KR100988041B1

KR100988041B1 - 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100988041B1
Application number: KR1020080045182A
Authority: KR
Inventors: 김창태; 남기연; 최병균; 김현석
Original assignee: 주식회사 에피밸리
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2010-10-18
Also published as: KR20090119255A; TW200947753A; US20090283789A1; EP2120273A3; JP2009278056A; EP2120273A2; CN101582474A; CN101582474B; US7795610B2

Abstract

본 발명은 전자와 정공의 재결합을 이용해 빛을 생성하는 반도체 발광소자에 있어서, 전자와 정공 중의 하나를 공급하는 제1 가지 전극; 전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하며, 제1 가지 전극을 따라 제1 간격을 두고 있는 제2 가지 전극; 제1 가지 전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 제2 가지 전극을 기준으로 제1 가지 전극의 반대측에서 제2 가지 전극을 따라 제1 간격보다 작은 제2 간격을 두고 있는 제3 가지 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

반도체, 발광소자, 전극, 발광, 가지, 전류, 분포, 정공, 질화물, 패드

Description

반도체 발광소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 균일한 발광이 가능한 전극 구조를 가지는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물롤 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.

도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보 호막(900)을 포함한다.

기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사피이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.

기판(100) 위에 성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.

버퍼층(200)은 이종기판(100)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/053042호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 개시되어 있다.

n형 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 개시되어 있다.

활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다. 국제공개공보 WO/02/021121호에는 복수개의 양자우물층들과 장벽층들의 일부에만 도핑을 하는 기술이 개시되어 있다.

p형 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/022655호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 개시되어 있다.

p측 전극(600)은 p형 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 개시되어 있다.

한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반 사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 개시되어 있다.

p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 개시되어 있다.

보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략되어도 좋다.

한편, n형 질화물 반도체층(300)이나 p형 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.

도 2는 미국특허 제5,563,422호에 개시된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면으로서, p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)이 발광소자의 코너에서 대각 방향으로 위치해 있으며, 발광소자 내에서 가장 먼 곳에 위치함으로써 전류 확산을 개선하고 있다.

도 3은 미국특허 제6,307,218호에 개시된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면으로서, 발광소자가 대면적화됨에 따라 p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)에 등간격을 가지는 가지 전극(710,810)을 구비함으로써, 전류 확산을 개선하고 있다.

본 발명은 전류 확산을 개선할 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 고르게 발광이 이루어지는 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 발광소자의 수명을 연장할 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 넓은 발광 면적에 걸쳐 고르게 발광이 이루어지는 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명은 전자와 정공의 재결합을 이용해 빛을 생성하는 반도체 발광소자에 있어서, 전자와 정공 중의 하나를 공급하는 제1 가지 전극; 전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하며, 제1 가지 전극을 따라 제1 간격을 두고 있는 제2 가지 전극; 제1 가지 전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 제2 가지 전극을 기준으로 제1 가지 전극의 반대측에서 제2 가지 전극을 따라 제1 간격보다 작은 제2 간격을 두고 있는 제3 가지 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 제2 가지 전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 제3 가지 전극을 기준으로 제2 가지 전극의 반대측에서 제3 가지 전극을 따라 제1 간격보다 작은 제3 간격을 두고 있는 제4 가지 전극:을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 제3 간격이 제2 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 제1 가지 전극이 발광소자의 최외곽에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 제1 가지 전극이 정공을 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 반도체 발광소자가 3족 질화물 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 전자와 정공의 재결합을 이용해 빛을 생성하는 반도체 발광소자에 있어서, 전자와 정공 중의 하나를 공급하는 복수개의 가지 전극; 전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하며, 복수개의 가지 전극과 교대로 배치되는 적어도 하나의 가지 전극;을 포함하며, 적어도 하나의 가지 전극과 복수개의 가지 전극 중 발광소자의 최외곽에 위치하는 가지 전극과 이웃한 가지 전극 사이의 간격이 최외곽에 위치하는 가지 전극을 제외한 나머지 가지 전극 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 나머지 가지 전극 사이의 간격이 발광소자의 내부로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 복수개의 가지 전극은 정공을 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한 본 발명은 복수개의 가지 전극은 정공을 공급하며, 반도체 발광소자는 3족 질화물 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에 따른 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자 내의 전류 확산을 개선할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자 내에서 고르게 발광이 이루어지게 된다.

