KR101220407B1 - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

전류 확산 효과가 높도록 큰 두께를 갖지만 광 흡수는 적은 n형 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자를 제공한다. 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 도전성 기판; 상기 도전성 기판 상에 형성된 p형 전극; 상기 p형 전극 상에 순차적으로 적층된 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층을 구비하는 발광구조물; 및 상기 n형 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하며, 상기 n형 반도체층은 상기 n형 전극과 인접하며 도핑 농도가 상대적으로 높은 고농도층과 상기 고농도층 아래에 도핑 농도가 상대적으로 낮은 저농도층을 포함한다.

Description

반도체 발광 소자 {Semiconductor light emitting device}
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광출력 향상을 위한 수직 구조 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode)와 같은 반도체 발광 소자는 전류를 광으로 변환시키는 고체 전자 소자 중 하나로서, 통상적으로 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 삽입된 반도체 물질의 활성층을 포함한다. 반도체 발광 소자에서 p형 반도체층과 n형 반도체층 양단에 구동 전류를 인가하면, p형 반도체층과 n형 반도체층으로부터 활성층으로 전자(electron) 및 정공(hole)이 주입된다. 주입된 전자와 정공은 활성층에서 재결합하여 광을 생성한다.
일반적으로 반도체 발광 소자는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 질화물계 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로 제조가 되고 있는데, 이것은 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 소자가 된다. 그런데, 질화물계 반도체 화합물은 결정 성장을 위한 격자 정합 조건을 만족하는 사파이어 기판이나 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, 구동 전류 인가를 위해 p형 반도체층 및 n형 반도체층에 연결시키는 2개의 전극이 발광구조물의 상면에 거의 수평으로 배열되는 수평(planar) 구조를 가진다.
그런데 n형 전극과 p형 전극을 발광구조물의 상면에 거의 수평으로 배열하면 발광면적이 감소되어 휘도가 감소되고, 전류 퍼짐이 원활하지 못해 정전 방전(Electrostatic discharge : ESD)에 취약한 신뢰성 문제를 유발시킬 뿐만 아니라, 동일 웨이퍼 상에서 칩의 개수가 감소하여 수율이 저하되는 문제점이 있다. 또한 칩 사이즈를 축소하는 데 한계가 있으며, 더구나 사파이어 기판은 열전도율이 좋지 않기 때문에 고출력 구동시 발생되는 열이 충분히 방출되지 못하게 됨으로써 소자 성능에 제약을 초래한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 고출력 레이저의 고밀도 에너지를 이용하여 사파이어 기판과 질화물계 반도체 화합물 층 사이의 경계면을 분해하여 사파이어 기판과 질화물계 반도체 화합물 층 부분을 분리하는 레이저 리프트 오프 공법을 이용해 수직 구조의 반도체 발광 소자를 제조하고 있다.
도 1은 이러한 레이저 리프트 오프 공법에 의하여 사파이어 기판을 분리하고 지지용 도전성 기판을 부착하여 제작된 수직 구조 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 수직 구조 반도체 발광 소자(10)는 도전성 기판(40) 상에 금속층(35), p형 반도체층(25), 활성층(20) 및 n형 반도체층(15)을 구비하며, n형 반도체층(15) 상면에 n형 전극(45)이 형성되어 있다. p형 반도체층(25)과 n형 반도체층(15) 양단에 구동 전류를 인가하면, p형 반도체층(25)과 n형 반도체층(15)으로부터 활성층(20)으로 전자 및 정공이 주입된다. 주입된 전자와 정공은 활성층(20)에서 재결합하여 광을 생성한다.
이러한 수직 구조 반도체 발광 소자의 경우, n형 반도체층(15)의 내부 전기장(electric field) 때문에 n형 전극(45)과의 오믹 접촉이 수월하지 않아, 오믹 특성을 향상시키기 위해 n형 반도체층(15)의 도핑 농도(doping concentration)를 매우 높게 하는 것이 일반적이다. 이때 n형 반도체층(15)으로 사용되는 n-GaN의 경우 두께가 1 ~ 4㎛ 정도인데, 전류 확산 효과를 높이기 위해서는 그 두께가 가능한 두꺼운 것이 바람직하다. 하지만 도핑된 반도체층은 자유 전하 흡수(free carrier absorption)의 특성 때문에, 광이 진행할 때 흡수가 발생하며, 흡수되는 정도(흡수 계수)는 도핑 농도와 비례하게 된다. 따라서 n형 반도체층(15)의 두께는 전류 확산 측면에서는 가능한 한 두꺼워야 하며, 광 흡수 측면에서는 가능한 한 얇아야 소자의 특성을 극대화할 수 있는 모순된 성질을 갖고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전류 확산 효과가 높도록 큰 두께를 갖지만 광 흡수는 적은 n형 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 도전성 기판; 상기 도전성 기판 상에 형성된 p형 전극; 상기 p형 전극 상에 순차적으로 적층된 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층을 구비하는 발광구조물; 및 상기 n형 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하며, 상기 n형 반도체층은 상기 n형 전극과 인접하며 도핑 농도가 상대적으로 높은 고농도층과 상기 고농도층 아래에 도핑 농도가 상대적으로 낮은 저농도층을 포함한다.
