KR100631976B1 - ３족 질화물 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

개선된 외부 광자 효율과 휘도를 갖는 3족 질화물 발광 소자을 제공한다. 본 발명에 따른 3족 질화물 발광 소자는, n형 클래드층과; 상기 n형 클래드층 상에 순차적으로 형성된 활성층 및 p형 클래드층과; 상기 p형 클래드층 상에 순차 형성된 CuInO2층, 투명 전도성 산화물층 및 반사 금속층을 구비하는 p측 전극을 포함한다. 상기 반사 금속층은 Ag층 또는 Al층일 수 있다.
질화갈륨, 발광 소자, LED, 외부 광자 효율

Description

３족 질화물 발광 소자{Group Ⅲ-Nitride Light Emitting Device}
도 1은 종래의 플립 칩 3족 질화물 발광 소자의 측단면도이다.
도 2는 종래의 플립 칩 3족 질화물 발광 소자를 실리콘 서브마운트에 탑재한 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 3족 질화물 발광 소자의 측단면도이다.
도 4는 도3의 3족 질화물 발광를 실리콘 서브마운트에 탑재한 상태를 나타내는 측단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101: 사파이어 기판 103: 언도프 GaN층
104: n-도프 GaN층 105: n-도프 AlGaN층
106: n형 클래드층 107: 활성층
109: p형 클래드층 110: CuInO2층
111: ITO층 121: Ag층
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 향상된 휘도와 전기적 특성을 갖는 3족 질화물 발광 소자에 관한 것이다.
AlxGayIn(1-x-y)N 계열의 물질을 사용한 3족 질화물 발광 다이오드(LED)가 개발된 후, 휘도를 높이기 위한 많은 노력이 진행되고 있다. 발광 소자의 휘도를 높이기 위한 방법으로는, 발광층 자체의 발광 효율을 높이는 방법과, 내부에서 생성된 빛을 내부적 손실 없이 외부로 추출시키는 방법이 있다.
소자 내부에서 생성된 빛의 외부 추출 효율(외부 광자 효율)을 개선하기 위한 몇가지 기술이 현재 제안되어 있다. 예를 들어, 비교적 좋은 투과율을 갖는 Ni/Au층을 p형 클래드층 상에 100Å이하의 두께로 얇게 증착시켜서 이를 3족 질화물 발광 소자의 p측 전극으로 사용할 수 있다. 이 경우, 내부에서 발생한 빛이 Ni/Au층을 투과하여 외부로 방출될 수 있게 된다(p측 전극 쪽이 빛의 출사 방향이 됨). 그러나, 얇은 두께로 Ni/Au층을 증착시키더라도, 상당 부분의 빛이 Ni/Au층 내에서 흡수되거나 내부로 다시 반사되는 문제점이 있다. 또한, 기판 재료로 사용되는 사파이어(Al2O3)는 열전도율이 낮기 때문에, 소자 동작시 발생한 열이 외부로 잘 방출되지 않아서 소자의 특성이 쉽게 열화된다.
이러한 문제점을 해결하고 외부 광자 효율을 더욱 개선하기 위하여, 플립 칩(flip chip) 구조의 3족 질화물 발광 소자가 개발되었다. 이 경우, p측 전극에 사용되는 금속층으로, 투과율이 좋은 Ni/Au층 대신에, 반사율이 좋은 Ni/Al층 또는 Ni/Ag층 또는 Ni/Al(Ag)/Pt층을 사용한다 (Al 또는 Ag는 Au에 비하여 높은 반사도를 갖음). 미국특허 제6,445,011호는, 서브마운트의 전극들 상에 연결된 플립 칩 구조의 발광 소자를 개시하고 있다.
