KR101240277B1 - 질화물계 반도체 기반 열전소자가 집적된 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

질화물계 반도체 기반 열전소자가 집적된 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 질화물계 열전층을 포함하여 반도체 발광 소자에서 발생되는 열을 효율적으로 제거하거나 냉각함으로써 발광소자의 효율 및 신뢰성을 향상시키고, 발광소자에서 발생된 열을 이용하여 전력을 재생산하고(Seebeck effect), 이를 발광소자로 재주입함으로써 에너지활용 효율을 극대화할 수 있는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자를 제공한다.
이를 위해, 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자는, 발광 구조물 및 상기 발광 구조물의 상층부 또는 하층부에 형성되는 질화물계 열전층을 포함하되, 상기 발광 구조물은, n형 반도체로 이루어진 제 1 레이어; p형 반도체로 이루어진 제 2 레이어 및 활성층을 포함하되, 상기 활성층은 상기 제 1 레이어 및 제 2 레이어의 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

질화물계 반도체 기반 열전소자가 집적된 발광소자 및 그 제조방법{NITRIDE-BASED THERMOELECTRIC SEMICONDUCTOR INTEGRATED LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 명세서는 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 효율적인 냉각 구조와 열전 발전 구조를 갖는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자는 전류를 통과시키면 빛을 내는 반도체 소자이다. 반도체 발광소자는 조명에서 신호등, 액정화면(LCD) 배경 광원에 이르기까지 빛 산업의 핵심 소재로 등장했다. 적은 전력으로 원하는 색깔(파장)의 밝은 빛을 발하는데다 수은 등 유해물질을 방출하지 않아 에너지 절약과 환경보호에 부합되는 차세대 광원이다. 이러한 발광소자는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화, 신뢰성화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.
일반적으로 LED의 에너지 방출형태는 20%만 빛으로 방출하고, 80%가량을 열로 방출하며, 효율이 낮을수록 열방출 비율은 증가한다. 따라서 LED효율을 향상시키고, 열방출로 사라지는 에너지를 재생하기 위해서는 LED의 열에너지를 효율적으로 제어할 수 있는 기술이 필요할 수 있다.
일반적으로 사용되는 사파이어 기판 위에 성장시킨 질화물 반도체의 경우, 사파이어가 열전도성이 낮으므로 소자에서 발생한 열을 방출시키는 방열특성이 좋지 않은 특성을 가지고 있다. 사파이어 기판 위에 성장시킨 광반도체의 경우, 고전류 밀도에서 구동할 때의 장기 신뢰성이 취약해지는 원인이 되므로 반드시 해결해야 할 문제로 인식되어 왔다.
본 명세서는 n형 반도체로 이루어진 제 1 레이어, p형 반도체로 이루어진 제 2 레이어 및 활성층을 포함하는 발광 구조물의 상층부 또는 하층부에 질화물계 열전층을 형성시킴으로써 발광소자 발생되는 열을 효율적으로 제거하거나 냉각함으로써 발광소자의 효율 및 신뢰성을 향상시키고, 발광소자에서 발생된 열을 이용하여 전력을 재생산하고(Seebeck effect), 이를 발광소자로 재주입함으로써 에너지활용 효율을 극대화할 수 있는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자는, 발광 구조물; 및 상기 발광 구조물의 상층부 또는 하층부에 형성되는 질화물계 열전층을 포함하되, 상기 발광 구조물은, n형 반도체로 이루어진 제 1 레이어; p형 반도체로 이루어진 제 2 레이어; 및 활성층을 포함하되, 상기 활성층은 상기 제 1 레이어 및 제 2 레이어의 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자는 적어도 하나의 전극을 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 전극은 상기 질화물계 열전층에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극은 상기 질화물계 열전층의 일 측면 또는 양 측면에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 있어서, 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물은 에피성장을 통하여 순차적으로 기판 위에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 있어서, 상기 질화물계 열전층은, n형 또는 p형의 AlxInyGa1-x-yN 박막구조, AlxInyGa1-x-yN 초격자(superlattice) 구조, AlxInyGa1-x-yN 퀀텀 웰(quantum well) 구조, AlxInyGa1-x-yN 나노로드(nanorod) 구조 및 AlxInyGa1-x-yN 퀀텀 닷(quantum dot) 구조 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 있어서, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자는 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물 사이를 절연시키는 질화물계 반도체층을 더 포함하며, 상기 질화물계 반도체층은 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 있어서, 상기 질화물계 반도체층은, 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped - AlxInyGa1-x-yN)층인 것을 특징으로 한다.