상기 고농도층의 도핑 농도는 1 x 1019cm-3 ~ 1 x 1020cm-3일 수 있다. 상기 n형 반도체층의 전체 두께는 1㎛ ~ 5㎛이고 상기 고농도층의 두께는 0.5㎛ ~ 2㎛일 수 있다.
상기 고농도층과 저농도층 사이의 도핑 농도는 연속적으로 변화할 수 있다. 상기 저농도층은 상기 활성층과 인접하는 부분의 도핑 농도가 더 높을 수 있다.
본 발명에 따르면, 질화물계 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물 수직 구조 반도체 발광 소자에서, n형 반도체층의 도핑 프로파일(doping profile)을 일정하게 하지 않고, n형 전극과 인접하여 n형-오믹컨택이 형성되는 영역에서는 도핑 농도를 높게 하고, 그렇지 않은 영역에서는 도핑 농도를 상대적으로 낮게 형성한다. 이러한 도핑 프로파일 변경은 n형-오믹 저항은 최소화한 상태를 유지할 수 있고 자유 전하 흡수에 의해 광이 흡수되는 정도를 최소화하여 그 특성을 향상시킨다. 또한 n형 반도체층의 두께를 두껍게 형성할 수 있기 때문에, 효율적으로 전류 확산이 이루어지고, 광 추출 효율도 높일 수 있으므로 전체적으로 반도체 발광 소자의 특성을 극대화할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 수직 구조 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직 구조 반도체 발광 소자의 단면도 및 n형 반도체층의 도핑 프로파일이다.
도 3은 본 발명에 따른 수직 구조 반도체 발광 소자의 제조 공정을 보이는 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 과장되게 나타내었다.
도 2는 본 발명에 따른 수직 구조 반도체 발광 소자의 단면도 및 n형 반도체층의 도핑 프로파일이다.
도 2를 참조하면, 반도체 발광 소자(100)는 도전성 기판(140)과, 도전성 기판(140) 상에 순차 형성된 p형 전극(135), p형 반도체층(125), 활성층(120), n형 반도체층(115) 및 n형 전극(145)을 포함한다.
n형 반도체층(115)은 n형 전극(145)과 인접하며 도핑 농도가 상대적으로 높은 고농도층(115a)과 그 아래에 도핑 농도가 상대적으로 낮은 저농도층(115b, 115c)을 포함한다. 고농도층(115a)의 도핑 농도는 1 x 1019cm-3 ~ 1 x 1020cm-3일 수 있다. 도핑 농도가 1 x 1019cm-3 보다 작으면 오믹 접촉이 불충분하여 접촉 저항이 높다. 도핑 농도가 1 x 1020cm-3보다 커도 접촉 저항의 감소는 미미하다. 고농도층(115a)의 두께는 0.5㎛ ~ 2㎛일 수 있다. n형 반도체층(115)의 전체 두께는 1㎛ ~ 5㎛으로 할 수 있다. 전류 확산 측면에서 두꺼울수록 좋다.
고농도층(115a)과 저농도층(115b) 사이의 도핑 농도는 도시한 바와 같이 연속적으로 변화할 수 있지만 불연속적으로 변화할 수도 있다. 저농도층(115b, 115c) 중 활성층(120)과 인접하는 부분의 저농도층(115c)의 도핑 농도가 더 높을 수 있다.
