KR101393745B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 제 1전극 접촉층; 상기 제 1전극 접촉층 위에 형성된 제 1활성층; 상기 제 1활성층 위에 형성된 제 2전극 접촉층; 상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 2활성층; 상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 3전극 접촉층을 포함한다.
질화물, 반도체, 발광소자

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor LED and fabrication method thereof}
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 단면도.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 단면도.
도 3은 도 2의 전류 흐름 예를 나타낸 도면.
도 4는 도 2의 반도체 발광소자의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명 실시 예에 따른 반도체 발광소자에서의 전극 구성 예를 나타낸 도면.
도 6은 도 2의 반도체 발광소자를 수직형으로 구성한 경우, 발광 소자의 실장 예를 나타낸 도면.
도 7은 도 5의 반도체 발광소자를 수직형으로 구성한 경우, 발광 소자의 실장 예를 나타낸 도면.
도 8은 도 2의 반도체 발광소자의 플립 칩 실장 예를 나타낸 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 반도체 발광소자 111 : 기판
113 : 제 1전극 접촉층 115 : 제 1활성층
117 : 제 2전극 접촉층 119 : 제 2활성층
121 : 제 3전극 접촉층 114,122 : n형 전극
118 : p형 전극 125: 절연막
131 : 와이어 140,160 : 서브 마운트
141,142,161,162,163 : 전극패드
151,152,153 : 범프
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 발광소자는 자외선, 청색 및 녹색 영역을 포괄하는 발광 영역을 가진다. 특히, GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색/녹색 LED의 광소자 및 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HEMT (Hetero junction Field Effect Transistors) 등의 고속 스위칭 소자, 고출력 소자에 응용되고 있다.
도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(10)는 주로 사파이어 기판(11) 또는 SiC 기판 위에 n형 전극 접촉층(13)이 형성되고, 상기 n형 전극 접촉층(13) 위에는 우물층/장벽층을 한 주기로 하는 단일 또는 다중 양자우물 구조의 활성층(15)이 형성되며, 상기 활성층(15) 위에는 p형 전극 접촉층(17)이 형성된다.
그리고, p형 전극 접촉층(17)에서 n형 전극 접촉층(13)까지 부분 식각하여 n형 전극 접촉층(13)을 외부로 노출시킨 후, 상기 p형 전극 접촉층(17) 위에 p형 전극19)이 형성되고, 상기 n형 전극 접촉층(13) 위에 n형 전극(21)을 형성시켜 주어, 외부로부터 전류가 인가될 수 있게 해 준다.
상기와 같은 반도체 발광소자는 p형 전극 접촉층(17)과 n형 전극 접촉층(13), 그리고 그 사이에 존재하는 활성층(15)으로 구성되며, 상기 n형 전극(21) 및 p형 전극(19) 양단으로 전류를 인가하면, 인가되는 전류밀도는 활성층의 면적에 의하여 결정된다. 예컨대, 350*350um2의 발광 다이오드의 경우 20mA의 전류를 흘렸을 때 전류 밀도는 약 20A/cm2이 된다. 그러나, 1*1mm2의 대면적의 발광 다이오드의 경우 350mA에서 구동되는 것이 일반적인데, 이때의 전류밀도는 50A/cm2 이 된다.
이와 같이, 반도체 발광소자가 대면적화될 수록 전류밀도가 증가하면 동작전압이 함께 증가하게 되고, 내부 양자 효율이 감소하게 되어, 발광소자의 효율이 크게 감소하게 되는 문제가 있다.
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예는 복수개의 활성층과 복수개의 n형 또는 p형 전극 접촉층을 갖는 발광 소자를 제공하여, 유효 발광 면적을 증대시켜 줄 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 제 1전극 접촉층; 상기 제 1전극 접촉층 위에 형성된 제 1활성층; 상기 제 1활성층 위에 형성된 제 2전극 접촉층; 상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 2활성층; 상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 3전극 접촉층을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은, 제 1전극 접촉층을 형성하는 단계; 상기 제 1전극 접촉층 위에 제 1활성층을 형성하는 단계; 상기 제 1활성층 위에 제 2전극 접촉층을 형성하는 단계; 상기 제 2전극 접촉층 위에 제 3전극 접촉층을 형성하는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(111), 제 1전극 접촉층(113), 제 1활성층(115), 제 2전극 접촉층(117), 제 2활성층(119), 제 3전극 접촉층(121), 그리고 p형 전극(118) 및 복수개의 n형 전극(114,122)을 포함한다.
상기 기판(111)은 사파이어 기판, GaN, SiC, ZnC, 그리고 GaAs 또는 Si 등으로 이루어진 기판 중에서 선택되어질 수 있다. 상기 기판(111) 위에는 버퍼층이 형성될 수도 있는 데, 상기 버퍼층은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGalnN 등을 선택적으로 이용할 수 있다.
