KR100673640B1

KR100673640B1 - 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자

Info

Publication number: KR100673640B1
Application number: KR1020060002097A
Authority: KR
Inventors: 김동우; 오방원; 이수열
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-01-09
Filing date: 2006-01-09
Publication date: 2007-01-24

Abstract

본 발명은 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자에 관한 것으로서, 특히, n형 전극과, 상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과 활성층 및 p형 질화갈륨층이 순차 적층되어 있는 구조로 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물의 측면을 둘러싸는 동시에 하면 중 상기 n형 전극과 대응하는 부분까지 연장되게 형성된 보호막과, 상기 보호막이 형성된 결과물 하면에 형성된 p형 전극 및 상기 p형 전극 하면에 형성된 구조지지층을 포함하고, 상기 n형 전극은 상기 n형 질화갈륨층의 외각 일부분에 위치하며, 이로부터 뻗어 외각부를 따라 둘러져 있는 n형 가지 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자에 관한 것이다.

수직구조, LED, 전류저지층, 보호막, 공정단순화

Description

수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자{VERTICALLY STRUCTURED GaN TYPE LED DEVICE}

도 1은 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 평면도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 평면도.

도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : n형 질화갈륨층 120 : 활성층

130 : p형 질화갈륨층 140 : 전류저지층

150 : 보호층 160 : p형 전극

170 : n형 전극 200 : 구조지지층

210 : 와이어

본 발명은 수직구조(수직전극형) 질화갈륨계(GaN) 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광면적을 최대화하여 휘도를 향상시킴과 아울러 보호막과 전류저지층 형성 공정을 단순화할 수 있는 수직 구조 질화갈륨계 LED 소자에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨계 LED는 사파이어 기판 상에 성장하지만, 이러한 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화갈륨계 LED의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광출력 및 칩의 특성을 개선시키는데 한계가 있다. 특히, LED의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이기 때문에 LED의 열 방출 문제를 해결하는 것이 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로, 종래에는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO; 이하, 'LLO' 라 칭함)를 이용하여 사파이어 기판을 제거한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자가 제안되었다.

그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자 는, n형 전극(170)과, 상기 n형 전극(170) 하면에 n형 질화갈륨층(110)과, 활성층(120) 및 p형 질화갈륨층(130)이 순차 적층되어 있는 구조로 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물의 p형 질화갈륨층(130) 하면에 형성된 p형 전극(160)을 포함한다. 여기서, 미설명한 도면 부호 210은 와이어를 가리킨다.

한편, 종래 기술에 따른 LED 소자는 상기 와이어(210)으로 인해 발광면의 일부분 가려지게 되는 바, 발광효율이 낮아지는 문제가 있다.

상기 발광 구조물인 n형 질화갈륨층(110)과, 활성층(120) 및 p형 질화갈륨층(130)의 측벽은 보호막(150)으로 둘러싸여 있으며, 이로 인해, 이웃하는 LED 소자 간에 단락되는 것을 방지한다.

상기 보호막(150)으로 측벽이 둘러싸인 결과물의 하면, 즉, 상기 p형 전극(160) 하면에는 이들을 받쳐주는 구조지지층(200)이 형성되어 있다.

한편, 도시하지는 않았지만, 상기 p형 전극(160)과 상기 구조지지층(200) 사이에는 구조지지층(200)을 전해 도금 또는 무전해 도금법으로 형성시, 도금 결정핵 역할을 하는 도금 시드층(seed layer)을 더 포함한다.

그런데, 종래 기술에 따른 수직 구조 질화갈륨계 LED 소자는 한 쌍의 전극 즉, n형 전극(170)과 p형 전극(160)은 발광 구조물을 사이에 두고 서로 수직으로 나란하게 배치되어 있으며, 그 중 n형 전극(170)은 전류확산효율을 향상시키기 위해 발광 구조물의 상면 중심에 배치되어 있는 바, 그 구조에 따라 전류는 n형 전극(170)에서 p형 전극(160) 사이의 중심 부분에 해당하는 발광 구조물로 집중된다.

그러나, 상기와 같이, 전류가 발광 구조물의 중심 부분에 집중되게 되면, 발 광 구조물에서 생성되는 광이 그 부분으로 집중되기 때문에 전체적인 발광효율이 낮아지게 되어 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 휘도를 저하시키는 문제가 있다.

