KR101154510B1 - 고효율 발광 다이오드 - Google Patents

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지지기판; 상기 지지기판 상에 위치하고, p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조체; 및 상기 지지기판과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 위치하여 상기 반도체 적층 구조체에 오믹 콘택하고, 상기 반도체 적층 구조체의 외부로 노출된 영역을 갖는 제1 전극; 상기 제1 전극의 외부로 노출된 영역 상에 위치하고, 상기 제1 전극에 전기적으로 접속된 제1 본딩 패드; 및 상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 제2 전극을 포함하되; 상기 반도체 적층 구조체는 표면에 거칠어진 면을 가지며, 내부에 서로 이격되어 형성된 복수의 산란 패턴을 가지는 발광 다이오드가 제공된다.

Description

고효율 발광 다이오드{HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 분리 공정을 적용하여 성장기판을 제거한 질화갈륨 계열의 고효율 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로, 발광 다이오드 구조를 제한한다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층과 같은 에피층들을 성장시키고, 상기 에피층들에 지지기판을 본딩한 후, 레이저 리프트 오프 기술 등을 이용하여 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 고효율 발광 다이오드를 제조하는 기술이 개발되고 있다(예컨대, 미국등록특허공보 US7,704,763호 참조).
도 1은 종래의 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 수직형 구조의 발광 다이오드는 성장기판(도시하지 않음) 상에 질화갈륨계열의 n형 층(23), 활성층(25) 및 p형 층(27)을 차례로 형성하고, p형 층(27) 상에 p형 전극(39)을 형성하고, p형 전극(39)을 본딩 금속(43)을 통해 Si 서브마운트(41)에 플립본딩한 후, 성장 기판을 제거하고, 노출된 n형 층(23) 상에 n-전극(37)을 형성함으로써 제조된다. 한편, Si 서브마운트(41)의 하부면에는 n형 전극(45)이 형성된다. 나아가, 상기 미국등록특허공보 US7,704,763호는 노출된 n형 층(23)의 표면에 건식 또는 PEC 식각 기술을 사용하여 거칠어진 면을 형성함으로써 광 추출 효율을 향상시킨다.
미국등록특허공보 US7,704,763호
본 발명이 해결하려는 과제는, 광추출 효율을 극대화할 수 있는 고효율 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 의하면, 지지기판; 상기 지지기판 상에 위치하고, p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조체; 및 상기 지지기판과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 위치하여 상기 반도체 적층 구조체에 오믹 콘택하고, 상기 반도체 적층 구조체의 외부로 노출된 영역을 갖는 제1 전극; 상기 제1 전극의 외부로 노출된 영역 상에 위치하고, 상기 제1 전극에 전기적으로 접속된 제1 본딩 패드; 및 상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 제2 전극을 포함하되; 상기 반도체 적층 구조체는 표면에 거칠어진 면을 가지며, 내부에 서로 이격되어 형성된 복수의 산란 패턴을 가지는 발광 다이오드가 제공된다.
상기 산란 패턴은 분포브래그 반사기(DBR)이거나 공기층일 수 있다.
상기 지지기판은 도전성일 필요가 없으며, 예컨대 사파이어 기판일 수 있다. 견고한 사파이어 기판을 지지기판으로 사용함으로써 발광 다이오드의 변형을 방지할 수 있다.
한편, 상기 제1 전극은 반사층을 포함할 수 있으며, 나아가 상기 반사층을 보호하기 위한 보호 금속층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 반사층은 상기 보호 금속층과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 매립되고, 상기 보호 금속층이 외부로 노출될 수 있다.
상기 p형 화합물 반도체층이 n형 화합물 반도체층보다 지지기판측에 가깝게 위치할 수 있으며, 상기 제1 전극은 p형 화합물 반도체층에 오믹 콘택할 수 있다.
상기 n형 화합물 반도체층은 표면에 거칠어진 면을 가지며, 내부에 서로 이격되어 형성된 산란 패턴을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 활성층에서 생성된 광이 산란 패턴에 의해 1차적으로 산란되어 내부 전반사 임계각을 확대시키고, 이후 표면에 형성된 거칠어진 면을 통해 광을 2차적으로 산란시켜 내부 전반사 임계각을 2차에 걸쳐 확대시킴으로써 광 추출 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 수직형 구조의 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 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, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 2는 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 지지기판(71), 본딩 금속(73), 반도체 적층 구조체(50), p-전극(61), n-전극(69), p-본딩 패드(65)를 포함한다.
