KR101449032B1 - flip-chip structured group 3 nitride-based semiconductor light emitting diodes and methods to fabricate them - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 발광면인 상부 질화물계 클래드층의 상면에 제1, 제2, 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층(current spreading layer)로 구성된 박막구조체를 구비하는 것이 특징인 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.The present invention includes a thin film structure composed of first, second, and third ohmic contact current spreading layers on the upper surface of the upper nitride-based clad layer which is the light emitting surface of the group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device A group III nitride-based semiconductor light-emitting diode element and a method of manufacturing the same.
상세하게 말하자면, 본 발명은 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층인 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체, 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층인 투명전도성 박막구조체, 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층인 반사전도성 박막구조체로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층을 성장 형성하기에 앞서, 상기 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체와 오믹접촉 커런트스프레딩층 사이에 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 개재하여 수직방향으로의 전류 주입을 용이하게 하여 구동 전압 및 외부 발광 효율을 비롯한 발광다이오드 소자의 전체적인 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.More specifically, the present invention relates to a p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) semiconductor upper surface of a nitride based clad layer of a light emitting structure for a light- 1 ohmic contact current spreading layer, a group III nitride-based conductive thin film structure as a current spreading layer, a transparent conductive thin film structure as a second ohmic contact current spreading layer, and a reflective conductive thin film structure as a third ohmic contact current spreading layer. Prior to growing the spreading layer, the p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) semiconductors and ohmic contact current spreading The superlattice structure is interposed between the layers to facilitate current injection in the vertical direction and the overall performance of the light emitting diode device including the driving voltage and the external light emitting efficiency can be effectively improved.
그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체, 그룹 3족 질화 물계 전도성 박막구조체, 투명전도성 박막구조체, 반사전도성 박막구조체, 오믹접촉 커런트스프레딩층, 광추출 구조, 표면 요철 A group III nitride-based conductive thin film structure, a transparent conductive thin film structure, a reflective conductive thin film structure, an ohmic contact current spreading layer, a light extracting structure, a surface irregularity
Description
본 발명은 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층인 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체, 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층인 투명전도성 박막구조체, 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층인 반사전도성 박막구조체로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층을 성장 형성하기에 앞서, 상기 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체와 제1, 제2, 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층으로 구성된 박막구조체 사이에 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 삽입하여 수직방향으로의 전류 주입(current injection)을 용이하게 하는 동시에, 상기 제1, 또는 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 표면 요철 공정을 도입하여 구동 전압 및 외부 발광 효율을 비롯한 발광다이오드 소자의 전체적인 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising the steps of: forming a first ohmic contact film on a p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + An ohmic contact current spreading layer composed of a group III nitride-based conductive thin film structure as a diffusion layer, a transparent conductive thin film structure as a second ohmic contact current spreading layer, and a reflective conductive thin film structure as a third ohmic contact current spreading layer Prior to growth, the p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) semiconductor and the first, second, and third A superlattice structure is inserted between the thin film structures composed of the ohmic contact current spreading layer to facilitate current injection in the vertical direction and the first or second ohmic contact current spreading The surface irregularity process is introduced on the upper surface of the layer, It is possible to effectively improve the overall performance of the light emitting diode device including the light emission efficiency.
발광다이오드(light emitting diode; LED) 소자는 일정한 크기의 순방향 전 류를 인가하면 고체 발광구조체 내의 활성층에서 전류가 광으로 변환되어 빛을 발생시킨다. 초창기 LED 소자 연구 개발은 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP)등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합구조로 형성한다. 상기 LED는 녹색 빛의 파장 보다 더 긴 파장대의 가시광선 영역대의 빛을 발광하는 반면에, 최근 들어 그룹 3족 질화물계 반도체 물질계의 연구 개발에 힘입어 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자도 상용화됨으로서 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치에 널리 이용되고 있으며, 더 나아가서는 적, 녹, 청색의 3개 LED 소자 칩을 조합하거나, 또는 단파장의 펌핑 발광다이오드(pumping LED) 소자에 형광체(phosphor)를 접목하여 백색을 발광하는 백색광원용 LED가 개발되어 조명장치로도 그 응용범위가 넓어지고 있다. 특히, 고체 단결정 반도체를 이용한 LED 소자는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 평균 5년 이상으로 길며 에너지 소모와 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어서 차세대 조명용 백색광원 분야에서 주목받고 있다.When a forward current of a certain size is applied to a light emitting diode (LED) device, the current in the active layer in the solid-state light-emitting structure is converted into light to generate light. The earliest LED element research and development forms a compound semiconductor such as indium phosphide (InP), gallium arsenide (GaAs), and gallium phosphorus (GaP) in a p-i-n junction structure. The LED emits light of a visible light range of a wavelength band longer than the wavelength of green light, but recently, a device emitting blue and ultraviolet light is also commercialized due to research and development of the group III nitride-based semiconductor material system. Device, a light source device, and an environmental application device. Further, it is possible to combine three LED device chips of red, green, and blue, or to add a phosphor to a short wavelength pumping LED device LEDs for white light source that emits white light by grafting have been developed and the application range thereof has been extended to illumination devices. In particular, LED devices using solid single crystal semiconductors have a high efficiency of converting electrical energy into light energy, have a long life span of 5 years or more on average, and are capable of significantly reducing energy consumption and maintenance costs. It is attracting attention.
