KR101414645B1 - Nitride semiconductor light emitting device having vertical topology and method for making the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 수직형 질화물계 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 도전성 기판; 상기 도전성 기판 상에 위치하는 제 1전극; 상기 제 1전극 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하며, 제 1전도성 반도체층, 활성층, 및 제 2전도성 반도체층을 포함하는 반도체 구조; 상기 반도체 구조 상에 위치하는 무 도핑 반도체층; 상기 무 도핑 반도체층을 관통하여 상기 제 2전도성 반도체층에 이르는 개구부; 상기 개구부에 위치하며, 상기 제 2전도성 반도체층에 삽입되어 접촉하는 삽입부, 상기 삽입부의 주변부 측에서 상기 무 도핑 반도체층 상측까지 연장되는 연장부를 포함하는 제 2전극; 및 상기 무 도핑 반도체층에 형성되는 광 추출 구조를 포함하여 구성된다.The present invention relates to a light emitting device, and more particularly, to a vertical nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same. The present invention provides a semiconductor device comprising: a conductive substrate; A first electrode disposed on the conductive substrate; A semiconductor structure disposed on the first electrode, the semiconductor structure including a nitride-based semiconductor, the semiconductor structure including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer; A non-doped semiconductor layer located on the semiconductor structure; An opening penetrating the undoped semiconductor layer to reach the second conductive semiconductor layer; A second electrode located at the opening and including an insertion portion inserted into and contacting the second conductive semiconductor layer and an extension extending from the peripheral portion side of the insertion portion to an upper side of the undoped semiconductor layer; And a light extracting structure formed on the undoped semiconductor layer.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 수직형 질화물계 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting device, and more particularly, to a vertical nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same.
반도체 발광소자의 하나인 질화물계 발광 다이오드(nitride-based Light Emitting Diodes; LEDs)는 전압이 가해지면 p-형 및 n-형 반도체의 접합영역에서 전자와 정공의 재결합에 의해 다양한 색상의 빛이 발광될 수 있는 반도체 장치이다.When a voltage is applied, nitride-based light emitting diodes (LEDs), which is one of the semiconductor light emitting devices, emit light of various colors by recombination of electrons and holes in a junction region of p- Which is a semiconductor device.
이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동특성, 높은 진동 저항 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 최근에는 질화갈륨(GaN) 반도체를 기반으로 한 청색계열의 단파장 LED가 백색광원으로 많은 각광을 받고 있다.
이러한 질화갈륨 LED는 웨이퍼 성장시 대부분 사파이어 또는 탄화규소(silicon carbide) 기판을 출발 재료(starting material)로 사용한다. 그러나 대구경 사파이어와 탄화규소 기판은 가격이 비싸고 작업하기 까다로울 뿐만 아니라 사용 범위가 제한적이다.
이런 이유로 높아진 생산 비용 및 제품 가격은 가정 및 상업용 빌딩에서의 LED 조명 보급 확대에 걸림돌이 되고 있다. 그러나 저렴한 대형 실리콘 웨이퍼 상에서 질화갈륨을 성장시키는 기술을 이용하면 최신 반도체 제조에도 적용이 가능할 뿐만 아니라 현재 이용되고 있는 방식보다 비용 측면에서 75% 가량 개선이 가능하기 때문에, 최근 전세계의 많은 산학 연구자들의 큰 주목을 받고 있다.
하지만, 실리콘과 질화갈륨 간에는 격자상수 및 열팽창계수 차이가 크기 때문에 기존의 사파이어 및 탄화규소 기판에 비해 성장 품질이 떨어질 수 있으며, 성장 두께가 두꺼울수록 이러한 현상은 극대화될 수 있다.
따라서, 이러한 성장 두께에 대한 제약을 극복하거나 이러한 얇은 두께에 의하여 발생할 수 있는 전기적 광학적 특성의 저하 등의 문제점에 대하여 효과적으로 대처할 필요성이 대두된다.Such LEDs have a number of advantages such as long lifetime, low power supply, excellent initial driving characteristics, and high vibration resistance as compared with filament-based light emitting devices. Therefore, the demand for LEDs is continuously increasing. Recently, GaN , A blue-based short-wavelength LED has attracted much attention as a white light source.