상기 기판(111) 위에는 제 1전극 접촉층(113)이 형성된다. 상기 제 1전극 접 촉층(113)은 n형 반도체층으로서, n형 GaN층으로 성장될 수 있으며 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘(Si)이 도핑된다. 또한 상기 n형 GaN층은 인듐을 포함하는 AlGalnN계로 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 n형 GaN층에는 Se, Ge, Te 등을 도펀트로서 도핑할 수도 있다.
상기 제 1전극 접촉층(113) 위에는 제 1활성층(115)이 형성된다. 상기 제 1활성층(115)은 발광시키는 빛의 파장에 따른 밴드 캡 에너지를 갖는 재료가 선택되며, 예를 들면, 파장이 460~470nm의 청색 발광의 경우, InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하여, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 우물층 InxGa1 - xN은 0≤x≤1로 조절할 수 있다.
그리고 상기 제 1활성층(115) 위에는 제 2전극 접촉층(117)이 형성된다. 상기 제 2전극 접촉층(117)은 p형 반도체층으로서, p형 GaN층으로 성장될 수 있으며, Mg, Ze 등의 도펀트가 도핑될 수 있다. 또한 상기 p형 GaN층은 인듐을 포함하는 AlGalnN계로 형성할 수도 있다.
상기 제 2전극 접촉층(117) 위에는 제 2활성층(119)이 형성된다. 상기 제 2활성층(119)은 제 1활성층(115)과 동일한 InGaN 우물층/GaN 장벽층 구조로 성장될 수 있다. 이때의 제 1활성층(115)과 제 2활성층(119)에 형성된 우물층/장벽층의 성장 주기를 동일한 주기로 하거나 서로 다른 주기로 할 수도 있다.
상기 제 2활성층(119) 위에는 제 3전극 접촉층(121)이 형성된다. 상기 제 3전극 접촉층(121)은 n형 반도체층으로서, n형 GaN층으로 성장될 수 있으며 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘(Si)이 도핑된다. 또한 상기 n형 GaN층은 인듐을 포함하는 AlGalnN계로 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 n형 GaN층에는 Se, Ge, Te 등을 도펀트로서 도핑할 수도 있다.
이러한 기판(111) 위에, 제 1전극 접촉층(113), 제 1활성층(115), 제 2전극 접촉층(117), 제 2활성층(119), 그리고 제 3전극 접촉층(121)이 적층된 반도체 구조에서 각 전극 접촉층 위에는 전극들이 형성된다. 이를 위해 상기 제 3전극 접촉층(121)에서 제 2전극 접촉층(117)의 일 부분 까지 부분 식각하여 제 2전극 접촉층(117) 상에 p형 전극을 형성한다. 상기 3전극 접촉층(121)에서 제 1전극 접촉층(113)의 일부분까지 부분 식각하여 제 1전극 접촉층(113) 상에 n형 제 1전극(114)을 형성하고, 또한 제 3전극 접촉층(121) 상에 n형 제 2전극(122)을 형성하게 된다. 상기 n형 및/또는 p형 전극은 예를 들면 Ti/Au, Pd/Au 또는 Ni/Au 등의 적층구조로 형성할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 3전극 접촉층(113,121) 상에 형성된 n형 전극(114,122) 상호 간은 와이어로 연결하거나 전도성 박막을 형성하여 서로 연결해 줄 수 있다.
이러한 반도체 발광소자는 발광 면적이 기존의 동일한 칩 크기에 비해 거의 두 배에 가까운 유효 발광 면적을 가지게 된다.
그리고 도 3과 같이, 각 전극(114,118,122)을 통해 전류를 흘려주면, 제 2전극 접촉층(117)으로 공급되는 전류의 1/2(I/2)은 제 1활성층(115)을 통해 제 1전극 접촉층(113)으로 흐르고, 나머지 1/2의 전류(I/2)는 제 2활성층(119)을 통해 제 3전극 접촉층(121)으로 흐르게 된다. 결과적으로 본 발명의 반도체 발광소자는 기존 소자와 동일한 전류를 인가하더라도 기존 소자 보다 적은 동작 전압으로 구동시켜 줄 수 있으며, 광의 세기는 비슷하게 출력된다.
또한 반도체 발광소자에서의 전류 밀도는 최대 1/2배 정도 감소하고, 동작 전압이 감소하고, 광의 세기는 기존과 비슷하게 출력되므로 전체적인 발광 효율은 증대된다.
또한 복수개의 활성층 및 복수개의 n형 전극 접촉층의 구조를 갖게 되므로, 도 4의 (a)(b)와 같이 발광 다이오드(D1,D2)가 병렬로 연결되는 구성이 된다.
