KR101115539B1 - 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

발광 소자 및 그것을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

발광 소자 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 소자는, 절두형 피라미드 형상을 갖고 기판 상에 배치된 발광 셀로서, 거칠어진 상부면 및 상기 상부면에 대향하는 하부면을 포함하는 제1 질화물 반도체층, 제2 질화물 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성층 및 입구가 넓고 바닥이 좁은 형상을 갖고, 상기 제2 질화물 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 질화물 반도체층의 하부면의 일부를 노출시키는 홀을 포함하는 발광 셀과, 상기 제2 질화물 반도체층의 하부면에 배치된 반사층과, 상기 홀의 측벽 및 상기 반사층 상에 배치된 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 배치되고 상기 제1 질화물 반도체층의 하부면의 상기 노출된 부분에 전기적으로 접속하는 연결부와, 상기 연결부 상에 배치된 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 상에 배치된 접착층과, 상기 접착층과 상기 기판 사이에 위치하는 본딩 금속층을 포함한다.

Description

발광 소자 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 분리 공정을 적용한 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산한다. 이러한 발광 다이오드는 표시소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다. 또한, 발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.
최근, 발광 다이오드를 교류전원에 직접 연결하여 연속적으로 빛을 방출하는 교류용 발광 다이오드가 제품화되고 있다. 고전압 교류전원에 직접 연결하여 사용할 수 있는 발광 다이오드는, 예를 들어, 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 "발광 성분들을 갖는 발광소자"(LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS)라는 제목으로 사카이 등(SAKAI et. al.)에 의해 개시되어 있다.
상기 WO 2004/023568(Al)호에 따르면, LED들이 사파이어 기판과 같은 절연성 기판 상에 2차원적으로 연결된 직렬 LED 어레이들이 형성된다. LED 어레이들이 직렬 연결됨으로써 고전압에서 구동될 수 있는 발광 소자가 제공될 수 있다. 또한, 이러한 LED 어레이들이 상기 사파이어 기판 상에서 역병렬로 연결되어, AC 파워 서플라이에 의해 구동될 수 있는 단일칩 발광소자가 제공된다.
상기 AC-LED는 성장 기판으로 사용된 기판, 예컨대 사파이어 기판 상에 발광 셀들을 형성하므로, 발광 셀들의 구조에 제한이 따르며, 광추출 효율을 향상시키는데 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기판 분리 공정을 적용하여 AC-LED를 제조하는 방법이 "열전도성 기판을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법"이라는 명칭으로 한국 등록 공보 제10-0599012호에 개시된 바 있다.
도 1 내지 도 4는 종래 기술에 따른 발광 소자 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 희생 기판(21) 상에 버퍼층(23), N형 반도체층(25), 활성층(27) 및 P형 반도체층(29)을 포함하는 반도체층들이 형성되고, 상기 반도체층들 상에 제1 금속층(31)이 형성되고, 상기 희생 기판(21)과 별개의 기판(51) 상에 제2 금속층(53)이 형성된다. 제1 금속층(31)은 반사 금속층을 포함할 수 있다. 상기 제2 금속층(53)이 상기 제1 금속층(31)과 접합되어 상기 기판(51)이 반도체층들 상부에 본딩된다.
도 2를 참조하면, 상기 기판(51)이 본딩된 후, 레이저 리프트 오프 공정을 사용하여 희생기판(21)이 분리된다. 또한, 상기 희생기판(21)이 분리된 후, 잔존하는 버퍼층(23)은 제거되며, N형 반도체층(25)의 표면이 노출된다.
도 3을 참조하면, 사진 및 식각 기술을 사용하여 상기 반도체층들(25, 27, 29) 및 상기 금속층들(31, 53)이 패터닝되어 서로 이격된 금속패턴들(40) 및 상기 각 금속패턴의 일부영역 상에 위치하는 발광 셀들(30)이 형성된다. 발광 셀들(30)은 패터닝된 P형 반도체층(29a), 활성층(27a) 및 N형 반도체층(25a)을 포함한다.
도 4를 참조하면, 상기 발광 셀들(30)의 상부면과 그것에 인접한 금속패턴들(40)을 전기적으로 연결하는 금속배선들(57)이 형성된다. 상기 금속배선들(57)은 상기 발광 셀들(30)을 연결하여 발광 셀들의 직렬 어레이를 형성한다. 상기 금속배선들(57)을 연결하기 위해 N형 반도체층(25a) 상에 전극 패드(55)가 형성될 수 있으며, 금속 패턴들(40) 상에도 전극 패드가 형성될 수 있다. 이러한 어레이들은 두개 이상 형성될 수 있으며, 이들 어레이들이 역병렬로 연결되어 교류전원하에서 구동될 수 있는 발광 다이오드가 제공된다.
상기 종래 기술에 따르면, 기판(51)을 다양하게 선택할 수 있어 발광 소자의 열방출 성능을 개선할 수 있으며, N형 반도체층(25a)의 표면을 처리하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 제1 금속층(31a)이 반사 금속층을 포함하여 발광 셀들(30)에서 기판(51)측으로 진행하는 광을 반사시키기 때문에 발광 효율을 더욱 개선할 수 있다.
