KR100586949B1 - 플립칩용 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플립칩용 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 질화물 단결정 성장을 위한 투광성 기판과, 상기 투광성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진 고반사성 오믹콘택층과, 상기 고반사성 오믹콘택층 상면의 적어도 일부영역에 형성된 금속 배리어층과, 상기 금속 배리어층과 상기 n형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 p측 본딩전극 및 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전류 크라우딩현상이 완화되어 보다 낮은 순방향 전압과 높은 발광효율을 갖는 고신뢰성 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 기대할 수 있다.
플립칩(flip-chip), 질화물 반도체 발광소자(nitride semiconductor light emitting diode), 전류크라우딩(current crowding)

Description

플립칩용 질화물 반도체 발광소자{FLIP CHIP TYPE NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE}
도1은 종래의 질화물 발광소자가 탑재된 플립칩 발광장치를 나타내는 측단면도이다.
도2a 및 도2b는 각각 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 발광소자를 나타내는 측단면도 및 상부 평면도이다.
도3a은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도3b는 도3a의 플립칩용 질화물 발광소자가 탑재된 칩구조를 나타내는 측단면도이다.
도4a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도4b는 도4a에 채용된 유전체 배리어층의 부분상세도이다.
도5a 및 도5b는 각각 종래의 플립칩 발광장치와 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 채용한 플립칩 발광장치의 순방향전압특성과 출력특성을 비교하는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
30: 플립칩용 질화물 발광소자 31: 사파이어 기판
32: n형 질화물 반도체층 33: 활성층
34: p형 질화물 반도체층 35: 고반사성 오믹콘택층
36: 금속 배리어층 39a: n측 전극
39b: 본딩전극
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 전기적 특성과 우수한 휘도를 갖는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
최근에, 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광소자로서, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체물질로 제조되고 있다. 질화물 반도체 결정은 격자정합을 고려하여 사파이어기판과 같은 질화물 단결정성장용 기판에서 성장된다. 상기 사파이어 기판은 전기적 절연성 기판이므로, 최종 질화물 반도체 발광소자는 p측 전극과 n측 전극이 동일면 상에 형성된 구조를 갖는다.
이러한 구조적인 특징으로 인해, 질화물 반도체 발광소자는 플립칩 구조에 적합한 형태로 적극적으로 개발되고 있다. 종래의 질화물 반도체 발광소자가 탑재된 플립칩 발광장치가 도1에 예시되어 있다.
도1에 도시된 플립칩 발광장치(20)는 지지체용 기판(21) 상에 탑재된 질화물 반도체 발광소자(10)를 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11)과 그 위에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(14)을 포함한다. 또한, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 지지체용 기판(21) 상에 각 전극(19a,19b)을 도전성 범프(24a,24b)를 통해 각 리드패턴(22a,22b)상에 융착시킴으로써 탑재될 수 있다. 이러한 플립칩구조(20)에서 상기 발광소자(10)의 사파이어 기판(11)은 투광성이므로 광 방출면으로 활용될 수 있다.
도1과 같이, 플립칩형 질화물 반도체 발광소자의 전극, 특히 p측 전극은 p형 질화물 반도체층(14)과의 오믹 컨택트을 형성하면서도, 상기 활성층(13)으로부터 발광된 광을 광방출면을 향해 반사시킬 수 있는 높은 반사율을 가질 것이 요구된다. 따라서, 도1에 예시된 바와 같이, p측 전극구조는 p형 질화물 반도체층(14) 상에 형성된 높은 반사율을 갖는 오믹콘택층(15)과 상기 오믹콘택층(15) 성분의 확산을 방지하기 위한 금속 배리어층(16)을 포함할 수 있다.
하지만, 도1에 도시된 질화물 반도체 발광소자(10)는 플래너 전극구조에 가 지며, 특히 p형 질화물 반도체층(14)에 비해 p측 오믹콘택층(15)이 낮은 비저항(5∼10 mΩ/□)을 가지므로, 화살표로 표시된 바와 같이 전류의 상당부분이 오믹콘택층(15)을 따라 n측 전극의 인접한 부분(A)에 집중되는 전류 크라우딩(current crowding)이 발생된다.