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자의 제조방법은, 발광 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 발광 구조물의 상층부 또는 하층부에 질화물계 열전층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 발광 구조물은, n형 반도체로 이루어진 제 1 레이어; p형 반도체로 이루어진 제 2 레이어; 및 활성층을 포함하되, 상기 활성층은 상기 제 1 레이어 및 제 2 레이어의 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물은 에피성장을 통하여 순차적으로 기판 위에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 있어서, GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자의 제조방법은 상기 질화물계 열전층의 일면 또는 양면에 적어도 하나의 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 있어서, GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자의 제조방법은 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물 사이를 절연시키는 질화물계 반도체층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 질화물계 반도체층은 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 있어서, 상기 질화물계 반도체층은, 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped - AlxInyGa1-x-yN)층인 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 질화물계 열전층을 포함하여 반도체 발광 소자에서 발생되는 열을 효율적으로 제거하거나 냉각함으로써 발광소자의 효율 및 신뢰성을 향상시키는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자를 제공한다. 특히, 본 명세서에 개시된 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자에 따르면 발광소자에서 발생된 열을 전기에너지로 변환하여 이를 다시 발광에너지로 사용함으로써 에너지활용 효율을 극대화할 수 있는 이점이 존재한다.
도 1은 일반적인 GaN 발광다이오드의 단면도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자의 구조도이다.
도 3은 양자구조의 종류에 따른 에너지 준위에 대한 에너지 상태밀도를 도시한 그래프이다.
도 4는 퀀템-웰 구조에서의 에너지 밴드를 도시한 개념도이다.
도 5는 반도체 발광 소자를 포함하는 패키지 (Package)의 구조도이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 제1 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
도 7은 본 명세서에 개시된 제2 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
도 8a ~ 도 8j는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시형태를 설명한다. 그러나 본 명세서에 개시된 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 명세서에 개시된 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 명세서에 개시된 실시 예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
또한, 본 명세서에 첨부된 도면의 구성요소들은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소되어 도시되어 있을 수 있음이 고려되어야 한다.
일반적인 GaN 발광다이오드에 대한 설명
일반적으로, 발광다이오드(light emitting diode, LED)는 전자와 정공의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체 소자로서, 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다. AlxInyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 GaN계 반도체는 청색, 자외선 영역의 발광에 적합한 화합물 반도체로서, 청색 또는 녹색 발광 다이오드에 널리 이용되고 있다. 그러나 GaN계 화합물 반도체는 다른 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체와 마찬가지로, 벌크(bulk) 단결정(single crystal) 기판을 형성할 수 있는 실용가능한 기술이 없다. 따라서 GaN 결정의 성장에 적합한 기판을 사용하여, 이 기판 상에 GaN 결정을 성장시킴으로써 발광다이오드에 이용하게 된다. 이러한 GaN 결정을 성장을 위한 기판으로는 사파이어와 탄화실리콘 (SiC) 기판이 대표적이다.
도 1은 일반적인 GaN 발광다이오드의 단면도이다.
일반적인 GaN 발광다이오드(10)는 사파이어 기판(11)과 상기 사파이어 기판(11) 상에 형성된 GaN 발광구조물(15)을 포함한다.
GaN 발광구조물(15)은 사파이어 기판(11) 상에 n형 반도체층(15a)인 제 1 레이어와 다중양자우물(Multi-Quantum Well)구조의 활성층(15b)과 p형 반도체층(15c)인 제 2 레이어가 순차적으로 적층된 형태의 구조를 갖는다. 이하 상기 제 1 레이어 및 상기 제 2 레이어는 각각 n형 반도체층 및 p형 반도체층이라 한다.