These gallium nitride LEDs use mostly sapphire or silicon carbide substrates as the starting material during wafer growth. However, large diameter sapphire and silicon carbide substrates are expensive, difficult to work with, and limited in scope.
For this reason, increased production costs and product prices are hampering the expansion of LED lighting in residential and commercial buildings. However, by using the technology to grow gallium nitride on an inexpensive large-scale silicon wafer, it can be applied to the latest semiconductor manufacturing as well as it can be improved by 75% in terms of cost compared with the current method. Therefore, It is getting attention.
However, since the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between silicon and gallium nitride is large, growth quality may be lower than that of conventional sapphire and silicon carbide substrates, and this phenomenon can be maximized as the growth thickness is thicker.
Therefore, there is a need to overcome the constraint on such a growth thickness or effectively cope with the problems such as a decrease in the electrical and optical characteristics that can be caused by such a thin thickness.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전류확산 유도 및 용이한 표면 형상 제어를 통한 균일 광분포 및 출력 향상을 도모하는 수직형 질화물계 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a vertical nitride-based semiconductor light-emitting device and a method of manufacturing the same, which can improve uniform light distribution and output through current diffusion induction and easy surface shape control.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 1관점으로서, 본 발명은, 도전성 기판; 상기 도전성 기판 상에 위치하는 제 1전극; 상기 제 1전극 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하며, 제 1전도성 반도체층, 활성층, 및 제 2전도성 반도체층을 포함하는 반도체 구조; 상기 반도체 구조 상에 위치하는 무 도핑 반도체층; 상기 무 도핑 반도체층을 관통하여 상기 제 2전도성 반도체층에 이르는 개구부; 상기 개구부에 위치하며, 상기 제 2전도성 반도체층에 삽입되어 접촉하는 삽입부, 상기 삽입부의 주변부 측에서 상기 무 도핑 반도체층 상측까지 연장되는 연장부를 포함하는 제 2전극; 및 상기 무 도핑 반도체층에 형성되는 광 추출 구조를 포함하여 구성된다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a conductive substrate; A first electrode disposed on the conductive substrate; A semiconductor structure disposed on the first electrode, the semiconductor structure including a nitride-based semiconductor, the semiconductor structure including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer; A non-doped semiconductor layer located on the semiconductor structure; An opening penetrating the undoped semiconductor layer to reach the second conductive semiconductor layer; A second electrode located at the opening and including an insertion portion inserted into and contacting the second conductive semiconductor layer and an extension extending from the peripheral portion side of the insertion portion to an upper side of the undoped semiconductor layer; And a light extracting structure formed on the undoped semiconductor layer.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 2관점으로서, 본 발명은, 실리콘 반도체를 포함하는 성장 기판 상에 무 도핑 반도체층을 성장시키는 단계; 상기 무 도핑 반도체층 상에 질화물계 반도체를 이용하여 제 1전도성 반도체층, 활성층, 및 제 2전도성 반도체층을 포함하는 반도체 구조를 성장시키는 단계; 상기 반도체 구조 상에 제 1전극을 형성하는 단계; 상기 제 1전극 상에 도전성 기판을 부착하는 단계; 상기 성장 기판을 제거하는 단계; 상기 무 도핑 반도체층의 일부에 삽입홀을 형성하는 단계; 상기 삽입홀 상에 상기 반도체 구조와 접촉하는 삽입부, 상기 삽입부의 주변부 측에서 상기 무 도핑 반도체층 상측까지 연장되는 연장부를 포함하는 제 2전극을 형성하는 단계; 및 상기 무 도핑 반도체층을 식각하여 광 추출 구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: growing a non-doped semiconductor layer on a growth substrate including a silicon semiconductor; Growing a semiconductor structure including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer on the undoped semiconductor layer using a nitride-based semiconductor; Forming a first electrode on the semiconductor structure; Attaching a conductive substrate on the first electrode; Removing the growth substrate; Forming an insertion hole in a portion of the undoped semiconductor layer; Forming a second electrode on the insertion hole, the second electrode including an insertion portion contacting the semiconductor structure and an extension extending from the peripheral portion side of the insertion portion to an upper side of the undoped semiconductor layer; And forming a light extracting structure by etching the undoped semiconductor layer.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.The present invention has the following effects.