따라서, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서는, 상기 n형 전극(170)과 p형 전극(160) 사이에 전류가 흐르지 못하도록 하는 저항이 높은 금속 또는 산화물 등과 같은 절연물로 이루어진 전류저지층(current blocking layer; 140)을 별도로 구비하고 있다. 상기 전류저지층(140)은 저항이 높은 금속 또는 산화물과 같은 절연물로 이루어져 있다.

이와 같이, 상기 전류저지층(140)은, n형 전극과 p형 전극 사이의 중심부로 집중되던 전류를 그 외의 영역으로 확산시켜 전류 확산 효율을 증가시킬 수 있다.

그러나, 상기 종래 기술에 따른 전류저지층(140)은, 이를 형성하기 위한 사진 식각 공정 등과 같은 별도의 공정을 추가적으로 진행해야 하기 때문에, 이로 인한 오염 및 공정 불량으로 인해 소자의 특성 및 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 전반적인 LED 소자의 제조공정이 복잡해지므로, 소자의 제조 수율 역시 낮아지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 n형 전극을 발광면의 외각에 배치하여 발광효율을 향상시키는 동시에 보호막과 전류저지층을 일체로 형성하여 LED 소자의 전반적인 제조공정을 단순화할 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 n형 전극과, 상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과 활성층 및 p형 질화갈륨층이 순차 적층되어 있는 구조로 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물의 측면을 둘러싸는 동시에 하면 중 상기 n형 전극과 대응하는 부분까지 연장되게 형성된 보호막과, 상기 보호막이 형성된 결과물 하면에 형성된 p형 전극 및 상기 p형 전극 하면에 형성된 구조지지층을 포함하고, 상기 n형 전극은 상기 n형 질화갈륨층의 외각 일부분에 위치하며, 이로부터 뻗어 외각부를 따라 둘러져 있는 n형 가지 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 n형 전극 및 상기 p형 전극은, 반사율이 높은 금속으로 이루어져 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 보호막은, 절연물로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 절연물은 비전도성의 산화물 또는 질화물인 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 보호막의 연장된 부분은, 상기 p형 질화갈륨층의 최외각으로부터 150㎛ 이내에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 n형 가지 전 극은, 상기 n형 질화갈륨층의 최외각으로부터 150㎛ 이내에 형성된 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 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 도 3 및 도 4를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.

우선, 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 최상부에는 외부 소자와 전기적으로 연결하기 위한 와이어(210)이 본딩되는 n형 본딩 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다.

상기 n형 본딩 패드의 하면에는 광 효율을 향상시키기 위한 n형 전극(170)이 형성되어 있다. 이때, 상기 n형 전극(170)은 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하도록 반사율이 높은 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

특히, 본 발명에 따른 상기 n형 전극(170)은, 발광면의 외각 일부분, 보다 상세하게는 발광면의 모서리에 위치하여 와이어(210)으로 인해 발광면의 일부분이 가려지게 되어 발광효율이 감소하던 종래(도 1 참조)의 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 상기 n형 전극(170)은 대전류 인가시, 전류를 효율적으로 분산시키기 위해 이로부터 뻗어 발광면의 외각변을 따라 둘러져 있는 n형 가지 전극(170a)을 포함한다. 이때, 상기 n형 가지 전극(170a)은, 발광면을 확보하기 위하여 후술하는 n형 질화갈륨층의 최외각으로부터 150㎛ 이내에 형성된 것이 바람직하다.

상기 n형 전극(170) 하면에는 n형 질화갈륨층(110)이 형성되어 있으며, 보다 상세하게, 상기 n형 질화갈륨층(110)은 n형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다.

한편, 전류 퍼짐 현상을 향상시키기 위해, 본 발명은 상기 n형 전극(170)과 접하고 있는 상기 n형 질화갈륨층(110) 상에는 n형 투명전극(도시하지 않음)을 더 구비할 수 있다.

상기 n형 질화갈륨층(110) 하면에는 활성층(120) 및 p형 질화갈륨층(130)이 아래로 순차 적층되어 발광 구조물을 이룬다.

상기 발광 구조물 중 활성층(120)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성될 수 있으며, 상기 p형 질화갈륨층(130)은 상기 n형 질화갈륨층(110)과 마찬가지로 p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다.