이러한 상기 GaN 발광구조물(15)은 MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition) 등의 공정을 이용하여 성장될 수 있다. 이때, 상기 n형 반도체층(15a)을 성장하기 전에, 상기 n형 반도체층(15a)과 상기 사파이어 기판(11)과의 격자 부정합(lattice mismatch)을 감소시키기 위해, AlN/GaN으로 이루어진 버퍼층(미도시)을 형성할 수도 있다. 그리고 소정의 영역에 해당하는 상기 p형 반도체층(15c)과 상기 활성층(15b)을 건식 에칭하여 상기 n형 반도체층(15a) 상면 일부를 노출시키고, 그 노출된 n형 반도체층(15a)의 상면과 p형 반도체층(15c)의 상면에 각각 전압을 인가하기 위한 n형 접촉 전극(19)과 p형 접촉 전극(17)을 형성한다. 일반적으로 전류주입면적을 증가시키면서도 휘도에 악영향을 주지 않기 위해서, 상기 p형 클래드층(15c) 상면에는 p형 접촉 전극(17)을 형성하기 전에 투명전극(transparent electrode, 18)을 형성할 수도 있다.
이와 같이, 일반적인 GaN 발광다이오드(10)는 전기저항이 높아 전류 밀도의 증가에 의해 열발생량이 크지만, 사파이어 기판(11)은 낮은 열전도성을 가져 열방출이 원활하지 못하므로, 열발생량의 증가에 따라 소자내의 온도가 증가하여 발광다이오드의 발광효율이 급격히 감소하며, 패키지 소재의 열화 등의 문제로 인해 발광다이오드의 신뢰성이 떨어지게 된다.
따라서 열전(Thermoelectric)특성을 나타내는 질화물계(GaN) 계열의 물질을 발광소자층 하층부 또는 상층부에 형성함으로써, 발광소자에서 발생되는 열을 효율적으로 제거하거나 냉각함으로써 발광소자의 효율 및 신뢰성을 향상시키거나, 발광소자에서 발생된 열을 이용하여 전력을 재생산하고(Seebeck effect), 이를 발광소자로 재주입함으로써 에너지활용 효율을 극대화시킬 수 있는 방법의 필요성이 대두 된다.
GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 LED 구조에 대한 설명
도 2은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자의 구조도이다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(20, 30)는 발광 구조물(15) 및 상기 발광 구조물(15)의 상층부 또는 하층부에 형성되는 질화물계 열전층(13)을 포함하되, 상기 발광 구조물(15)은, n형 반도체로 이루어진 제 1 레이어, p형 반도체로 이루어진 제 2 레이어 및 활성층을 포함하되, 상기 활성층은 상기 제 1 레이어 및 제 2 레이어의 사이에 형성되는 것일 수 있다.
또한 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(20, 30)는 상기 질화물계 열전층의 일면 또는 양면에 형성되는 적어도 하나의 전극(16)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(20, 30)는 상기 질화물계 열전층(13) 및 상기 발광구조물(15)의 사이에 형성되고, 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped-AlxInyGa1 -x- yN, 12)층을 더 포함할 수 있다. 상기 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped-AlxInyGa1 -x-yN, 12)층은 상기 질화물계 열전층(13)과 상기 발광구조물(15) 사이를 절연하는 역할을 할 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(20, 30)는 다양한 발광소자의 구조에 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광구조물(15)의 구조형태에 따라 상기 n형 반도체층(15a) 및 p형 반도체층(15c)에 연결된 n형 전극 및 p형 전극이 수평으로 배열된 수평 구조나 플립-칩 (Flip-chip) 구조, 상기 n형 전극 및 p형 전극이 수직으로 마주보고 있는 수직 구조 또는 플립-칩(Flip-chip) 구조에 모두 적용될 수 있다. 이외에도 본 명세서에 개시된 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자가 다양한 발광소자의 구조에 적용될 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.
또한 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자는 상기 n형 전극 및 p형 전극과 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자에 연결되는 전극이 같은 상층부를 향해 배열되는 구조(아래의 도 2(a) 참조) 또는 상기 n형 전극 및 p형 전극과 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자에 연결되는 전극이 각각 상층부 및 하층부를 향해 반대방향으로 배열된 구조(아래의 도 2(b) 참조)에도 적용될 수 있다.
도 2(a)는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 수평 구조의 발광소자의 구조도이다.
도 2(a)를 참조하면, 활성층(15b)에서 빛이 생성되고, 이 과정에서 부수적으로 발생하는 열은 발광구조물(15)의 상하부로 전달된다. 상기 발광구조물(15)의 하부에 전달된 열은 질화물계 열전층(13)에 전달되고, 상기 질화물계 열전층(13)에 전달된 열에 의해 상기 질화물계 열전층(13) 양극단으로 전자나 정공의 자발적인 이동이 일어나고 이로 인해 양단에 기전압이 생성됨으로써 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.