도 1은 종래의 플립 칩 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(10)는, 투명한 사파이어 기판(11) 상에 순차 형성된 언도프(undoped) GaN층(13), n-도프 AlGaN층(15), 활성층(17) 및 p-도프 AlGaN층(19)을 포함한다. p-도프 AlGaN층(19) 상에는 반사도가 높은 Ni/Ag(또는 Al)/Pt층(Ni이 아래, Pt가 위에 있음)으로 된 p측 전극(21)이 형성되어 있으며, n-도프 AlGaN층(15) 일부 영역 상에는 n측 전극(23)이 형성되어 있다. 플립 칩 발광 소자(10)는 기판(11)이 위로 향하도록 뒤집혀, 서브마운트 상에 탑재된다. 도 2는, 이러한 플립 칩 발광 소자(10)를 서브마운트 상에 탑재된 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 2를 참조하면, 플립 칩 발광 소자(10)가 서브마운트(21) 상에 탑재될 때, 발광 소자(10)의 p측 전극(21) 및 n측 전극(23)은, 범프(31, 33)를 통해 서브마운 트(21)의 전극부(미도시)에 연결된다. 이러한 플립 칩 구조에서는, 투명한 사파이어 기판(11) 쪽이 빛의 출사 방향이 된다. p측 전극(21)에 반사도가 높은 Ag(또는 Al)층을 사용함으로써, 상기 Ag(Al)층을 통해 빛을 위 쪽으로(출사 방향으로) 반사시킨다. 이에 따라, 빛의 외부 추출 효율을 개선하게 된다.
그런데, 상기 Ni/Ag(Al)/Pt층으로 된 p측 전극(21)에서 Ni층의 두께가 두꺼우면 p측 전극(21)의 반사도가 감소되고, Ni층이 너무 얇게 되면 p측 전극(21)이 오픈되기 쉽다. p측 전극(21)에서의 오픈 발생은 소자 불량을 발생시키는 요인이 된다. 따라서, 적절한 두께의 Ni층을 콘택막으로 사용하고, Ag(Al)층을 반사막으로 이용하게 된다. 그러나, 어떠한 적절한 두게의 Ni층을 사용한다 하더라도, 휘도 감소를 배제할 수 없는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 외부 광자 효율 및 휘도가 더욱 개선되고, p측 전극의 전기적 기계적 특성이 개선된 3족 질화물 발광 소자를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3족 질화물 발광 소자는, n형 클래드층과; 상기 n형 클래드층 상에 순차적으로 형성된 활성층 및 p형 클래드층과; 상기 p형 클래드층 상에 순차 형성된 CuInO2층, 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide; 이하, TCO라고도 함)층 및 반사 금속층을 구비하는 p측 전극을 포함한다. 상기 반사 금속층으로는, 예를 들어 Ag층 또는 Al층을 사용할 수 있다.
상기 CuInO2 층은 p형 클래드층과 전극 물질 간이 오믹접촉을 구현하고, 상기 TCO층은 전류 확산을 촉진하며, 상기 반사 금속층은 빛을 반사시켜 광의 외부 추출 확률을 더 높인다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 3족 질화물 발광 소자는, 플립 칩 발광 소자이다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 투명 전극층은, ZnO, AZO, Zn1-XAlXO, Zn1-XMgXO, SnO2, RuO2, PdO, Bi2Ru2O7, Bi2Ir2O7, ITO(Indium Tin Oxide; 인듐 주석 산화물)로 구성된 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 것으로 이루어진다. 바람직하게는, 상기 투명 전극층은 ITO층이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 발광 소자는, 상기 n형 클래드층 아래에는 사파이어 기판을 더 포함한다. 다른 실시형태로서, 상기 발광 소자는 사파이어 기판 등의 기판이 제거되어 있을 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 p측 전극은, 상기 반사 금속층 상에 형성된 Pt층 또는 Pt/Ni층을 더 포함할 수 있다. 이러한 Pt층 또는 Pt/Ni층은 상기 반사 금속층의 구성 원자의 마이그레이션(migration) 현상을 방지하는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 발광 소자는 상기 n형 클래드층 아래에 형성된 언도프 GaN층을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 n형 클래드층은 n-도프 GaN층과 그 위에 형성된 n-도프 AlGaN층을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '3족 질화물'이란, AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다. 또한, '3족 질화물 발광 소자'란, 발광 구조물을 구성하는 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 3족 질화물로 되어 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 3족 질화물 발광 소자의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 발광 소자(100)는, 사파이어 기판(101) 상에 순차 적층된 언도프 GaN층(103), n-도프 GaN층(104), n-도프 AlGaN층(105), 활성층(107) 및 p형 클래드층(109)을 포함한다. n-도프 GaN층(104)과 n-도프 AlGaN층(105)은 n형 클래드층(106)을 이룬다.
