KR100631975B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 n측 전극과 p측 전극의 구조를 적절하게 형성함으로써 직사각형의 단면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 전류 확산을 개선하고 휘도를 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 본 발명은, 두 개의 단변 및 두 개의 장변으로 이루어진 직사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 기판 상면에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상면의 일모서리에 인접하여 형성된 n측 본딩패드와 상기 n측 본딩패드로부터 연장된 띠형상의 n측 전극지로 이루어진 n측 전극; 상기 n측 전극이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 순차적으로 적층된 활성층 및 p형 질화물 반도체층으로 이루어진 메사 구조체; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 오믹콘택층; 및 상기 오믹콘택층 상에 형성되며, 상기 n측 본딩패드가 인접한 모서리를 이루지 않는 단변의 중앙부에 인접하여 형성된 p측 본딩패드와 상기 p측 본딩패드로부터 연장된 띠형상의 p측 전극지로 이루어진 p측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
질화물 반도체 발광소자, 전극구조, 전극지, 본딩패드, 사각형
Description
도 1의 (a) 및 (b)는 종래의 질화물 반도체 발광소자의 전극구조를 도시한 평면도이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 전극구조를 도시한 평면도이며, (b)는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
31 : 기판 32 : n형 질화물 반도체층
33 : 활성층 34 : p형 질화물 반도체층
35 : 오믹콘택층 36 : p측 전극
36a : p측 본딩패드 36b : p측 전극지
37 : n측 전극 37a : n측 본딩패드
37b : n측 전극지
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실질적 으로 직사각형의 단면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 n측 전극과 p측 전극의 구조를 적절하게 형성함으로써 직사각형의 단면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 전류 확산을 개선하고 휘도를 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다.
질화물 반도체 발광소자는 결정성장을 위한 격자정합조건을 만족하는 사파이어기판이나 SiC기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, p형 및 n형 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 플래너 구조를 취하게 된다.
종래의 질화물 반도체 발광소자 발광소자의 평면도가 도 1의 (a)에 도시되어 있다. 도 1의 (a)에 도시된 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는, 사파이어 기판(미도시) 상에 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(미도시), p형 질화물 반도체층(14), 오믹콘택층(15)을 순차적으로 형성한 후, 상기 활성층, p형 질화물 반도체층(14) 및 오믹콘택층(15)의 일부를 식각하여 메사 구조체를 형성하고 n형 질화물 반도체층(12) 상면의 일부를 노출시킨다. 또한 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는 상기 n형 질화물 반도체층(12)의 상면 일부를 노출시킨 영역에 n측 전극(17)을 형 성하고, 오믹콘택층(15) 상면에 p측 전극(16)을 형성한 구조를 갖는다. 상기 n측 전극(17) 및 p측 전극(16)은 와이어 본딩 또는 플립칩 본딩을 통해 전기적으로 외부 전극과 연결되어 전류 주입이 이루어짐으로써 상기 활성층에서 빛이 생성된다.
이와 같은 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는 전류 확산에 적절하며 가공이 용이한 구조로서 도 1의 (a)에 도시된 것과 같이 그 평면이 정사각형(예를 들어 400㎛×400㎛)의 형상을 갖도록 제작하였다.
한편, 휴대폰의 LCD 사이드뷰(SideView)와 같은 특정 패키지에 사용되는 질화물 반도체 발광소자는 그 폭을 감소시키면서도 발광이 이루어지는 메사 구조체의 면적을 유지하기 위해 직사각형 형상의 평면을 갖는 것이 요구되고 있다. 도 1의(b)는 도 1의 (a)에 도시한 종래의 정사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 적용된 전극구조를 직사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 적용한 도면이다.
도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 도 1의 (a)에 도시된 정사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자와 동일한 전극구조를 갖는 직사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자(20)는, p측 전극(26)과 n측 전극(27) 사이의 간격이 멀어지게 되고, 상기 양 전극을 통해 주입되는 전류는 대부분 양전극의 최단 경로를 통해 흐르게 되므로 전류 확산이 저하되어 전류의 분포에 편중이 발생하고, 이로 인해 발광에 가담하는 메사 구조체에 포함된 활성층의 면적이 감소하여 휘도가 감소하는 문제점이 발생한다.