먼저, 상대적으로 얇은 두께의 반도체 층을 가질 수밖에 없는 실리콘 기판 상의 질화갈륨 반도체 박막 구조에 있어 고 효율, 고 수율의 수직형 반도체 발광 소자를 구현할 수 있다.First, a vertical type semiconductor light emitting device having a high efficiency and a high yield can be realized in a gallium nitride semiconductor thin film structure on a silicon substrate which has a relatively thin semiconductor layer.
또한, 전극 구조의 형상을 제어함으로써 보다 효과적인 전류주입 및 전류확산과 광 방출 표면 형상 제어를 유도할 수 있어, 낮은 동작전압과 높은 광 방출 성능의 발광소자를 구현할 수 있는 효과가 있는 것이다.Further, by controlling the shape of the electrode structure, more efficient current injection, current diffusion, and light emission surface shape control can be induced, thereby realizing a light emitting device having a low operating voltage and high light emission performance.
도 1은 수직형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 수직형 발광 소자의 제조 단계를 나타내는 단면도이다.
도 7은 수직형 발광 소자가 와이어 본딩된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 8은 수직형 발광 소자의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 8의 수직형 발광 소자의 일부 사진이다.
도 10은 수직형 발광 소자의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an example of a vertical light emitting device.
FIGS. 2 to 6 are cross-sectional views showing steps of manufacturing a vertical type light emitting device.
7 is a cross-sectional view showing a state in which the vertical light emitting device is wire-bonded.
8 is a cross-sectional view showing another example of the vertical light emitting device.
9 is a photograph of a part of the vertical light emitting device of FIG.
10 is a cross-sectional view showing still another example of the vertical light emitting device.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 수직형 발광 소자는 도전성 기판(10) 상에 제 1전극(20)이 위치하고, 이 제 1전극(20) 상에 질화갈륨(GaN) 계열의 반도체 구조(30)가 위치한다.1, a vertical light emitting device according to the present invention includes a
이 반도체 구조(30) 상에는 의도적으로 도핑되지 않은 무 도핑 반도체층(60)이 위치하게 되며, 이 무도핑 반도체층(60)을 관통하여 반도체 구조(30)에 이르는 개구부에 제 2전극(40)이 위치한다. 또한, 무 도핑 반도체층(60)을 이용하여 형성한 광 추출 구조(50)가 구비된다.
도전성 기판(10)은 반도체 또는 금속이 이용될 수 있으며, 제 1전극(20)은 p-형 전극으로서, 반도체 구조(30)에 접촉하는 접촉 전극과 반사 전극을 포함할 수 있다. 이하, 제 1전극(20)을 p-형 전극으로 설명하고, 제 2전극(40)은 n-형 전극으로 설명한다. 물론, 서로 반대의 경우도 가능하다.The
반도체 구조(30)는 p-형 전극(30) 상에 위치하는 p-형 반도체층(31), 이 p-형 반도체층(31) 상에 위치하는 활성층(32), 그리고 이 활성층(32) 상에 위치하는 n-형 반도체층(33)을 포함하여 이루어진다.The
이때, n-형 반도체층(33)의 두께는 p-형 반도체층(31)보다 매우 두꺼운 두께를 가질 수 있다.At this time, the thickness of the n-
이 반도체 구조(30) 상에 위치하는 무 도핑 반도체층(60)은 이 반도체 구조(30)가 고품질을 갖도록 하는 버퍼층일 수 있으며, 이러한 무 도핑 반도체층(60)에는 광 추출 구조(50)가 위치하게 된다.The