도 3에 도시된 바와 같이, p-도프 AlxGayIn(1-x-y)N층(109) 상에는 CuInO2층(110)과 ITO층(111)과 Ag층(121)이 순차적으로 형성되어 있다. 이 CuInO2층(110)/ITO층(111)/Ag층(121)은 발광 소자(100)의 p측 전극을 이룬다. 메사 식각에 의핸 노출된 n-도프 GaN층(104) 상에는 n측 전극(123)이 형성되어 있다.
상기 CuInO2층(110)/ITO층(111)/Ag층(121)의 p측 전극 구조에서, Ag층(121)은 p측 전극의 반사도를 높이는 역할을 하여 Ag층(121) 쪽으로 입사되는 빛을 사파이어 기판(151) 쪽으로 재반사시킨다. 또한, 상기 ITO층(111)층은 p형 클래드층(109)에서의 전류 확산을 촉진시킨다. 이에 따라, 전류 집중을 방지하여 발광 소자(100)의 동작 전압을 개선할 수 있게 된다. 나아가, 상기 CuInO2층(110)은 p형 클래 드층(109)과 전극 물질 간의 충분한 오믹접촉을 가능하게 한다. ITO층(111)만으로는, 충분한 오믹접촉을 구현하기가 어렵다.
본 실시형태에 따르면, p측의 오믹접촉 부분에 CuInO2층(110)과 ITO층(111)을 배치시킴으로써, 충분한 오믹접촉을 구현하여 접착 저항을 낮출 뿐만 아니라 ITO층(111)에 의한 전류 확산 효과를 얻을 수 있다. 또한, 최상층에 Ag층(121)을 배치시킴으로써, Ag층(121)에 도달한 빛은 사파이어 기판(101)쪽으로 더 잘 반사된다. 나아가, CuInO2층(110)과 ITO층(111)과 Ag층(121) 간에는 양호한 밀착력을 나타내고 있으므로, 종래와 달리, 전극 물질의 오프닝 현상이 거의 발생하지 않는다.
상기 발광 소자(100)는 플립 칩 발광 소자로 사용되기에 적합한 구조를 가지고 있다. 즉, 발광 소자(100)를 뒤집어 반사 금속층(121)과 n측 전극(123)을 서브마운트 기판 상의 전극 구조에 결합함으로써, 발광 소자(100)를 서브마운트에 탑재할 수 있다.
상기한 바와 같이 서브마운트에 탑재된 발광 소자(100)가 도 4에 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 플립 칩 구조의 발광 소자(100)가 실리콘 서브마운트(121)상에 뒤집힌 상태로 탑재되어 있다. p측 전극의 Ag층(121)과 n측 전극(123)은 솔더 범프(131, 133)을 통해 실리콘 서브마운트(121)의 전극부(미도시)에 연결된 다. 빛의 출사 방향은 상방향, 즉 사파이어 기판(101) 쪽이다. 반사도가 높은 Ag층(121)을 p형 클래드층(109) 쪽에 배치시킴으로써, Ag층(121)에 도달한 빛은 출사 방향으로 잘 반사된다. 이에 따라, 발광 소자(100)의 외부 광자 효율이 증가하여, 발광 소자(100)의 휘도가 더욱 향상된다.