또는, 상기 질화물계 열전층에 연결된 열전층 전극(16)에 기결정된 전압이 인가될 수 있다. 상기 열전층 전극(16)에 인가된 기결정된 전압으로 인한 전위차를 근거로 열을 흡수한 전자 및 정공이 외부로 빠져 나갈 수 있도록 하는 전류 경로가 형성될 수 있다. 열을 흡수한 전자 및 정공이 흘러가면서 열을 방출시키므로 발광구조물을 냉각시킬 수 있다.
이러한 방식으로 상기 활성층(15b)에서 생성된 열은 상기 질화물계 열전층(13)에 흡수되고, 상기 질화물계 열전층(13)에서 상기 흡수된 열을 근거로 발생된 전자 및 정공은 상기 질화물계 열전층(13)에 연결된 전극(16)을 통하여 빠져나가게 될 수 있다.
이 경우, 상기 질화물계 열전층(13)은 상기 활성층(15b)에서 발생된 열을 냉각시키는 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 발생된 열을 전기에너지로 변환시킬 수 있으며, 상기 변환된 전기에너지는 다시 상기 발광구조물(15)에 공급되어 빛을 재생산하는데 사용될 수 있다.
상기 질화물계 열전층(13)의 냉각원리에 대해 상술하면, p-형과 n-형 반도체를 열을 흡수할 부분과 방출할 부분에 병렬 연결 후, 전원을 인가하여 전류를 흘려주면, 열을 받은 곳의 전자(electron) 및 정공(hole)은 열에너지에 받아 높은 에너지 상태에 있다가 열에너지가 낮은 부분으로 전류가 흘러가면서 열에너지를 가지고 이동하게 될 수 있다. 이 경우 상기 발광구조물(15)에서 발생된 열에너지가 상기 전자 및 정공의 흐름을 통해 외부로 빠져나가게 되어 냉각기능을 하게 될 수 있다.
또한 위처럼 p-형과 n-형 반도체를 병렬로 연결하지 않더라도 열전효율이 좋은 물질을 포함하는 층을 열발생부와 열방출부 사이에 형성시키고, 그 층을 통해 전류를 흘리게 되면 전자와 정공이 열에너지를 가지고 이동하므로, 냉각기능을 하게 될 수 있다. 이러한 현상을 Peltier effect라 한다.
상기 질화물계 열전층(13)에 대한 전력의 재생산 원리를 상술하면, p-형과 n-형 반도체를 열을 흡수할 부분과 방출할 부분에 병렬 연결하게 되면 열을 받은 부위의 전자 및 정공이 열에너지를 받아 차가운 부위로 흘러가게 되며, 이로 인해 한쪽에만 전자나 정공이 쌓이게 되어 기전력이 형성될 수 있다. 이러한 원리로 인해 상기 발광구조물(15) 사이에 전위차를 형성하게 되므로 전력을 생성하게 될 수 있어 에너지효율이 증대될 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자(20, 30)는 열전효율뿐만 아니라 에너지효율도 증가시키는 효과를 발생시킬 수 있다.
도 2(b)는 수직 구조의 전극을 가지는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
도 2(b)에 도시된 바와 같이 상기 질화물계 열전층(13)을 상기 발광구조물(15) 하부에 형성시키고 열전층 전극(16)을 상기 발광구조물의 전극(17,19)과 반대방향으로 연결하여 수직 구조의 전극을 가지는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자를 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 질화물계 열전층은 n형 또는 p형의 AlxInyGa1 -x- yN 박막구조, AlxInyGa1 -x- yN 초격자(superlattice) 구조, AlxInyGa1 -x- yN 퀀텀 웰(quantum well) 구조, AlxInyGa1 -x- yN 나노로드(nanorod) 구조 및 AlxInyGa1 -x- yN 퀀텀 닷(quantum dot) 구조 중 적어도 하나일 수 있다. 여기서 상기 x, y는 0에서 1사이의 값을 가질 수 있다.