그러나 상기 종래 기술은 상기 반도체층들(25, 27, 29) 및 금속층들(31, 53)을 패터닝하는 동안, 금속 물질의 식각 부산물이 발광 셀(30)의 측벽에 달라붙어 N형 반도체층(25a)과 P형 반도체층(29a) 사이에 전기적 단락을 유발할 수 있다. 또한, 상기 반도체층들(25, 27, 29)을 식각하는 동안 노출되는 제1 금속층(31a)의 표면이 플라즈마에 의해 손상되기 쉽다. 제1 금속층(31a)이 Ag 또는 Al과 같은 반사 금속층을 포함할 경우 이러한 식각 손상은 더욱 악화된다. 플라즈마에 의한 금속층(31a) 표면의 손상은 그 위에 형성되는 배선들(57) 또는 전극 패드들의 접착력을 떨어뜨려 소자 불량을 초래한다.
한편, 상기 종래 기술에 따르면 제1 금속층(31)이 반사 금속층을 포함할 수 있으며, 따라서 발광 셀들(30)에서 기판 측으로 진행하는 광을 다시 반사시킨다. 그러나, 발광 셀들(30)의 사이의 공간에서는 반사 금속층의 식각 손상 또는 산화에 의해 광의 반사를 기대하기 어렵다. 나아가, 금속패턴들(40) 사이의 영역은 기판(51)이 노출되기 때문에 광이 기판(51)에 의해 흡수되어 손실될 수 있다.
또한, 배선들(57)이 N형 반도체층(25a)의 상부면, 즉 광방출면 상에 연결되기 때문에, 활성층(25a)에서 발생된 광이 광방출면 상의 배선들(57) 및/또는 전극 패드들(55)에 흡수되어 광 손실이 발생될 수 있다.
특허문헌 1. 국제공개번호 WO 2004/023568(Al) 특허문헌 2. 대한민국 등록특허공보 제10-0599012호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 금속 식각 부산물에 의한 발광 셀 내 전기적 단락을 방지할 수 있는 고전압 구동용 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 발광 셀들 사이의 공간에서 기판측으로 진행하는 광의 손실을 감소시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 광방출면으로부터 방출된 광의 손실을 감소시켜 발광 효율을 개선할 수 있는 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 발광 셀들 내에서의 전류 분산을 도울 수 있는 고전압 구동용 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따른 발광 소자는, 기판; 각각 제1 도전형의 상부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 하부 반도체층을 포함함과 아울러 상기 제2 도전형의 하부 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형의 상부 반도체층을 노출시키는 홀을 포함하는 제1 발광 셀 및 제2 발광 셀; 및 상기 제1 및 제2 발광 셀들과 상기 기판 사이에 위치하고, 상기 제1 발광 셀 및 제2 발광 셀을 서로 전기적으로 접속하는 연결부(connector)를 포함한다. 또한, 상기 홀들은 각각 상기 제1 및 제2 발광 셀들의 중앙 영역에 위치하고, 상기 연결부는 상기 제1 발광 셀의 상기 제2 도전형의 하부 반도체층과 상기 제2 발광 셀의 상기 홀 내에 노출된 상기 제1 도전형의 상부 반도체층을 전기적으로 접속한다.
상기 연결부가 기판과 발광 셀들 사이에 위치하므로, 발광 셀들의 광 방출면에서 방출된 광이 연결부에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 홀이 발광 셀들 중앙영역에 위치하기 때문에 상기 연결부가 중앙 영역의 제1 도전형 상부 반도체층에 접속될 수 있어 발광 셀의 넓은 영역에 걸쳐 전류를 분산시킬 수 있다.
나아가, 상기 제1 및 제2 발광 셀들은 상기 제1 도전형의 상부 반도체층을 노출시키는 홀을 각각 하나씩 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수개의 홀들을 가질 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 발광 셀들을 분리하는 분리 홈과, 상기 분리 홈과 상기 연결부 사이에 개재된 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 분리 홈을 형성하기 위해 반도체층들을 식각하는 동안 상기 절연층에 의해 상기 연결부가 노출되는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 연결부가 식각에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 상기 절연층은 DBR을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 발광 셀들 사이의 영역에서 기판쪽으로 진행하는 광을 반사시킬 수 있어 광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 분리 홈은 상기 제1 도전형의 상부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 하부 반도체층을 관통할 수 있다. 즉, 상기 분리 홈은 상기 제1 도전형의 상부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 하부 반도체층을 포함하는 반도체층들을 식각하여 형성될 수 있으며, 이에 따라, 발광 셀들의 형성 공정이 단순화된다.