도 5는 본 발명 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 기판(111) 위에, 반도체 적층부로서 제 1전극 접촉층(113), 제 1활성층(115), 제 2전극 접촉층(117), 제 2활성층(119), 제 3전극 접촉층(121)을 차례대로 형성한 후, 투명 전극(123)을 형성하게 된다. 상기 투명 전극(123)은 칩의 전면에 전류를 확산하기 쉽도록 형성되는 투과성 산화막으로서 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등을 이용할 수 있다.
그리고, 상기 n형 전극을 형성하기 위해 투명 전극(123)에서 제 1전극 접촉층(113)의 일부분까지 부분 식각하며, p형 전극을 형성하기 위해 투명 전극(123)에서 제 2전극 접촉층(117)의 일부분까지 부분 식각하게 된다.
그리고, 상기 반도체 발광소자의 노출된 상부 표면에 대해 절연막을 성장하고, 전극 형성 부분에 대해 부분 식각하여 투명 전극(123) 및 제 1 및 제 2전극 접촉층(113, 117)을 부분적으로 노출시켜 준다.
그리고, 상기 노출된 제 1전극 접촉층(113)에는 n형 제 1전극(124)이 형성되며, 제 2전극 접촉층(117)에는 p형 전극(118)이 형성되고, 투명 전극(123)에는 n형 제 2전극(122)이 형성되며, 상기 n형 제 1 및 제 2전극(124,122)은 n형 전극층(126) 구조로 인해 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 전극이나 절연막은 PECVD 또는 스퍼터링 방법으로 성장된다. 상기 n형 전극층(126)과 상기 제 1전극 접촉층 내지 제 3전극 접촉층(113,117,121) 사이에는 상기 n형 전극층(126)의 전기적인 절연을 위해 절연막(125)이 형성된다.
도 6은 도 2의 반도체 발광소자를 수직형 구조로 만든 후, 실장하는 예를 나타낸 도면이다. 이는 도 2의 구조에서 기판(111)을 제거한 구조로서, 제 1전극 접촉층(113)의 아래에 형성된 전도성 지지 기판(112)이 전극 역할을 수행하게 된다. 여기서 도 2의 기판(111)은 LLO(Laser Lift Off) 방식으로 제거할 수 있으며, 상기 전도성 지지 기판(112)은 LED 칩을 지지하기 위한 기판으로서, Si 또는 Mo 기판을 웨이퍼 본딩 방법으로 붙이거나 Cu를 두껍게 도금하여 지지기판을 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제 1전극 접촉층(113)의 아래에는 전도성 지지 기판(112)이 형성되고, 상기 전도성 지지 기판(112)은 서브 마운트(140)의 제 1전극 패드(142)에 도전성 접착제에 의해 접착되고, n형 제 2전극(122)은 상기 제 1전극 패드(142)에 와이어(131)로 연결된다. 또한 p형 전극(118)은 서브 마운트(140)의 제 2전극 패드(141)에 와이어(131)로 연결된다.
도 7은 도 5의 반도체 발광소자를 수직형 구조로 만든 후 실장하는 예를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제 1전극 접촉층(113) 및 투명 전극(123)은 n형 전극층(126)에 의해 서로 연결되고, 제 1전극 접촉층(113)의 아래에 형성된 전도성 지지 기판(112)은 서브 마운트(140)의 제 1전극 패드(142)에 도전성 접착제에 의해 접착되어, 제 1전극 접촉층(113)이 제 1전극 패드(142)에 전기적으로 접속된다.
그리고 제 2전극 접촉층(117) 상에 형성된 p형 전극(118)은 와이어(131)를 이용하여 서브 마운트(140)의 제 2전극패드(141)에 본딩된다. 이에 따라 서브 마운트 상에 수직형 반도체 발광소자가 실장되는 구조이다.
상기 도 6 및 도 7에서 제공되는 서브 마운트(140)는 탄화규소(SiC), GaN, GaAs, Si 등의 반도체 기판으로 이루어진다.
또한, 실시 예에서는 도 2의 반도체 발광 소자에 대해 플립 칩 형태로 제작할 수 있다.
도 8은 도 2의 반도체 발광 소자에 대한 플립 칩 실장 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 반도체 발광 소자의 n형 제 1전극(114)은 제 1범프(예: Au bump)(151)를 이용하여 서브 마운트(160)의 제 1전극 패드(161)에 연결되며, p형 전극(118)은 제 2범프(152)를 이용하여 서브 마운트(160)의 제 2전극 패드(162)에 연결되며, n형 제 2전극(122)은 제 3범프(153)를 이용하여 서브 마운트(160)의 제 3전극 패드(163)에 연결된다. 여기서 제 1 및 제 3전극 패드(161,163)은 서로 연결된다.