따라서, 당 기술분야에서는 LCD의 사이드뷰에 적용될 수 있는 직사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 전류 확산을 개선하고 휘도를 향상시킬 수 있는 새로운 전극 구조가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 실질적으로 직사각형의 단면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 n측 전극과 p측 전극의 구조를 적절하게 형성함으로써 직사각형의 단면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 전류 확산을 개선하고 휘도를 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
두 개의 단변 및 두 개의 장변으로 이루어진 직사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
기판 상면에 형성된 n형 질화물 반도체층;
상기 n형 질화물 반도체층 상면의 일모서리에 인접하여 형성된 n측 본딩패드와 상기 n측 본딩패드로부터 연장된 띠형상의 n측 전극지로 이루어진 n측 전극;
상기 n측 전극이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 순차적으로 적층된 활성층 및 p형 질화물 반도체층으로 이루어진 메사 구조체;
상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 오믹콘택층; 및
상기 오믹콘택층 상에 형성되며, 상기 n측 본딩패드가 인접한 모서리를 이루지 않는 단변의 중앙부에 인접하여 형성된 p측 본딩패드와 상기 p측 본딩패드로부터 연장된 띠형상의 p측 전극지로 이루어진 p측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 n측 전극지는 상기 n측 본딩패드가 인접한 모서리를 이루는 장변을 따라 형성되며, 상기 p측 전극지는 상기 p측 본딩패드가 인접한 단변 및 상기 n측 전극지가 형성된 장변의 대향하는 장변을 따라 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게 상기 n측 전극지와 p측 전극지는 상기 단축 방향으로 중첩된 영역을 가질 수 있다.
이와 같은 전극 구조에서, 상기 n측 전극지의 단부와 상기 p측 본딩패드 사이의 최단 거리와, 상기 p측 전극지의 단부와 n측 본딩패드 사이의 최단 거리와, 상기 단축 방향으로 중첩된 영역의 n측 전극지와 p측 전극지 사이의 최단 거리는 동일한 것이 가장 바람직하다.
더하여, 상기 n측 전극과 상기 메사 구조체 사이의 거리는 일정하게 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 대한 설명에서 참조되는 도면에서 실질적으로 동 일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도 및 단면도이다. 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(30)는 동일한 길이를 갖는 두 개의 단변과 상기 단변보다 긴 동일한 길이를 갖는 두 개의 장변으로 이루어진 직사각형 형상의 평면을 갖는 것을 특징으로 한다. 이 때, 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(30)는, 기판(31) 상면에 형성된 n형 질화물 반도체층(32); 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상면의 일모서리에 인접하여 형성된 n측 본딩패드(37a)와 상기 n측 본딩패드(37a)로부터 연장된 띠형상의 n측 전극지(37b)로 이루어진 n측 전극(37); 상기 n측 전극(37)이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상에 순차적으로 적층된 활성층(33) 및 p형 질화물 반도체층(34)으로 이루어진 메사 구조체; 상기 p형 질화물 반도체층(34) 상에 형성된 오믹콘택층(35); 및 상기 오믹콘택층(35) 상에 형성되며, 상기 n측 본딩패드(37a)가 인접한 모서리를 이루지 않는 단변의 중앙부에 인접하여 형성된 p측 본딩패드(36a)와 상기 p측 본딩패드(36a)로부터 연장된 띠형상의 p측 전극지(36b)로 이루어진 p측 전극(36)을 포함하여 구성된다.
상기 기판(31)은, 그 위에 성장되는 질화물 반도체 물질의 결정과 결정구조가 동일하면서 격자정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문에 격자정합 을 고려하여 사파이어 기판이 주로 사용된다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765의 격자간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 특징이 있다. 이러한 사파이어 기판의 C면의 경우 비교적 GaN 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 청색 또는 녹색 발광소자용 기판으로 사파이어 기판이 주로 사용된다.
상기 n형 질화물 반도체층(32)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, GaInN가 있다. 상기 n형 질화물 반도체층(32)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있다. 상기 n형 질화물 반도체층(32)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE) 또는 하이드라이드 기상증착법(Hydride Vapor Phase Epitaxy : HVPE)과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 기판(31) 상에 성장시킴으로써 형성된다.