한편, 상기 발광 소자는 상기 홀들의 측벽을 덮는 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 절연층은 연결부에 의해 제1 도전형 상부 반도체층과 제2 도전형 하부 반도체층이 단락되는 것을 방지한다. 나아가, 이 절연층은 DBR을 포함할 수 있다. 이에 따라, 발광 셀 내에서 생성된 광이 홀 내의 연결부에 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 발광 소자는, 상기 각 발광 셀들의 제2 도전형 하부 반도체층에 콘택하는 오믹 콘택층을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 연결부는 상기 제1 발광 셀의 상기 오믹 콘택층에 접속함과 아울러 상기 제2 발광 셀의 상기 오믹 콘택층으로부터 절연된다. 예컨대, 상기 제2 발광 셀의 오믹 콘택층과 상기 연결부 사이에 절연층이 개재될 수 있으며, 이 절연층에 의해 상기 연결부가 오믹 콘택층으로부터 절연될 수 있다.
또한, DBR이 상기 오믹 콘택층과 상기 제2 도전형 하부 반도체층 사이에 개재될 수 있다. 이때, 상기 DBR은 관통홀들을 가질 수 있으며, 상기 오믹 콘택층은 상기 관통홀들을 통해 상기 제2 도전형 하부 반도체층에 접속될 수 있다.
한편, 상기 연결부와 상기 기판 사이에 분리 절연층이 개재될 수 있다. 상기 분리 절연층은 본딩 금속과 상기 연결부를 분리시켜 전기적 단락을 방지한다.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 소자는, 기판; 제1 도전형의 상부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 하부 반도체층을 포함함과 아울러 상기 제2 도전형의 하부 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형의 상부 반도체층을 노출시키는 홀을 포함하는 제1 발광 셀; 상기 홀을 통해 상기 제1 도전형 상부 반도체층에 전기적으로 접속된 제1 연결부; 및 상기 제2 도전형 하부 반도체층에 전기적으로 접속된 제2 연결부를 포함한다. 상기 홀은 상기 발광 셀의 중앙 영역에 위치하고, 상기 제1 연결부는 상기 제2 도전형의 하부 반도체층으로부터 전기적으로 절연된다. 이에 따라, 상기 제1 연결부와 제2 연결부를 발광 셀들과 기판 사이에 배치하여 광 손실을 방지함과 아울러, 상기 제2 연결부가 발광 셀의 중앙 영역에 접속함으로써 발광 셀 내 전류 분산을 도울 수 있다.
상기 제1 발광 셀은 상기 제1 도전형의 상부 반도체층을 노출시키는 홀을 복수개 포함할 수 있다.
한편, 절연층이 상기 홀의 측벽에 형성될 수 있다. 상기 절연층은 제2 연결부에 의해 제1 도전형 상부 반도체층과 제2 도전형 하부 반도체층이 단락되는 것을 방지한다. 나아가, 상기 절연층은 DBR을 포함할 수 있으며, 따라서 제1 발광 셀 내에서 생성된 광이 제2 연결부에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 오믹 콘택층이 상기 제2 도전형 하부 반도체층에 콘택할 수 있다. 또한, 상기 제2 연결부는 상기 오믹 콘택층에 접속될 수 있다. 나아가, 상기 오믹 콘택층은 반사 금속층을 포함할 수 있으며, 따라서 제1 발광 셀 내에서 생성되어 상기 기판쪽으로 진행하는 광을 위쪽으로 반사시킬 수 있다.
나아가, 상기 제1 연결부와 상기 오믹 콘택층 사이에 절연층이 개재될 수 있다. 이 절연층에 의해 상기 오믹 콘택층과 상기 제1 연결부가 절연될 수 있다. 또한, 상기 절연층은 DBR을 포함할 수 있다.
한편, 상기 발광 소자는, 제1 도전형의 상부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 하부 반도체층을 포함하는 제2 발광 셀을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 연결부는 상기 제2 발광 셀의 제1 도전형 상부 반도체층에 전기적으로 접속될 수 있다.
