KR101405742B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 저 굴절률을 갖는 제 1질화물층과 고 굴절률을 갖는 제 2질화물층을 포함하는 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층; 상기 제2도전성 반도체층 위에 형성된 반사 전극층을 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 저 굴절률을 갖는 제 1질화물층과 고 굴절률을 갖는 제 2질화물층을 포함하는 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층; 상기 제2도전성 반도체층 위에 형성된 반사 전극층을 포함한다.
Description
실시 예는 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
실시 예는 수직형 반도체 발광소자에 있어서, 표면에 저 굴절률을 갖는 질화물을 배치하여, 광 방출 효율을 개선할 수 있는 반도체 발광소자를 제공한다.
실시 예는 수직형 반도체 발광소자에 있어서, 고 굴절률을 갖는 질화물층 위에 저 굴절률을 갖는 질화물층을 형성함으로써, 광 추출 효율을 개선할 수 있는 반도체 발광소자를 제공한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 저 굴절률을 갖는 제 1질화물층과 고 굴절률을 갖는 제 2질화물층을 포함하는 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층; 상기 제2도전성 반도체층 위에 형성된 반사 전극층을 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 기판 위에 알루미늄을 포함하는 제 1질화물층 및 상기 제 1질화물층 위에 제 2질화물층을 형성하는 제 1도전성 반도체층 형성단계; 상기 제 2질화물층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 2도전성 반도체층 위에 반사전극층을 형성하는 단계; 상기 반사전극층 위에 전도성 지지부재를 형성하는 단계; 상기 기판을 제거한 후 상기 제 1질화물층의 표면에 제 1전극을 형성하는 단계를 포함한다.
실시 예는 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예는 표면에 굴절률이 상대적으로 낮은 질화물층을 배치하여, 공기 또는 수지물과의 굴절률 차이에 의한 광도 저하를 개선할 수 있다.
도 1은 제 1실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 2 내지 도 5는 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면.
도 6 및 도 7은 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 표면에 러프니스를 형성한 예를 나타낸 도면.
도 2 내지 도 5는 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면.
도 6 및 도 7은 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 표면에 러프니스를 형성한 예를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 이러한 실시 예를 설명함에 있어서, 각 층의 위 또는 아래에 대한 정의는 각 도면을 기준으로 설명하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 서로 다른 굴절률의 층을 갖는 제 1도전성 반도체층(110,120), 활성층(130), 제 2도전성 반도체층(140), 반사 전극층(150), 전도성 지지부재(160) 및 제 1전극(170)을 포함한다.
상기 제 1도전성 반도체층(110,120)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다.
상기 제 1도전성 반도체층(110,120)의 제 1질화물층(110) 및 제 2질화물층(120)을 포함하며, 상기 제 1질화물층(110)은 상기 제2질화물층(120)에 비해 저 굴절률의 매질층으로 형성되고, 또는 상기 제2질화물층(110)은 상기 제1질화물층(110)에 비해 고 굴절률의 매질층으로 형성될 수 있다. 상기 제1질화물층(110)은 AlxGa1-xN (0<x≤1)로서, n-AlGaN 또는 AlN층으로 이루어질 수 있고, 상기 제2질화물층(120)은 n-GaN층으로 이루어질 수 있다. 여기서, 발광 파장이 450nm일 때, 상기 GaN의 굴절률은 2.44이며, AlGaN 또는 AlN은 2.12~2.44가 된다.
여기서, 상기 AlGaN의 경우 Al과 Ga의 조성비(composition ratio)에 따라 굴절률이 2.12~2.44로 변경되며, Ga에 비해 Al의 함량이 상대적으로 많아지면 굴절률은 더 낮아져 광 추출 효율은 증가될 수 있다.
상기 제 1도전성 반도체층(110,120)의 제1질화물층(110) 위에는 제 1전극(170)이 형성된다.
상기 제 1도전성 반도체층(110,120)의 제2질화물층(120)의 아래에는 활성층(130)이 형성되며, 상기 활성층(130)은 단일 또는 다중 양자우물 구조로 형성되는 데, 예컨대, InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하여, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다.