이러한 광 추출 구조(50)는 무 도핑 반도체층(60)을 식각하여 형성할 수 있는데, 습식 식각 또는 광 전해 식각 방법이 이용될 수 있다. 광 전해 식각 방법을 이용하는 경우에는 무 도핑 반도체층(60)과 n-형 반도체층(33) 사이에 무 도핑 반도체층(60)보다 에너지 밴드갭이 더 큰 식각저지층(도시되지 않음)이 위치할 수도 있다.The
광 추출 구조(50)는 다수의 단위 구조(51)를 포함하여 이루어질 수 있는데, 이러한 단위 구조(51)는 밑면이 육각형 또는 사각형인 피라미드 형상을 가질 수 있다. 또한, 이러한 단위 구조(51) 중 적어도 일부는 그 크기가 서로 다르게 형성될 수 있다.The
무 도핑 반도체층(60)과 광 추출 구조(50)에는 이를 관통하여 반도체 구조(30)의 n-형 반도체층(33)에 이르도록 하는 개구부(61)가 위치하고, 이 개구부(61)에는 n-형 전극(40)이 위치하게 된다.The
즉, 이러한 n-형 전극(40)은 무 도핑 반도체층(60) 상에 삽입된 구조를 가지며, n-형 반도체층(33)에 접촉하는 삽입부(41)를 포함하고, 이 삽입부(41)의 주변부에는 무 도핑 반도체층(60) 상측까지 연장되는 연장부(42)를 포함한다.That is, the n-
삽입부(41)는 n-형 반도체층(33)과 면 접촉할 수 있도록 일정 면적을 가지는 평면 형상을 가질 수 있다.The
한편, 연장부(42)에서는 무 도핑 반도체층 상측에서 삽입부(41)에 대하여 평행한 방향으로 절곡되는 절곡부(43)를 더 포함할 수 있다. 이러한 절곡부(43)는 발광 소자의 외측을 향하여 절곡될 수 있으며, 이 절곡부(43)는 무 도핑 반도체층(60)과 접촉한다. The extended
이러한 절곡부(43)는 n-형 전극(40)이 무 도핑 반도체층(60)에 견고하게 고정될 수 있도록 할 수 있으며, 패드(70; 도 7 참고)를 형성할 때, 보다 용이하게 형성할 수 있도록 할 수 있다.This
연장부(42)는 도시하는 바와 같이, 삽입부(41)의 주변부 측에서 상측으로 연장하여 위치할 수 있으며, 따라서, 삽입부(41) 상에는 수납부(44)가 형성될 수 있다. 이러한 수납부(44)는 패드(70)의 형성 및 와이어(80) 본딩이 용이하도록 공간을 제공할 수 있다.The extending
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 수직형 발광 소자의 제조 과정을 설명한다.Hereinafter, a manufacturing process of the vertical light emitting device of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 6. FIG.
먼저, 도 2에서와 같이, 성장 기판(90) 상에 무 도핑 반도체층(60)를 형성한다. 이때, 성장 기판(90)은 실리콘(silicon) 반도체 기판을 이용할 수 있다.First, as shown in FIG. 2, a non-doped
무 도핑 반도체층(60)은 성장 기판(90) 상에 성장 핵을 형성하는 버퍼층을 포함할 수 있다.The
이러한 무 도핑 반도체층(60) 상에는 n-형 반도체층(33), 활성층(32), 및 p-형 반도체층(31)을 차례로 포함하는 반도체 구조(30)를 성장시키는데, 이러한 반도체 구조(30)는 유기 금속 화학적 기상 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 방법을 통해 성장시킬 수 있다.On this
활성층(32)은 단일 또는 다중 양자 우물 구조(MQWs; Multi Quantum-Wells)를 가질 수 있다.The
이러한 반도체 구조(30) 상에는 p-형 전극(20)을 형성하는데, 이러한 p-형 전극(20)은 p-형 반도체층(31)에 접촉하는 접촉 전극과 반사형 전극을 포함할 수 있다.On the
이후, p-형 전극(20) 상에는 도전성 기판(10)을 부착하거나, 도금과 같은 방법으로 형성한다. 이러한 도전성 기판(10)은 금속 또는 반도체 웨이퍼가 이용될 수 있다.Thereafter, the
다음에는 도전성 기판(10)을 지지층으로 이용하여 성장 기판(90)을 분리하고 이를 역전시키면 도 3과 같은 구조가 된다.Next, the
성장 기판(90)의 분리는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-off) 또는 화학적 리프트 오프(Chemical Lift-off) 등의 방법을 이용할 수 있다. For the separation of the
이와 같이, 성장 기판(90)을 분리시키고 난 후에 남은 반도체 구조(30)의 총 두께는 하부로부터 p-형 반도체층(31), 활성층(32), n-형 반도체 층(33)를 포함하고, 여기에 무 도핑 반도체층(60)을 포함하여 총 두께가 4 내지 10 ㎛를 이룰 수 있다.The total thickness of the remaining
또한, 버퍼층을 포함하는 무 도핑 반도체층(60)을 플라즈마 건식 식각 등의 방법에 의해 전면 식각하여 적절한 두께의 무 도핑 반도체층(60)이 남도록 할 수 있다.In addition, the