예컨대, 상기 제2 발광 셀은 상기 제2 도전형 하부 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 상부 반도체층을 노출시키는 홀을 포함할 수 있으며, 상기 제2 연결부는 상기 홀을 통해 상기 제2 발광 셀의 상기 제1 도전형 상부 반도체층에 전기적으로 접속될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 발광 셀들은 분리 홈에 의해 서로 분리될 수 있으며, 상기 분리 홈과 상기 제2 연결부 사이에 절연층이 개재될 수 있다. 나아가, 이 절연층은 DBR을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따른 발광 소자는, 절두형 피라미드 형상을 갖고 기판 상에 배치된 발광 셀로서, 거칠어진 상부면 및 상기 상부면에 대향하는 하부면을 포함하는 제1 질화물 반도체층, 제2 질화물 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성층, 및 입구가 넓고 바닥이 좁은 형상을 갖고, 상기 제2 질화물 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 질화물 반도체층의 하부면의 일부를 노출시키는 홀을 포함하는 발광 셀; 상기 제2 질화물 반도체층의 하부면에 배치된 반사층; 상기 홀의 측벽 및 상기 반사층 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되고 상기 제1 질화물 반도체층의 하부면의 상기 노출된 부분에 전기적으로 접속하는 연결부(connector); 상기 연결부 상에 배치된 제2 절연층; 상기 제2 절연층 상에 배치된 접착층; 및 상기 접착층과 상기 기판 사이에 위치하는 본딩 금속층을 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따른 발광 소자는, 절두형 피라미드 형상을 갖고 기판 상에 배치된 발광 셀로서, 거칠어진 상부면 및 상기 상부면에 대향하는 하부면을 포함하는 제1 질화물 반도체층, 제2 질화물 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 제2 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성층, 및 입구가 넓고 바닥이 좁은 형상을 갖고, 상기 제2 질화물 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 질화물 반도체층의 하부면의 일부를 노출시키는 홀을 포함하는 발광 셀; 상기 제2 질화물 반도체층의 하부면 및 상기 홀의 측벽 상에 배치된 분포 브래그 반사기(DBR); 상기 DBR 상에 배치된 반사층; 상기 반사층 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되고 상기 제1 질화물 반도체층의 하부면의 상기 노출된 부분에 전기적으로 접속하는 연결부(connector); 상기 연결부 상에 배치된 제2 절연층; 상기 제2 절연층 상에 배치된 접착층; 및 상기 접착층과 상기 기판 사이에 위치하는 본딩 금속층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 금속 식각 부산물이 발생되는 것을 방지함으로써 발광 셀 내 전기적 단락을 방지할 수 있는 고전압 구동용 발광 소자를 제공할 수 있다. 또한, DBR을 포함하는 절연층을 채택함으로써 기판 측으로 향하는 광을 반사시킬 수 있어 발광 효율을 개선할 수 있다. 또한, 발광 셀들을 연결하는 연결부들을 발광 소자 내부에 매립함으로써, 광방출면으로부터 방출되는 광이 연결부들에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 발광 셀들의 중앙 영역들에 홀을 형성하고, 상기 홀을 통해 연결부를 제1 도전형 상부 반도체층에 접속함으로써 발광 셀들 내에서의 전류 분산을 도울 수 있는 고전압 구동용 발광소자를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 종래기술에 따른 교류용 발광 소자 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위해 도 5의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 7 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 평면도이고, 도 6은 5의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다. 도 5에서, 발광 소자 내부에 매립 구성요소들을 점선으로 나타내었다.
도 5 및 6을 참조하면, 상기 발광 소자는 기판(151), 제1 및 제2 발광 셀들(S1, S2), 분리 홈(isolation trenche, 161), 연결부들(135)을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는, 홀들(130a), 오믹 콘택층(131), 절연층(제1 절연층; 133), 분리 절연층(제2 절연층; 137), 접착층(139) 및 본딩 금속(141)을 포함할 수 있으며, 또한 보호 절연층을 포함할 수 있다.
상기 기판(151)은, 화합물 반도체층들을 성장시키기 위한 성장기판과 구분되며, 이미 성장된 화합물 반도체층들에 부착된 기판이다. 상기 기판(151)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 절연 또는 도전 기판일 수 있다. 특히, 반도체층들의 성장 기판으로 사파이어 기판을 사용하는 경우, 성장 기판과 동일한 열팽창계수를 갖기 때문에 상기 기판(151)이 사파이어 기판인 것이 바람직하다.
상기 발광 셀들(S1, S2)은 분리 홈들(161)에 의해 분리된다. 상기 분리 홈들(161)의 측벽이 경사지게 형성됨으로써 상기 발광 셀들(S1, S2)는 절두형 피라미드 형상을 가질 수 있다. 상기 발광셀들은 각각 도 6에 도시한 바와 같이 소정의 경사를 갖고 서로 대칭되는 제1 측면과 제2 측면을 포함한다. 상기 발광 셀들(S1, S2)은 각각 제1 도전형의 상부 반도체층(125), 활성층(127) 및 제2 도전형의 하부 반도체층(129)을 포함하는 반도체 스택(130)을 포함한다. 상기 활성층(127)은 상기 상부 및 하부 반도체층들(125, 129) 사이에 개재된다. 한편, 상기 발광 셀들(S1, S2)은 제2 도전형의 하부 반도체층(129) 및 활성층(127)을 관통하여 제1 도전형의 상부 반도체층(125)을 노출시키는 홀들(130a)을 갖는다. 상기 홀들(130a)은 각각 상기 발광 셀들(S1, S2)의 중앙 영역에 위치한다. 상기 발광 셀들(S1, S2)은 각각 상기 홀(130a)을 하나씩 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수개의 홀들(130a)을 가질 수 있다.
상기 홀(130a)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 입구가 넓고 바닥이 좁은 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 홀(130a)은 뿔대 형상, 예컨대 절두형 원뿔 형상을 가질 수 있다.
