KR100826375B1

KR100826375B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 제조 방법

Info

Publication number: KR100826375B1
Application number: KR20060080192A
Authority: KR
Inventors: 이상범; 박길한; 박영민; 박기태; 최락준; 김학환
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2008-05-02
Also published as: KR20080018299A

Abstract

본 발명은 광추출효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 질화물 반도체 성장을 위한 광투과성 기판; 상기 광투과성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 오믹콘택층; 상기 오믹콘택층 상에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성되고, 상기 오믹콘택층을 노출시키는 복수의 오픈영역을 갖는 다중 반사층; 및 상기 다중 반사층의 오픈영역을 통해 접속되는 본딩메탈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

광추출효율, 반사층, 굴절율, 피라미드, 광흡수

Description

질화물 반도체 발광소자 및 제조 방법 {NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 플립칩구조를 도시하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도 3은 도 2의 플립칩용 질화물 반도체 발광소자가 탑재된 칩구조를 나타내는 측단면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하는 도면이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플립칩용 발광장치를 나타내는 측단면도이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

31 : 광투과성 기판 32 : n형 질화물 반도체층

33 : 활성층 34 : p형 질화물 반도체층

35 : 오믹콘택층 36 : 다중 반사층

37 : 본딩메탈 38 : n측 전극

38a : 확장된 n측 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광추출효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 내부양자효율과 광추출효율(또는 '외부양자효율'이라고도 함)에 의해 결정된다. 특히, 광추출효율은 발광소자의 광학적 인자, 즉 각 구조물의 굴절률 및/또는 계면의 평활도(flatness) 등에 의해 결정된다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 플립칩구조를 도시한다.

도 1에 도시된 플립칩 발광장치(20)는 칩 기판(21) 상에 탑재된 질화물 반도체 발광소자(10)를 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11)과 그 위에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(14)을 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 칩 기판(21) 상에 탑재되어, 각 전극(19a,19b)은 도전성 범프(24a,24b)에 의해 각 리드패턴(22a,22b)상에 융착된다. 상기 플립칩 발광장치(20)에서 상기 발광소자(10)의 사파이어 기판(11)은 광투과성 기판이므로 광방출면으로 활용될 수 있다.

상기 질화물 반도체 발광소자(10)의 전극, 특히 p측 전극은 p형 질화물 반도 체층(14)과의 오믹 컨택트를 형성하는 동시에, 상기 활성층(13)으로부터 발광된 광을 사파이어 기판(11)측으로 반사시킬 수 있는 높은 반사율을 가질 것이 요구된다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, p측 전극구조는 p형 질화물 반도체층(14) 상에 형성된 오믹콘택층(16)과 금속 배리어층(17)을 포함할 수 있다. 상기 오믹콘택층(16)은 높은 반사율(약 90∼95%)을 갖는 Ag 또는 Al로 구성되어 접촉저항을 개선하는 역할을 하며, 상기 금속배리어층(17)은 상기 오믹콘택층(16)의 구성원소의 원하지 않는 이동(imigration)을 방지함과 동시에 상기 활성층에서 생성된 빛을 상기 기판 측으로 반사하는 역할을 한다.

그러나, 상기 오믹콘택층(16)을 구성하는 Ag 또는 Al과 같은 금속은 열에 민감한 금속이므로, 열적 손상에 의해 반사율이 60∼80%수준으로 저하되는 문제가 있다. 이러한 반사율의 저하로 인해 작동 중 휘도가 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전류분산효과를 향상시키는 동시에 우수한 반사율을 갖도록 p측 전극구조가 개선된 질화물 반도체 발광소자 및 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 질화물 반도체 성장을 위한 광투과성 기판; 상기 광투과성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 오믹콘택층; 상기 오믹콘택층 상에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성되고, 상기 오믹콘택층을 노출시키는 복수의 오픈영역을 갖는 다중 반사층; 및 상기 다중 반사층의 오픈영역을 통해 접속되는 본딩메탈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계와; 상기 활성층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 오믹콘택층을 형성하는 단계와; 본딩메탈이 형성될 영역을 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와; 상기 포토레지스트 패턴 상에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층을 적어도 1회 교대로 적층하여 다중 반사층을 형성하는 단계와; 상기 포토레지스트 패턴을 제거한 후 상기 본딩 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 보다 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(30)는 사파이어 기판과 같은 질화물 반도체 성장을 위한 광투과성 기판(31)과, 그 상면에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(32), 활성층(33) 및 p형 질화물 반도체층(34)을 포함한다.