다음에는, 도 4에서와 같이, n-형 전극(40)를 형성하기 위해 상부의 무 도핑 반도체층(60)의 일부를 노출시켜 n-형 반도체층(33)이 드러나도록 개구부(61)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 4, a portion of the
이러한 개구부(61)의 형성은 포토 리소그래피 공정 등을 이용하여 개구부(61)를 형성할 영역을 패터닝(patterning)하고, 건식 식각 또는 습식 식각의 방법을 이용하여 일정 깊이로 식각하여 n-형 반도체층(33)의 일부 깊이로 파고드는 개구부(61)를 형성한다. 이때 식각을 위한 마스크 물질은 금속 또는 포토 레지스트를 사용할 수 있다.The
이때, n-형 전극(40)을 삽입하기 위한 식각 깊이는 추후 광 추출 구조(50) 형성을 위한 표면 형상 가공 공정 시 충분한 표면 형상 제어가 가능한 범위인 100 nm에서 수 ㎛의 범위가 될 수 있으며, 이는 무 도핑 반도체층(60)과 n-형 반도체층(33)의 일부를 포함한 두께이다.At this time, the etching depth for inserting the n-
다음에는 도 5에서와 같이, 개구부(61) 상에 n-형 반도체층(33)과 접촉하는 n-형 전극(40)을 형성한다. Next, as shown in Fig. 5, an n-
이러한 n-형 전극(40)은 개구부(61)에 삽입되는 구조를 가지는데, n-형 반도체층(33)과 접촉하는 삽입부(41)와, 이 삽입부(41)의 주변부 측에서 무 도핑 반도체층(60) 상측까지 연장되는 연장부(42)를 포함할 수 있다.The n-
따라서, 이러한 n-형 전극(40)의 단면 형상은 "ㄷ" 자 형(또는 직사각형) 또는 컵 형상을 가질 수 있다.Therefore, the cross-sectional shape of the n-
이러한 n-형 전극(40)의 형성은 n-형 전극(40)을 이루는 금속 물질을 E-빔 증착(E-beam Evaporating) 또는 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법을 이용하여 개구부(61) 내부에 증착하여 형성할 수 있다.The formation of the n-
이후, 도 6에서와 같이, KOH, H3PO4 등의 용액을 이용한 습식 식각 공정을 이용하여 무 도핑 반도체층(60)을 식각함으로써 광 방출을 위한 표면 형상(광 추출 구조; 50)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 6, a surface shape (light extracting structure) 50 for light emission is formed by etching the
만일, 무 도핑 반도체층(60)을 이용하지 않고 n-형 반도체층(33)을 식각하여 광 추출 구조를 형성하는 경우에는 n-형 반도체층(33)의 두께가 충분히 두껍지 않을 경우에는 광 추출 구조 형성을 위한 습식 식각 공정 후 남아있는 n-형 반도체층(33)의 두께가 매우 얇아질 수밖에 없으며, 이는 전류확산과 표면 형상 제어, 그리고 공정 수율 측면에서 불리할 수 있다.If the thickness of the n-
따라서, 무 도핑 반도체층(60)을 이용한 광 추출 구조(50)의 형성은 전류확산과 표면 형상 제어, 그리고 공정 수율 측면에서 큰 효과가 있다. 더욱이, 실리콘 반도체를 성장 기판(90)으로 이용할 경우에는 n-형 반도체층(33)의 두께에 제한이 있으므로 더욱 효과적일 수 있다.Therefore, the formation of the
이때, n-형 전극(40)이 광 추출 구조(50) 형성 과정에서 산화 또는 식각되지 않도록 하기 위해 Cr, Pt, Au, Ni, Mo, W, Pd, Ta, Pb, Cu, Te, Rh, 또는 Cd 등과 같이 KOH, H3PO4 등의 식각 용액에 반응하지 않는 금속 물질로 구성하는 것이 유리하다.In order to prevent the n-
또는, 광 추출 구조(50)의 형성 과정에서 n-형 전극(40)을 보호하는 보호층을 형성한 후에 광 추출 구조(50) 형성을 위한 식각 과정을 진행할 수도 있다.Alternatively, the protective layer for protecting the n-
이와 같은 질화갈륨 계열 발광 소자(LED, LD)는 사파이어 또는 탄화규소(silicon carbide) 기판을 출발 재료(starting material)로 사용할 수 있다. 그러나 대구경 사파이어와 탄화규소 기판은 가격이 비싸고 작업하기 까다로울 뿐만 아니라 사용 범위가 제한적이다. The gallium nitride based light emitting device (LED, LD) can use a sapphire or silicon carbide substrate as a starting material. However, large diameter sapphire and silicon carbide substrates are expensive, difficult to work with, and limited in scope.