이러한 전류 크라우딩은 순방향 전압을 증가시킬 뿐만 아니라, 상대적으로 n측 전극과 이격된 활성층부분의 발광효율을 저감시켜 휘도특성을 감소시킨다. 또한, 전류가 집중되는 부분(A)에서 발열량이 커져 소자의 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전류 크라우딩현상이 완화되도록 p측 전극구조를 개선함으로써 보다 낮은 순방향 전압과 높은 발광효율을 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,
질화물 단결정 성장을 위한 투광성 기판과, 상기 투광성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루 어진 고반사성 오믹콘택층과, 상기 고반사성 오믹콘택층 상면의 적어도 일부영역에 형성된 금속 배리어층과, 상기 금속 배리어층과 상기 n형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 p측 본딩전극 및 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
바람직하게, 상기 고반사성 오믹콘택층은 다수의 오픈영역 면적의 합이 상기 오믹콘택층의 전체 면적의 70%이하, 보다 바람직하게는 50%이하일 수 있다. 또한, 상기 고반사성 오믹콘택층의 반사율은 적어도 70%인 것이 바람직하다.
본 발명에 채용가능한 고반사성 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과 상기 제1층 상에 형성되어 Ag와 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층으로 구성될 수 있다. 이와 달리, 상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층으로 구성될 수도 있다.
고반사성 오믹콘택층이 2층 또는 3층으로 구성된 실시형태에서, 상기 제1층의 두께는 5∼50Å이며, 상기 제2층의 두께는 1000∼10000Å이고, 상기 제3층의 두께는 100∼500Å인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 금속 배리어층은 상기 고반사성 오믹콘택층 전체를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 상기 금속 배리어층은 상기 고반사성 오믹콘택층의 오픈영역에서 추가적인 반사층 역할을 할 수 있도록, 그 오픈영역에 노출된 p형 질화물 반도체층 상면에서부터 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 적어도 p측 본딩전극이 노출되도록 상기 고반사성 오믹콘택층의 상면에 형성된 유전체 배리어층을 더 포함할 수 있다.
상기 유전체 배리어층은 상기 고반사성 오믹콘택층을 둘러싸도록 형성될 수 있으며, 상기 유전체 배리어층은 통상의 페시베이션층과 같이 상기 p측 본딩전극과 n측 전극이 노출되도록 상기 소자의 일측면에 형성될 수 있다. 특히, 본 발명에 채용되는 유전체 배리어층은 서로 다른 굴절율을 갖는 2종의 유전체층이 교번하여 형성되어 고반사율을 갖는 유전체 미러층 기능도 수행할 수 있다. 이러한 유전체 배리어층은 각각 Si, Zr, Ta, Ti, In, Sn, Mg 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 포함한 산화물 또는 질화물로 이루질 수 있다.
본 발명에서 사용되는 "플립칩용 질화물 반도체 발광소자"라는 용어는, 플립칩구조의 발광장치에 채용되는 발광소자를 의미하며, p측 전극 및 n측 전극이 형성된 면이 상기 발광장치의 기판에 탑재면이 되는 발광소자를 말한다.
이하, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자의 각 구성요소를 보다 상세히 설 명한다.
p형 및 n형 질화물 반도체층
p형 및 n형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 단결정으로서, 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE)등으로 성장될 수 있다. 대표적인 질화물 반도체층은 GaN, AlGaN, GaInN가 있다.
p형 질화물 반도체층은 Mg, Zn 및 Be 등의 불순물을 포함할 수 있으며, n형 질화물 반도체층은 Si, Ge, Se, Te 및 C 등과 같은 불순물을 포함할 수 있다. 일반적으로, 기판과 n형 질화물 반도체층 사이에는 버퍼층이 형성될 수 있다. 통상적인 버퍼층으로는 AlN 또는 GaN 등의 저온핵성장층이 있다.
활성층
본 발명에 채용되는 활성층은 청녹색광(약 350∼550㎚파장범위)을 발광하기 위한 층으로서, 단일 또는 다중 양자 웰 구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성된다. 상기 활성층은 p형 또는 n형 질화물 반도체층과 같이 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE)등으로 성장될 수 있다.