예를 들어 n형 반도체층(115)의 전체 두께를 5㎛로 두껍게 하는 경우, 고농도층(115a)의 도핑 농도는 2x1019 cm-3으로 하여 오믹 접촉저항은 최소화하고, 이 영역의 두께는 1㎛로 한다. 그 아래 3.5㎛ 두께에 대해서는 5x1018 cm-3의 도핑 농도로 하여 저농도층(115b)을 형성하고 마지막 0.5㎛에 대해서는 1x1019 cm-3의 도핑 농도로 저농도층(115c)을 구성한다. 이렇게 하면, 전류 확산은 일정 수준 이상을 유지하면서 광 흡수로 인한 내부 손실을 최소화하여 광출력을 향상시킬 수 있게 된다. 내부 광 흡수 계수가 도핑 농도에 선형적으로 증가한다고 가정하면, n형 반도체층(115)의 도핑 농도를 모두 2x1019 cm-3로 구성했을 때보다, 상기와 같이 구성하였을 때 광 출력은 5% 이상 증가된다.
이와 같이 n형 반도체층(115)의 도핑 프로파일을 일정하게 하지 않고, n형 전극(145)과 인접하여 n형-오믹컨택이 형성되는 영역에서는 고농도층(115a)을 형성하여 도핑 농도를 높게 하고, 그렇지 않은 영역에서는 저농도층(115b, 115c)을 형성하여 도핑 농도를 상대적으로 낮게 하는 도핑 프로파일 변경은 n형-오믹 저항은 최소화한 상태를 유지할 수 있고 자유 전하 흡수에 의해 광이 흡수되는 정도를 최소화하여 그 특성을 향상시킨다. 또한 n형 반도체층(115)의 두께를 두껍게 형성할 수 있기 때문에, 효율적으로 전류 확산이 이루어지고, 광 추출 효율도 높일 수 있으므로 전체적으로 반도체 발광 소자(100)의 특성을 극대화할 수 있게 된다.
한편, n형 반도체층(115) 표면은 일부러 요철을 형성할 수 있다. 거친 표면은 질화물계 화합물 반도체 층으로부터 공기 중으로 입사하는 광자의 입사각을 임계각 미만으로 낮추어 광을 추출하기에 매우 용이하다.
도 3은 본 발명에 따른 수직 구조 반도체 발광 소자의 제조 공정을 보이는 도면이다. 여기서, 통상의 수직 구조 질화물계 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물 반도체 발광 소자의 제조방법은 소정의 웨이퍼를 이용하여 복수 개로 제조되나, 도 3에서는 설명의 편의를 위해 한 개의 발광 소자만을 제조하는 방법을 도시하고 있다.
우선, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110) 상에 순차적으로 n형 반도체층(115), 활성층(120) 및 p형 반도체층(125)을 성장시켜 발광구조물을 형성한다. 그러고 나서, p형 반도체층(125) 상에 p형 전극(135)을 형성한다.
반도체 기판(110)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 사파이어 이외에 SiC, 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.
n형 반도체층(115)을 성장시키기 전에 반도체 기판(110)과의 격자 정합을 향상시키기 위한 버퍼층(112)을 약 2㎛ 두께로 예컨대 AlN/GaN으로 형성할 수도 있다(~1016cm-3 도핑 농도를 가짐). n형 반도체층(115)과 활성층(120) 및 p형 반도체층(125)은, InXAlYGa1-X-YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, n형 반도체층(115)은, n형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn, Te 또는 C 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다. 또한, p형 반도체층(125)은, p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다. 그리고, 활성층(120)은 광을 생성하여 방출하기 위한 층으로, 통상 InGaN층을 우물로 하고 GaN층을 벽층으로 하여 다중양자우물(Multi-Quantum Well)을 형성함으로써 이루어진다. 활성층(120)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로 구조로 구성될 수도 있다. 버퍼층, n형 반도체층(115)과 활성층(120) 및 p형 반도체층(125)은 MOCVD, MBE 또는 HVPE와 같은 증착공정을 통해 형성된다.
이 때 n형 반도체층(115)은 상대적으로 높은 고농도층(115a)과 고농도층(115a)보다 도핑 농도가 상대적으로 낮은 저농도층(115b, 115c) 순으로 형성한다. 고농도층(115a)의 도핑 농도는 1 x 1019cm-3 ~ 1 x 1020cm-3, 바람직하게는 2x1019 cm-3일 수 있으며 두께는 0.5㎛ ~ 2㎛로 형성한다. 이 때 도펀트 농도를 서서히 줄여 5x1018 cm-3의 도핑 농도로 저농도층(115b)을 형성한다. 도펀트 농도를 서서히 줄이면 도 2에 도시한 바와 같이 고농도층(115a)과 저농도층(115b) 사이에서 도핑 농도가 연속적으로 변화한다. 다시 서서히 도펀트 농도를 증가시켜 1x1019 cm-3의 도핑 농도로 저농도층(115c)을 형성하여, n형 반도체층(115)의 전체 두께는 1㎛ ~ 5㎛가 되도록 할 수 있다.