일반적으로, 상기 기판(31)과 n형 질화물 반도체층(32) 사이에는 격자부정합을 완화하기 위한 버퍼층이 형성될 수 있다. 이 버퍼층으로는 통상 수 십 ㎚의 두께를 갖는 GaN 또는 AlN 등의 저온핵성장층이 사용될 수 있다.
상기 n측 전극(37)은 n측 본딩패드(37a), n측 전극지(37b)를 포함한다.
상기 n측 본딩패드(37a)는 전기적 연결을 위해 와이어 등이 본딩되는 부분이다. 상기 본딩패드는 직사각형상의 평면에서 일모서리에 인접한 위치의 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상면에 형성된다. 도 2의 (a)는 도면상에서 볼 때 좌측 하단 모서리에 인접하여 형성된 n측 본딩패드(37a)의 예를 도시한다.
상기 n측 전극지(37b)는, 상기 본딩패드(37a)로부터 연장된 띠 형상의 전극이다. 상기 n측 전극지(37b)는 전류의 흐름을 본딩패드(37a)에 집중시키지 않고 전류의 분포를 보다 균일하게 하는 역할을 한다. 상기 n측 전극지(37b)는 상기 n측 본딩패드(37a)가 인접한 모서리를 이루는 장변을 따라 형성된다. 도 2의 (a)는 도면상에서 볼 때 n측 본딩패드(37a)가 좌측 단면과 하측 장변이 이루는 모서리에 인접하여 형성되었으므로, 상기 n측 전극지(37b)는 하측 장변을 따라 연장되어 형성된다. 상기 n측 전극(37)은 직사각형의 변에 인접하여 형성되므로 발광을 위해 보다 효율적인 구조를 형성할 수 있다.
전술한 바와 같은 구조를 갖는 상기 n측 전극(37)은, Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 상기 n측 전극(37)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 n측 전극이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층(32)의 상면 영역에는 활성층(33) 및 p형 질화물 반도체층(34)이 순차적으로 적층된 메사 구조체가 형성 된다. 상기 메사구조체는 상기 n측 전극으로부터 일정한 거리(D4)로 이격되어 형성된 것이 바람직하다.
상기 활성층(33)은 빛을 발광하기 위한 층으로서, 단일 또는 다중 양자우물구조를 갖는 GaN 또는 InGaN 등의 질화물 반도체층으로 구성된다. 상기 활성층(33)은 상기 n형 질화물 반도체층(32)과 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이드라이드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층(34)은 상기 n형 질화물 반도체층(32)과 마찬가지로, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 p 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, GaInN가 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(34)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(34)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이드라이드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 활성층(33) 상에 성장시킴으로써 형성된다.
상기 오믹콘택층(35)은, 비교적 높은 에너지 밴드갭을 갖는 p형 질화물 반도체층(34)과의 접촉저항을 낮추어 전류 확산을 개선하는 것과 동시에 활성층(33)에서 생성되는 빛을 적은 손실로 투과시키는데 적절한 물질로 형성될 것이 요구된다. 이러한 접촉저항 개선 및 투광성의 조건을 만족하기 위해 적절한 대표적인 재료로는 Ni/Au 또는 전도성 투명 산화물의 일종인 ITO 등이 있다. 상기 오믹콘택층(35) 은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD) 및 전자빔 증발법(E-beam evaporator)과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 공정에 의해 형성될 수 있으며, 오믹콘택의 특성을 향상시키기 위해서 약 400 내지 900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.
상기 오믹콘택층(35) 상에는 p측 전극(36)이 형성된다. 상기 p측 전극(36)은 전술한 n측 전극(37)과 유사하게 p측 본딩패드(36a)와, p측 전극지(36b)로 이루어진다.
상기 p측 본딩패드(36a)는 와이어 등을 본딩하기 위한 영역을 제공하는 것으로, 상기 오믹콘택층(35) 상에서, 상기 n측 본딩패드(37a)가 인접한 모서리를 이루지 않는 단변의 중앙부에 인접하여 형성된다. 도 2의 (a)에서, n측 본딩패드(37a)가 좌측 단변이 이루는 모서리에 인접하여 형성된 것으로 도시되고 있으므로, 상기 p측 본딩패드(36a)는 우측 단변의 중앙부에 인접하여 형성되는 것으로 도시된다.