이와 같은 그룹 3족 질화물계 반도체 물질계로 제조된 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자는 일반적으로 절연성 성장기판(대표적으로, 사파이어) 상부에 성장되어 제조되기 때문에, 다른 그룹 3-5족 화합물계 반도체 발광다이오드 소자와 같이 성장기판의 서로 반대면에 대향하는 두 전극을 설치할 수 없어, LED 소자의 두 전극을 결정 성장된 반도체 물질계 상부에 형성해야 한다. 이러한 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 종래 구조가 도 5와 도 7에 개략적으로 예시되어 있다.Since a light-emitting diode (hereinafter referred to as a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode) device manufactured from the group III nitride-based semiconductor material is generally grown on an insulating growth substrate (typically, sapphire) -5 group compound semiconductor light emitting diode device, two electrodes of the LED device facing each other on the opposite sides of the growth substrate can not be provided, so that the two electrodes of the LED device must be formed on the upper part of the crystal growth material. A conventional structure of such a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device is schematically illustrated in FIGS. 5 and 7. FIG.
우선 먼저, 도 5를 참조하면, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 는 사파이어 성장기판(10)과 상기 성장기판(10) 상면에 순차적으로 성장 형성된 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30) 및 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)을 포함한다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물(multi-quantum well) 구조의 다른 조성으로 구성된 그룹 3족 질화물계 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)인 반도체 다층으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 단결정으로 형성된 하부 질화물계 클래드층/질화물계 활성층/상부 질화물계 클래드층(20, 30, 40)은 MOCVD, MBE, HVPE, sputter, 또는 PLD 등의 장치를 이용하여 성장될 수 있다. 이때, 상기 하부 질화물계 클래드층(20)인 n형 In x Al y Ga 1-x-y N 반도체를 성장하기에 앞서, 사파이어 성장기판(10)과의 격자정합을 향상시키기 위해, AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(201)을 그 사이에 형성할 수도 있다.5, the group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device includes a
상기한 바와 같이, 상기 사파이어 성장기판(10)은 전기절연성 물질이므로, LED 소자의 두 전극을 모두 단결정 반도체 성장방향인 동일한 상면에 형성해야 하며, 이를 위해서는 상부 질화물계 클래드층(40)과 질화물계 활성층(30)의 일부 영역을 에칭(즉, 식각)하여 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 상면 영역을 대기에 노출시키고, 대기에 노출된 상기 하부 질화물계 클래드층(20)인 n형 In x Al y Ga 1-x-y N 반도체 상면에 n형 오믹접촉(ohmic contact interface) 전극 및 전극패 드(80)를 형성한다.As described above, since the
특히, 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 낮은 캐리어 농도(carrier concentration) 및 작은 이동도(mobility)로 인하여 상대적으로 높은 면저항을 갖고 있기 때문에, p형 전극(70)을 형성하기에 앞서, 양질의 오믹접촉 커런트스프레딩층(501)을 형성할 수 있는 추가적인 물질이 요구된다. 이에 대하여, 미국특허 US5,563,422에서는, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상층부에 위치한 상부 질화물계 클래드층(40)인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(40) 반도체 상면에 p형 전극(80)을 형성하기 전, 수직방향으로의 비접촉 저항이 낮은 오믹접촉 계면(ohmic contact interface)을 형성하는 오믹접촉 커런트스프레딩층(501)을 형성하기 위해 산화시킨 니켈-금(Ni-O-Au)로 구성된 물질을 제안하였다.In particular, since the upper nitride-based
상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(501)은 상부 질화물계 클래드층(40)인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N 반도체 상면에 위치하면서 수평방향으로의 전류 퍼짐(current spreading)을 향상시키면서도 동시에, 수직방향으로의 낮은 비접촉 저항을 갖는 오믹접촉 계면을 형성하여 효과적인 전류 주입(current injection)을 할 수 있어, 발광다이오드 소자의 전기적인 특성을 향상시킨다. 그러나 산화시킨 니켈-금으로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(501)은 열처리를 거친 후에도 평균 70%의 낮은 투과율을 보이며, 이러한 낮은 빛 투과율은 해당 발광다이오드 소자에서 생성된 빛을 외부로 방출될 때, 많은 양의 빛을 흡수하여 전체 외부 발광 효율을 감소시키게 한다.The ohmic contact
상기한 바와 같이, 오믹접촉 커런트스프레딩층(501)의 높은 빛 투과율을 통 한 고휘도 발광다이오드 소자를 얻기 위한 방안으로, 최근 들어 상기 산화시킨 니켈-금(Ni-O-Au) 물질을 비롯한 각종 반투명성 금속 또는 합금으로 형성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(501) 대신에 투과율이 평균 90% 이상인 것으로 알려진 ITO(indium tin oxide) 또는 ZnO(zinc oxide) 등의 투명 전도성 물질로 형성하는 방안이 제안되었다. 그런데, 상기한 투명 전기전도성 물질은 상부 질화물계 클래드층(40)인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체(~7.5 eV 이상)에 비해 작은 일함수(4.7~6.1eV), 그리고 p형 In x Al y Ga 1-x-y N 반도체 상면에 직접적으로 증착하고 열처리를 포함한 후속 공정을 행한 후에 오믹접촉 계면이 아니라 비접촉 저항이 큰 쇼키접촉 계면(schottky contact interface)을 형성하고 있어, 상기한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 투명 전도성 물질 또는 제조 공정이 필요하다.As described above, in order to obtain a high-brightness light emitting diode device having a high light transmittance of the ohmic contact current spreading