상기 활성층(130) 아래에는 제 2도전성 반도체층(140)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(140)은 p형 도펀트(예: Mg)가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 p형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한 상기 제 2도전성 반도체층(140) 아래에는 n형 반도체층(미도시)이 형성될 도 있다. 또한 실시 예에서는 제 1도전성 반도체층(110,120)이 p형 반도체층이고, 제 2도전성 반도체층(140)이 n형 반도체층으로 구현될 수도 있으며, 이에 한정하지는 않는다.
상기 제 2도전성 반도체층(140)의 아래에는 반사 전극층(150)이 형성된다. 상기 반사 전극층(150)은 Al, Ag, Pd, Rh, Pt 등의 재질로 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 반사 전극층(150) 아래에는 전도성 지지부재(160)가 형성된다. 상기 전도성 지지부재(160)는 구리 또는 금 등의 재질로 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 반사 전극층(150)과 상기 전도성 지지부재(160)의 재질은 변경될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이러한 반도체 발광소자(100)의 표면에는 저 굴절률을 갖는 제1질화물층(110)인 n-AlGaN층 또는 n-AlN층을 형성해 줌으로써, 상기 활성층(130)에서 방출되는 광은 제2질화물층(120)로 입사되어 제1질화물층(110)을 통해 외부로 쉽게 추출될 수 있다. 이에 따라 LED 광도를 개선할 수 있다.
도 2 내지 도 5는 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 기판(101) 위에 버퍼층(103), 서로 다른 굴절률의 층을 갖는 제 1도전성 반도체층(110,120), 활성층(130), 제 2도전성 반도체층(140)을 포함한다.
상기 기판(101)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 버퍼층(103)은 상기 기판(101)과의 격자 상수 차이를 줄여주기 위한 층으로서, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 등이 선택적으로 이용하여 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(103) 위에는 언도프드 반도체층(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 언도프드 반도체층(미도시)은 undoped GaN층으로 구현될 수 있다. 또한 상기 기판(101) 위에는 상기 버퍼층(103) 및 언도프드 반도체층이 존재하지 않거나, 적어도 한 층만 존재할 수 있다.
상기 버퍼층(103) 위에는 제 1도전성 반도체층(110,120)이 형성된다. 상기 제 1도전성 반도체층(110,120)은 n형 반도체층으로, 상기 버퍼층(103) 위에 형성된 저 굴절률의 제 1질화물층(110), 상기 제 1질화물층(110) 위에 형성된 고 굴절률의 제 2질화물층(120)을 포함한다. 상기 제 1질화물층(110)은 n-AlGaN층 또는 AlN층으로 구현되며, 상기 제 2질화물층(120)은 n-GaN층으로 구현될 수 있다. 상기 n-AlGaN층(110)은 Al 함량에 따라 굴절률이 변경 예컨대, 더 낮아질 수 있다.
그리고 수학식 1을 이용하여, 상기 제 1질화물층(110) 및 제 2질화물층(120)의 두께는 최적화할 수 있다.
[수학식 1]
T=λ/(4n)
상기 T는 각 매질의 두께이며, λ는 파장이고, n은 각 매질의 굴절률(Refractive index)이다.
상기 제 1도전성 반도체층(110,120)의 제 2질화물층(120) 위에는 활성층(130)이 형성되며, 상기 활성층(130) 위에는 제 2도전성 반도체층(140)이 형성된다.
도 3을 참조하면, 상기 제 2도전성 반도체층(140) 위에는 반사 전극층(150)이 형성된다. 상기 반사 전극층(150)은 제 2전극으로 기능하며, Al, Ag, Ag alloy, Al alloy, Ni, Pd, Rh, Pt 등의 재질로 선택적으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 반사 전극층(150) 위에는 전도성 지지부재(160)가 형성된다. 상기 전도성 지지부재(160)는 구리 또는 금, 도전성 기판 등의 재질로 선택적으로 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4의 기판(101) 및 버퍼층(103)은 물리적 및 화학적 방법으로 제거된 후, 제 1도전성 반도체층(110,120) 중에서 제 1질화물층(110)의 표면이 노출되도록 한다. 여기서, 상기 기판(101)은 표면에 레이저를 조사하는 방식(LLO : Liser Lift Off)을 통해 제거될 수도 있고, 상기 버퍼층(103)은 습식 식각법 및/또는 건식 식각법을 통해 제거될 수 있다.
