KR100730082B1 - 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 상의 소정 영역에 형성되어 있는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 전류확산층과, 상기 전류확산층 상에 두 개의 p형 가지 전극을 가지고 형성되어 있는 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 한 개의 n형 가지 전극을 가지고 형성되어 있는 n형 전극을 포함하고, 상기 n형 가지 전극은 상기 두 개의 p형 가지 전극 사이에 삽입된 구조로 형성되어 있으며, 상기 n형 전극과 인접한 투명전극의 최외각 변으로부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
질화물, 반도체, p형 전극, 전류확산, 구동전압

Description

질화물계 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 문제점을 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 4는 도 2에 도시한 질화물계 반도체 발광소자의 발광 사진.
도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 칩 크기에 따른 구동전압 변화를 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 6은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 휘도를 비교하여 나타낸 도면.
<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 동일한 단위면적의 LED 칩 크기 내에서 낮은 구동전압을 구현할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, GaN 등의 질화물계 반도체는, 우수한 물리적, 화화적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광소자의 핵심 소재로 각광을 받고 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.
한편, 상기 질화물계 반도체 발광소자는 종래 전류확산 효율을 향상시키기 위해 주로 정사각형 형태의 LED 칩(chip)을 형성하였으나, 최근 특정 패키지의 형상, 예를 들어, 사이드뷰(sideview) 표면실장형 패키지의 경우, X축 또는 Y축의 크기가 점진적으로 감소하고 있으며, 그로 인해, 직사각형 형태의 LED 칩을 형성한다.
그러나, 상기 직사각형 형태의 LED 칩은, X축 또는 Y축의 크기 감소로 인하여 발광을 위한 일정 수준에 해당하는 발광면적이 감소하고, 콘택(contact) 저항이증가하여 구동전압이 증가하는 문제가 있다.
그러면, 이하 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 문제점에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 문제점을 설명하기 위해 나타낸 도면으로서, 직사각형 형태의 해당하는 LED 칩의 크기 변화에 따른 구동전압의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자는, 직사각형 LED 칩의 X축과 Y축의 크기 변화에 따라 (가), (나), (다) 및 (라)로 형성되어 있으며, LED 칩의 크기가 (라)에서 (가)로 변화되어 감에 따라, 즉, 직사각형 LED 칩의 크기가 점진적으로 소형화됨에 따라 구동전압(V)의 크기는 점진적으로 높아짐을 알 수 있다.
보다 상세하게, 우선 X축의 크기가 610㎛로 동일하고, Y축의 크기가 210㎛와 300㎛로 서로 다른 (가)와 (다)를 비교하여 보면, 300㎛의 Y축 크기를 가지는 (다)의 구동전압에 비하여 90㎛ 더 작은 210㎛의 Y축 크기를 가지는 (가)의 구동전압이 더 높은 것을 알 수 있다.
또한, X축의 크기가 610㎛와 660㎛로 서로 다르고, Y축의 크기가 300㎛로 동일한 (다)와 (라)를 비교하여 보면, 660㎛의 X축 크기를 가지는 (라)의 구동전압에 비하여 50㎛ 더 작은 610㎛의 X축 크기를 가지는 (다)의 구동전압이 더 높은 것을 알 수 있다.
이와 같이, 종래 기술에 따른 직사각형 형태의 LED 칩은 X축 또는 Y축의 크 기가 감소함에 따라 발광면적이 감소하여, 즉 직사각형 형태의 LED 칩이 소형화됨에 따라 구동전압이 증가한다.
따라서, 상기 직사각형 LED 칩의 구동전압을 향상시킬 수 있는 발광소자 관련 기술의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, p형 전극과 n형 전극 간의 거리를 동일하게 유지하여 전류확산 효율을 향상시킴으로써, 동일한 단위면적의 LED 칩 크기 내에서 낮은 구동전압을 구현할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성되어 있는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 전류확산층과, 상기 전류확산층 상에 두 개의 p형 가지 전극을 가지고 형성되어 있는 p형 전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 한 개의 n형 가지 전극을 가지고 형성되어 있는 n형 전극을 포함하고, 상기 n형 가지 전극은 상기 두 개의 p형 가지 전극 사이에 삽입된 구조로 형성되어 있으며, 상기 n형 전극과 인접한 투명전극의 최외각 변으로 부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자에서, p형 전극은, 상기 투명전극의 최외각 변으로부터 소정 간격 이격되어 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이는 상기 p형 전극과 n형 전극 간의 거리를 최소화시켜 전류확산 효율을 더욱 향상시키기 위함이다.
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 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
우선, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시한 질화물계 반도체 발광소자의 발광 사진이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자는, 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, 일반적으로 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 1개의 n형 가지 전극(160')을 가지고 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. 본 실 시예에 따른 상기 p형 전극(150)은, 전류확산 특성을 향상시키기 위하여 2개의 p형 가지 전극(150')을 가지고 있다.