상기 p측 전극지(36b)는 상기 p측 본딩패드(36a)가 인접한 단변 및 상기 n측 전극지가 형성된 장변의 대향하는 장변을 따라 형성된다. 상기 n측 전극지(37b)와 마찬가지로 상기 p측 전극지(36b)는 전류 흐름의 분포를 균일하게 하는 역할을 한다. 도 2의 (a)에서 n측 전극지(37b)가 하측 장변을 따라 형성된 것으로 도시되고 있으므로, 상기 p측 전극지(36b)는 우측 단면 및 상측 장변을 따라 형성된 것으로 도시된다.
전술한 것과 같은 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 n측 및 p측 전극 구조에서, 상기 n측 전극지(37b)와 p측 전극지(36b)는 상기 단축 방향으로 중첩된 영역을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 중첩된 영역에서는 양 전극지 사이에서 전류의 흐름이 이루어져 전류 확산 및 분포의 균일화를 도모할 수 있기 때문이다.
전류 확산 및 분포의 균일화를 위해 가장 바람직한 전극 구조로는, 상기 n측 전극지(37b)의 단부와 상기 p측 본딩패드(36a) 사이의 최단 거리(D3)와, 상기 p측 전극지(36b)의 단부와 n측 본딩패드(37a) 사이의 최단 거리(D1)와, 상기 단축 방향으로 중첩된 영역의 n측 전극지(37b)와 p측 전극지(36b) 사이의 최단 거리를 동일하게 형성하는 것이다. 전류의 흐름은 저항이 가장 작은 경로, 즉 최단 경로를 통해 대부분 흐르는 특징이 있으므로, 도 2의 (a)에 도시된 직사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 중심부에서는 두 전극지가 단축방향으로 중첩된 영역에서 많은 전류의 흐름이 이루어지고, 발광소자의 좌측에서는 p측 전극지(36b)의 단부와 n측 본딩패드(37a)를 통해 주된 전류의 흐름이 이루어지고, 발광소자의 우측에서는 n측 전극지(37b)와 p측 본딩패드(36a)를 통해 주된 전류의 흐름이 이루어진다. 따라서, 직사각형상의 단면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 거의 전면에서 전류가 분포하게 되고 이를 통해 발광에 가담하는 활성층의 영역을 증가시켜 발광소자의 휘도 개선을 가져올 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 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.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 적절한 n측 전극 및 p측 전극의 형상 및 그 배치를 제공함으로써 직사각형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 전류 확산 및 분포를 개선할 수 있는 효과가 있다.
이를 통해 직사각형상의 단면을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 휘도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
Claims (5)
- 두 개의 단변 및 두 개의 장변으로 이루어진 직사각형 형상의 평면을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,기판 상면에 형성된 n형 질화물 반도체층;상기 n형 질화물 반도체층 상면의 일모서리에 인접하여 형성된 n측 본딩패드와 상기 n측 본딩패드로부터 연장된 띠형상의 n측 전극지로 이루어진 n측 전극;상기 n측 전극이 형성되지 않은 상기 n형 질화물 반도체층 상에 순차적으로 적층된 활성층 및 p형 질화물 반도체층으로 이루어진 메사 구조체;상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 오믹콘택층; 및상기 오믹콘택층 상에 형성되며, 상기 n측 본딩패드가 인접한 모서리를 이루지 않는 단변의 중앙부에 인접하여 형성된 p측 본딩패드와 상기 p측 본딩패드로부터 연장된 띠형상의 p측 전극지로 이루어진 p측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 n측 전극지는 상기 n측 본딩패드가 인접한 모서리를 이루는 장변을 따라 형성되며, 상기 p측 전극지는 상기 p측 본딩패드가 인접한 단변 및 상기 n측 전극지가 형성된 장변의 대향하는 장변을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제2항에 있어서,상기 n측 전극지와 p측 전극지는 상기 단축 방향으로 중첩된 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제3항에 있어서,상기 n측 전극지의 단부와 상기 p측 본딩패드 사이의 최단 거리와, 상기 p측 전극지의 단부와 n측 본딩패드 사이의 최단 거리와, 상기 단축 방향으로 중첩된 영역의 n측 전극지와 p측 전극지 사이의 최단 거리는 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 n측 전극과 상기 메사 구조체 사이의 거리는 일정한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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