상기 발광 구조물 n형 질화갈륨층(110)과, 활성층(120) 및 p형 질화갈륨층(130)의 측벽은 보호막(150)으로 둘러싸여 있으며, 이로 인해, 이웃하는 LED 소자 간에 단락되는 것을 방지한다. 상기 보호막(150)은, 절연물로 이루어지며, 상기 절연물은 비전도성의 산화물 또는 질화물 중 어느 하나이다.

특히, 본 발명에 따른 보호막(150)은 상기 발광 구조물의 측벽을 둘러싸는 동시에 발광 구조물의 하면 즉, p형 질화갈륨층(130)의 하면 중 상기 n형 전극(170)과 대응하는 부분까지 연장되게 형성되어 있다. 보다 상세하게, 상기 보호막(150)의 연장된 부분은, 상기 p형 질화갈륨층(130)의 최외각으로부터 150㎛ 이내에 형성된 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 보호막(150)은, 상기 발광 구조물의 측벽을 둘러싸서 이웃하는 LED 소자 간의 전기적인 단락을 방지하는 보호층 역할을 할 뿐만 아니라 발광 구조물의 하면 중 n형 전극(170)과 대응하는 부분까지 연장되도록 형성되어 전류가 발광 구조물의 중심부로 집중되는 것을 방지하여 전류 확산 효율을 증가시키는 전류 저지층의 역할을 한다.

즉, 본 발명에 따른 보호막(150)은 종래 별도의 공정을 통해 각각 제조된 보호막 및 전류저지층의 기능을 모두 수행 가능함으로써, 종래 전류저지층을 형성하기 위한 별도의 공정으로 인해 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.

그리고, 상기 보호막(150)이 형성된 결과물의 하면에는 p형 전극(160)이 형성되어 있다. 상기 p형 전극(160)도 상기 n형 전극(170)과 마찬가지로 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하도록 반사율이 높은 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 p형 전극(160) 하면에는 도금 결정핵층(도시하지 않음)을 이용하여 전해 도금 또는 무전해 도금하여 형성된 도금층으로 이루어진 구조지지층(200)이 형 성되어 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 구조지지층(200)으로 도금 결정핵층을 결정핵으로 사용하여 형성된 도금층을 설명하고 있으나, 이는 이에 한정되지 않으며, 상기 구조지지층은 최종적인 LED 소자의 지지층 및 전극으로서의 역할을 수행하는 것으로서, 실리콘(Si) 기판, GaAs 기판, Ge 기판 또는 금속층 등으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 금속층은 열증착(Thermal evaporator), 전자선증착(e-beam evaporator), 스퍼터(Sputter), 화학기상증착(CVD) 등의 방식을 통하여 형성된 것이 사용가능하다.

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 상기 n형 전극을 발광면의 외각에 배치하여 와이어로 인한 발광면 손실을 방지함으로써, 발광효율을 향상시켜 고휘도를 구현하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 보호막을 통해 전류저지층의 역할을 수행하게 함으로써, 별도의 전류저지층 형성 공정을 생략할 수 있어 LED 소자의 전반적인 제조공정을 단순화하여 LED 소자의 제조 수율을 향상시킬 수 있다.

Claims

n형 전극;

상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과 활성층 및 p형 질화갈륨층이 순차 적층되어 있는 구조로 형성된 발광 구조물;

상기 발광 구조물의 측면을 둘러싸는 동시에 하면 중 상기 n형 전극과 대응하는 부분까지 연장되게 형성된 보호막;

상기 보호막이 형성된 결과물 하면에 형성된 p형 전극; 및

상기 p형 전극 하면에 형성된 구조지지층;을 포함하고,

상기 n형 전극은 상기 n형 질화갈륨층의 외각 일부분에 위치하며, 이로부터 뻗어 외각부를 따라 둘러져 있는 n형 가지 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 전극은, 반사율이 높은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제1항에 있어서,

상기 p형 전극은, 반사율이 높은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제1항에 있어서,

상기 보호막은, 절연물로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제4항에 있어서,

상기 절연물은 비전도성의 산화물 또는 질화물인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제1항에 있어서,

상기 보호막의 연장된 부분은, 상기 p형 질화갈륨층의 최외각으로부터 150㎛ 이내에 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 가지 전극은, 상기 n형 질화갈륨층의 최외각으로부터 150㎛ 이내에 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.