p형 전극(135)은 도전성 기판(140)과의 오믹컨택 기능과 더불어 활성층(120)에서 발생된 광을 반사하는 역할 및 전극의 기능까지 담당한다. p형 전극(135)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt 및 Au으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하여 1층 이상의 다층막으로 형성될 수 있다. 반사 역할을 고려하면 Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt 등의 막 조합으로 형성하는 것이 바람직하다.
다음, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, p형 전극(135) 상에 도전성 기판(140)을 부착한다. 도전성 기판(140)은 최종 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 요소로서, 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할을 수행한다. 특히, 후술할 레이저 리프트 오프(laser lift off) 공정 또는 화학적 리프트 오프(chemical lift off) 공정 등으로 반도체 기판(110)의 제거시, 도전성 기판(140)을 부착함으로써 상대적으로 두께가 얇은 발광구조물을 보다 용이하게 다룰 수 있다.
도전성 기판(140)은 Si, Cu, Ni, Au, W 및 Ti으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있으며, 선택된 물질에 따라, 도금, 증착, 스퍼터링 등의 공정으로 p형 전극(135) 상에 직접 형성될 수 있다. 여기서, 실시 형태로, 도전성 기판(140)을 웨이퍼 본딩 공정을 통하여 부착하는 예를 들고 있으나, 이에 제한되지 않으며, Au와 Sn을 주성분으로 하는 공융 합금으로 이루어진 본딩 금속층을 p형 전극(135) 위에 더 증착하여 이를 매개로 가압/가열의 방식으로 부착할 수도 있다.
다음에, 반도체 기판(110)을 제거한다. 이 때 레이저 리프트 오프 공정 또는 화학적 리프트 오프 공정을 이용할 수 있는데, 예컨대, 레이저 리프트 오프 공정을 이용할 경우, 반도체 기판(110) 전면에 레이저 빔을 조사하여 반도체 기판(110)을 분리한다. 화학적 리프트 오프 공정을 이용할 경우, 반도체 기판(110)과 발광구조물 사이에 습식 식각에 의해 제거될 수 있는 희생층을 더 구비하고, 이를 선택적으로 제거할 수 있는 식각액을 이용하여 반도체 기판(110)을 분리한다. 이러한 리프트 오프 공정에 의해 반도체 기판(110)과 접촉하고 있던 버퍼층(112)의 면이 외부로 노출된다.
이어서, 도 3(c)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(110)이 제거되면서 노출된 표면을 습식 세정액이나 플라즈마 등으로 처리함으로써 버퍼층(112) 부분은 제거하고 n형 반도체층(115) 표면이 드러나게 한다. 고농도층(115a)이 최상부에 위치한다. n형 반도체층(115) 표면에 거칠기를 발생시켜 광추출을 향상시키는 작업을 할 수도 있다. 그런 다음, n형 반도체층(115) 상에 n형 전극(145)을 형성하여 도 2에 도시한 바와 같은 반도체 발광 소자(100)를 제조한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

  1. 도전성 기판;
    상기 도전성 기판 상에 형성된 p형 전극;
    상기 p형 전극 상에 순차적으로 적층된 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층을 구비하는 발광구조물; 및
    상기 n형 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하며,
    상기 n형 반도체층은 상기 n형 전극과 인접하며 도핑 농도가 상대적으로 높은 고농도층과 상기 고농도층 아래에 도핑 농도가 상대적으로 낮은 저농도층을 포함하고, 상기 고농도층의 도핑 농도는 1 x 1019cm-3 ~ 1 x 1020cm-3이며,
    상기 저농도층은 상기 활성층과 인접하는 부분의 도핑 농도가 더 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 n형 반도체층의 전체 두께는 1㎛ ~ 5㎛이고 상기 고농도층의 두께는 0.5㎛ ~ 2㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고농도층과 저농도층 사이의 도핑 농도는 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 삭제
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KR20040073806A (ko) * 2003-02-14 2004-08-21 엘지전자 주식회사 질화물계 화합물 반도체를 이용한 발광소자 및 그의제조방법
KR20050096665A (ko) * 2004-03-31 2005-10-06 삼성전기주식회사 질화물 반도체 발광소자의 제조방법

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