상기 활성층(127), 상기 상부 및 하부 반도체층들(125, 129)은 질화물 반도체, 즉, III-N 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, Ga, In)N 반도체로 형성될 수 있다. 상기 상부 및 하부 반도체층들(125, 129)은 각각 단일층 또는 다중층일 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 및/또는 하부 반도체층(125, 129)은 콘택층과 클래드층을 포함할 수 있으며, 또한 초격자층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 활성층(127)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조일 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 도전형은 n형이고, 상기 제2 도전형은 p형이다. 저항이 상대적으로 작은 n형 반도체층으로 상부 반도체층들(125)을 형성할 수 있어, 상부 반도체층들(125)의 두께를 상대적으로 두껍게 형성할 수 있다. 따라서, 상기 상부 반도체층(125)의 상부면에 거칠어진 면(R)을 형성하는 것이 용이하며, 거칠어진 면(R)은 활성층(127)에서 발생된 광의 추출 효율을 향상시킨다.
한편, 상기 분리 홈(161)은 제1 도전형 상부 반도체층(125), 활성층(127) 및 제2 도전형의 하부 반도체층(129)을 관통하여 형성되며, 따라서 상기 분리 홈(161)의 내벽은 반도체 스택(130)으로 형성된다. 분리 홈(161)이 모두 동일한 깊이로 형성될 수 있기 때문에, 상기 분리홈(161)을 형성하기 위한 식각 공정의 안정화를 도모할 수 있다.
한편, 상기 연결부들(135)은 발광 셀들(S1, S2)과 기판(151) 사이에 위치하며 발광 셀들(S1, S2)을 전기적으로 연결한다. 하나의 발광 셀(S1 또는 S2)에 두개의 연결부들이 접속되며, 두개의 연결부들(135)은 발광 셀(S1 또는 S2)의 제1 도전형 상부 반도체층(125)과 제2 도전형 하부 반도체층(129)에 각각 전기적으로 접속된다. 또한, 각 연결부(135)는 이웃한 발광 셀들을 전기적으로 연결한다. 예컨대, 상기 연결부(135)는 제1 발광 셀(S1)의 제1 도전형 하부 반도체층(129)과 제2 발광 셀(S2)의 제1 도전형 상부 반도체층(125)을 전기적으로 연결한다. 이때, 상기 연결부(135)는 제2 발광 셀의 홀(130a)에 노출된 제1 도전형 상부 반도체층(125)에 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 연결부(135)는 상기 홀(130a)을 통해 연장하여 상기 제1 질화물 반도체층에 접속하는 뿔대 형상의 돌출부를 포함할 수 있다.
이와 같이, 복수개의 발광 셀들이 연결부들(135)에 의해 서로 직렬로 연결되어 발광 셀들의 직렬 어레이가 제공될 수 있으며, 따라서 고전압하에서 구동될 수 있는 발광 소자가 제공될 수 있다. 또한, 복수개의 직렬 어레이들이 제공될 수 있으며, 이들 직렬 어레이들이 서로 역병렬로 연결됨으로써 교류전원하에서 구동될 수 있는 교류용 발광 소자가 제공될 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 하부 반도체층(129)에 오믹 콘택층(131)이 접촉할 수 있다. 오믹 콘택층(131)은 제2 도전형 하부 반도체층(129)의 대부분에 영역에 걸쳐 형성되어 발광 셀들(S1, S2) 내에서의 전류 분산을 돕는다. 오믹 콘택층(131)은 반사 금속층을 포함할 수 있으며, 따라서 발광 셀들(S1, S2)에서 생성되어 기판(151)쪽으로 진행하는 광을 반사시킬 수 있다. 이때, 상기 제1 발광 셀(S1)의 제2 도전형 하부 반도체층(129)에 전기적으로 접속되는 연결부(135)는 상기 오믹 콘택층(131)에 접속될 수 있다. 한편, 상기 연결부(135)는 제2 발광 셀(S2)의 제1 도전형 상부 반도체층(125)에 전기적으로 접속됨과 아울러 상기 제2 도전형 하부 반도체층(129) 및 상기 제2 발광 셀(S2)의 오믹 콘택층(131)으로부터 전기적으로 절연된다.
한편, 절연층(133)이 분리 홈(161)과 연결부(135) 사이에 개재되어 연결부(135)가 외부에 노출되는 것을 방지한다. 따라서, 상기 분리 홈(161)을 식각에 의해 형성하는 동안 연결부들(135)이 식각 손상되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 홀들(130a)의 측벽에 절연층(133)이 위치하여 상기 연결부들(135)에 의해 상부 반도체층(125)과 하부 반도체층(127)이 단락되는 것을 방지한다. 또한, 오믹 콘택층(131)과 연결부(135)를 절연시키기 위해 이들 사이에 절연층(133)이 개재된다. 상기 절연층(133)은 도 6에 도시한 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(129)을 노출시키는 관통홀(제1 관통홀)을 가질 수 있으며, 상기 연결부(135)는 절연층(제1 절연층; 133)의 상기 제1 관통홀을 통해 제1 발광셀(S1)의 제2 도전형 반도체층의 가장자리 영역에 접할 수 있다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 절연층(133)은 홀들(130a)의 바닥을 노출시키는 관통홀(제2 관통홀)을 가지며, 상기 연결부(135)는 상기 제2 관통홀을 통해 상기 제1 도전형 반도체층에 접한다.
