KR101428085B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 반사 전극층; 상기 반사전극층의 아래 일측에 형성된 발광부; 상기 반사 전극층의 아래 타측에 형성된 정전기 보호부; 상기 반사 전극층과 상기 정전기 보호부를 전기적으로 절연하는 제1절연층을 포함한다.
반도체, 발광소자, 절연층

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof}
실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 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 정전 보호 소자를 내장할 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예는 수직형 반도체 발광소자에 정전 보호 회로를 형성시켜 줌으로써, ESD 내성을 강화시켜 줄 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자는 반사 전극층; 상기 반사전극층의 아래 일측에 형성된 발광부; 상기 반사 전극층의 아래 타측에 형성된 정전기 보호부; 상기 반사 전극층과 상기 정전기 보호부를 전기적으로 절연하는 제1절연층을 포함한다.
실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 위에 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2도전형 반도체층 위의 발광부 영역과 정전기 보호부 영역에 제1 및 제2오믹 접촉층을 형성하는 단계; 상기 제2도전형 반도체층의 둘레 및 상기 정전기 보호부 영역의 제2오믹 접촉층 상에 제1절연층을 형성하는 단계; 상기 제1오믹 접촉층 및 제1절연층 상에 반사 전극층을 형성하는 단계; 상기 기판을 분리하는 단계; 상기 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 분리하여 상기 발광부와 정전기 보호부로 형성하는 단계를 포함한다.
실시 예는 ESD 내성이 강한 수직형 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 이하, 실시 예를 설명함에 있어서, 각 층의 위 또는 아래는 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 발광부(101), 정전기 보호부(103), 상기 발광부(101) 및 정전기 보호부(103)를 지지하는 반사 전극층(160) 및 전도성 지지부재(170)를 포함한다.
상기 발광부(101)는 제 1도전형 반도체층(110), 제1활성층(120), 제 2도전형 반도체층(130), 제1오믹접촉층(150), 제1전극(180)을 포함한다. 상기 정전기 보호부(103)에는 제1A도전형 반도체층(112), 제2활성층(122), 제2A 도전형 반도체층(132), 제2오믹 접촉층(152), 제1A전극(182)을 포함한다.
상기 제 1도전형 반도체층(110) 및 상기 제1A 도전형 반도체층(112)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다.
상기 제 1도전형 반도체층(110)의 아래에는 제 1전극(180)이 소정의 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 제1A 도전형 반도체층(112)의 아래에는 제2전극(182)이 소정의 패턴으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1전극(180)의 일단(180A)은 상기 제1도전형 반도체층(110)에 연결되며, 타단(180B)은 정전기 보호부(103)의 제2오믹 접촉층(152)에 연결된다. 상기 제2전극(182)의 일단(182A)은 상기 제1A도전형 반도체층(112)에 연결되며, 타단(182B)은 반사 전극층(160) 또는 전도성 지지부재(170)에 연결된다.
상기 제 1도전형 반도체층(110) 위에는 제1활성층(120)이 형성되며, 상기 제1A 도전형 반도체층(112) 위에는 제2활성층(122)이 형성된다. 상기 제1 및 제2활성층(120,122)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. 이러한 제1및 제2활성층(120,122) 위 또는/및 아래에는 클래드층이 형성될 수도 있다.
상기 제1활성층(120) 위에는 제 2도전형 반도체층(130)이 형성되며, 상기 제2활성층(122) 위에는 제2A도전형 반도체층(132)이 형성된다. 상기 제 2도전형 반도체층(130) 및 제2A 도전형 반도체층(132)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 p형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 p형 도펀트는 Mg, Be, Zn 등의 원소계열을 포함한다.
또한 상기 제 2도전형 반도체층(130) 위에는 제 3도전형 반도체층(미도시)을 형성할 수도 있다. 또한 상기 제 1도전형 반도체층(110)이 p형 반도체층이고, 제 2도전형 반도체층(130)이 n형 반도체층으로 구현될 수도 있다. 여기서 제 3도전형 반도체층은 제 2도전형 반도체층이 n형 반도체층인 경우 p형 반도체층으로 형성되며, p형 반도체층인 경우 n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 발광부(101)는 np 접합, pn 접합, npn 접합, pnp 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2도전형 반도체층(130) 및 상기 제2A 도전형 반도체층(132) 위의 각 외측 영역에는 틀 형태로 제1절연층(140)이 형성될 수도 있다.