지지기판(71)은 화합물 반도체층들을 성장시키기 위한 성장기판과 구분되며, 이미 성장된 화합물 반도체층들에 부착된 2차 기판이다. 상기 지지기판(71)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 절연 또는 도전 기판일 수 있다. 특히, 성장 기판으로 사파이어 기판을 사용하는 경우, 성장 기판과 동일한 열팽창계수를 갖기 때문에 지지기판을 본딩하고 성장기판을 제거할 때, 웨이퍼 휨을 방지할 수 있으며, 또한 반도체 적층 구조체(50)를 견고하게 지지할 수 있다.
반도체 적층 구조체(50)는 지지기판(51) 상에 위치하며, p형 화합물 반도체층(57), 활성층(55) 및 n형 화합물 반도체층(53)을 포함한다. 여기서, 상기 반도체 적층 구조체(50)는 일반적인 수직형 발광 다이오드와 유사하게 p형 화합물 반도체층(57)이 n형 화합물 반도체층(53)에 비해 지지기판(71) 측에 가깝게 위치한다. 상기 반도체 적층 구조체(50)는 지지기판(71)의 일부 영역 상에 위치한다. 즉, 지지기판(71)이 반도체 적층 구조체(50)에 비해 상대적으로 넓은 면적을 가지며, 반도체 적층 구조체(50)는 상기 지지기판(71)의 가장자리로 둘러싸인 영역 내에 위치한다.
n형 화합물 반도체층(53), 활성층(55) 및 p형 화합물 반도체층(57)은 III-N 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, Ga, In)N 반도체로 형성될 수 있다. n형 화합물 반도체층(53) 및 p형 화합물 반도체층(57)은 각각 단일층 또는 다중층일 수 있다. 예를 들어, n형 화합물 반도체층(53) 및/또는 p형 화합물 반도체층(57)은 콘택층과 클래드층을 포함할 수 있으며, 또한 초격자층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 활성층(55)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조일 수 있다. 저항이 상대적으로 작은 n형 화합물 반도체층(53)이 지지기판(71)의 반대쪽에 위치함으로써 n형 화합물 반도체층(53)의 상부면에 거칠어진 면을 형성하는 것이 용이하며, 거칠어진 면은 활성층(55)에서 생성된 광의 추출 효율을 향상시킨다.
n형 화합물 반도체층(53)은 표면에 거칠어진 면을 가질 수 있다. 즉, n형 화합물 반도체층(53)의 표면에 건식 또는 PEC 식각 기술을 사용하여 거칠어진 면을 형성함으로써 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, n형 화합물 반도체층(53)은 내부에 서로 이격되어 형성된 복수의 산란 패턴(63)을 가질 수 있다.
산란 패턴(63)은 활성층(55)에서 생성된 광을 1차적으로 산란켜서 내부 전반사 임계각을 확대시킬 수 있다. 이렇게 산란 패턴(63)을 통해 광을 1차적으로 산란시키고, 이후 표면에 형성된 거칠어진 면을 통해 광을 2차적으로 산란시켜 내부 전반사 임계각을 2차에 걸쳐 확대시킴으로써 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
산란 패턴(63)은 아일랜드들의 행렬 패턴, 복수개의 라인들 또는 망상 패턴 등 다양한 형상의 패턴일 수 있다.
산란 패턴(63)의 원리는 산란 패턴(63)과 n형 화합물 반도체층(53)의 굴절률 차이에 기인한다. 따라서, 산란 패턴(63)은 n형 화합물 반도체층(53)과 굴절률이 다른 재질을 이용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 산란 패턴(63)은 산화물(oxide) 또는 공기층일 수 있다. 또한, 산란 패턴(63)은 분포 브래기 반사기(DBR)일 수 있다.
산란 패턴(63)은 서로 다른 굴절률을 가지는 둘 이상의 절연층이 교번하여 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어 SiO2층과 Si3N4층이 교번하여 적층될 수 있다.
산란 패턴(63)은 n형 화합물 반도체층(53)을 일부 성장시킨 다음 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층을 교번하여 다수의 층으로 적층하고, 포토리소그라피 기술을 이용하여 적층된 절연층을 패터닝 식각하여 형성될 수 있다. 산란 패턴(63)을 구성하는 절연층들은 반사막 형태로 교번하여 적층되는데, 예를 들어, SiO2층과 Si3N4층이 반복적으로 교번하여 다수의 층으로 적층될 수 있다.
일부 성장된 n형 화합물 반도체층(53)에 산란 패턴(63)이 형성된 다음에는 나머지 n형 화합물 반도체층(53)을 형성한다.
산란 패턴(63)은 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층이 교번하여 다수층으로 적층되어 생성됨에 따라 DBR(Distributed Bragg Reflector)의 기능을 수행하여 활성층(55)에서 발생된 광이 산란 패턴(63)에 의해 1차적으로 반사되어 산란이 효율적으로 일어나도록 할 수 있다.