이와 같이 상기 질화물계 열전층은 n형 또는 p형 AlxInyGa1-x-yN 박막 구조뿐만 아니라 양자구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 양자구조는 퀀텀 웰(quantum well), 퀀텀 닷(quantum dot) 또는 초격자(superlattice) 구조일 수 있다.
일반적으로 열전소자의 효율은 열전소자의 figure of merit인 ZT값으로 정량화할 수 있다. 즉, 상기 ZT는
Figure 112011043134641-pat00001
로 표현될 수 있다(여기서, S는 Seebeck 계수, σ는 전기전도도, K는 열전전도도, T는 절대온도이다). 상기 ZT는 전기전도도에 비례하고, 열전도율에 반비례하며 모든 물질은 전기전도도가 높으면 열전도율도 함께 증가하므로 ZT를 증가시키는데 한계가 있을 수 있다. 하지만, 양자구조로 만들면, phonon-scattering에 의해 전기전도도를 향상키면서도 열전달율을 낮은 상태로 유지할 수 있으므로 ZT값을 향상시킬 수 있을 수 있다.
도 3은 양자구조의 종류에 따른 에너지 준위에 대한 에너지 상태밀도를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 물질이 양자구조가 되면, 물질의 층층간에 새로운 에너지 상태가 만들어지고, 전자는 이러한 새로운 에너지 상태를 따라서 진행하므로, 전기전도는 증가할 수 있다. 반면 열전도율은 phonon (원자의 떨림)의 진행에 의존한다. 양자구조에서 phonon은 각 층간의 계면에서 scattering되어 진행이 어렵게 된다. 따라서 양자구조가 되면 phonon의 진행속도가 저하하여 열전도율이 떨어지게 된다. 그러므로, 양자구조를 만들게 되면 ZT에 영향을 미치는 전기전도도는 증가하는 반면, 열전도율은 증가시키지 않으므로 ZT의 향상을 기대할 수 있다.
도 4는 퀀템-웰 구조에서의 에너지 밴드를 도시한 개념도이다.
여기서, Ec는 컨덕션 밴드, Ev는 밸런스 밴드, EFn은 페르미준위, WDH는 밴드 갭의 두께이다.
도 4를 참조하면, 이중 헤테로-접합인 경우 WDH가 수백 nm이지만 퀀텀-웰의 경우 WDH가 수 nm가 된다. 따라서, 퀀텀-웰을 가지는 질화물계 열전층의 경우 밴드 갭(Band gap)이 큰 반도체와 작은 반도체의 샌드위치 구조로 인해 전자(electron)과 정공(hole)을 밴드 갭이 작은 반도체 안에 가둘 수 있어 ZT값의 향상이 있을 수 있다.
또한 다중 퀀텀-웰의 경우, 멀티-밴드가 형성되므로 전자의 에너지가 중첩될 수 있으며, 중첩된 에너지 밴드에서의 전자의 이동도는 좋은 반면 phonon의 이동은 낮게 될 수 있는바, ZT값의 향상이 있을 수 있다.
또한, 초격자의 경우 상기 질화물계 열전층 내에서 멀티-밴드(Mini-band) 또는 초격자-밴드 (superlattice-band)가 형성되고 상기 멀티-밴드(Mini-band) 또는 초격자-밴드 (superlattice-band) 내에서의 캐리어의 이동도(mobility)가 증가 될 수 있으며 캐리어 집중(Carrier concentration)을 향상시킬 수 있는바 이로 인한 ZT의 향상도 기대할 수 있다.
도 5는 반도체 발광 소자를 포함하는 패키지 (Package)의 구조도이다.
일반적으로, 반도체 발광 소자(110, 210)를 포함하는 칩(Chip)의 구조(100, 200)는 발광소자의 전극에 본딩 와이어(bonding wire)(120, 220)가 연결되고 상기 본딩 와이어(bonding wire)(120, 220)는 LED 프레임(frame)(130, 230)에 연결되며 상기 LED 프레임(frame)(130, 230)는 회로 전극(140, 240)에 연결되어 이를 통해 발광소자에 전원이 공급될 수 있다.
또한 반도체 발광 소자(110, 210)의 하층부에는 절연체층(150, 250), 본딩층(160, 260) 및 히트 싱크(Heat Sink)(170, 270)가 형성되어 있으며, 상기 반도체 발광 소자(110, 210)로부터 발생된 열이 이들을 통해 빠져나갈 수 있다.