고반사성 오믹콘택층
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 채용되는 고반사성 오믹콘택층은 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진다. 상기 고반사성 오믹콘택층은 메쉬구조를 가지므로, p측 본딩전극에서 고반사성 오믹콘택층을 따라 n측 전극을 향하는 전류경로는 상대적으로 길어진다. 따라서, 발광소자가 동작시에, n측 전극에 인접한 부분에 전류가 집중되는 경향은 완화되며, 동시에 전류가 p형 질화물 반도체층으로 진행되는 경향이 증가되어, 전류크라우딩 문제를 완화시킬 수 있다.
또한, 고반사성 오믹콘택층은 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 p형 질화물 반도체층과의 접촉저항을 낮추기 위한 적절하면서도, 플립칩용 질화물 반도체 발광소자의 구조적 측면을 고려하여 높은 반사율을 갖는 물질로 형성될 것이 요구된다.
이러한 접촉저항개선과 고반사율의 조건을 만족하기 위해서, 고반사성 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 70%이상의 반사율을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는, 상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과 상기 제1층 상에 형성되어 Ag와 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층로 구성될 수 있으며, 이와 달리, Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층으로 구성될 수 있다.
2층 또는 3층 구조를 갖는 고반사성 오믹콘택층은 높은 반사율을 갖기 위해 서, 상기 제1층의 두께는 5∼50Å범위로, 상기 제2층의 두께는 1000∼10000Å범위로, 상기 제3층의 두께는 100∼500Å범위로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 고반사성 오믹콘택층은 통상의 증착법 또는 스퍼터링공정으로 형성되며, 오믹콘택층의 특성을 향상시키기 위해서 약 400∼900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.
p측 본딩전극 및 n측 전극
고반사성 오믹콘택층과 금속 배리어층과 함께 p측 전극구조를 구성하는 본딩전극은 플립칩 구조에서 도전성 범프를 통해 리드상에 탑재될 최외곽 전극층이며, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금으로 이루어진다.
또한, n형 질화물 반도체층에 형성되는 n측 전극은 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다.
이러한 전극은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링공정에 의해 형성될 수 있다.
금속 배리어층
본 발명에 채용되는 금속 배리어층은 p측 본딩전극이 형성될 고반사성 오믹콘택층영역에 형성되며, 본딩전극물질과 오믹콘택층물질의 계면에서 융화되어 오믹콘택층의 특성(특히, 반사율 및 접촉저항)을 저하하는 것을 방지하기 위한 층으로 채택된다. 이러한 금속 배리어층은 Ni, Al, Cu, Cr, Ti 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 배리어층은 실시형태에 따라, 고반사성 오믹콘택층의 측면까지 형성될 수 있다. 특히, 이러한 실시형태는 고반사성 오믹콘택층이 Ag를 포함한 경우에 Ag의 이동(migration)으로 인한 누설전류의 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 잇점이 있다.
나아가, 소정의 반사율을 갖는 금속 배리어층은 메쉬구조로 이루어진 고반사성 오믹콘택층의 오픈영역에서 p형 질화물 반도체층과 접하여 형성됨으로써, 고반사성 오믹콘택층의 반사역할을 보조하는 역할을 수행할 수도 있다,
상기 금속 배리어층은 다른 전극과 같이 통상의 증착법 또는 스퍼터링공정으로 형성되며, 밀착력을 향상시키기 위해, 약 300℃의 온도에서 수십초 내지 수분간 열처리될 수 있다.
유전체 배리어층
본 발명에서 채용될 수 있는 유전체 배리어층은 적어도 p측 본딩전극이 노출되도록 상기 고반사성 오믹콘택층의 상면에 선택적으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유전체 배리어층은 고반사성 오믹콘택층의 측면까지 둘러싸도록 형성되어, 통상의 페시베이션층으로서의 기능은 물론, 고반사성 오믹콘택층의 Ag 이동으로 누설전류발생을 방지할 수도 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 유전체 배리어층을 통상의 페시베이션층 구조와 같이, 상기 p측 본딩전극과 n측 전 극이 노출되도록 상기 소자의 일측면에 형성시킬 수 있다.