이러한 상기 제 1도전성 반도체층(110,120) 중에서 제 1질화물층(110)의 표면에 제 1전극(170)을 형성하게 된다.
상기 제 1도전성 반도체층(110,120)은 저 굴절률을 갖는 제 1질화물층(110)과 고 굴절률을 갖는 제 2질화물층(120)으로 이루어짐으로써, 활성층(130)에서 발생된 광은 고 굴절률을 갖는 제 2질화물층(120)을 거쳐 저 굴절률을 갖는 제 1질화물층(110)을 통해 외부로 용이하게 방출될 수 있다.
도 6 및 도 7은 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 표면에 러프니스를 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 1도전성 반도체층(110,120)에서 제 1질화물층(110)의 표면에 톱니파 또는 삼각파 형태의 러프니스(115)가 형성된다. 이러한 상기 러프니스(115)는 램덤한 주기 또는 일정한 주기로 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 1도전성 반도체층(110,120)에서 제 2질화물층(110)의 표면에 주기적인 형태로 표면 요철 형태의 러프니스(115A)가 형성된다. 이러한 상기 러프니스(115A)는 램덤한 주기 또는 일정한 주기로 형성될 수 있다.
상기 러프니스(115,115A)는 상기 제 1질화물층(110)의 표면에서의 광 임계각을 변화시켜 줌으로써, 외부 양자 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 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.
100 : 반도체 발광소자, 101 : 기판, 103 : 버퍼층, 110,120 : 제1도전성 반도체층, 130 : 활성층, 140 : 제2도전성 반체체층, 150 : 반사전극층, 160 : 전도성 지지부재, 170: 제1전극, 115,115A : 러프니스
Claims (8)
- 제1도전성 반도체층;
상기 제1도전성 반도체층에 전기적으로 연결된 전극;
상기 제1도전성 반도체층 아래에 제2도전성 반도체층;
상기 제1도전성 반도체층과 상기 제2도전성 반도체층 사이에 활성층; 및
상기 제2도전성 반도체층 아래에 반사 전극층을 포함하며,
상기 제1도전성 반도체층은 제1 도전성을 갖는 저 굴절률의 질화물층과 제1 도전성을 갖는 고 굴절률의 질화물층을 포함하며,
상기 고 굴절률의 질화물층은 상기 저 굴절률의 질화물층에 비해 더 높은 굴절률을 가지며,
상기 고 굴절률의 질화물층은 상기 저 굴절률의 질화물층보다 상기 활성층에 가깝게 배치되고,
상기 활성층은 소정의 파장대역을 갖고,
상기 저 굴절률의 질화물층과 상기 고 굴절률의 질화물층의 두께(T)는
수학식 T=λ/(4n) (상기 λ는 상기 활성층의 발광 파장이고, n은 상기 저 굴절률의 질화물층과 상기 고 굴절률 질화물층의 각각의 굴절률(Refractive index)이다.)에 의해 계산된 범위 중 어느 하나의 두께를 갖는 반도체 발광소자. - 제 1항에 있어서, 상기 반사 전극층 아래에 형성된 전도성 지지부재를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 2도전성 반도체층은 p형 반도체층인 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 저 굴절률의 질화물층은 n형 AlxGa1-xN (0<x≤1)을 포함하며,
상기 고 굴절률의 질화물층은 n형 GaN계열의 물질을 포함하는 반도체 발광소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제2도전성 반도체층과 상기 반사 전극층 사이에 제3도전성 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자. - 제1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제1도전성 반도체층의 상면에 러프니스를 포함하는 반도체 발광 소자. - 제6항에 있어서,
상기 러프니스는 상기 저 굴절률의 질화물층 상면의 표면에 톱니파 또는 삼각파 형태로 주기적으로 형성되는 반도체 발광소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반도체 발광소자가 450nm±50nm의 파장 범위를 갖고 상기 저 굴절률의 질화물층이 2~2.4의 굴절률일 경우, 상기 저굴절률의 질화물층은 41nm~63nm의 범위내의 어느 하나의 두께를 갖는 반도체 발광소자.
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