상기 제2도전형 반도체층(130) 위의 내측 영역에는 제1오믹 접촉층(150)이 형성되며, 상기 제2A도전형 반도체층(132) 위의 내측 영역에는 제2오믹 접촉층(152)이 형성된다. 상기 제2도전형 반도체층(130) 위에는 상기 제1오믹 접촉층(150)을 형성하지 않고, 반사 전극층(160)을 직접 형성할 수 있다. 또한 상기 제2오믹 접촉층(152)은 오믹 기능이 아닌 단순한 접촉층으로 형성될 수 있다.
상기 제2오믹 접촉층(152)의 둘레에는 상기 제1절연층(140)이 형성되어 반사전극층(160)과 전기적으로 분리된다.
상기 제1오믹 접촉층(150), 제2오믹접촉층(152) 및 상기 제1절연층(140) 위에는 반사 전극층(160)이 형성된다. 여기서, 상기 제1오믹 접촉층(150) 또는/및 제2오믹 접촉층(152)은 패턴 형태로 형성될 수 있으며, 형성하지 않을 수도 있다.
상기 제1절연층(140)은 SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2 등의 절연 물질 중에서 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2오믹 접촉층(150,152)은 ITO, Pt, Ni, Au, Rh, Pd 중 적어도 하나 또는 복수개의 합금으로 형성될 수 있으며, 이에 한정하지는 않는다. 상기 반사 전극층(160)은 Al, Ag, Pd, Rh, Pt 등 중에서 적어도 하나 또는 합금 등으로 형성될 수 있다. 실시 예는 상기의 절연층 재료, 오믹 접촉층 재료, 반사 전극층의 재료로 한정하지는 않는다.
상기 반사전극층(160) 위에는 전도성 지지부재(170)가 형성되며, 상기 전도 성 지지부재(170)는 베이스 기판으로서 기능하며, 구리 또는 금과 같은 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1전극(180)과 상기 제1도전형 반도체층(110), 제1활성층(120), 제2도전형 반도체층(130) 사이에는 제2절연층(125)이 형성된다. 상기 제2절연층(125)은 발광부(101)에서 상기 제1전극(180)으로 인한 층간의 단락을 방지하게 된다.
상기 제2전극(182)과 상기 제1A도전형 반도체층(112), 제2활성층(122), 제2A도전형 반도체층(132) 사이에는 제3절연층(127)이 형성된다. 상기 제3절연층(127)은 상기 정전기 보호부(103)에서 상기 제2전극(182)으로 인한 층간의 단락을 방지하게 된다.
상기 제1절연층(140), 제2절연층(125), 제3절연층(127)의 각 두께는 0.1~2um 정도로 형성될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(100)에는 두 개의 영역 즉, 발광부(101)와 정전기 보호부(103)로 분리되어 형성됨으로써, ESD로부터 발광부(101)를 보호할 수 있다.
상기 제1전극(180)과 전도성 지지부재(170)를 통해 순 방향 바이어스를 공급하면, 반도체 발광소자(100)는 도 2와 같이 LED 영역에서 동작하게 된다. 또한 ESD와 같은 전압이 인가되면 상기 정전기 보호부(103)가 도 2와 같이 동작하여 발광부(101)를 보호하게 된다. 여기서, 상기 정전기 보호부(103)의 크기가 증가하면 보호 소자의 보호 특성은 M1 방향으로 이동되며, 5KV 이상의 ESD로부터 보호할 수 있다.
여기서, 상기 정전기 보호부(103)는 상기 반도체 발광소자(100) 내에서 50% 미만의 크기로 형성될 수 있다.
도 3내지 도 12는 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기판(105) 위에는 제 1도전형 반도체층(110)이 형성하고, 상기 제 1도전형 반도체층(110) 위에는 제1활성층(120)이 형성되며, 상기 제1활성층(120) 위에는 제 2도전형 반도체층(130)이 형성된다.
상기 기판(105)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이러한 기판(105) 위에는 버퍼층 또는/및 언도프드 반도체층이 형성될 수도 있으며, 박막 성장 후 분리 또는 제거될 수도 있다.
상기 제 1도전형 반도체층(110)은 n형 반도체층으로, 상기 제 2도전형 반도체층(130)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다. 상기 p형 반도체층은 Mg와 같은 p형 도펀트가 도핑되며, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제2도전형 반도체층(130) 위의 제1내측 영역에는 제1오믹 접촉층(150)이 형성되며, 제2내측 영역에는 제2오믹 접촉층(152)이 형성된다. 상기 제1오믹 접촉층(150)은 형성하지 않을 수도 있다.