상기 유전체 배리어층은 각각 Si, Zr, Ta, Ti, In, Sn, Mg 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 포함한 산화물 또는 질화물로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 유전체 배리어층은 서로 다른 굴절율을 갖는 2종의 유전체층이 교대로 반복되어 형성된 고반사율층으로 형성할 수 있다. 플립칩형 발광소자에서 고반사율을 갖는 유전체 배리어층을 형성하는 방법은 국내특허출원번호 제2003-41172호(출원인: 삼성전기주식회사, 출원일: 2003. 6.24)에서 유전체 미러층을 형성하는 방법이 채용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 보다 상세히 설명한다.
도2a 및 도2b는 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 발광소자를 나타내는 측단면도 및 상부 평면도이다.
우선, 도2a를 참조하면, 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(30)는 사파이어기판과 같은 질화물 반도체 성장용 기판(31)과 그 상면에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(32), 활성층(33) 및 p형 질화물 반도체층(34)을 포함한다.
상기 질화물 반도체 발광소자(30)의 n측 전극(39a)은 메사에칭을 통해 노출된 n형 질화물 반도체층(32) 상면에 형성된다. 상기 질화물 반도체 발광소자(30)에 채용된 p측 전극구조는 고반사성 오믹콘택층(34)과 금속배리어층(35) 및 본딩전극(39b)을 포함한다. 상기 고반사성 오믹콘택층(34)은 상기 p형 질화물 반도 체층(34) 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층(34)이 부분적으로 노출되도록 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진다. 또한, 상기 금속 배리어층(36)은 상기 고반사성 오믹콘택층(35) 상면 중 상기 본딩전극(39b)이 형성될 영역에 형성된다.
상기 고반사성 오믹콘택층(34)은 바람직하게는 70% 이상의 반사율을 가지며, 상기 p형 질화물 반도체층과의 오믹콘택을 형성한다. 이러한 고반사성 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. 바람직하게 상기 고반사성 오믹콘택층(34)은 Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al 또는 Ni/Ag/Pt로 형성될 수 있다.
도2a와 함께 도2b를 참조하면, 본 발명에 채용된 메쉬구조를 갖는 고반사성 오믹콘택층(35)에 의해 전류 크라우딩 현상이 완화되는 원리를 이해할 수 있을 것이다. 즉, 도2b와 같이 메쉬구조특성으로 인해, p형 질화물 반도체층(34)보다 낮은 비저항을 갖는 고반사성 오믹콘택층(35)을 따라 진행되는 전류는 n측 전극(39a)까지 도달하기 위해서 긴 경로(예; 도2b의 화살표)를 갖게 된다. 따라서, 도2a에 도시된 바와 같이, p형 질화물 반도체층(34)으로 직접 향하는 전류의 비중이 상대적으로 증가할 수 있다. 이로 인해, 전류크라우딩문제가 완화되는 동시에, 전체 활성층(33)에서 보다 균일한 발광을 기대할 수 있으므로, 소자의 신뢰성을 향상시키는 것은 물론 발광효율도 크게 증가시킬 수 있다.
본 발명의 고반사성 오믹콘택층은 메쉬구조로 형성된 것만으로도 충분히 전 류크라우딩문제를 완화시킬 수 있으나, 충분한 반사면적과 전류주입효율을 향상시키기 위해서, 다수의 오픈영역 면적의 합이 상기 오믹콘택층(35)의 전체 면적에 대해 70% 이하, 보다 바람직하게는 50% 이하가 된다.
도3a은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 발광소자(50)를 나타내는 측단면도이다.
도3a와 같이, 상기 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(50)는 사파이어 기판과 같은 질화물 반도체 성장용 기판(51)과 그 상면에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(52), 활성층(53) 및 p형 질화물 반도체층(54)을 포함한다.
또한, 상기 질화물 반도체 발광소자(50)의 n측 전극(59a)은 메사에칭을 통해 노출된 n형 질화물 반도체층(52) 상면에 형성되고, 상기 질화물 반도체 발광소자(50)에 채용된 p측 전극구조는 도2a와 유사하게 고반사성 오믹콘택층(54)과 금속 배리어층(55) 및 본딩전극(59b)을 포함하지만, 상기 금속 배리어층(55)은 상기 고반사성 오믹콘택층의 상면뿐만 아니라, 측면까지 둘러싸도록 형성된 구조를 갖는다. 도2a에 금속 배리어층(36)에서는 p측 본딩전극(39b)과 고반사성 오믹 콘택층(35)의 계면에서 Au성분이 믹싱되는 것을 방지하기 위한 배리어 역할만을 기대할 수 있으나, 본 실시형태에서는 고반사성 오믹콘택층(55)의 원소가 이동하여 누설전류를 발생시키는 것을 방지하는 기능도 기대할 수 있다. 특히, 본 실시형태는 이동성이 큰 Ag를 포함한 고반사성 오믹콘택층(55)을 사용하는 경우에 유익하게 적용될 수 있다.
