 반도체가 이용되며, 발광강도가 높은 LED가 실현되고 있다.

이와 같은 일반적인 질화 갈륨계 LED 소자의 적층구조는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(10)상에 버퍼층(11), n형 GaN 층(12), InGaN/GaN 활성층(13), p형 GaN층(14), 투명전극(15), n형 금속전극(16) 및 p형 금속전극(17)으로 형성되며, 개략적인 제조 공정은 상기 사파이어 기판(10)상에 버퍼층(11), n형 GaN 층(12), InGaN/GaN 활성층(13), p형 GaN층(14)을 순차적으로 결정성장시키고, n 형 금속전극(16)의 형성을 위해 일부분을 n형 GaN 층(12)까지 식각하며, p형 GaN층(14) 전면에 투명전극(15)을 증착하며, n형 금속전극(16)과 p형 금속전극(17)을 증착함으로써 형성된다.

상기 구성의 질화갈륨계 LED 소자에 있어서, 리드 프레임(미도시)에 인가되는 전압을 통해 반도체 LED 발광소자에 전류가 주입되면, 주입된 전류는 도전성이 높은 투명전극(15)에 의해 확장되고, n형 GaN층(12) 및 p형 GaN층(14)으로 주입된다. 그리고, 이 pn접합에 의해 발생하는 에너지 hυ(h: 프랭크상수, υ= c/λ, c:광속, λ: 파장)의 발생은 LED 발광소자의 외부로 취출된다.

그리고, 이러한 LED 발광소자에서 발생한 빛의 효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 나누어지는데, 내부 양자 효율은 활성층의 설계나 품질에 따라 결정되며, 외부 양자 효율의 경우에는 활성층에서 발생된 빛이 LED 발광소자의 외부로 나오는 정도에 따라 결정되며, 외부 양자 효율의 경우는 굴절율과 임계각에 따 라 결정된다고 할 수 있다.

즉, 외부 양자 효율의 경우에 일정한 굴절율을 갖는 GaN(질화갈륨) 물질이나 사파이어의 경우 굴절율 1인 공기중으로 빛이 나오기 위해서는 임계각을 넘어야 하는데, 도 2에 나타나 있는 바와 같이 굴절율이 서로 다른 GaN과 공기 또는 수지사이에서 각 물질의 굴절율에 따른 굴절각이 나타나 있으며, 도 2에서 보듯이 공기 또는 수지로 빛이 탈출되는 탈출각 θ₂가 90°일 때의 임계각은 θ_c = sin^-1(N_low/N_high)로 표시되고, 질화갈륨(GaN)에서 굴절율이 1인 공기중으로 빛이 진행할때의 임계각은 약 23.6°가 된다.

만약 위의 임계각 이상의 각도로 발생되는 빛은 소자의 내부로 다시 돌아가서 소자의 내부에 갇히는 결과를 초래하고, 에피(epi)층이나 사파이어 웨이퍼내에서 빛의 흡수가 이루어져 외부 양자 효율은 급격하게 떨어지게 된다.

이와 같은 외부 양자 효율을 향상시키기 위해 본 출원인은 특허출원번호 10-2002-0053653(발명의 명칭: 질화갈륨계 반도체 엘이디 소자)에서 p형 GaN층 상측에 소정의 두께를 갖는 n형 InGaN/GaN 결정층을 형성하고 이 n형 결정층의 일부를 가공하여 n형 결정층상에 오옴형 전극을 형성하고 표면에 요철을 형성하여 외부 양자효율을 개선한 구조를 출원한 바 있다.

그러나, 위 특허는 투명전극의 투과율이 두께 및 공정의 변화도에 따라 보통 60%~80% 정도인 관계로 소자 상부로 방출되어져야 할 빛이 20%~40%는 방출되지 못하는 문제점을 개선하기 위한 것이었으며, 외부 양자 효율에서 측면이나 하측 방향으로의 임계각에 의한 빛 손실 부분에 대한 고려가 이루어지지는 않았다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소자에서 발생한 빛이 효과적으로 외부로 방출될 수 있도록 하는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 임계각에 의해 제한되는 빛의 외부 방출량을 향상시킬 수 있는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 후술될 구성 및 작용에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 LED 소자는 p-n 접합 다이오드 구조를 갖는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 있어서, 기존 반도체 LED 소자의 최하층에 위치하는 사파이어 기판 뒷면에 실리콘 산화막으로 요철 형상의 투명 박막이 형성되며, 상기 요철 형상의 투명 박막의 하측 표면에 접하도록 반사율이 우수한 금속막이 증착형성됨을 특징으로 한다.