도 5(a)는 일반적인 GaN 발광 소자를 포함하는 칩(Chip)의 구조도이다.
도 5(a)를 참조하면, 일반적인 GaN 발광소자(110)로부터 발생된 열은 본딩 와이어(120), LED 프레임(130), 회로 전극(140) 및 히트 싱크(170)등을 통해 빠져나가는 제1경로 또는 상기 일반적인 GaN 발광소자(110)의 하층부로 열이 직접 전달되어 상기 히트 싱크(170)로 빠져나가는 제2경로로 빠져나갈 수 있다.
따라서 이 경우, 상기 일반적인 GaN 발광소자(110)로부터 발생된 열로 인해 LED 칩 전체가 뜨거워질 수 있다. 열방출이 원활하지 않을 경우, GaN 발광소자(110)의 효율이 감소하거나, 본딩와이어(120)의 단선 또는 발광소자가 패키지로부터 이탈되는 현상이 나타날 수 있다.
도 5(b)는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자를 포함하는 칩(Chip)의 구조도이다.
도 5(b)를 참조하면, GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(210)에서 발생된 열은 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자로 인하여 냉각 및 에너지 재생산이 되고, 이로 인해 상기 발생된 열이 빠져나가는 주요한 경로는 열이 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(210)의 하층부에 직접 전달되어 히트 싱크(270)으로 빠져나가는 경로가 주요한 경로가 될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(210)의 발광효율은 상기 일반적인 GaN 발광소자(110)에 비해 증가될 수 있다.
제1 실시예에 대한 설명
도 6는 본 명세서에 개시된 제1 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(40)는 일반적인 LED의 구조에 포함될 수 있는 n형 반도체층(15a) 및 p형 반도체층(15c)과, 상기 n형 반도체층(15a) 및 p형 반도체층(15c) 사이에 형성되는 활성층(15b)을 포함하는 발광구조물(15)과 상기 발광구조물(15)의 상층부 또는 하층부에 형성된 질화물계 열전층(13)을 포함할 수 있다.
또한 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(40)는 상기 질화물계 열전층에 연결된 두 개의 전극(16)을 더 포함할 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(40)는 상기 질화물계 열전층(13) 및 상기 발광구조물(15)의 사이에 형성되고, 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped-AlxInyGa1 -x- yN, 12)층을 더 포함할 수 있다. 상기 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped-AlxInyGa1 -x-yN, 12)층은 상기 질화물계 열전층(13)과 상기 발광구조물(15) 사이를 절연하는 역할을 할 수 있다.
도 6(a)는 본 명세서에 개시된 제1 실시예에 따른 사파이어 기판을 포함하는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
도 6(a)를 참조하면, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(40)는 사파이어로 구성된 기판(11) 위에 형성될 수 있으며, 상기 n형 반도체층(15a)과 사파이어 기판(11)과의 격자 부정합(lattice mismatch)을 감소시키기 위해, AlN/GaN으로 이루어진 버퍼층(14)을 형성할 수도 있다.
도 6(b)는 본 명세서에 개시된 제1 실시예에 따른 사파이어 기판이 제거된 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
도 6(b)를 참조하면, GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 반도체 발광 소자(40)는 사파이어 기판(11)이 제거된 구조를 가질 수 있다.
이 경우, 발광구조물(15)에서 발생된 열이 열 전달효율이 떨어질 수 있는 사파이어 기판을 거치지 않고 히트 싱크등으로 빠져나갈 수 있기 때문에 냉각효율이 상승될 수 있다.
제2 실시예에 대한 설명
도 7는 본 명세서에 개시된 제2 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자(60, 70)는 발광구조물(15)에서 생성된 빛이 기판쪽으로 빠져나오는 플립-칩(flip-chip) 형태의 패키지로 제작될 수 있다.
이 경우, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자(60, 70)는 리버스(reverse)형태의 구조를 가질 수 있다.
도 7(a)는 본 명세서에 개시된 제2 실시예에 따른 사파이어 기판을 포함하는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
도 7(a)를 참조하면, GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자(60)는 사파이어 기판(11)의 하층부에 버퍼층(14) 및 발광구조물(15)가 형성되어 있고, 그 아래에 차례로 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped-AlxInyGa1-x-yN, 12)층 및 질화물계 열전층(13)이 더 형성되어 있다.