본 실시예에 있어서, 홀들(130a) 내의 절연층, 식각 방지용 절연층 및 오믹 콘택층(131) 상의 절연층들이 단일의 절연층(133)으로 형성될 수 있으며, 이들 절연층들은 분포 브래그 반사기(DBR)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 절연층들은 서로 다른 공정에 의해 형성될 수도 있다.
한편, 상기 발광 셀들(S1, S2)과 기판(151) 사이에 본딩 금속(141)이 개재될 수 있다. 상기 본딩 금속(141)은 기판(151)을 발광 셀들(S1, S2)상에 본딩하기 위한 금속 재료로서 Au/Sn으로 형성될 수 있다. 또한, 분리 절연층(137)이 발광 셀들(S1, S2)과 본딩 금속(141) 사이에 개재되어 상기 연결부들(135)을 본딩 금속(141)으로부터 전기적으로 절연시킬 수 있다. 한편, 상기 분리 절연층(137) 아래에 본딩 금속(141)의 접착력을 향상시키기 위해 Cr/Au와 같은 접착층(139)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형 상부 반도체층(125)은 거칠어진 면(R)을 가질 수 있다. 또한, 보호 절연층(도시하지 않음)이 상기 발광 셀들(S1, S2)을 덮어 발광 셀들을 보호할 수 있다. 상기 보호 절연층은 또한 분리 홈(161)을 채울 수 있다.
도 7 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 희생 기판(121) 상에 화합물 반도체층들의 반도체 스택(130)이 형성된다. 희생 기판(121)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 이종기판일 수 있다. 한편, 화합물 반도체층들은 제1 도전형 반도체층(125) 및 제2 도전형 반도체층(129)과 이들 사이에 개재된 활성층(129)을 포함한다. 상기 제1 도전형 반도체층(125)이 희생 기판(121)쪽에 가깝게 위치한다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(125, 129)은 각각 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 활성층(127)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있다.
상기 화합물 반도체층들은 III-N 계열의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정에 의해 희생 기판(121) 상에 성장될 수 있다.
한편, 화합물 반도체층들을 형성하기 전, 버퍼층(미도시됨)이 형성될 수 있다. 버퍼층은 희생 기판(121)과 화합물 반도체층들의 격자 부정합을 완화하기 위해 채택되며, 질화갈륨 또는 질화알루미늄 등의 질화갈륨 계열의 물질층일 수 있다.
상기 반도체 스택(130)을 패터닝하여 상기 제1 도전형 반도체층(125)을 노출시키는 홀들(130)이 형성된다. 상기 홀들(130a)은 발광 셀 영역의 중앙 영역에 형성되며, 연결부들을 제1 도전형 반도체층(125)에 접속하기 위해 형성된다. 한편, 상기 홀들(130a)의 내벽에 활성층(127) 및 제2 도전형 반도체층(129)의 측면들이 노출된다. 상기 홀들(130a)은 입구가 넓고 바닥이 좁은 뿔대 형상, 예컨대 절두형 원뿔 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 홀들(130a)을 형성하기 위해 상기 화합물 반도체층들은 사진 및 식각 공정을 사용하여 패터닝될 수 있으며, 이러한 공정은 일반적으로 메사 식각 공정과 유사하다. 그러나, 메사 식각 공정은 일반적으로 발광 셀들의 제2 도전형 반도체층들(129)을 서로 고립시키도록 메쉬 형상으로 형성되나, 본 발명에 있어서, 상기 홀들(130a)은 서로 분리된다. 이에 따라, 홀들(130a)의 면적을 감소시킬 수 있으며, 따라서 향후 분리 절연층 및 본딩 금속을 평탄화시키기에 유리하고, 그 결과, 기판(151)을 안정하게 부착시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 제2 도전형 반도체층(129) 상에 오믹 콘택층(131)이 형성될 수 있다. 상기 오믹 콘택층(131)은 제2 도전형 반도체층(129)에 오믹 콘택한다. 오믹 콘택층(131)은 각 발광 셀 영역 상에 형성되며, 상기 홀들(130a)을 노출시키는 개구부들을 갖는다. 상기 오믹 콘택층(131)은 반사 금속층을 포함할 수 있으며 또한 상기 반사 금속층을 보호하기 위한 장벽층을 포함할 수 있다.
한편, 상기 홀들(130a)의 측벽을 덮으며 상기 오믹 콘택층(131)의 일부를 덮는 절연층(133)이 형성된다. 즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 홀들(130a)의 바닥은 상기 절연층(133)의 관통홀(제1 관통홀)에 의해 노출되며, 상기 오믹 콘택층(131) 및 제2 도전형 반도체층(129)은 상기 절연층(133)의 관통홀(제2 관통홀)에 의해 노출될 수 있다. 상기 절연층(133)은 또한 발광 셀 영역들 사이의 영역에 위치하는 제2 도전형 반도체층(129)을 덮는다. 홀들(130a)의 측벽을 덮는 절연층, 오믹 콘택층(131)을 덮는 절연층 및 발광 셀 영역들 사이에 위치하는 절연층은 모두 동일한 공정에 의해 동일한 재질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각각 서로 다른 공정에 의해 형성될 수도 있다.