이런 이유로 높아진 생산 비용 및 제품 가격은 가정 및 상업용 빌딩에서의 LED 조명 보급 확대에 걸림돌이 되고 있다. 그러나 저렴한 대형 실리콘 웨이퍼 상에서 질화갈륨을 성장시키는 기술을 이용하면 실리콘 반도체 관련 제조 기술 적용이 가능할 뿐만 아니라 비용 측면에서 75% 가량 개선이 가능하다. For this reason, increased production costs and product prices are hampering the expansion of LED lighting in residential and commercial buildings. However, using technology to grow gallium nitride on cheap large-size silicon wafers, it is possible to apply manufacturing technology related to silicon semiconductors as well as improve the cost by 75%.
그러나, 실리콘과 질화갈륨 간에는 격자상수 및 열팽창계수 차이가 크기 때문에 사파이어 및 탄화규소 기판에 성장된 질화갈륨에 비하여 품질이 저하될 수 있으며, 성장 두께가 두꺼울수록 이러한 현상은 커질 수 있다. However, since the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between silicon and gallium nitride is large, quality may be lowered compared to gallium nitride grown on sapphire and silicon carbide substrates, and this phenomenon may become larger as the growth thickness increases.
따라서, 실리콘 반도체 상에 성장되는 질화갈륨 반도체의 두께는 제한적일 수 있다. 이러한 질화갈륨 반도체 층의 얇은 두께는 전류확산에 있어서 제한적 상황이 발생할 수 있고, 광 추출 효율 향상을 위한 표면 형상 제어에 있어 제한 사항이 될 수 있다.Therefore, the thickness of the gallium nitride semiconductor grown on the silicon semiconductor may be limited. The thin thickness of the gallium nitride semiconductor layer may cause a limited current diffusion and may be a limitation on the surface shape control for improving the light extraction efficiency.