도3b는 도3a의 질화물 발광소자(50)가 탑재된 칩구조(60)를 나타내는 측단면도이다.
도3b에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체 발광소자(50)는 지지체용 기판(61) 상에 각 전극(69a,69b)을 도전성 범프(64a,64b)를 통해 각 리드패턴(62a,62b)상에 융착시킴으로써 탑재될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 플립칩 발광장치(60)에서 상기 발광소자(50)의 사파이어 기판(51)은 투광성이므로 광방출면으로 활용되며, 고반사성 오믹콘택층(55)은 p형 질화물 반도체층(54)과의 접촉저항을 개선하는 동시에 높은 반사율을 높해 광방출면을 향하는 빛을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 발광소자(50)의 금속배리어층(56)도 어느 정도의 반사율을 가지므로, 고반사성 오믹콘택층(55)의 오픈영역까지 충분히 형성되어 전체 반사성능을 향상시킴으로써, 보다 높은 휘도특성을 기대할 수 있다.
도4a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 발광소자(70)를 나타내는 측단면도이다.
도4a에 도시된 바와 같이, 상기 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(70)는 사파이어 기판(71)과 그 상면에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(72), 활성층(73) 및 p형 질화물 반도체층(74)을 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(70)은 도2a에 도시된 전극구조와 유사하게, 메사에칭을 통해 노출된 n형 질화물 반도체층(72) 상면에 형성된 n측 전극(79a)과, 고반사성 오믹콘택층(74)과 금속 배리어층(75) 및 본딩전극(79b)으로 이루어진 p측 전극구조를 갖는다.
다만, 상기 질화물 반도체 발광소자는 본딩전극(79b)형성영역을 제외한 고반사성 오믹콘택층(76)의 상면과 그 측면까지 둘러싸도록 형성된 유전체 배리어층(77)을 갖는다.
본 실시형태에서, 상기 금속 배리어층(76)에서는 p측 본딩전극(39b)과 고반사성 오믹 콘택층(35)의 계면에서 Au성분이 믹싱되는 것을 방지하기 위한 배리어 역할을 수행하며, 유전체 배리어층(77)은 고반사성 오믹콘택층(75)에서 Ag와 같이 이동성이 큰 원소가 이동하여 누설전류를 발생시키는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 본 실시형태와 달리, 상기 유전체 배리어층(77)은 통상적인 페시베이션층과 같이 상기 p측 본딩전극(79b)과 n측 전극(79a)이 노출되도록 상기 소자의 측면까지 연장되어 형성될 수 있다. 이러한 유전체 배리어층(77)로는 각각 Si, Zr, Ta, Ti, In, Sn, Mg 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 포함한 산화물 또는 질화물이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 유전체 배리어층(77)은 고반사율을 갖는 유전체 미러구조로 형성되어, 전체 소자의 반사성능을 크게 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 유전체 배리어층(77)은 서로 다른 굴절율을 갖는 2종의 유전체층이 교대로 반복되어 형성된 반사층
도4b는 도4a의 유전체 미러층(77)의 일부분(B)의 구조을 확대한 부분상세도이다. 도4b와 같이, 상기 유전체 배리어층(77)은 서로 다른 굴절율을 갖는 SiO2막과 Si3N4막을 복수회 교대로 반복하여 형성된 구조를 가질 수 있다. 이와 같이 유전체 배리어층을 유전체 미러구조로 형성하는 방안은 국내특허출원번호 제2003-41172호(출원인: 삼성전기주식회사, 출원일: 2003. 6.24)에서 유전체 미러층을 형성하는 방법이 채용될 수 있다. 상기 유전체 미러층 형성방법에 따르면, 반사율 90%이상, 보다 바람직하게는 반사율 97%이상의 고반사층을 형성할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 유전체 배리어층으로서 서로 다른 굴절율을 갖는 유전체막을 교대로 반복하여 형성함으로써, 전체 소자의 반사성능을 크게 향상시키고, 결과적으로 플립칩용 질화물 반도체 발광소자의 유효 발광효율을 매우 높은 수준으로 증가시킬 수 있다.