바람직한 일례로 상기 요철은 복수 개의 사다리꼴 형상의 돌출부가 형성되어 각각의 돌출부의 긴 변측이 상기 사파이어 기판의 뒷면에 접하도록 형성될 수 있으며, 돌출부의 다른 실시예로 한변이 상기 사파이어 기판의 뒷면에 접하는 삼각 형상의 돌출부로 형성될 수 있으며, 또 다른 실시예로 상기 사파이어 기판의 뒷면이 반구형으로 돌출되는 복수개의 돌출부가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 복수 개의 돌출부는 상기 사파이어 기판의 뒷면에 일정 간격을 갖는 복수 라인 형상으로 형성될 수 있으며, 복수개의 행과 열이 교차하는 형태를 갖는 매트릭스 형태의 돌출부로도 형성될 수 있다.

또한, 상기 돌출부를 형성하는 공정은 구현하고자 하는 돌출부의 형태에 따라 건식 또는 습식 식각이 선택적으로 이용될 수 있으며, 상기 반사율이 우수한 금속막은 증착 공정 이외에도 e-빔 증착 공정, 열증착 공정, 스퍼터링 공정 등에 의해서도 형성될 수 있다.

상기 요철 형상의 투명 박막은 바람직하게 1.0㎚~100㎛의 두께로 증착되고, 요철 형상의 상측 폭이 바람직하게 1.0㎚~100㎛의 두께로 형성되거나, 상기 투명막인 요철의 하측 폭이 바람직하게 1.0㎚~100㎛의 두께로 형성될 수 있다.

그리고, 반사율이 우수한 금속 박막은 알루미늄, 은, 크롬, 니켈 중에서 어느 하나가 단독으로 사용되어지거나, 하나 이상의 합금으로 사용되어 질 수 있으며, 이때의 반사율 기준은 적어도 금속 박막의 두께가 470㎚일때 50%이상의 반사율을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 투명 박막의 재질은 위에서 언급한 실리콘 산화막 이외에도 실리콘 질화막, 폴리이미드, BCB(Benzocyclobutene, 벤조사이클로뷰틴) 또는 투명 에폭시로 형성될 수도 있다.

이하, 본 발명에 대한 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

첨부된 도 3은 본 발명에 따른 AlGaInN 반도체 엘이디 소자의 구조를 도시한 단면도이다.

도 3에 따르면 기본적인 적층 구조는 종래의 반도체 LED 소자와 같으며, 보다 구체적으로 재차 언급하면, 사파이어 기판(10)상에 버퍼층(11), n형 GaN층(12), InGaN/GaN 활성층(13), p형 GaN층(14), 투명전극(15), n형 금속전극(16) 및 p형 금속전극(17)의 적층구조로 형성되며, 개략적인 제조 공정은 상기 사파이어 기판(10)상에 버퍼층(11), n형 GaN층(12), InGaN/GaN 활성층(13), p형 GaN층(14)을 순차적으로 결정성장시키고, n형 금속전극(16)의 형성을 위해 일부분을 n형 GaN층(12)까지 식각하며, p형 GaN층(14) 전면에 투명전극(15)을 증착하며, n형 금속전극(16)과 p형 금속전극(17)을 증착함으로써 형성된다.

이때, 사파이어 기판(10)은 전체적으로 반도체 LED 소자가 소정의 두께가 되도록 CMP와 같은 연마공정으로 얇게 형성시키며, 사파이어 기판(10)의 하부 면에 접하도록 투명 박막(28)을 형성하기 위해 실리콘 산화막을 증착시킨 후에 선택적으로 소정 영역을 식각하는 방법에 의해 도 3과 같은 요철을 갖는 돌출부(30)가 복수 개로 형성된 투명 박막(28)이 형성된다.

이때 투명 박막(28)의 재질은 기 언급한 실리콘 산화막 이외에도 실리콘 질화막, 투명 에폭시, BCB(Benzocyclobutene, 벤조사이클로뷰틴) 등이 이용되며, 돌출부(30)는 제 1 실시예로서 복수 개의 사다리꼴 형상의 돌출부(30)가 형성되어 각각의 사다리꼴의 긴 변측이 상기 사파이어 기판(10)의 뒷면에 접하도록 형성된다.

돌출부(30)의 형태에 따른 다른 실시예인 도 4와 도 5에는 삼각형상의 돌출부(31) 및 반구 형상의 돌출부(32)를 게시하고 있으며, 이러한 돌출부(31),(32)는 사파이어 기판(10)의 뒷면에 일정 간격을 갖는 복수 라인 형상으로 형성될 수 있으며, 복수개의 행과 열이 교차하는 형태를 갖는 매트릭스 형태의 돌출부로도 형성될 수 있다.