그러나, 위에서 설명한 바와 같이, 상부의 n-형 전극(40)을 구성함에 있어, n-형 반도체층(33) 전면을 표면에 드러내지 않고 일부 영역만 깊이 식각하여 n-형 전극을 삽입한 후 n-형 전극 이외의 영역에 남아있는 무 도핑 반도체 층을 이용하여 광 추출 구조(50) 형상 가공을 할 수 있기 때문에, n-형 반도체층(33)의 두께에 대한 제약 없이 충분한 표면 형상 제어와 전류 확산을 도모할 수 있다.However, as described above, in forming the upper n-
따라서, 낮은 구동전압과 높은 광 방출 특성의 발광소자를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 광 추출 구조(50) 형상 가공 공정에 따른 n-형 반도체층(33)의 두께 및 표면 형상 제어의 재현성을 높여 발광소자 성능의 신뢰성과 공정 수율 또한 높일 수 있는 것이다.Accordingly, it is possible not only to realize a light emitting device having a low driving voltage and a high light emission characteristic, but also to improve the reproducibility of the thickness and surface shape control of the n-
즉, 위에서 설명한 제조방법에 의한 삽입된 n-형 전극(40)으로 구성된 수직형 반도체 발광 소자는 상대적으로 얇은 두께의 반도체 층을 가질 수밖에 없는 실리콘 기판 상의 질화갈륨 반도체 박막 구조에 있어 고 효율, 고 수율의 수직형 반도체 발광 소자를 구현하는 데에 매우 적합할 뿐만 아니라, 삽입되는 전극 구조의 형상을 제어함으로써 보다 효과적인 전류주입 및 전류확산과 광 방출 표면 형상 제어를 유도할 수 있어, 낮은 동작전압과 높은 광 방출 성능의 발광소자를 구현하는 데 적합하다.That is, the vertical type semiconductor light emitting device composed of the inserted n-
한편, 도 7에서와 같이, n-형 전극(40)의 연장부(42)에 의하여 형성되는 수납부(44)에는 패드(70)가 위치하여, 이 패드(70)에 와이어(80)가 본딩되어 전기적으로 연결될 수 있다.7, a
도 8에서는 n-형 전극(40)을 구성하는 연장부(45)가 삽입부(41)에 대하여 직각이 아닌 각도(θ)를 이루는 실시예를 나타내고 있다.8 shows an embodiment in which the extending
이때, 이러한 삽입부(41)는 n-형 반도체층(33)의 일부 깊이(d) 삽입된 것을 알 수 있으며, 발광 소자의 전기적 특성과 광 추출되는 면적을 고려할 때, 이러한 n-형 전극(41)이 삽입된 삽입 깊이(d)와 삽입부(41)가 n-형 반도체층(33)과 접촉하는 접촉 면적(w)의 비율은 1:1 내지 1:5인 것이 유리하다. 이러한 사항은 도 1에서 설명한 예에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.At this time, it can be seen that the inserting
또한, 경사진 연장부(45)의 각도는 삽입부(41)가 n-형 반도체층(33)과 접촉하는 접촉 평면에 대하여 20°내지 70°의 각을 이루는 것이 유리하다.In addition, it is advantageous that the angle of the
도 9에서는 도 8과 같은 구조의 n-형 전극(40)이 실제 제작된 사진을 나타내고 있다. 또한, 도 10에서는 삽입부 및 연장부(46)가 연속된 곡면을 이루는 예를 도시하고 있다. 즉, 삽입부 및 연장부(46)가 연속된 곡면을 이루어, 단면 형상은 타원형의 일부 형상을 이룰 수 있다.9 shows a photograph in which the n-
이상과 같이, n-형 전극(40)의 단면 형상은 삽입부의 형상 제어를 통해 도 1과 같은 직사각형, 도 8과 같은 역 사다리꼴, 및 도 10과 같은 타원형의 구조로 구성될 수 있고, 이에 따른 n-형 전극(40)의 단면 형상과 식각 깊이(d) 조절에 따라, n-형 전극(40)과 n-형 반도체층(33)이 닿는 표면적을 조절함으로써 전류 주입 및 전류 확산 효율을 극대화하여 동작전압 및 광 방출 특성을 개선시킬 수 있다.As described above, the cross-sectional shape of the n-
위의 설명과 도면에 개시된 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.The examples set forth in the foregoing description and drawings are merely illustrative of specific examples for purposes of understanding and are not intended to limit the scope of the invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the examples disclosed herein.