상기한 ITO 또는 ZnO 등의 투명 전도성 물질이 상기 상부 질화물계 클래드층(40)인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에서의 양호한 오믹접촉 커런트스프레딩층(501)으로서 역할을 이행할 수 있도록, 최근에 Y. K. Su 등은 여러 문헌에서 상기한 투명 전기전도성 물질을 상부 질화물계 클래드층(40)인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N (0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에 직접적 증착 형성하기에 앞서, 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 개재하여 오믹접촉 계면을 갖는 커런트스프레딩층(501) 형성 기술을 제안하였다.A transparent conductive material such as ITO or ZnO is formed on the upper surface of the p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) semiconductor which is the upper nitride- Recently, YK Su et al. Have reported that the above-mentioned transparent electroconductive material can be used as a good ohmic contact current spreading
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)는 다중양자우물 구조(multi-quantum well structure)에서 우물(well, b1)과 장 벽(barrier, a1)의 두층(a1, b1)이 한쌍(one pair)으로 주기적으로 반복된 점은 유사하나, 상기 다중양자우물 구조의 장벽(a1) 두께는 우물(b1) 두께에 비해서 상대적으로 두꺼운 반면에, 상기 슈퍼래티스 구조를 구성하고 있는 두층(a2, b2)은 모두 5nm 이하의 얇은 두께를 지니고 있다. 상기한 특징으로 인하여, 상기 다중양자우물 구조는 캐리어인 전자 또는 정공을 두꺼운 장벽(a1) 사이에 위치하는 우물(b1)에 가두는(confinement) 역할과는 달리, 상기 슈퍼래티스 구조는 전자 또는 정공의 흐름(transport)을 용이하게 도와주는 역할을 한다.As shown in FIG. 6, the superlattice structure includes two layers a1 and b1 of a well b1 and a barrier a1 in a multi-quantum well structure. The thickness of the barrier a1 of the multiple quantum well structure is relatively thick compared to the thickness of the well b1 while the thickness of the barrier a1 of the multiple quantum well structure is relatively thicker than that of the well b1, (a2, b2) all have a thin thickness of 5 nm or less. Due to the above-described characteristic, the multiple quantum well structure plays a role of confinement of electrons or holes as carriers into a well b1 located between the thick barrier a1, And facilitates the transport of the liquid.
Y. K. Su 등이 제안한 슈퍼래티스 구조를 이용하여 오믹접촉 커런트스프레딩층(60)을 구비하고 있는 발광다이오드 소자를 도 7을 참조하여 설명하면, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 사파이어 성장기판(10)과 상기 성장기판(10) 상면에 형성된 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40), 및 슈퍼래티스 구조(90)를 포함한다. 특히, 상기 슈퍼래티스 구조(90)는 상기 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), 및 상부 질화물계 클래드층(40)과 동일한 성장 장비로 인시츄(in-situ) 상태에서 성장 형성한다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 n형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 이루어질 수 있으며, 상기 질화물계 활성층(30)은 다중양자우물(multi-quantum well)구조의 다른 조성으로 구성된 그룹 3족 질화물계 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 이루어질 수 있다. 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 구 성될 수 있다. 또한, 상기 슈퍼래티스 구조(90)는 다른 조성(composition)으로 구성된 그룹 3족 질화물계 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 또는 다른 도판트(dopant)를 갖는 그룹 3족 질화물계 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 7, a light emitting diode device having an ohmic contact current spreading
상기 슈퍼래티스 구조(90)를 구성하고 있는 조성(composition) 및 도판트(dopant) 종류에 따라 상부 질화물계 클래드층(40)인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N (0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체의 도판트 활성화 에너지를 낮추어 유효정공농도(net effective hole concentration)를 증가시키거나, 또는 에너지 밴드갭 조절(band-gap engineering)을 통해서 양자역학적 터널링 전도(quantum-mechanical tunneling transport) 현상을 통해서 오믹접촉 계면(ohmic contact interface)을 형성하는 것으로 알려져 있다.Depending on the composition and the type of dopant constituting the
일반적으로, 상기 그룹 3족 질화물계 반도체 단결정으로 형성된 하부 질화물계 클래드층/질화물계 활성층/상부 질화물계 클래드층/슈퍼래티스 구조(20, 30, 40, 90)는 MOCVD, MBE, HVPE, 또는 sputter, 또는 PLD 등의 장치를 이용하여 성장될 수 있다. 이때, 상기 하부 질화물계 클래드층(20)의 n형 In x Al y Ga 1-x-y N 반도체를 성장하기에 앞서, 사파이어 성장기판(10)과의 격자정합을 향상시키기 위해, AlN 또는 GaN와 같은 버퍼층(201)을 그 사이에 형성할 수도 있다.In general, the lower nitride-based cladding layer / the nitride-based active layer / the upper nitride-based cladding layer /
그렇지만, 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상면에 위치하는 투명 전기전도성 물질로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(501 또는 60)에 이용되는 재료는 투과율과 전기전도율이 절충(trade-off) 관계에 있다. 즉, 투과율을 높이기 위해 상 기 오믹접촉 커런트스프레딩층(501 또는 60) 두께를 작게 하면, 반대로 전기전도율이 저하해 버려, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 시리즈 저항(series resistance) 상승과 이로 인해서 소자 신뢰성 저하의 원인으로 된다는 문제가 있었다.However, the material used for the ohmic contact current spreading layer (501 or 60) composed of the transparent electroconductive material located on the upper surface of the upper nitride-based clad layer (40) has a trade-off relationship between the transmittance and the electric conductivity have. That is, if the thickness of the ohmic contact current spreading layer (501 or 60) is decreased to increase the transmittance, the conductivity of the ohmic contact current spreading layer (501 or 60) is lowered. Conversely, the conductivity of the group III nitride- This causes a problem of degradation of device reliability.
