KR100647018B1 - 질화물계 반도체 발광소자 - Google Patents

질화물계 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히,기판과, 상기 기판 상에 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 투명전극과, 상기 투명전극 상에 하기 수학식 1에 의해 결정된 위치에 형성되어 있는 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 n형 전극;을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
[수학식 1]
Figure 112005053614749-pat00001
질화물 반도체, p형 전극, 면저항, 투명전극, 광추출효율

Description

질화물계 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도.
도 3은 도 2a의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 4는 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 동작전압을 비교하여 나타낸 그래프.
도 5는 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 휘도를 비교하여 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : 버퍼층
120 : n형 질화물 반도체층 130 : 활성층
140 : p형 질화물 반도체층 150 : p형 전극
160 : n형 전극 170 : 투명 전극
본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투명전극을 사용하여 전류확산 효과를 개선하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물계 반도체는 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 물질(예; GaN 반도체의 경우, 약 3.4eV)로서 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하기 위한 광소자에 적극적으로 채용되고 있다. 이러한 질화물계 반도체로는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질이 널리 사용되고 있다
하지만, 상기 질화물계 반도체를 사용하는 발광소자의 경우, n형 질화물 반도체층에 비하여 p형 질화물 반도체층은 비교적 매우 큰 비저항을 가지며, 이로 인해 소자의 전류확산 특성 및 광 추출효율이 낮아지는 문제가 있다.
그러면, 이하 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자는, 사파이어 기판(100) 상에 순차적으로 결정성장되어 형성된 GaN 버퍼층(110)과, n형 질화물 반도체층(120)과, 다중우물구조인 GaN/InGaN 활성층(130)과, p형 질화물 반도체층(140)을 포함하며, 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 GaN/InGaN 활성층(130)은 일부 식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되는 바, n형 질화물 반도체층(120)의 일부 상면을 노출한 구조를 갖는다.
그리고, 노출된 상기 n형 질화물 반도체층(120) 상에는 Cr/Au으로 이루어진 n형 전극(160)이 형성되어 있고, p형 질화물 반도체층(140) 상에는 p형 전극(150)이 형성되어 있다.
그러나, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 n형 질화물 반도체층(120)에 비하여 높은 비저항을 가지므로, p형 질화물 반도체층(140)과 n형 질화물 반도체층(120)의 저항 차이로 인하여 전류확산 특성이 낮아지는 문제가 있다. 이와 같이, 전류확산 특성이 낮아지면, 광 추출 효율 또한 낮아지게 되는 바, 결국 질화물 반도체 발광소자의 휘도가 저하된다.
이에 따라, 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에 투명전극(도시하지 않음)을 형성하여, p형 전극(160)을 통해 주입되는 전류의 주입 면적을 증가시켜 전류확산 효과를 개선하였다.
그런데, 상기와 같이 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 p형 질화물 반도체층(140) 상에 투명전극(도시하지 않음)을 더 구비하여 기존에 비해 향상된 전류확산 효율을 얻을 수는 있었으나, 투명전극과 n형 질화물 반도체층 간의 면저항 차이가 클 경우에는 여전히 낮은 전류확산 특성을 나타내는 문제가 있다.
즉, 투명 전극의 면저항 보다 n형 질화물 반도체층의 면저항이 클 경우에는 p형 전극 주변으로 전류가 집중하게 되며, 투명 전극의 면저항 보다 n형 질화물 반도체층의 면저항이 작을 경우에는 n형 전극 주변으로 전류가 집중하게 된다.
따라서, 상기 질화물 반도체 발광소자의 전류 확산의 균일화 및 전류 확산 효율을 향상시켜 광 추출효율을 최대화시킬 수 있는 발광 소자 관련 기술의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, p형 전극을 투명전극과 n형 질화물 반도체층의 면저항 차이가 발생하지 않는 위치에 배치함으로써, p형 전극과 n형 전극 간에 균일한 전류가 흐르도록 전류확산 특성을 향상시켜 광 추출 효율을 최대화시키도록 하는 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 투명전극과, 상기 투명전극 상에 하기 수학식 1에 의해 결정된 위치에 형성되어 있는 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 n형 전극을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자 를 제공한다.
[수학식 1]
Figure 112005053614749-pat00002
여기서, 상기 식에서 Rsn은 n형 질화물 반도체층의 면저항이고, RsT는 투명전극의 면저항이며, L은 투명전극의 전체 폭이고, A는 n형 전극과 인접한 투명전극의 최외각으로부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리이고, B는 n형 전극과 인접하지 않은 투명전극의 최외각으로부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리이다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 p형 전극은, 1개 이상의 제1 p형 가지 전극을 가지고, 상기 제1 p형 가지 전극은 다수개의 제2 p형 가지 전극을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 n형 전극은, 1개 이상의 제1 n형 가지 전극을 가지고, 상기 제1 n형 가지 전극은 다수개의 제2 n형 가지 전극을 가지는 것이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나 타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
우선, 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조에 대하여 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2a의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 광투과성인 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 버퍼층(110), n형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층되어 이루어진 발광 구조물을 포함한다.