상기 제1 및 제2오믹 접촉층(150,152)은 ITO, Pt, Ni, Au, Rh, Pd 중 적어도 하나 또는 복수개의 합금으로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1오믹 접촉층(150)의 외측에는 제1절연층(140)이 형성된다. 또한 상기 제1절연층(140)은 상기 제2도전형 반도체층(130) 위에서 상기 제2오믹 접촉층(152)의 둘레를 절연시켜 주는 구조로 형성된다. 상기 제1절연층(140)은 SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2 등의 절연 물질 중에서 형성될 수 있으며, 0.1~2um 정도의 두께로 형성될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제1절연층(140) 및 제1오믹접촉층(150) 위에는 반사전극층(160)이 형성된다. 상기 반사 전극층(160)은 Al, Ag, Pd, Rh, Pt 등 중에서 적어도 하나 또는 합금 등으로 형성될 수 있다.
상기 반사 전극층(160) 위에는 전도성 지지부재(170)가 형성되며, 상기 전도성 지지부재(170)는 구리 또는 금 등으로 형성될 수 있으며, 베이스 기판으로 기능하게 된다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 기판(105)을 제거하게 된다. 상기 기판(105)의 제거 방법은 레이저 리프트 오프(LLO : Laser Lift Off) 과정으로 제거하게 된다. 즉, 상기 기판(105)에 일정 영역의 파장을 가지는 레이저를 조사하는 방식(LLO : Laser Lift Off)으로 상기 기판(105)을 분리하게 된다. 또는 상기 기판(105)과 제 1도전형 반도체층(110) 사이에 다른 반도체층(예: 버퍼층)이 형성된 경우, 습식 식각 기술을 이용하여 상기 버퍼층을 제거하여, 상기 기판을 분리할 수 도 있다. 상기 기판(105)이 제거된 제 1도전형 반도체층(110)의 표면에 대해 ICP/RIE(Inductively coupled Plasma/Reactive Ion Etching) 방식으로 연마하는 공정을 수행할 수 있다.
이때, 상기 반사 전극층(160), 제1및 제2오믹 접촉층(150,152)은 상기 제 2도전형 반도체층(130) 및 전도성 지지부재(170) 사이의 접착력을 강화시켜 주어, 외부 충격으로부터 보호하게 된다. 이에 따라 반도체 발광소자의 전기적인 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 제1도전형 반도체층(110)에서 제2도전형 반도체층(130)까지 에칭하여 발광부(101)와 정전기 보호부(103)로 전기적으로 분리하게 된다. 즉, 상기 발광부(101)과 정전기 보호부(103) 사이의 경계를 습식 또는/및 건식 식각 공정을 통해 에칭하여 상기 제1도전형 반도체층(110), 제1활성층(120) 및 제2도전형 반도체층(130)을 복수개로 분리하게 된다.
이에 따라 상기 제1도전형 반도체층(110)은 제1A도전형 반도체층(112)과 전기적으로 분리되고, 제1활성층(120)은 제2활성층(122)과 전기적으로 분리되며, 제2도전형 반도체층(130)은 제2A도전형 반도체층(132)과 전기적으로 분리된다. 상기 제2A 도전형 반도체층(132) 위에는 상기 제2오믹 접촉층(152)이 부분 접촉된다.
도 10을 참조하면, 상기 정전기 보호부(103)에서 상기 제1절연층(140)에서 상기 반사전극층(160) 또는 상기 전도성 지지부재(170)의 일부분까지 제2전극 홈(145)을 형성해 준다. 상기 제2전극 홈(145)은 상기 제1절연층(140)부터 상기 반사 전극층(160) 또는 전도성 지지부재(170)가 노출되는 정도까지 형성될 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 제2절연층(125)은 제1전극(180) 형성 영역을 전기적으로 보호하기 위해 상기 제1도전형 반도체층(110), 제1활성층(120), 제2도전형 반도체층(130)의 일부 측벽에 형성된다. 상기 제2절연층(125)은 발광부(101)에서 상기 제1전극(180)으로 인한 층간의 단락을 방지하게 된다.
제3절연층(127)은 제2전극(182) 형성 영역을 전기적으로 보호하기 위해 상기 제1A도전형 반도체층(112), 제2활성층(122), 제2A도전형 반도체층(132)의 일부 측벽에 형성된다. 상기 제3절연층(127)은 상기 정전기 보호부(103)에서 상기 제2전극(182)로 인한 층간의 단락을 방지하게 된다.