그래서, 투명 전기전도성 물질로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층을 이용하지 않는 방법으로서, 광학적으로 투명한 성장기판인 경우에 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층 상면에 반사율이 높은 전기전도성 물질로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(502)을 형성하는 구조를 생각할 수 있다. 이것이 도 8에 나타낸 플립칩 구조(flip-chip structure)의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.Therefore, as a method of not using an ohmic contact current spreading layer composed of a transparent electrically conductive material, in the case of an optically transparent growth substrate, an electrically conductive material having a high reflectance is formed on the upper surface of the nitride- The ohmic contact current spreading
도시한 바와 같이, 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자는 광학적으로 투명한 사파이어 성장기판(10)과 상기 성장기판(10) 상면에 순차적으로 성장 형성된 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30) 및 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)을 포함한다. 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상면에 높은 반사율을 갖는 전기전도성 물질로 구성된 오믹접촉 커런트스프레딩층(502)을 형성하고, 발광다이오드 소자용 발광구조체인 질화물계 활성층(30)에서 생성된 빛을 높은 반사율을 갖는 오믹접촉 커런트스프레딩층(502)을 이용하여 반대방향으로 반사시키고, 광학적으로 투명한 성장기판(10) 쪽으로 발광시키는 것이다.As shown in the figure, a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device having a flip chip structure includes an optically transparent
일반적으로, 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용하여 널리 실용화되어 있는 발 광다이오드 소자는 질화물계 활성층(30)에 InGaN, AlGaN 등을 이용하여 자외선~청색~녹색으로 발생하는 것이고, 사용되고 있는 성장기판(10)인 사파이어(sapphire)이다. 상기 성장기판(10)으로 사용되는 사파이어는 상당히 넓은 밴드갭을 갖는 물질이기 때문에 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서 발광하는 빛에 대해 모두 투명하다. 그 때문에, 특히 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에서는 상기한 플립칩 구조는 대단히 유효한 수단이라고 말할 수 있지만, p형 도전성을 갖는 상부 질화물계 클래드층(40)과 오믹접촉 계면을 형성하고 높은 반사율을 갖는 물질은 한정적이다. 일반적으로 높은 반사율을 갖고 있는 금속 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 로듐(Rh)이 대표적이다. 상기 은(Ag)과 로듐(Rh), 그리고 이들과 관련된 합금(alloy)은 상기 상부 질화물계 클래드층(40)과 양호한 오믹접촉 계면을 나타내고 있지만, 이들 물질의 금속 또는 합금은 발광다이오드 소자용 발광구조체 내부로 물질이동인 확산 현상이 발생하고, 발광다이오드 소자의 동작전압의 상승 및 신뢰성을 저하시킨다는 문제가 있었다. 또한, 열적으로 불안정한 은(Ag)과 로듐(Rh), 그리고 이들과 관련된 합금(alloy)은 400nm 이하의 단파장 영역인 자외선(ultraviolet)에 대해 낮은 반사율을 나타내어, 자외선용 발광다이오드 소자의 오믹접촉 커런트스프레딩층(502) 물질로는 바람직하지 않다. 한편, 상기 알루미늄(Al) 및 이와 관련된 합금은 자외선 영역까지 높은 반사율을 갖고 있지만, p형 도전성을 갖는 상부 질화물계 클래드층(40)과 바람직한 오믹접촉 계면이 아닌 쇼키접촉 계면을 형성하기 때문에 사용할 수가 없는 상태이다. 이 때문에, 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 실현하기 위해서는 p형 도전성 을 갖는 상부 질화물계 클래드층(40) 상면에서 오믹접촉 계면과 높은 반사율을 갖는 오믹접촉 커런트스프레딩층(502)을 형성할 수 있는 물질 또는 구조를 개발할 필요가 있다. Generally, a light emitting diode device widely used by using group III nitride-based semiconductors is generated from ultraviolet to blue to green by using InGaN or AlGaN in the nitride-based
본 발명은 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 상면에서 오믹접촉 계면과 높은 반사율을 갖는 오믹접촉 커런트스프레딩층 형성 시에 발생되는 문제점을 인식하고, 이를 해결하기 위해서 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에 슈퍼래티스 구조, 제1, 제2, 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층으로 구성된 박막구조체를 순차적으로 형성하여 낮은 구동 전압, 낮은 누설 전류, 및 높은 외부 발광 효율 특성을 갖는 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention relates to a nitride-based cladding layer for a Group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device, which comprises a p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) Type cladding layer of the light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device, in order to solve the problems that arise in forming an ohmic contact current spreading layer having a high reflectivity and an ohmic contact interface, x Al y Ga 1-xy N (0? x, 0? y, x + y? 1) thin film structure composed of a superlattice structure, first, second and third ohmic contact current spreading layers on the semiconductor surface Group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device having a flip-chip structure having a low driving voltage, a low leakage current, and a high external light-emitting efficiency characteristic, and a method of manufacturing the same.