또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자의 수명을 연장할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 반도체 발광소자에 의하면, 넓은 발광 면적에 걸쳐 고르게 발광이 이루어지게 된다.

이하 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 4는 등간격으로 배치된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면으로서, p측 본딩 패드(70)와 n측 전극(80)이 구비되어 있으며, p측 본딩 패드(70)로부터 가지 전극(71,72,73)이 뻗어 있고, n측 전극(80)으로부터 가지 전극(81,82)이 뻗어 있다. 가지 전극(71,72,73)과 가지 전극(81,82)이 교대로 위치하여 발광소자 전체로 전류가 공급되며, 가지 전극(71,72,73)과 가지 전극(81,82) 사이의 간격(a,b,c,d)은 일정하게 유지되어 있다.

도 5는 도 4의 전극 구조를 가지는 발광소자에서의 발광 분포를 나타내는 도면으로서, 동일한 발광소자에서 200mA, 300mA, 400mA의 전류가 공급될 때의 발광 분포를 나타내고 있다. 여기서 간격(a,b,c,d; 도 4 참조)은 대략 89um로 유지되었 다. p측 본딩 패드(70)로부터 뻗어 있는 가지 전극(71)과 n측 전극(80)으로부터 뻗어 있는 가지 전극(81) 사이에서 발광이 가지 전극(81)과 가지 전극(72) 사이에서의 발광, 가지 전극(72)과 가지 전극(82) 사이에서의 발광, 가지 전극(82)과 가지 전극(73) 사이에서의 발광 보다 강하다는 것을 알 수 있다. 이러한 발광의 쏠림 내지는 전류 밀도의 불균일은 발광소자의 전체 발광 효율 및 발광소자의 수명에 좋지 못한 영향을 줄 수 있고, 따라서 개선되어야 한다. 도 4에서 공급 전류가 커질수록(일반적으로 발광소자의 면적이 커질수록 공급 전류도 커진다.) 쏠림 현상이 커지게 되며, 따라서 이러한 전류의 몰림 현상은 대면적 발광소자에서 특히 문제로 될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면으로서, p측 본딩 패드(70)와 n측 전극(80)이 구비되어 있으며, p측 본딩 패드(70)로부터 가지 전극(71,72,73)이 뻗어 있고, n측 전극(80)으로부터 가지 전극(81,82)이 뻗어 있다. 가지 전극(71,72,73)과 가지 전극(81,82)이 교대로 위치하여 발광소자 전체로 전류가 공급되며, 도 4의 발광소자에서 p측 본딩 패드(70)와 n측 전극(80)이 그대로 유지된 상태에서, 가지 전극(71,72,73)과 가지 전극(81,82) 사이의 간격(a,b,c,d)이 발광소자의 내측으로 갈수록 상대적으로 좁아지게 배치되어 있다.