상기 절연층(133)은 예를 들어 SiO2, SiN, MgO, TaO, TiO2, 또는 폴리머로 형성될 수 있으며, 또한 분포 브래그 반사기(DBR)를 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 절연층(133) 상에 연결부들(135)이 형성된다. 연결부들(135)은 각각 홀(130a)에 노출된 제1 도전형 반도체층(125)과 이웃하는 발광 셀 영역의 제2 도전형 반도체층(129)을 전기적으로 연결한다. 제2 도전형 반도체층(129)에 전기적으로 접속되는 연결부(135)는 오믹 콘택층(131)에 접속될 수 있다. 한편, 일부 영역들에서 상기 연결부(135)는 오믹 콘택층(131) 및 제2 도전형 반도체층(129)으로부터 절연될 필요가 있으며, 이를 위해 상기 연결부(135)와 상기 오믹 콘택층(131) 사이에 절연층(133)이 개재된다.
도 10을 참조하면, 상기 연결부들(135)이 형성된 희생기판(121)의 거의 전면 상에 분리 절연층(137)이 형성된다. 분리 절연층(137)은 연결부들(135) 및 절연층(133)을 덮는다. 상기 분리 절연층(137)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 분리 절연층(137)은 SiO2/TiO2를 주기적으로 형성한 분포 브래그 반사기일 수 있다. 상기 분리 절연층(137) 상에 접착층(139)이 형성될 수 있으며, 상기 접착층(139) 상에 본딩 금속(141)이 형성되고 기판(151)이 본딩될 수 있다. 상기 본딩 금속(147)은 예를 들어 AuSn(80/20wt%)으로 형성될 수 있다. 상기 기판(151)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 희생기판(121)과 동일한 열팽창 계수를 갖는 기판일 수 있으며, 예컨대 사파이어 기판일 수 있다.
도 11을 참조하면, 이어서, 상기 희생 기판(121)이 제거되고 상기 제1 도전형 반도체층(125)이 노출된다. 희생 기판(121)은 레이저 리프트 오프(LLO) 기술 또는 다른 기계적 방법이나 화학적 방법에 의해 분리될 수 있다. 이때, 버퍼층도 제거되어 제1 도전형 반도체층(125)이 노출된다.
도 12를 참조하면, 상기 반도체 스택(130)을 발광 셀들(S1, S2)로 분리하는 분리 홈(161)이 형성된다. 상기 분리 홈(161)은 절연층(133)이 노출될 때 까지 상기 반도체 스택(130)을 식각함으로써 형성된다. 이때, 상기 절연층(133)에 의해 상기 연결부들(135)이 노출되는 것을 방지할 수 있다. 상기 분리 홈(161)의 측벽은 반도체 스택(130)으로 구성되며, 분리 홈 내에 제1 도전형 반도체층(125), 활성층(127) 및 제2 도전형 반도체층(129)의 측면들이 노출된다. 한편, 상기 제1 도전형 반도체층(125)에 PEC(광전 화학) 식각 등에 의해 거칠어진 표면(R)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형 반도체층(125) 상에 보호 절연층(도시하지 않음) 및 전극 패드들(도시하지 않음)이 형성되고, 상기 발광 셀들(S1, S2)을 포함하는 발광 소자 단위로 기판(151)이 분리되어 단일칩의 발광소자가 완성된다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자는 도 5 및 6을 참조하여 설명한 발광 소자와 대체로 유사하나, 오믹 콘택층(171)을 형성하기 전에 DBR(170)이 형성된 것에 차이가 있다.
즉, 오믹 콘택층(171)과 제2 도전형 하부 반도체층(129) 사이에 상기 DBR(170)이 개재된다. 또한, 상기 DBR은 홀들(130a) 내의 측벽을 덮을 수 있으며, 분리 홈(161)과 연결부(175) 사이에 개재될 수 있다.
한편, 상기 DBR(170)은 상기 오믹 콘택층(171)과 상기 제2 도전형 하부 반도체층(129) 사이에 관통홀들(170a)을 가질 수 있으며, 오믹 콘택층(171)은 관통홀들(170a)을 통해 상기 제2 도전형 하부 반도체층(129)에 접속될 수 있다.
상기 오믹 콘택층(171)의 일부 영역들 상에 절연층(173)이 형성되어 오믹 콘택층(171)과 연결부(175)를 전기적으로 절연시킨다.