본 발명은 성장기판과; 상기 성장기판 상면에 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층, 또 다른 그룹 3족 질화물계 반도체 물질계로 이루어진 질화물계 활성층, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체와; 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체 상면에 형성된 슈퍼래티스 구조와; 상기 슈퍼래티스 구조 상면에 형성된 제1, 제2, 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층으로 구성된 박막구조체;를 포함하는 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 있어서,The present invention relates to a semiconductor device comprising: a growth substrate; A lower nitride-based clad layer made of an n-type conductive group III nitride-based semiconductor, a nitride-based active layer made of another group III nitride-based semiconductor material, and a p-type conductive group III nitride-based semiconductor on the upper surface of the growth substrate A light-emitting structure for a light-emitting diode element comprising a top nitride-based clad layer; A superlattice structure formed on the upper surface of the light emitting structure for the light emitting diode device; And a thin film structure composed of first, second, and third ohmic contact current spreading layers formed on the top surface of the superlattice structure,
상기 슈퍼래티스 구조는 다른 도판트와 조성 원소를 갖는 그룹 2족, 3족, 또는 4족 질화물로 구성된 다층(multi-layer)이고,The superlattice structure is a multi-layer structure composed of
상기 오믹접촉 커런트스프레딩층은 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층인 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체, 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층인 투명전도성 박막구조체, 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층인 반사전도성 박막구조체로 구성된 것을 특징으로 하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 제안한다.Wherein the ohmic contact current spreading layer comprises a group III nitride based conductive thin film structure which is a first ohmic contact current spreading layer, a transparent conductive thin film structure which is a second ohmic contact current spreading layer, a reflective layer which is a third ohmic contact current spreading layer, And a conductive thin-film structure. The group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device includes a conductive thin film structure.
본 발명은 성장기판과; 상기 성장기판 상면에 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 이루어진 하부 질화물계 클래드층, 또 다른 그룹 3족 질화물계 반도체 물질계로 이루어진 질화물계 활성층, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체로 이루어진 상부 질화물계 클래드층으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체와; 상기 발광다이오드 소자용 발광구조체 상면에 형성된 슈퍼래티스 구조와; 상기 슈퍼래티스 구조 상면에 형성된 제1, 제2, 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층으로 구성된 박막구조체;를 포함하는 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 있어서,The present invention relates to a semiconductor device comprising: a growth substrate; A lower nitride-based clad layer made of an n-type conductive group III nitride-based semiconductor, a nitride-based active layer made of another group III nitride-based semiconductor material, and a p-type conductive group III nitride-based semiconductor on the upper surface of the growth substrate A light-emitting structure for a light-emitting diode element comprising a top nitride-based clad layer; A superlattice structure formed on the upper surface of the light emitting structure for the light emitting diode device; And a thin film structure composed of first, second, and third ohmic contact current spreading layers formed on the top surface of the superlattice structure,
상기 슈퍼래티스 구조는 다른 도판트와 조성 원소를 갖는 그룹 2족, 3족, 또는 4족 질화물로 구성된 다층(multi-layer)이며,The superlattice structure is a multi-layer composed of
상기 오믹접촉 커런트스프레딩층은 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층인 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체, 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층인 투명전도성 박막구조체, 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층인 반사전도성 박막구조체로 구성된 것을 특징으로 하는 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 제안한다.Wherein the ohmic contact current spreading layer comprises a group III nitride based conductive thin film structure which is a first ohmic contact current spreading layer, a transparent conductive thin film structure which is a second ohmic contact current spreading layer, a reflective layer which is a third ohmic contact current spreading layer, And a conductive thin-film structure. The group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device includes a conductive thin film structure.