돌출부(30),(31),(32)의 두께는 바람직한 예로 1.0㎚~100㎛의 두께로 증착되고, 본 실시예에서는 요철의 상측 폭과 하측 폭이 각각 1.0㎚~100㎛의 두께로 형성된다.

이러한 돌출부(30),(31),(32)를 갖는 투명 박막(28)의 하부 면에는 광반사율이 우수한 금속막(29), 예를 들어, 알루미늄, 은, 크롬, 니켈 등이 단독으로 또는 합금 상태로 증착에 의해 부착되며, 이때 부착되는 금속막(29)으로서의 반사율 기준은 적어도 금속 박막의 두께가 470㎚ 일때 50%이상의 반사율을 가지는 것이 좋다.

도 6에서는 위의 도 3에 개시된 사다리꼴 돌출부(30)를 갖는 요철과 그 후면에 증착되는 금속막(29)에 의한 광경로를 나타내었다.

외부에서 인가되는 전류에 의해 활성층(13)에서 발생되는 빛의 일부는 소자의 상측 방향으로 방출되고, 이에 반해 하측의 사파이어 기판(10)측으로 방출되는 빛은 얇은 박막으로 가공된 사파이어 기판(10)과 실리콘 산화막인 투명 박막(28)을 통과하여 하측의 고반사율의 금속막(29)으로 인가되고, 인접하고 있는 실리콘 산화막에 의해 경사지거나 곡면으로 형성된 금속막(29)에서는 인가되는 빛을 상측 방향으로 반사하여 빛이 소자의 외부로 용이하게 빠져나갈 수 있도록 유도되게 된다.

즉, 표면을 요철 형상으로 만들어 활성층에서 방출된 빛의 광 탈출 유효각도를 키움으로써 외부 양자효율을 개선할 수 있음을 보이고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였지만, 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의하여 판단되어져야 할 것이다.

본 발명에 따르면 LED 기판으로 사용되는 사파이어 기판에 접하여 실리콘 산화막 등의 투명 박막을 요철 형상으로 제작하고, 요철면에 접하여 광반사율이 우수한 금속을 증착하여 요철면에서 반사된 빛의 탈출 임계각을 변형시켜 활성층에서 발생된 빛이 사파이어 기판의 표면에 반사되어 칩의 상부로 방출되는 빛의 양이 증대될 수 있으며, 이에 따라 외부 양자 효율이 개선되는 효과가 있다.

Claims

삭제
제1 면 및 제1 면에 대향하는 제2 면을 구비하는 사파이어 기판, 그리고 사파이어 기판의 제1 면에 성장되며 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 질화 갈륨계 반도체층을 포함하는 질화 갈륨계 반도체 LED소자에 있어서,

사파이어 기판의 제2 면에 형성되는 요철 형상의 투명 박막; 그리고,

요철 형상의 투명 박막에 형성되며 활성층에서 생성된 빛을 반사하는 금속막;을 포함하며,

요철 형상은 복수 개의 사다리꼴로 이루어지고, 사다리꼴의 긴 변측이 사파이어 기판의 제2 면에 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자.
제1 면 및 제1 면에 대향하는 제2 면을 구비하는 사파이어 기판, 그리고 사파이어 기판의 제1 면에 성장되며 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 질화 갈륨계 반도체층을 포함하는 질화 갈륨계 반도체 LED소자에 있어서,

사파이어 기판의 제2 면에 형성되는 요철 형상의 투명 박막; 그리고,

요철 형상의 투명 박막에 형성되며 활성층에서 생성된 빛을 반사하는 금속막;을 포함하며,

요철 형상은 복수 개의 삼각형으로 이루어지고, 삼각형의 한 변이 사파이어 기판의 제2 면에 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자.
제1 면 및 제1 면에 대향하는 제2 면을 구비하는 사파이어 기판, 그리고 사파이어 기판의 제1 면에 성장되며 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 질화 갈륨계 반도체층을 포함하는 질화 갈륨계 반도체 LED소자에 있어서,

사파이어 기판의 제2 면에 형성되는 요철 형상의 투명 박막; 그리고,

요철 형상의 투명 박막에 형성되며 활성층에서 생성된 빛을 반사하는 금속막;을 포함하며,

요철 형상은 복수개의 반구 형상의 투명 박막을 사파이어 기판의 제2 면에 형성함으로써 만들어지는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
제 2 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,

금속막은 알루미늄, 은, 크롬, 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자.
삭제
제 2 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,

투명 박막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 폴리이미드, BCB(벤조사이클로뷰틴), 및 투명 에폭시로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자.