상기 질화물 반도체 발광소자(30)의 n측 전극(38)은 메사에칭을 통해 노출된 n형 질화물 반도체층(32) 상면에 형성된다.

상기 질화물 반도체 발광소자(30)에 채용된 p측 전극구조는 오믹콘택층(35), 다중 반사층(36), 및 본딩메탈(37)을 포함한다. 다중 반사층(36)은 상기 오믹콘택층(35) 상에 형성되며, 상기 오믹콘택층(35)이 부분적으로 노출되도록 다수의 오픈영역을 갖는다. 상기 다중 반사층(36) 상면 및 상기 다중 반사층(36)의 오픈영역에 노출되는 상기 오믹콘택층(35) 상에는 상기 본딩메탈(37)이 형성된다.

또한, 다중 반사층(36)은 n형 질화물 반도체층(32) 상면에 형성된 n측 전극(38) 상에 형성된다. 이때, 상기 n측 전극(38) 및 상기 다중 반사층(36)의 오픈영역에 노출되는 상기 n측 전극(38) 상에는 확장된 n측 전극(38a)이 형성된다.

상기 다중 반사층(36)은 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층(36a) 및 제2 층(36b)이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성된다.

바람직하게는, 상기 다중 반사층(36)은 Si,Zr, Ta, Ti 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소의 산화물 또는 질화물일 수 있다. 이러한 산화물 또는 질화물은 흡수율이 0에 가까우므로 발광손실이 거의 없으며, 굴절율 차이를 이용한 다층 코팅막의 미러구조를 취함으로써 높은 반사율을 얻을 수 있다. 본 발명에 채용가능한 다중 반사층(36)은 바람직하게는 90%, 보다 바람직하게는 95% 이상의 반사율을 얻을 수도 있다.

상기 오믹콘택층(35)은 투명 도전체층으로 형성되는데, 예를들어 ITO, ZnO, IrO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있다. 특히, ITO는 투명하면서도 전기 전도성이 양호한 산화물로서 LCD 패널 등에 금속전극 대신 채택되고 있다. 이 오믹콘택층(30)은 n형 질화물 반도체층(32)의 상면에 스퍼터링, 전자빔 증발법 및 진공증착법으로 구성된 그룹으로부터 선택된 일 공정에 의해 형성될 수 있다. 이러한 투명도전체층은 높은 투과율을 유지하면서도 동시에 전류 확산 효율을 개선시키기 위하여 사용되는 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 플립칩 발광장치(40)는 칩기판(41)과 그 위에 탑재된 질화물 반도체 발광소자(30)를 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(30)는 사파이어 기판과 같은 질화물 반도체 성장용 기판(31)과 그 상면에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(32), 활성층(33) 및 p형 질화물 반도체층(34)을 포함하며, p측 전극구조로서 오믹콘택층(35), 다중 반사층(36), 및 본딩메탈(37)을 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(30)는 칩기판(41) 상에 각 전극(37,38a)을 도전성 범프(43a,43b)와 솔더(44a,44b)를 통해 각 리드패턴(42a,42b)상에 융착시킴으로써 탑재된다.

본 플립칩 발광장치(40)에서, 상기 발광소자(30)의 사파이어 기판(31)은 투광성이므로 기판측방향이 광방출방향이 된다. 이러한 구조에서, 오믹콘택층(35)과 다중 반사층(36)은 그 반대측에서 반사면으로 작용하여 원하는 방향으로 방출되는 빛을 증가시킬 수 있다. 특히, 다중 반사층(36)은 95%이상의 높은 반사율을 가질 뿐만 아니라, 고온에서 안정적인 반사율을 유지할 수 있어 반사특성을 보다 향상시킬 수 있다.