발광다이오드 소자에서 생성된 빛의 입사각을 변화시켜 광추출 효율을 향상시키기 위하여, 상기 제1 또는 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 표면 요철 공정이 도입된 광추출 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 또 다른 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자를 제안한다.And a light extraction structure in which a surface irregularity process is introduced on the top surface of the first or second ohmic contact current spreading layer in order to improve light extraction efficiency by changing incident angle of light generated in the light emitting diode device Another group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device is proposed.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 구성 수단으로서, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자 제조 방법에 있어서,The present invention provides, as a constituent means for achieving the above-mentioned object, a light emitting device using group III nitride-based semiconductor represented by the formula In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) A method of manufacturing a diode (hereinafter, referred to as a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode)
그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시키기 위한 성장기판(growth substrate)을 준비하는 단계;Preparing a growth substrate for growing a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device;
상기 성장기판 상면에 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층과, 다른 조성으로 구성된 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진 질화물계 활성층과, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층 성장된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 형성하는 단계;A nitride-based active layer made of a group III nitride-based semiconductor material having a different composition, and a nitride-based active layer made of a p-type conductive group III nitride semiconductor material Forming a light emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device in which a top nitride-based clad layer made of a nitride-based semiconductor material is successively stacked and grown;
상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에 슈퍼래티스 구조를 형성하는 단계;Forming a superlattice structure on a semiconductor upper surface of a p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) semiconductor which is the upper nitride-based cladding layer of the light- ;
상기 슈퍼래티스 구조 상면에 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계;Forming a first ohmic contact current spreading layer on the superlattice structure;
상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계;Forming a second ohmic contact current spreading layer on top of the first ohmic contact current spreading layer;
상기 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계;Forming a third ohmic contact current spreading layer on top of the second ohmic contact current spreading layer;
상기 제1, 제2, 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층, 슈퍼래티스 구조, 상부 질화물계 클래드층, 질화물계 클래드층, 및 하부 질화물계 클래드층의 일부 영역을 제거하고 상기 하부 질화물계 클래드층을 대기에 노출시킨 다음, 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계; 및Removing a portion of the first, second and third ohmic contact current spreading layers, the superlattice structure, the upper nitride-based clad layer, the nitride-based clad layer, and the lower nitride- Forming an n-type ohmic contact electrode and an electrode pad on a part of the upper surface of the lower nitride-based clad layer; And
상기 제1, 제2, 또는 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면 일부 영역에 p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.And forming a p-type schottky contact electrode and an electrode pad on a part of the upper surface of the first, second, or third ohmic contact current spreading layer.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 또 다른 구성 수단으로서, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자 제조 방법에 있어서,The present invention provides, as still another constituent means for achieving the above-mentioned object, a group III nitride-based semiconductor represented by the formula In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + (Hereinafter referred to as a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode) element,
그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시키기 위한 성장기판(growth substrate)을 준비하는 단계;Preparing a growth substrate for growing a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device;
상기 성장기판 상면에 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층과, 다른 조성으로 구성된 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진 질화물계 활성층과, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체 물질 로 이루어진 상부 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층 성장된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 형성하는 단계;A nitride-based active layer made of a group III nitride-based semiconductor material having a different composition, and a nitride-based active layer made of a p-type conductive group III nitride semiconductor material Forming a light emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device in which a top nitride-based clad layer made of a nitride-based semiconductor material is successively stacked and grown;
상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에 슈퍼래티스 구조를 형성하는 단계;Forming a superlattice structure on a semiconductor upper surface of a p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) semiconductor which is the upper nitride-based cladding layer of the light- ;
상기 슈퍼래티스 구조 상면에 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계;Forming a first ohmic contact current spreading layer on the superlattice structure;
상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계;Forming a second ohmic contact current spreading layer on top of the first ohmic contact current spreading layer;
상기 제1 및 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층, 슈퍼래티스 구조, 상부 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, 및 하부 질화물계 클래드층의 일부 영역을 제거하고 상기 하부 질화물계 클래드층을 대기에 노출시킨 다음, 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계;Removing a portion of the first and second ohmic contact current spreading layers, the superlattice structure, the upper nitride-based clad layer, the nitride-based active layer, and the lower nitride-based clad layer and exposing the lower nitride- Next, an n-type ohmic contact electrode and an electrode pad are formed on a part of the upper surface of the lower nitride-based clad layer.