상기 기판(100)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(110)은, 상기 기판(100) 상에 n형 질화물 반도체층(120)을 성장시키기 전에 상기 사파이어 기판(110)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 일 반적으로 AlN/GaN으로 형성되어 있다.
상기 n형 질화물 반도체층(120)과 p형 반도체층(140)과 활성층(130)은, InXAlYGa1 -X- YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다. 또한, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다. 그리고, 상기 활성층(130)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 활성층(130)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 활성층(130)과 p형 질화물 반도체층(140)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 형성된 n형 질화물 반도체층(120)의 일부 상면을 노출하고 있다.
상기 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상에는 n형 전극(160)이 형성되어 있다. 본 실시예에 따른 상기 n형 전극(160)은, 전류확산 특성을 향상시키기 위하여 1개 이상의 제1 n형 가지 전극(160')을 가지고 있다. 또한, 상기 제1 p형 가지 전극(160')은 도시하지는 않았지만, 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 복수의 제2 p 형 가지 전극을 가질 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 투명전극(170)이 형성되어 있다. 이때, 상기 투명전극(170)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전성 금속산화물만이 아니라, 발광소자의 발광 파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택 저항이 낮은 금속박막으로도 이루어질 수 있다.
한편, 상기 투명전극(170)이 금속박막으로 이루어져 있을 경우에는, 투과율을 확보하기 위해 금속의 막 두께를 50nm 이하로 유지하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 막 두께 10nm의 Ni과 막 두께 40nm의 Au이 순차 적층되어 있는 구조를 가질 수 있다.
그리고, 상기 투명전극(170) 상에는 p형 전극(150)이 형성되어 있다.
그러면, 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 전극(150)에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 p형 전극(150)은, 상기 투명전극(170)과 n형 질화물 반도체층(120)의 서로 다른 면저항(Rs)에 의해 국부적인 전류 집중 현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여 하기 [수학식 1]에 의해 결정된 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure 112005053614749-pat00003
상기 식에서 Rsn은 n형 질화물 반도체층의 면저항이고, RsT는 투명전극의 면저항이며, L은 투명전극의 전체 폭이고, A는 n형 전극과 인접한 투명전극의 최외각으로부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리이고, B는 n형 전극과 인접하지 않은 투명전극의 최외각으로부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리이다.
따라서, 본 실시예에 따른 p형 전극(150)은, 상기 수학식 1을 통해 상기 n형 전극(160)의 위치 즉, 제1 n형 가지 전극(160') 및 제2 n형 가지 전극(도시하지 않음)에 따라 1개 이상의 제1 p형 가지 전극(150')을 가지고, 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 상기 제1 p형 가지 전극(150')은 복수의 제2 p형 가지 전극을 가질 수 있다.
이는 서로 다른 면저항(Rs)을 가지는 투명전극(150)과 n형 질화물 반도체층(120)의 면저항(Rs) 차이를 p형 전극(150)의 위치를 통해 극복하기 위한 것이다. 이와 같이, 상기 투명전극(150)과 n형 질화물 반도체층(120) 간의 면저항 차이가 제거되게 되면, p형 전극(150)을 통해 n형 전극(160)으로 흐르는 전류를 균일하게 확산시켜 전류확산의 균일화 및 발광소자의 전류확산 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 동작전압을 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 5는 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 휘도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수학식 1에 의해 결정된 위치에 형성된 p형 전극을 가지는 질화물 반도체 발광소자는, 종래 기술에 따라 형성된 질화물 반도체 발광소자에 비해 약 0.04V 낮은 동작전압(Vf)을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 종래 기술에 따라 형성된 질화물 반도체 발광소자의 휘도를 100%라 하였을 경우, 본 발명의 실시예에 따른 수학식 1에 의해 결정된 위치에 형성된 p형 전극을 가지는 질화물 반도체 발광소자의 상대휘도는 약 9% 증가한 109%를 가진다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자에 비해 약 9%의 휘도 상승 효과를 얻을 수 있으므로, 발광소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 투명전극과 n형 질화물 반도체층 간의 면저항 차이가 발생하지 않는 위치에 p형 전극을 배치함으로써, p형 전극과 n형 전극 간에 전류확산의 균일화 및 전류확산 효율을 향상시켜 발광소자의 광 추출 효율을 최대화할 수 있다.
따라서, 본 발명은 질화물계 반도체 발광소자의 휘도와 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 투명전극;
    상기 투명전극 상에 하기 수학식 1에 의해 결정된 위치에 형성되어 있는 p형 전극; 및
    상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 n형 전극;을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자.
    [수학식 1]
    Figure 112005053614749-pat00004
    상기 식에서 Rsn은 n형 질화물 반도체층의 면저항이고, RsT는 투명전극의 면저항이며, L은 투명전극의 전체 폭이고, A는 n형 전극과 인접한 투명전극의 최외각으로부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리이고, B는 n형 전극과 인접하지 않은 투명전극의 최외각으로부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p형 전극은 1개 이상의 제1 p형 가지 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 p형 가지 전극은 복수의 제2 p형 가지 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 n형 전극은 1개 이상의 제1 n형 가지 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 n형 가지 전극은 복수의 제2 n형 가지 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
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