먼저, 도 4a를 참조하면, 기판(31) 상에 n형 질화물 반도체층(32), 활성층(33), p형 질화물 반도체층(34), 오믹콘택층(35)을 순차적으로 형성하고, 메사에칭을 통해 노출된 n형 질화물 반도체층(32) 상면에 n측 전극(38)이 형성된다.

다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 본딩메탈(37)이 형성될 오픈영역을 포함하는 포토레지스트 패턴(39)을 형성한다. 여기서, 상기 오픈영역의 크기는 약 100um 정도가 바람직하다.

다음에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(39) 상에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층을 적어도 1회 교대로 적층하여 다중 반사층(36)을 형성한다.

다음에, 도 4d 및 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(39)을 제거한 후 본딩메탈(37)을 형성한다.

한편, 상기 다중 반사층(36)은 n측 전극(38)이 형성된 n형 질화물 반도체층(32) 상면까지 확장되게 되며, 이때 상기 n측 전극(38) 및 상기 다중 반사층(36) 의 오픈영역에 노출되는 상기 n측 전극(38) 상에는 확장된 n측 전극(38a)이 형성된다.

이와 같이, 본 발명에서는 포토레지스트 리프트-오프 공정을 이용하기 때문에 오믹콘택층(35)이나 p형 질화물 반도체층(34)에 대한 손상을 최소화시킬 수 있다는 장점을 가진다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 플립칩 발광장치(60)는 칩기판(61)과 그 위에 탑재된 질화물 반도체 발광소자(50)를 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(50)는 사파이어 기판과 같은 질화물 반도체 성장을 위한 광투과성 기판(51)과 그 상면에 순차적으로 적층되고 육각형 피라미드 형태로 형성된 n형 질화물 반도체층(52), 활성층(53) 및 p형 질화물 반도체층(54)을 포함한다.

상기 육각형 피라미드 형태의 발광소자는 상기 광투과성 기판(51) 상에 제1 n형 질화물 반도체층(52a)을 형성하고, 상기 제1 n형 질화물 반도체층 상에 소정의 유전체 창(59)을 형성하고, 상기 유전체 창(59)을 마스크로 하여 상기 제1 n형 질화물 반도체층(52a)의 선택적 성장을 통해 피라미드 형태의 제2 n형 질화물 반도체층(52b)을 형성하고, 상기 피라미드 형태의 제2 n형 질화물 반도체층(52b) 상에 활성층(53), p형 질화물 반도체층(54) 및 오믹콘택층(55)을 순차적으로 형성함으로써 구성된다.

상기 질화물 반도체 발광소자(50)는 칩기판(61) 상에 각 전극(57,58a)을 도전성 범프(63a,63b)와 솔더(64a,64b)를 통해 각 리드패턴(62a,62b)상에 융착시킴으로써 탑재된다.

도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도로서, 사파이어 기판과 같은 광투과성 기판을 제거한 수직형 구조도 가능함을 보여주고 있다.

도 6를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(70)는 n측 전극(71) 아래에 순차 적층된 n형 질화물 반도체층(72), 활성층(73), p형 질화물 반도체층(74)과, 상기 p형 질화물 반도체층(74) 하면에 형성된 오믹콘택층(74)과, 상기 오믹콘택층(74) 하면에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성되고, 상기 오믹콘택층(74)을 노출시키는 복수의 오픈영역을 갖는 다중 반사층(75), 및 상기 다중 반사층(75)의 오픈영역을 통해 접속되는 본딩메탈(76)을 포함하여 구성된다. 본딩메탈(76)의 하부에는 전도성 기판(77)이 배치되어 있다.