상기 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계; 및Forming a third ohmic contact current spreading layer on top of the second ohmic contact current spreading layer; And
상기 제1, 제2, 또는 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면 일부 영역에 p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.And forming a p-type schottky contact electrode and an electrode pad on a part of the upper surface of the first, second, or third ohmic contact current spreading layer.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 또 다른 구성 수단으로서, 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표기된 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드(이하, 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드) 소자 제조 방법에 있어서,The present invention provides, as still another constituent means for achieving the above-mentioned object, a group III nitride-based semiconductor represented by the formula In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + (Hereinafter referred to as a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode) element,
그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 성장시키기 위한 성장기판(growth substrate)을 준비하는 단계;Preparing a growth substrate for growing a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device;
상기 성장기판 상면에 n형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층과, 다른 조성으로 구성된 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진 질화물계 활성층과, p형 도전성의 그룹 3족 질화물계 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층 성장된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체를 형성하는 단계;A nitride-based active layer made of a group III nitride-based semiconductor material having a different composition, and a nitride-based active layer made of a p-type conductive group III nitride semiconductor material Forming a light emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device in which a top nitride-based clad layer made of a nitride-based semiconductor material is successively stacked and grown;
상기 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에 슈퍼래티스 구조를 형성하는 단계;Forming a superlattice structure on a semiconductor upper surface of a p-type In x Al y Ga 1-xy N (0? X, 0? Y, x + y? 1) semiconductor which is the upper nitride-based cladding layer of the light- ;
상기 슈퍼래티스 구조 상면에 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계;Forming a first ohmic contact current spreading layer on the superlattice structure;
상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층, 슈퍼래티스 구조, 상부 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, 및 하부 질화물계 클래드층의 일부 영역을 제거하고 상기 하부 질화물계 클래드층을 대기에 노출시킨 다음, 상기 하부 질화물계 클래드층 상면 일부 영역에 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계;Removing a portion of the first ohmic contact current spreading layer, the superlattice structure, the upper nitride-based clad layer, the nitride-based active layer, and the lower nitride-based clad layer, exposing the lower nitride-based clad layer to the atmosphere, Forming an n-type ohmic contact electrode and an electrode pad on a part of the upper surface of the lower nitride-based clad layer;
상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하는 단계Forming a second ohmic contact current spreading layer on the top surface of the first ohmic contact current spreading layer
상기 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층 을 형성하는 단계; 및Forming a third ohmic contact current spreading layer on top of the second ohmic contact current spreading layer; And
상기 제1, 제2, 또는 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면 일부 영역에 p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.And forming a p-type schottky contact electrode and an electrode pad on a part of the upper surface of the first, second, or third ohmic contact current spreading layer.
한편, 상기 다층으로 구성된 슈퍼래티스 구조 대신에 5nm 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN 단층(single layer) 또는 p형 도전성의 InGaN 단층(single layer)의 슈퍼래티스 구조로 형성될 수도 있다.Alternatively, instead of the multi-layered superlattice structure, a superlattice structure of an n-type conductive InGaN single layer or a p-type conductive InGaN single layer having a thickness of 5 nm or less may be formed.
상기 오믹접촉 커런트스프레딩층은 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체의 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층, 투명전도성 박막구조체의 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층, 반사전도성 박막구조체의 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층으로 구성되어 있다.Wherein the ohmic contact current spreading layer comprises a first ohmic contact current spreading layer of a Group III nitride based conductive thin film structure, a second ohmic contact current spreading layer of a transparent conductive thin film structure, a third ohmic contact current spreading layer of a reflective conductive thin film structure, And a spreading layer.
상기 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층을 형성하기에 앞서, 상기 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로 구성된 제1 또는 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 표면 요철을 도입한 광추출 구조를 형성할 수도 있다.Before forming the third ohmic contact current spreading layer, a light extracting structure in which surface irregularities are introduced on the top surface of the first or second ohmic contact current spreading layer composed of the group III nitride-based conductive thin film structure is formed It is possible.
상기 하부 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, 상부 질화물계 클래드층, 슈퍼래티스 구조, 및 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층은 MOCVD, MBE, 또는 HVPE 장비를 이용하여 인시츄(in-situ) 상태에서 연속적으로 성장 형성한다.The lower nitride-based clad layer, the nitride-based active layer, the upper nitride-based clad layer, the superlattice structure, and the first ohmic contact current spreading layer may be formed in situ using MOCVD, MBE, or HVPE equipment. Grow continuously.
또한, 상기 하부 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, 상부 질화물계 클래드층, 및 슈퍼래티스 구조는 MOCVD, MBE, 또는 HVPE 장비를 이용하여 인시츄(in-situ) 상태에서 연속적으로 성장 형성한 다음, 상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층은 MOCVD, MBE, HVPE, sputter, evaporator 또는 PLD 장비를 이용하여 엑시 츄(ex-situ) 상태에서 형성할 수도 있다.In addition, the lower nitride-based clad layer, the nitride-based active layer, the upper nitride-based clad layer, and the superlattice structure are successively grown in an in-situ state using MOCVD, MBE, or HVPE equipment, The first ohmic contact current spreading layer may be formed in an ex situ state by using MOCVD, MBE, HVPE, sputter, evaporator or PLD equipment.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광소자(발광다이오드) 소자에 있어서, 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체의 상부 질화물계 클래드층인 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 상면에 슈퍼래티스 구조, 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로 구성된 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층, 투명전도성 박막구조체로 구성된 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층, 및 반사전도성 박막구조체로 구성된 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층을 접목시켜 양호한 플립칩 구조의 LED 소자 전체의 양호한 전기적 특성 이외에도, 빛의 투과율 특성이 개선된 발광소자의 휘도를 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.As described above, the present invention provides a group III nitride-based semiconductor light-emitting device (light-emitting diode) element having a flip chip structure, wherein the upper nitride-based cladding layer of the flip chip structure light- a first ohmic contact current spreading layer composed of a superlattice structure, a group III nitride-based conductive thin film structure, and a transparent conductive thin film layer on the semiconductor upper surface of y Ga 1-xy N (0? x, 0? y, And a third ohmic contact current spreading layer composed of a reflective conductive thin film structure to improve the light transmittance characteristic of the entire LED chip having a good flip chip structure, And the luminance of the light emitting element can be improved.