도 7은 도 6의 전극 구조를 가지는 발광소자에서의 발광 분포를 나타내는 도면으로서, 동일한 발광소자에서 200mA, 300mA, 400mA의 전류가 공급될 때의 발광 분포를 나타내고 있다. 여기서 간격(a,b,c,d; 도 6 참조)은 각각 118um, 88um, 79um, 70um로 형성되었다. 도 5의 발광 분포에 비해, 가지 전극(71)과 가지 전 극(81) 사이에서의 발광, 가지 전극(81)과 가지 전극(72) 사이에서의 발광, 가지 전극(72)과 가지 전극(82) 사이에서의 발광, 가지 전극(82)과 가지 전극(83) 사이에서의 발광이 고르게 이루어짐을 알 수 있다. 따라서 가지 전극 사이의 간격을 조절함으로써 발광소자의 발광 분포를 고르게 할 수 있음을 알 수 있다. 400mA의 전류가 공급될 때, 가지 전극(82)과 가지 전극(73) 사이에서의 발광이 강해짐을 알 수 있으며, 이는 간격(d)을 약간 넓혀줌으로써 해소할 수 있다. 따라서 본 발명의 기술 사상이 간격(a,b,c,d)을 점진적으로 좁히는 것에 국한되는 것으로 이해되어서는 안되며, 가지 전극이 등간격으로 배치될 때의 발광 쏠림 내지는 전류 몰림의 문제를 개선하기 위하여, 발광 분포에 있어서 발광 쏠림이 나타나는 영역의 간격을 상대적으로 넓혀주고, 발광이 부족한 영역에서는 적절하게 쏠리는 영역에 비해 간격을 좁게 배치하는 것에까지 미치는 것으로 이해되어야 한다.

도 6에 도시된 발광소자에서, p측 본딩 패드(70)와 가지 전극(71)이 발광소자의 최외곽에 위치하고, n측 전극(80)과 가지 전극(81)이 안쪽에 위치하는 것이 바람직하다. 식각을 필요로 하는 n측 전극(80)과 가지 전극(81)이 최외곽에 위치하는 경우에, 발광소자가 식각되어야 하므로 발광 면적의 감소를 가져오지만, 식각없이 발광소자의 위에 위치하는 p측 본딩 패드(70)와 가지 전극(71)을 최외곽에 위치시킴으로써 발광 면적의 감소를 막을 수 있는 이점을 추가로 가질 수 있게 된다.

도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,

도 2는 미국특허 제5,563,422호에 개시된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면,

도 3은 미국특허 제6,307,218호에 개시된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면,

도 4는 등간격으로 배치된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면,

도 5는 도 4의 전극 구조를 가지는 발광소자에서의 발광 분포를 나타내는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면,

도 7은 도 6의 전극 구조를 가지는 발광소자에서의 발광 분포를 나타내는 도면.

Claims

전자와 정공의 재결합을 이용해 빛을 생성하는 반도체 발광소자에 있어서,

전자와 정공 중의 하나를 공급하는 제1 가지 전극;

전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하며, 제1 가지 전극을 따라(extending along) 제1 간격을 두고 있는 제2 가지 전극;

제1 가지 전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 제2 가지 전극을 기준으로 제1 가지 전극의 반대측에서 제2 가지 전극을 따라 제1 간격보다 작은 제2 간격을 두고 있는 제3 가지 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 1에 있어서,

제2 가지 전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 제3 가지 전극을 기준으로 제2 가지 전극의 반대측에서 제3 가지 전극을 따라 제1 간격보다 작은 제3 간격을 두고 있는 제4 가지 전극:을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 2에 있어서,

제3 간격이 제2 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 1에 있어서,

제1 가지 전극은 발광소자의 최외곽에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 4에 있어서,

제1 가지 전극은 정공을 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 2에 있어서,

반도체 발광소자는 3족 질화물 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
전자와 정공의 재결합을 이용해 빛을 생성하는 반도체 발광소자에 있어서,

전자와 정공 중의 하나를 공급하는 복수개의 가지 전극;

전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하며, 복수개의 가지 전극과 교대로 배치되는 적어도 하나의 가지 전극;을 포함하며,

적어도 하나의 가지 전극과 복수개의 가지 전극 중 발광소자의 최외곽에 위치하는 가지 전극과 이웃한 가지 전극 사이의 간격이 최외곽에 위치하는 가지 전극을 제외한 나머지 가지 전극 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 7에 있어서,

나머지 가지 전극 사이의 간격은 발광소자의 내부로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 7에 있어서,

복수개의 가지 전극은 정공을 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
청구항 8에 있어서,

복수개의 가지 전극은 정공을 공급하며,

반도체 발광소자는 3족 질화물 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.