도 3에 도시된 발광 소자(100)에서는, Ag층(121)이 ITO층(111)의 전체 상면에 형성되어 있다. 그러나, Ag층(121)을 ITO층(111) 상면 중 일부 영역에만 형성함으로써, 플립 칩 이외의 일반적인 구조의 발광 소자(미도시)를 구현할 수도 있다. 이 경우에도, CuInO2층과 ITO층으로부터 접촉저항 저감 및 전류 확산 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 와이어 본딩되는 Ag층를 통해 빛을 기판쪽으로 재반사시킴으로써, 빛의 추출 효율을 높일 수 있다.
본 실시형태에서는 CuInO2층(110) 상에 ITO층(111)이 형성되어 있지만, 상기 ITO층(111) 대신에 일반적으로 다른 투명 전도성 산화물(TCO)층을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 상기 ITO층(111) 대신에, ZnO, AZO, Zn1-XAlXO, Zn1-XMgXO, SnO2, RuO2, PdO, Bi2Ru2O7 및 Bi2Ir2O7로 구성된 그룹으로부터 적어도 하나 선택되어 형성된 층이 사용될 수 있다, ITO층(110) 이외의 다른 TCO층을 사용하는 경우에도, 유사한 전류 확산의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 Ag층(111) 대신에 Al층을 사용할 수도 있다. Al도 Ag층(111)에 상응하는 빛의 반사 효과를 얻을 수 있기에, Al층을 일종의 반사 금속층으로 이용할 수도 있다. 또한, 상기 Ag층(111) 또는 Al층 상에는 Pt층 또는 Pt/Ni층(Pt층이 아래, Ni층이 위에 위치함)(미도시)이 더 형성될 수 있다. 이러한 Pt층 또는 Pt/Ni층은 상기 반사 금속층의 구성 원자의 마이그레이션(migration) 현상을 방지하는 역할을 하게 된다.
나아가, 상기 발광 소자(100)로부터 사파이어 기판(101)이 분리, 제거되어 있을 수도 있다. 즉, 전자빔을 이용한 리프트-오프 공정 등을 통해 발광 소자(100)로부터 사파이어 기판(101)을 분리하여 박막의 GaN계 LED 소자를 구현함으로써, 내부에서의 빛의 손실을 더욱 줄일 수 있게 된다. 이에 따라, 발광 소자의 휘도는 더욱 더 향상된다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 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 자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, CuInO2/TCO/Ag(Al)과 같은 p측
극 구조를 사용함으로써, 빛의 외부 추출 효율을 더욱 높일 수 있게 되고 휘도가 향상된다. 또한, 상기 CuInO2층에 의해 접촉저항을 낯출 수 있게 되고, 상기 TCO층에 의해 전류 집중을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 발광 소자의 동작 전압 특성도 개선된다. 나아가, CuInO2층과 TCO층과 Ag(Al)층 간의 높은 밀착력에 의해 p측 전극부의 불량율이 적게 된다.

Claims (11)

  1. n형 클래드층;
    상기 n형 클래드층 상에 순차적으로 형성된 활성층 및 p형 클래드층; 및
    상기 p형 클래드층 상에 순차 형성된 CuInO2층, 투명 전도성 산화물층 및 반사 금속층을 구비하는 p측 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사 금속층은 Ag층인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서
    상기 반사 금속층은 Al층인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는 플립 칩 발광 소자인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물층은, ZnO, AZO, Zn1-XAlXO, Zn1-XMgXO, SnO2, RuO2, PdO, Bi2Ru2O7, Bi2Ir2O7, ITO로 구성된 그룹으로부터 적어도 하나 선택된 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물층은 ITO로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는, 상기 n형 클래드층 아래에 형성된 사파이어 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 p측 전극은, 상기 반사 금속층 상에 형성된 Pt층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 p측 전극은, 상기 반사 금속층 상에 형성된 Pt/Ni층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 n형 클래드층 아래에 형성된 언도프 GaN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 n형 클래드층은, n-도프 GaN층과 그 위에 형성된 n-도프 AlGaN층을 포함한 것을 특징으로 하는 3족 질화물 발광 소자.
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