상술한 실시형태 및 첨부된 도면은 바람직한 실시형태의 예시에 불과하며, 본 발명은 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 자에게는 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 p측 전극구조에서 서로 다른 굴절율을 갖는 층을 교대로 적층한, 고반사율의 다중 반사층을 채용함으로써 기존의 금속배리어층을 사용할 때보다 높은 반사율을 얻을 수 있으며, 따라서 전체 광추출효율을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 다중 반사층 내에서 본딩메탈이 차지하는 영역이 작아지므로 기존에 비해 본딩메탈에 의한 광흡수 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, p형 질화물 반도체층 및 n형 질화물 반도체층 상부의 전면에 다중 반사층을 형성하기 때문에 종래의 방식에서 발생하는 n-패드에서의 광 손실도 억제할 수 있다.

또한, 오믹콘택층이 투명전극겸 반사막의 역할을 하기 때문에 금속 산화에 의해 발생할 수 있는 광흡수 손실을 현저히 줄일 수 있으며, 포토레지스트 리프트-오프 공정을 이용하기 때문에 오믹콘택층이나 p형 질화물 반도체층에 대한 손상을 최소화시킬 수 있다는 장점을 가진다.

Claims

질화물 반도체 성장을 위한 광투과성 기판;

상기 광투과성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 오믹콘택층;

상기 오믹콘택층 상에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성되고, 상기 오믹콘택층을 노출시키는 복수의 오픈영역을 갖는 다중 반사층; 및

상기 다중 반사층의 오픈영역을 통해 접속되는 본딩메탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 질화물 반도체층에 접속되는 n측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 n측 전극은 메사에칭을 통해 노출된 n형 질화물 반도체층 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 다중 반사층은 상기 n측 전극이 형성된 n형 질화물 반도체층 상면까지 확장되고, 상기 n측 전극을 노출시키는 복수의 오픈영역을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제4항에 있어서,상기 오픈영역을 통해 접속되는 확장된 n측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 층은 Si, Zr, Ta, Ti 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 원소의 산화물 또는 질화물인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 오믹콘택층은 ITO, ZnO, IrO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와;

상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계와;

상기 활성층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계와;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 오믹콘택층을 형성하는 단계와;

본딩메탈이 형성될 오픈 영역을 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와;

상기 포토레지스트 패턴 상에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층을 적어도 1회 교대로 적층하여 다중 반사층을 형성하는 단계와;

상기 포토레지스트 패턴을 제거한 후 상기 본딩메탈을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 다중 반사층은 n측 전극이 형성된 n형 질화물 반도체층 상면까지 확장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 오픈영역의 크기는 100um인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 제1 및 제2 층은 Si, Zr, Ta, Ti 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 원소의 산화물 또는 질화물인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 오믹콘택층은 ITO, ZnO, IrO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
질화물 반도체 성장을 위한 광투과성 기판;

상기 광투과성 기판 상에 형성된 제1 n형 질화물 반도체층;

상기 제1 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 유전체 창;

상기 유전체 창을 마스크로 하여 상기 제1 n형 질화물 반도체층의 선택적 성장을 통해 형성된 피라미드 형태의 제2 n형 질화물 반도체층;

상기 피라미드 형태의 제2 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 오믹콘택층;

상기 오믹콘택층 상에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성되고, 상기 오믹콘택층을 노출시키는 복수의 오픈영역을 갖는 다중 반사층; 및

상기 다중 반사층의 오픈영역을 통해 접속되는 본딩메탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제13항에 있어서,

상기 제1 및 제2 층은 Si, Zr, Ta, Ti 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 원소의 산화물 또는 질화물인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제13항에 있어서,

상기 오믹콘택층은 ITO, ZnO, IrO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
n측 전극 아래에 순차 적층된 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 하면에 형성된 오믹콘택층;

상기 오믹콘택층 하면에 서로다른 굴절율을 갖는 제1 층 및 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성되고, 상기 오믹콘택층을 노출시키는 복수의 오픈영역을 갖는 다중 반사층; 및

상기 다중 반사층의 오픈영역을 통해 접속되는 본딩메탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제16항에 있어서,

상기 제1 및 제2 층은 Si, Zr, Ta, Ti 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 원소의 산화물 또는 질화물인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제16항에 있어서,

상기 오믹콘택층은 ITO, ZnO, IrO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.