여기서, 상기 2개의 p형 가지 전극(150')은, 수평형 LED 칩의 특성상, 상기 투명전극(170)의 면저항(Rs)이 상기 n형 질화물계 반도체층(120)의 면저항보다 큼에 따라 발생하는 국부적인 전류 집중 현상을 최소화하기 위해 상기 투명전극(170)의 최외각 변을 따라 균일하게 둘러지도록 형성되어 있고, 상기 2개의 p형 가지 전극(150')과 1개의 n형 가지 전극은, 상기 2개의 p형 가지 전극(150') 사이에 n형 가지 전극(160')이 삽입되어 있는 구조로 형성되어 있다.
또한, 본 실시예에서는 투명전극(170)과 n형 질화물 반도체층(120)의 서로 다른 면저항(Rs)으로 인해 발생하는 국부적인 전류 집중 현상을 최소화하기 위하여 상기 n형 전극(160)과 인접한 투명전극(170)의 최외각 변으로부터 그와 인접한 p형 전극(150)까지의 거리가 상기 p형 전극(150)의 어느 지점에서라도 동일하게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, a, b, c, d 및 e가 동일한 거리를 가지는 것이 바람직하다.
그 결과, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 전류확산 효율을 향상시켜 최근, 직사각형의 LED 칩이 소형화됨에 따라 증가하고 있는 발광소자의 구동전압을 감소시켜 우수한 구동전압 특성을 확보하는 것이 가능하다. 상기와 같이, 구동전압이 감소하면 소비전력 또한 감소시킬 수 있는 바, 질화물 반도체 발광소자 구동시, 불필요하게 발생하는 열을 감소시키게 되어 소자의 열화를 최소화할 수 있다.
그러면, 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 n형 전극(160)과 p형 전극(150)에 대하여 도 5 및 도 6을 참고하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 칩 크기에 따른 구동전압 변화를 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 6은 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 휘도를 비교하여 나타낸 도면이다.
우선, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자는, 직사각형 LED 칩의 X축과 Y축의 크기 변화에 따라 (마), (바), (사) 및 (아)로 형성되어 있으며, LED 칩의 크기가 (아)에서 (마)로 변화되어 감에 따라, 즉, 직사각형 LED 칩의 크기가 점진적으로 소형화됨에 따라 구동전압(V)의 크기는 점진적으로 높아짐을 알 수 있다.
그러나, 본 발명에 따라 서로 다른 전극 중 어느 한 전극이 다른 한 전극 사이에 삽입되어 있는 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자는, 종래 기술에 따라 제조된 질화물계 반도체 발광소자(도 1 참조)와 비교하여 볼 때, 동일한 크기의 직사각형 LED 칩에서 나타나는 구동전압의 크기가 더 낮음을 알 수 있다.
이와 같이, 구동전압의 크기가 낮아지게 되면, 전류확산 효율 또한 향상되어 우수한 질화물계 반도체 발광소자의 휘도 특성을 얻을 수 있다.
도 6은 동일한 크기의 직사각형 LED 칩에 대하여 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 휘도 특성을 비교 하여 나타낸 도면으로, X축의 크기가 660㎛이고 Y축의 크기가 270㎛인 (나)와 (바), X축의 크기가 610㎛이고 Y축의 크기가 300㎛인 (다)와 (사) 및 X축의 크기가 660㎛이고 Y축의 크기가 300㎛인 (라)와 (아)의 휘도 특성을 비교하였다. 이때, (나), (다) 및 (라)는 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자이고, (바), (사) 및 (아)는 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자이다.
즉, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 휘도 특성이 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 휘도 특성에 비하여 우수함을 알 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 상기 투명전극(170) 상에 p형 전극의 가지 전극을 투명전극의 최외각 변을 따라 균일하게 둘러지게 배치함으로써, 투명전극과 n형 질화물계 반도체층의 면저항 차이로 인해 발생하는 국부적인 전류 집중 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 p형 전극 사이에 n형 전극이 소정 간격 이격되어 삽입되어 있는 구조로 배치하되, p형 전극과 n형 전극 간의 거리를 동일하게 유지하여 전류확산 효율을 향상시킴으로써, 동일한 단위면적의 LED 칩 크기 내에서 낮은 구동전압을 구현할 수 있는 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
따라서, 본 발명은 질화물계 반도체 발광소자의 휘도 특성을 향상시키고 열화율은 감소시켜 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 있는 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성되어 있는 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되어 있는 p형 질화물 반도체층;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 전류확산층;
    상기 전류확산층 상에 두 개의 p형 가지 전극을 가지고 형성되어 있는 p형 전극; 및
    상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에, 상기 두 개의 p형 가지 전극 사이에 삽입된 구조의 한 개의 n형 가지 전극을 가지고 형성되어 있는 n형 전극;으로 이루어지는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 n형 전극과 인접한 투명전극의 최외각 변으로부터 그와 인접한 p형 전극까지의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p형 전극은, 상기 투명전극의 최외각 변으로부터 소정 간격 이격되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
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