DBR(Distributed Bragg Reflector)은 발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종 발광소자에서 높은 반사율을 필요로 하는 경우에 사용될 수 있다. DBR(Distributed Bragg Reflector)은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 매질을 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 반사경이다.
p-전극(59, 61)은 p형 화합물 반도체층(57)과 지지기판(71) 사이에 위치하며, p형 화합물 반도체층(57)에 오믹 콘택한다. p-전극(59, 61)은 반사층(59) 및 보호 금속층(61)을 포함할 수 있으며, 반사층(59)이 반도체 적층 구조체(50)와 지지기판(71) 사이에 매립되도록 보호 금속층(61)이 반사층(59)을 감쌀 수 있다. 상기 반사층(59)은 예컨대 Ag와 같은 반사 금속으로 형성될 수 있으며, 보호 금속층(61)은 예컨대, Ni로 형성될 수 있다. 상기 p-전극, 예컨대 상기 보호 금속층(61)은 지지기판(71)의 전면 상에 위치할 수 있으며, 따라서, 상기 보호 금속층(61)은 반도체 적층 구조체(50)의 외부로 노출된 영역을 갖는다.
반도체 적층 구조체(50)의 외부로 노출된 p-전극, 예컨대 보호 금속층(61) 상에 p형 본딩 패드(65)가 위치할 수 있다. 상기 p형 본딩 패드(65)는 p-전극(59, 61)을 통해 p형 화합물 반도체층(57)에 전기적으로 접속한다.
한편, 본딩 금속(73)은 지지기판(71)과 p-전극(59, 61) 사이에 위치하여 반도체 적층 구조체(30)와 지지기판(71)을 결합시킨다. 본딩 금속(73)은 예컨대 Au-Sn으로 공융 본딩을 이용하여 형성될 수 있다.
p형 전극(59, 61)은 본딩 금속(73)을 통해 지지기판(71)에 플립본딩되고, n형 화합물 반도체층(53)은 성장 기판의 제거를 통해 노출된다.
한편, n-전극(69)은 반도체 적층 구조체(50) 상에 위치하며, 성장 기판의 제거를 통해 노출된 n형 화합물 반도체층(53)에 전기적으로 접속된다.
노출된 n형 화합물 반도체층(53)은 건식 또는 PEC 식각 기술을 사용하여 표면에 거칠어진 면을 가지게 되어 광 추출 효율을 향상시키게 된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 대해 예시적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 앞서 설명된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 더 잘 이해할 수 있도록 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 권리 범위는 이러한 실시예들에 의해 한정되지 않으며, 아래 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
예컨대, 앞에서 설명한 실시예들에 있어서, p형 화합물 반도체층(57)이 n형 화합물 반도체층(53)에 비해 지지기판(71)측에 가깝게 위치하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 역으로 배치될 수도 있다. 이 경우, n-전극(69)과 p-전극(59, 61) 및 p형 본딩 패드(65)는 극성이 서로 바뀐다.

Claims (7)

  1. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 위치하고, p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조체;
    상기 지지기판과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 위치하여 상기 반도체 적층 구조체에 오믹 콘택하고, 상기 반도체 적층 구조체의 외부로 노출된 영역을 갖는 제1 전극;
    상기 제1 전극의 외부로 노출된 영역 상에 위치하고, 상기 제1 전극에 전기적으로 접속된 제1 본딩 패드; 및
    상기 반도체 적층 구조체 상에 위치하는 제2 전극을 포함하되; 상기 반도체 적층 구조체는 표면에 거칠어진 면을 가지며, 내부에 서로 이격되어 형성된 복수의 산란 패턴을 가지며,
    상기 산란 패턴은 공기층이고,
    상기 제1 전극은 반사층; 및
    상기 반사층을 보호하기 위한 보호 금속층을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지기판은 사파이어인 발광 다이오드.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사층은 상기 보호 금속층과 상기 반도체 적층 구조체 사이에 매립되고, 상기 보호 금속층이 외부로 노출된 발광 다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 p형 화합물 반도체층에 오믹 콘택하는 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 n형 화합물 반도체층은 표면에 거칠어진 면을 가지며, 내부에 서로 이격되어 형성된 산란 패턴을 가지는 발광 다이오드.
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