10: 도전성 기판 20: p-형 전극
30: 반도체 구조 31: p-형 반도체층
32: 활성층 33: n-형 반도체층
40: n-형 전극 50: 광 추출 구조
60: 무 도핑 반도체층 70: 패드
80: 와이어10: conductive substrate 20: p-type electrode
30: semiconductor structure 31: p-type semiconductor layer
32: active layer 33: n- type semiconductor layer
40: n-type electrode 50: light extracting structure
60: undoped semiconductor layer 70: pad
80: wire
Claims (13)
상기 도전성 기판 상에 위치하는 제 1전극;
상기 제 1전극 상에 위치하고, 질화물계 반도체를 포함하며, 제 1전도성 반도체층, 활성층, 및 제 2전도성 반도체층을 포함하는 반도체 구조;
상기 반도체 구조 상에 위치하는 무 도핑 반도체층;
상기 무 도핑 반도체층을 관통하여 상기 제 2전도성 반도체층에 이르는 개구부;
상기 개구부에 위치하며, 상기 제 2전도성 반도체층에 삽입되어 접촉하는 삽입부, 상기 삽입부의 주변부 측에서 상기 무 도핑 반도체층 상측까지 연장되는 연장부 및 상기 삽입부 상에 형성되는 수납부를 포함하고, 상기 삽입부가 상기 제 2전도성 반도체층에 삽입된 깊이와 상기 제 2전도성 반도체층과의 접촉 면적의 비율은 1:1 내지 1:5인 제 2전극;
상기 수납부 내에 위치하고 와이어 본딩을 위한 패드; 및
상기 무 도핑 반도체층에 형성되는 광 추출 구조를 포함하여 구성되고,
상기 제 2전극은 상기 광 추출 구조의 형성을 위한 식각 용액에 반응하지 않는 금속 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 반도체 발광 소자.A conductive substrate;
A first electrode disposed on the conductive substrate;
A semiconductor structure disposed on the first electrode, the semiconductor structure including a nitride-based semiconductor, the semiconductor structure including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer;
A non-doped semiconductor layer located on the semiconductor structure;
An opening penetrating the undoped semiconductor layer to reach the second conductive semiconductor layer;
A semiconductor layer formed on the first conductive semiconductor layer; a second conductive semiconductor layer formed on the first conductive semiconductor layer; a second conductive semiconductor layer formed on the first conductive semiconductor layer; A ratio of a depth of the inserting portion inserted into the second conductive semiconductor layer to a contact area of the second conductive semiconductor layer is 1: 1 to 1: 5;
A pad for wire bonding located in the receiving portion; And
And a light extracting structure formed on the undoped semiconductor layer,
Wherein the second electrode comprises a metal material that does not react with the etching solution for forming the light extracting structure.
상기 무 도핑 반도체층 상에 질화물계 반도체를 이용하여 제 1전도성 반도체층, 활성층, 및 제 2전도성 반도체층을 포함하는 반도체 구조를 성장시키는 단계;
상기 반도체 구조 상에 제 1전극을 형성하는 단계;
상기 제 1전극 상에 도전성 기판을 부착하는 단계;
상기 성장 기판을 제거하는 단계;
상기 무 도핑 반도체층의 일부에 삽입홀을 형성하는 단계;
상기 삽입홀 상에 상기 반도체 구조와 접촉하는 삽입부, 상기 삽입부의 주변부 측에서 상기 무 도핑 반도체층 상측까지 연장되는 연장부를 포함하고, 상기 삽입부가 상기 제 2전도성 반도체층에 삽입된 깊이와 상기 제 2전도성 반도체층과의 접촉 면적의 비율은 1:1 내지 1:5가 되도록 제 2전극을 형성하는 단계; 및
상기 무 도핑 반도체층을 식각하여 광 추출 구조를 형성하는 단계를 포함하여 구성되고, 상기 제 2전극은 상기 광 추출 구조의 형성을 위한 식각 용액에 반응하지 않는 금속 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 질화물계 반도체 발광 소자의 제조 방법.Growing a non-doped semiconductor layer on a growth substrate comprising a silicon semiconductor;
Growing a semiconductor structure including a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer on the undoped semiconductor layer using a nitride-based semiconductor;
Forming a first electrode on the semiconductor structure;
Attaching a conductive substrate on the first electrode;
Removing the growth substrate;
Forming an insertion hole in a portion of the undoped semiconductor layer;
And an extension portion extending from the peripheral portion side of the insertion portion to the upper side of the undoped semiconductor layer, wherein the depth of insertion of the insertion portion into the second conductive semiconductor layer, Forming a second electrode such that a ratio of a contact area with a second conductive semiconductor layer is 1: 1 to 1: 5; And
Forming a light extracting structure by etching the undoped semiconductor layer, wherein the second electrode comprises a metal material that is not reactive with the etching solution for forming the light extracting structure. Type nitride semiconductor light emitting device.
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