상기 질화물계 열전층(13)에 상기 발광구조물(15)에서 발생된 열을 냉각시키고 상기 열 에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 전류 경로를 형성시킬 수 있는 두 개의 전극(16)이 형성될 수 있다.
도 7(b)는 본 명세서에 개시된 제2 실시예에 따른 사파이어 기판을 포함하지 않는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 구조도이다.
도 7(b)를 참조하면, 도 7(a)에서 사파이어 기판이 제거된 구조가 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자(70)에 사용될 수 있다.
이 경우, 상기 발광구조물(15)에서 발생된 열이 열 전달효율이 떨어질 수 있는 사파이어 기판을 거치지 않고 발광소자의 하층부로 빠져나갈 수 있기 때문에 냉각 효율이 상승 될 수 있다.
GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 LED 의 제조방법에 대한 설명
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법은 n형 반도체층 및 p형 반도체층과, 상기 n형 반도체층 및 p형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 적층하여 발광구조물을 형성하는 단계 및 상기 발광구조물의 상층부 또는 하층부에 질화물계 열전층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법에서 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물은 에피성장을 통하여 순차적으로 기판 위에 형성되는 것일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법은 상기 질화물계 열전층의 일면 또는 양면에 적어도 하나의 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법은 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물의 사이에 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped - AlxInyGa1 -x- yN)층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 8a ~ 도 8j는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 8a ~ 도 8j에 개시된 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법은 수평구조의 발광구조물에 적용되는 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법을 도시한 것이다.
그러나 본 명세서에 개시된 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법은 도 8a ~ 도 8j에서와 같은 상기 n형 반도체층(15a) 및 p형 반도체층(15c)에 연결된 n형 전극 및 p형 전극이 수평으로 배열된 수평 구조뿐만 아니라 상기 n형 전극 및 p형 전극이 수직으로 마주보고 있는 수직 구조 또는 플립-칩(Flip-chip) 구조에 모두 적용될 수 있다. 또한, 이외에도 본 명세서에 개시된 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자가 다양한 발광소자의 구조에 적용될 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.
도 8a ~ 도 8j를 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법은 질화물계층을 적층하기 위한 사파이어 기판(11) 위에 질화물계 열전층(13), 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped - AlxInyGa1-x-yN, 12)층, n형 반도체층(15a), 활성층(15b) 및 p형 반도체층(15c)을 MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition)를 사용하여 순차적으로 에피성장(epigrowth)시킬 수 있다(도 8b).
상기 에피성장 후에 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 선택영역 식각을 위한 마스크로 작용할 절연체인 SiO2 층(21)을 증착(Deposition)할 수 있다(도 8c).
상기 SiO2 층(21)의 증착 후에, 상기 에피성장된 반도체층들의 특정영역만을 에칭(또는 식각)하기 위하여 상기 SiO2 층(21)을 패터닝(patterning)할 수 있다(도 8d).
상기 SiO2 층(21)을 패터닝(patterning)한 후에, 상기 n형 반도체층(15a), 상기 p형 반도체층(15c)의 상부에 전극을 형성시키기 위해 메사 에칭(MESA Etching)을 수행할 수 있다(도 8e). 상기 메사 에칭은 Inductively coupled plasma etching (ICP) 또는 reactive ion etching (RIE) 장비를 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 메사 에칭에 사용되는 물질은 Cl2, CH4, H2 및 Ar 중 적어도 하나가 혼합된 가스일 수 있다.
상기 메사 에칭 후에, 상기 SiO2 층(21)을 제거할 수 있다.(도 8f). 상기 SiO2 층(21)을 제거하기 위해 습식 에칭(wet etching)방식이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 습식 에칭에 사용되는 물질은 HF일 수 있다.
상기 습식 에칭 이후에, 상기 p형 반도체층(15c)의 상부에 투명전극(18)을 형성시킬 수 있다.(도 8g). 이 경우, 상기 p형 반도체층(15c)의 상부에만 상기 투명전극이 형성되게 하기 위하여 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 이용해 PR 페턴(Photoresist pattern, 미도시)을 형성시킬 수 있다. 또한, 상기 투명전극(18)의 형성 후 전극의 전기적 특성 향상을 위해 어닐닝(Annealing) 공정이 추가적으로 수행될 수 있다.