아래와 같이 행해진 각 실시예와 비교예를 통해 본 발명에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자와 종래의 플립칩용 질화물 반도체 발광소자의 특성을 비교하는 실험을 실시하였다.
(실시예1)
우선, 사파이어 기판을 MOCVD공정을 위한 챔버에 배치한 후에, 버퍼층으로서 GaN저온핵성장층을 성장시켰다. 이어, 상기 버퍼층 상에 청색 발광소자를 마련하기 위해, n형 GaN층과 n형 AlGaN층로 구성된 n형 질화물 반도체층, InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물구조 활성층 및, p형 GaN층으로 구성된 p형 질화물 반도체층을 형성하였다.
다음으로, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 오픈영역의 비가 30%인 메쉬구조의 고반사성 오믹콘택층을 형성한 후에 약 500℃로 열처리하였다. 본 실시예의 고반사성 오믹콘택층으로는 Ni/Ag을 사용하였다. 여기서 오픈영역의 비란 본 명세서에서 일관적으로 사용된 바와 같이, 전체면적(최외곽둘레로 둘러싸인 면적)에 대한 오픈영역의 면적비를 말한다.
이어, p형 질화물 반도체층 상면에 상기 고반사성 오믹콘택층의 상면과 측면을 둘러싸도록 금속 배리어층(도3a의 참조)을 형성한 후에, 약 350℃로 열처리하였다. 본 실시예의 금속 배리어층으로는 Cr/Ni층을 형성하였다. 이어, Au를 포함한 p측 본딩전극과 N측 전극을 형성함으로써 플립칩용 질화물 발광소자는 마련하였다.
본 실시예에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자는 도3b와 같이 리드 패턴이 마련된 지지체용 기판을 사용하여 플립칩 발광장치로 제조하였다.
(실시예2)
본 실시예는 실시예1과 동일한 물질과 조건으로 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 제조하되, 다만, 메쉬형 고반사성 오믹콘택층의 오픈영역의 비가 50%가 되도록 패터닝하였다. 이와 같이 마련된 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 도3b와 같이 리드 패턴이 마련된 지지체용 기판을 사용하여 플립칩 발광장치로 제조하였다.
(실시예3)
본 실시예는 실시예1과 동일한 물질과 조건으로 플립칩용 질화물 반도체 발 광소자를 제조하되, 다만, 메쉬형 고반사성 오믹콘택층의 오픈영역의 비가 70%가 되도록 패터닝하였다. 이와 같이 마련된 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 도3b와 같이 리드 패턴이 마련된 지지체용 기판을 사용하여 플립칩 발광장치로 제조하였다.
(비교예)
본 비교예는 다른 실시예과 동일한 물질과 조건으로 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 제조하였으나, 다만, 고반사성 오믹콘택층의 제조공정에서, 메쉬구조를 형성하기 위한 별도의 패터닝공정 없이, 동일한 전체 면적을 갖는 종래 형태(비메쉬형)로 고반사성 오믹콘택층을 형성하였다. 이와 같이 마련된 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 도3b와 같이 리드 패턴이 마련된 지지체용 기판을 사용하여 플립칩 발광장치로 제조하였다.
이상, 실시예1 내지 3과 비교예를 통해 제조된 플립칩 발광장치에 대해 순방향전압특성과 출력특성을 측정하였다. 도5a 및 도5b는 각각 실시예 1 내지 3와 비교예에 따른 플립칩 발광장치의 순방향전압특성과 출력특성을 비교하는 그래프이다.
도5a를 참조하면, 비교예에 따른 플립칩 발광장치에서는, 약 3.42V의 순방향전압을 나타내었지만, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3에서는 각각 3.10V, 3.11V, 3.12V를 나타내어, 평균 0.3V 정도 감소하여 약 10%정도의 순방향전압특성의 향상 을 나타냈다. 또한, 실시예1(오픈영역비 30%)인 경우에, 3.10V로 가장 낮은 순방향 전압을 나타내었다.