상기 제1절연층(140), 제2절연층(125), 제3절연층(127)의 두께는 0.1~2um 정도로 형성될 수 있다.
상기 발광부(101)와 정전기 보호부(103)를 전기적으로 연결하는 제1전극(180)을 형성하며, 상기 정전기 보호부(103)와 전도성 지지부재(170)를 전기적으로 연결하는 제2전극(182)을 형성하게 된다.
상기 제1전극(180)의 일단(180A)은 상기 제1도전형 반도체층(110)에 연결되며, 타단(180B)은 정전기 보호부(103)의 제2오믹 접촉층(152)에 연결된다. 상기 제2전극(182)의 일단(182A)은 상기 제1A도전형 반도체층(112)에 연결되며, 타단(182B)은 반사 전극층(160) 또는 전도성 지지부재(170)에 연결된다. 상기 제1전극(180)의 내측은 상기 제2절연층(125)에 의해 전기적으로 보호되며, 상기 제2전극(182)의 내측은 상기 제3절연층(127)에 의해 전기적으로 보호된다.
도 12와 같이, 수직형 반도체 발광소자(100)의 일측에는 발광부(101)가 형성 되며, 타측에는 정전기 보호부(103)가 배치된다. 상기 발광부(101)와 정전기 보호부(103)는 제1전극(180)을 통해 상기 제2오믹 접촉층(152)에 공통으로 연결되고, 제2전극(182)을 통해 상기 전도성 지지부재(170)와 공통으로 연결된다. 또한 ESD는 정전기 보호부(103)로 통과하게 되므로, 발광부(101)를 보호할 수 있게 된다.
상기의 실시 예를 설명함에 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.
도 1은 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 2는 도 1의 발광 소자와 보호 소자의 동작 특성을 나타낸 그래프.
도 3 내지 도 11은 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조과정을 나타낸 도면.

Claims (13)

  1. 반사 전극층;
    상기 반사전극층의 아래 일측에 형성된 발광부;
    상기 반사 전극층의 아래 타측에 형성된 정전기 보호부;
    상기 반사 전극층과 상기 정전기 보호부를 전기적으로 절연하는 제1절연층을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반사 전극층 위에 형성된 전도성 지지부재를 포함하는 반도체 발광소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부 및 정전기 보호부는 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 발광부의 제1도전형 반도체층과 상기 정전기 보호부의 제2도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1전극을 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 발광부의 각 층 사이를 절연시켜 주는 제2절연층을 포함하는 반도체 발광소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 정전기 보호부의 제1도전형 반도체층과 상기 반사 전극층에 전기적으로 연결되는 제2전극을 포함하는 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2전극과 상기 정전기 보호부의 각 층 사이를 전기적으로 절연시켜 주는 제3절연층을 포함하는 반도체 발광소자.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 정전기 보호부의 제2도전형 반도체층과 상기 제1절연층 사이에서 상기 제1전극과 상기 정전기 보호부의 제2도전형 반도체층을 서로 연결해 주는 제2접촉층을 포함하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 정전기 보호부는 반도체 발광소자의 전 영역에서 50% 미만의 크기로 형성되는 반도체 발광소자.
  10. 기판 위에 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제2도전형 반도체층 위의 발광부 영역과 정전기 보호부 영역에 제1 및 제2오믹 접촉층을 형성하는 단계;
    상기 제2도전형 반도체층의 둘레 및 상기 정전기 보호부 영역의 제2오믹 접촉층 상에 제1절연층을 형성하는 단계;
    상기 제1오믹 접촉층 및 제1절연층 상에 반사 전극층을 형성하는 단계;
    상기 기판을 분리하는 단계;
    상기 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 분리하여 상기 발광부와 정전기 보호부로 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반사 전극층 위에 전도성 지지부재를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 발광부의 상기 제1도전형 반도체층과 상기 정전기 보호부의 제2도전형 반도체층을 서로 연결해 주는 제1전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제10항 또는 제12항에 있어서,
    상기 정전기 보호부의 타측에 상기 반사 전극층의 일부를 노출하는 제2전극 홈을 형성하는 단계;
    상기 정전기 보호부의 제2도전형 반도체층과 상기 제2전극 홈을 통해 상기 반사 전극층에 서로 연결되는 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
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