상기 투명전극(18)의 물질은 ITO(indium tin oxide)가 될 수 있다. 그 이유는 높은 빛 투과도(90% @440-470nm)와 우수한 전기전도도에 기인할 수 있다. 증착방법으로는 Electron-beam evaporation(E-beam evaporation) 또는 스퍼터링(Sputtering) 증착 방법에 의해서 이루어질 수 있다.
상기 투명전극(18)을 형성한 후에, 상기 n형 반도체층 상부에 n형 전극(19)을 형성하고 상기 p형 반도체층 상부에 p형 전극(17)을 형성할 수 있다(도 8h). 상기 n형 전극(19) 및 p형 전극(17)은 E-beam evaporation등을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 n형 전극(19) 및 p형 전극(17)은 다양한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 n형 전극(19)의 물질은 Cr/Ni/Au, Cr/Al/Ni/Au, Ti/Al 및 Ti/Al/Ni/AU 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 상기 p전극(17)의 물질은 Ni/Au, Pd/Au, Cr/Ni/Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 n형 전극(19) 및 p형 전극(17)의 형성 이후에, 질화물계 열전층(13)의 상부에 열전층 전극(16)을 형성시키기 위해 메사 에칭(MESA Etching)을 수행할 수 있다(도 8i). 상기 메사 에칭은 Inductively coupled plasma reactive ion etching (ICPRIE) 장비를 이용하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 질화물계 열전층(13)의 특정 영역에만 메사 에칭이 수행되기 위한 포토리소그래피(Photolithography) 공정이 사용될 수 있다.
상기 메사 에칭 이후에, 질화물계 열전층의 상부에 열전층 전극(16)을 형성시킬 수 있다(도 8j). 상기 열전층 전극은 다양한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전층 전극의 물질은 Cr/Au, Cr/Ni/Au, Cr/Al/Ni/Au, Ti/Al, Ti/Al/Ni/AU, Ni/Au, Pd/Au, Cr/Ni/Au 및 Ag 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 GaN 반도체 기반의 열전소자가 집적된 발광소자의 제조방법을 구성하는 단계를 실행함에 있어서, 각 단계의 순서는 변경될 수 있고 각 단계를 수행함에 필요할 수 있는 추가적인 단계가 더 포함될 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.
이상에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
10 : 일반적인 GaN 발광다이오드 15 : 발광구조물
15a : n형 반도체층 15b : 활성층
15c : p형 반도체층 13 : 질화물계 열전층
12 : 도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층

Claims (7)

  1. 발광 구조물; 및
    상기 발광 구조물의 상층부 또는 하층부에 형성되는 질화물계 열전층을 포함하되,
    상기 발광 구조물은,
    n형 반도체로 이루어진 제 1 레이어;
    p형 반도체로 이루어진 제 2 레이어; 및
    활성층을 포함하되, 상기 활성층은 상기 제 1 레이어 및 제 2 레이어의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 전극을 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 전극은 상기 질화물계 열전층에 연결되는 것인 반도체 발광소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전극은 상기 질화물계 열전층의 일 측면 또는 양 측면에 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물은 에피성장을 통하여 순차적으로 기판 위에 형성되는 것인 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 질화물계 열전층은,
    n형 또는 p형의 AlxInyGa1-x-yN 박막구조, n형 또는 p형의 AlxInyGa1-x-yN 초격자(superlattice) 구조, n형 또는 p형의 AlxInyGa1-x-yN 퀀텀 웰(quantum well) 구조, n형 또는 p형의 AlxInyGa1-x-yN 나노로드(nanorod) 구조 및 n형 또는 p형의 AlxInyGa1-x-yN 퀀텀 닷(quantum dot) 구조 중 적어도 하나인 것인 반도체 발광소자.
    상기 x, y는 0에서 1사이의 값임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물 사이를 절연시키는 질화물계 반도체층을 더 포함하며, 상기 질화물계 반도체층은 상기 질화물계 열전층 및 상기 발광구조물 사이에 형성되는 것인 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 질화물계 반도체층은,
    도핑이 되지 않는 질화물계 반도체층(undoped - AlxInyGa1-x-yN)층인 것인 반도체 발광소자.
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