이와 같이 본 발명은 반도체 발광소자에 복수개의 활성층, 복수개의 n형 또는 p형 전극 접촉층을 형성해 줌으로써, 동일한 LED 칩에서 발광 영역의 유효 면적을 증가시켜 줄 수 있고, 전류 밀도가 감소되어 발광 효율을 향상시켜 줄 수 있다.
그리고, 본 발명의 반도체 발광소자는 n-p-n 구조로 설명하였으나, p-n-p 구 조로 만들 수도 있다. 즉, 제 1 및 제 3전극 접촉층(113,121)은 p형 GaN층으로서 p형 전극이 형성되고, 제 2전극 접촉층(117)은 n형 GaN층으로서 n형 전극이 형성될 수 있다.
또한 반도체 발광소자는 질화물계 이외에도, 적색, 오렌즈 등의 발광 소자(예: GaAs, InGaAlP, AlGaAs 등)에도 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 실시 예에 의한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 동일한 칩 크기에 비해 유효 발광 면적을 거의 두 배 정도로 가져갈 수 있다.
또한 전류 밀도를 절반 정도로 감소시켜 주어 발광소자의 효율 개선 및 소자의 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.

Claims (21)

  1. 비 전도성 기판;
    상기 비 전도성 기판 위에 배치된 제 1전극 접촉층;
    상기 제 1전극 접촉층 위에 형성된 제 1활성층;
    상기 제 1활성층 위에 형성된 제 2전극 접촉층;
    상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 2활성층;
    상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 3전극 접촉층;
    상기 제3전극 접촉층 위에 배치된 투명 전극;
    상기 제1 및 제3전극 접촉층 위에 각각 배치된 복수의 제1전극을 서로 연결해 주는 전극층;
    상기 제2전극 접촉층 위에 배치된 제2전극; 및
    상기 전극층과 상기 제1 내지 제3전극층 사이에 배치된 절연막을 포함하며,
    상기 제1 및 제3전극 접촉층은 n형 반도체층이며,
    상기 제2전극 접촉층은 p형 반도체층인 반도체 발광소자.
  2. 비 전도성 기판;
    상기 비 전도성 기판 위에 배치된 제 1전극 접촉층;
    상기 제 1전극 접촉층 위에 형성된 제 1활성층;
    상기 제 1활성층 위에 형성된 제 2전극 접촉층;
    상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 2활성층;
    상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 3전극 접촉층;
    상기 제3전극 접촉층 위에 배치된 투명 전극;
    상기 제1 및 제3전극 접촉층 위에 각각 배치된 복수의 제1전극을 서로 연결해 주는 전극층;
    상기 제2전극 접촉층 위에 배치된 제2전극; 및
    상기 전극층과 상기 제1 내지 제3전극층 사이에 배치된 절연막을 포함하며,
    상기 제1 및 제3전극 접촉층은 p형 반도체층이며,
    상기 제2전극 접촉층은 n형 반도체층인 반도체 발광소자.
  3. 전도성 지지기판;
    상기 전도성 지지기판 위에 배치된 제 1전극 접촉층;
    상기 제 1전극 접촉층 위에 형성된 제 1활성층;
    상기 제 1활성층 위에 형성된 제 2전극 접촉층;
    상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 2활성층;
    상기 제 2전극 접촉층 위에 형성된 제 3전극 접촉층;
    상기 제3전극 접촉층 위에 배치된 투명 전극;
    상기 제1 및 제3전극 접촉층 위에 각각 배치된 복수의 제1전극을 서로 연결해 주는 전극층;
    상기 제2전극 접촉층 위에 배치된 제2전극; 및
    상기 전극층과 상기 제1 내지 제3전극층 사이에 배치된 절연막을 포함하며,
    상기 제1 및 제3전극 접촉층은 n형 반도체층 또는 p형 반도체층인 반도체 발광소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 비전도성 기판과 상기 제1전극 접촉층 사이에 배치된 버퍼층을 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1전극 접촉층 및 상기 제3전극 접촉층은 n형 반도체층이며,
    상기 제2전극 접촉층은 p형 반도체층인 반도체 발광소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 지지 기판은 Si, Mo 및 Cu 중 어느 하나를 포함하는 반도체 발광 소자.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 지지 기판 아래에 배치되고 상기 제1전극 접촉층과 전기적으로 연결된 제1전극 패드, 및 상기 제2전극과 와이어로 연결된 제2전극 패드를 갖는 서브 마운트가 배치되는 반도체 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전도성 지지기판은 상기 서브 마운트의 제1전극 패드에 전도성 접착제로 접착되는 반도체 발광소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 서브 마운트는 반도체 기판인 반도체 발광소자.
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