본 실시예에 따르면, 홀들(130a) 내의 측벽, 오믹 콘택층(171)과 제2 도전형 하부 반도체층(129) 사이의 영역 및 분리홈(161)과 연결부(175) 사이에 DBR(170)이 형성됨으로써 발광 셀들(S1, S2) 내에서 생성된 광의 반사율을 높일 수 있으며, 따라서 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대해 몇몇 실시예들을 예로 들어 설명되었지만, 본 발명은 앞서 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 당업자들에 의해 다양하게 변형 및 변경될 수 있다. 이러한 변형 및 변경들은 아래의 청구범위에서 정의되는 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (21)

  1. 기판;
    러프니스를 갖는 상면을 포함하는 제1 질화물 반도체층, 제2 질화물 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 제2 질화물 반도체층 사이에 배치된 활성층 및 상기 제2 질화물 반도체층과 상기 활성층을 통해 상기 제1 질화물 반도체층을 노출시키는 적어도 하나의 홀을 포함하는 발광 셀;
    상기 제2 질화물 반도체층 상에 배치된 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되고, 상기 노출된 제1 질화물 반도체층의 일부와 접하는 연결부;
    상기 연결부 상에 배치된 제2 절연층;
    상기 제2 절연층 상에 배치된 접착층; 및
    상기 접착층과 상기 기판 사이에 배치된 본딩 금속층을 포함하고,
    상기 발광 셀은 소정의 경사를 갖는 제1 측면과 제2 측면을 포함하고, 상기 제1 측면과 상기 제2 측면은 서로 대칭되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 절연층은 DBR을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연결부는 상기 제1 질화물 반도체층을 인접한 발광 셀의 제2 질화물 반도체층에 연결하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 셀은 상기 홀을 복수개 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연결부는 상기 홀 각각을 통해 상기 제1 질화물 반도체층에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 발광 셀을 복수개 포함하고, 상기 복수의 발광 셀을 직렬 연결하는 연결부를 복수개 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수개의 연결부 중 해당 연결부는 상기 제1 절연층의 제1 관통홀을 통해 상기 복수개의 발광 셀 중 해당 발광 셀의 제2 질화물 반도체층의 가장자리 영역에 접하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수개의 연결부 중 해당 연결부는 상기 복수개의 발광 셀 중 해당 발광 셀의 홀 내에 배치된 상기 제1 절연층의 제2 관통홀을 통해 상기 해당 발광 셀의 제1 질화물 반도체층에 접하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사층, 상기 제1 절연층, 상기 연결부, 상기 제2 절연층, 상기 접착층 및 상기 본딩 금속층은 상기 발광 셀과 상기 기판 사이의 공간을 완전히 채우는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 홀은 상기 제2 질화물 반도체층으로부터 상기 제1 질화물 반도체층으로 갈수록 좁아지는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 연결부는 상기 제2 질화물 반도체층으로부터 상기 제1 질화물 반도체층으로 갈수록 좁아지는 돌출부를 포함하고 상기 돌출부가 상기 홀을 통해 연장하여 상기 제1 질화물 반도체층에 접하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  12. 기판;
    러프니스를 갖는 상면을 포함하는 제1 질화물 반도체층, 제2 질화물 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 제2 질화물 반도체층 사이에 배치된 활성층 및 상기 제2 질화물 반도체층과 상기 활성층을 통해 상기 제1 질화물 반도체층을 노출시키는 적어도 하나의 홀을 포함하는 발광 셀;
    상기 제2 질화물 반도체층의 하부면 및 상기 홀의 측벽 상에 배치된 분포 브래그 반사기(DBR);
    상기 DBR 상에 배치된 반사층
    상기 반사층 상에 배치된 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되고, 상기 노출된 제1 질화물 반도체층의 일부와 접하는 연결부;
    상기 연결부 상에 배치된 제2 절연층;
    상기 제2 절연층 상에 배치된 접착층; 및
    상기 접착층과 상기 기판 사이에 배치된 본딩 금속층을 포함하고,
    상기 발광 셀은 소정의 경사를 갖는 제1 측면과 제2 측면을 포함하고, 상기 제1 측면과 상기 제2 측면은 서로 대칭되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 반사층은 상기 제2 질화물 반도체층에 병렬 연결되도록 상기 DBR의 관통홀들을 통해 연장하는 발광 소자.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 셀을 복수개로 포함하고,
    상기 제1 절연층은,
    상기 반사층의 일부를 노출시키는 복수개의 제1 관통홀; 및
    상기 복수개의 발광 셀의 홀을 노출시키는 복수개의 제2 관통홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 연결부를 복수개 포함하고,
    상기 복수개 연결부는 각각 상기 복수개의 발광 셀이 직렬 연결되도록 상기 반사층의 노출된 부분들 중 하나와 상기 제1 질화물 반도체층의 노출된 부분들 중 하나에 접하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수개의 발광 셀 각각은 상기 홀을 복수개 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 홀은 상기 발광 셀의 중앙 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 셀은 상기 홀을 복수개 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 셀은 절두형 피라미드 형상인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  20. 청구항 12에 있어서, 상기 홀은 상기 제2 질화물 반도체층으로부터 상기 제1 질화물 반도체층으로 갈수록 좁아지는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 연결부는 상기 제2 질화물 반도체층으로부터 상기 제1 질화물 반도체층으로 갈수록 좁아지는 돌출부를 포함하고 상기 돌출부가 상기 홀을 통해 연장하여 상기 제1 질화물 반도체층에 접하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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