또한, 도5b를 참조하면, 비교예에 따른 플립칩 발광장치에서는, 약 18.53㎽의 출력을 나타내었지만, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3에서는 각각 20.59㎽, 19.99㎽, 19.24㎽를 나타내었다. 특히, 실시예1(오픈영역비 30%)인 경우에 비교예에 비해 약 2㎽의 출력이 증가되어 10%이상의 효율향상을 나타내는 것으로 확인되었다.
상술한 실시형태 및 첨부된 도면은 바람직한 실시형태의 예시에 불과하며, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, p측 전극구조에서 메쉬구조의 고반사성 오믹콘택층을 채용함으로써 n측 전극에 인접한 부분에 집중되는 전류를 감소시키고 p형 질화물 반도체층으로 향하는 전류를 증가시킴으로써 전류 크라우딩현상이 완화시킬 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자는 보다 낮은 순방향 전압과 높은 발광효율을 가질 뿐만 아니라, 열화현상을 효과적으로 방지함으로써 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 질화물 단결정 성장을 위한 투광성 기판;
    상기 투광성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어며, Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 고반사성 오믹콘택층;
    상기 고반사성 오믹콘택층 상면의 적어도 일부 및 상기 오픈영역에 의해 노출된 상기 p형 질화물 반도체층 상면의 적어도 일부에 형성되며, Ni, Al, Cu, Cr, Ti 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 금속 배리어층; 및,
    상기 금속 배리어층과 상기 n형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 p측 본딩전극 및 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층은 다수의 오픈영역 면적의 합이 상기 오믹콘택층의 전체 면적의 적어도 50% 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층의 반사율은 적어도 70%인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과 상기 제1층 상에 형성되어 Ag와 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1층의 두께는 5∼50Å이며, 상기 제2층의 두께는 1000∼10000Å이고, 상기 제3층의 두께는 100∼500Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 배리어층은 상기 고반사성 오믹콘택층 전체를 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 배리어층은 상기 고반사성 오믹콘택층의 오픈영역에 의해 노출된 상기 p형 질화물 반도체층 상면으로부터 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    적어도 p측 본딩전극이 노출되도록 상기 고반사성 오믹콘택층의 상면에 형성된 유전체 배리어층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유전체 배리어층은 상기 고반사성 오믹콘택층을 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 유전체 배리어층은 상기 p측 본딩전극과 n측 전극이 노출되도록 상기 소자의 일측면에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 유전체 배리어층은 서로 다른 굴절율을 갖는 2종의 유전체층이 교대로 반복되어 형성된 반사층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 유전체 배리어층은 각각 Si, Zr, Ta, Ti, In, Sn, Mg 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 포함한 산화물 또는 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  16. 기판 상에 형성된 n형 및 p형 질화물 반도체층을 포함한 플립칩용 질화물 반도체 발광 소자에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층에 형성되어, 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진 고반사성 오믹콘택층과, 상기 고반사성 오믹콘택층 및 상기 오픈영역에 의해 노출된 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며 소정 반사율을 갖는 금속으로 이루어진 금속 배리어층과, 상기 금속 배리어층 상에 각각 형성된 p측 본딩전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 소자.
  17. 질화물 단결정 성장을 위한 투광성 기판;
    상기 투광성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어며, 상기 활성층에서 생성된 빛을 상기 기판 측으로 반사시키기 위하여 70% 이상의 반사율을 갖는 금속으로 이루어진 고반사성 오믹콘택층;
    상기 고반사성 오믹콘택층 상면의 적어도 일부 및 상기 오픈영역에 의해 노출된 상기 p형 질화물 반도체층 상면의 적어도 일부에 형성되며, 상기 고반사성 오믹콘택층의 구성원소가 외부로 이동하는 것을 방지함과 동시에 상기 활성층에서 생성된 빛을 상기 기판 측으로 반사하기 위하여 소정의 반사율을 갖는 금속 배리어층; 및
    상기 금속 배리어층과 상기 n형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 p측 본딩전극 및 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
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