더하여, 광추출 구조를 갖는 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 있어서, 습식 또는 건식에칭에 의해 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로 구성된 제1 또는 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층 상면에 표면 요철을 용이하게 형성시킬 수 있기 때문에 플립칩 구조의 LED 소자용 발광구조체 구조 내부로 전반사하는 빛을 최소화시켜 LED 소자의 전체 휘도 특성을 한층 더 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.In addition, in a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device having a flip chip structure having a light extracting structure, a first or a second ohmic contact current spreading layer made of a group III nitride- based conductive thin film structure by wet or dry etching Since the surface irregularities can be easily formed on the upper surface, the total reflection light can be minimized inside the structure of the light emitting structure for a flip chip structure, so that the entire luminance characteristics of the LED device can be further improved.
이하, 첨부된 도를 참조하여, 본 발명에 따라 제조된 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device manufactured according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의해 창안된 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 제1 실시예를 보인 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device having a flip chip structure invented by the present invention.
도 1을 참조하여 설명하면, 성장기판(10) 상부에 성장 형성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체(A)로서, 상기 성장기판(10) 상면에 버퍼층(미도시)을 포함한 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)과, 질화물계 활성층(30)과, p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)과, 슈퍼래티스 구조(90)와, 및 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a light emitting structure A for a light emitting diode device having a flip chip structure according to a first embodiment of the present invention, which is grown on a
상기 성장기판(10)은 사파이어(sapphire) 또는 실리콘카바이드(SiC) 등과 같은 소재로 이루어질 수 있다.The
상기 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)은 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 형성될 수 있으며, 상기 성장기판(10) 상면에 형성된 버퍼층(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The lower nitride-based
상기 질화물계 활성층(30)은 전자(electron) 및 정공(hole)인 캐리어가 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다.The nitride-based
또한, 상기 질화물계 활성층(30)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 질화물계 활성층(30)의 장벽층을 구성하는 물질의 에너지 밴드갭(band-gap)은 우물층을 구성하는 물질의 에너지 밴드갭에 비해서 크고, 상기 장벽층의 두께는 우물층의 두께보다 더 두꺼운 것이 일반적이다. 상기 장벽층과 우물층은 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원, 3원, 또는 4원 화합물 질화물계 반도체일 수 있다. 더 나아가서, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성할 수 있다. 상기 질화물계 활성층(30)의 양자 우물층을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라 상기 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다.The nitride-based
상기 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 슈퍼래티스 구조(90)는 상기 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40) 상면에 위치하며, p형 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체의 도판트 활성화 에너지를 낮추어 유효정공농도를 증가시키거나, 또는 에너지 밴드갭 조절(band-gap engineering)을 통해서 양자역학적 터널링 전도(quantum-mechanical tunneling transport) 현상을 일으킬 수 있다.The
상기 슈퍼래티스 구조(90)는 다층으로 형성되는 것이 일반적이고, 이을 구성하고 있는 각층의 두께는 5nm 이하로 형성되고, 상기 각층은 InN, InGaN, InAlN, AlGaN, GaN, AlInGaN, AlN, SiC, SiCN, MgN, ZnN, 또는 SiN으로 구성될 수 있다. 일예로, 상기 슈퍼래티스 구조(90)는 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, InGaN/GaN/AlGaN, AlGaN/GaN/InGaN 등이 있다.The
더 나아가서, 상기 슈퍼래티스 구조(90)의 각층은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.Further, each layer of the
상기 다층으로 구성된 슈퍼래티스 구조(90) 대신 5nm 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN 단층(single layer) 또는 p형 도전성의 InGaN 단층(single layer)으로 구성된 슈퍼래티스 구조(90)로 대체할 수도 있다. A
상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)은 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로 구성되어 있다. 상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)의 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)로 표기되는 6nm 이상의 두께를 지닌 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer)으로 구성될 수 있다. 더 나아가서, 상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.The first ohmic contact current spreading
상기 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체(A)는 MOCVD, MBE, HVPE, sputter, 또는 PLD 등의 장치를 이용하여 인시츄(in-situ) 상태에서 연속적으로 성장 형성한다. 더 나아가서, 상기 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체(A)의 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), 상부 질화물계 클래드층(40), 및 슈퍼래티스 구조(90)는 연속적으로 인시츄 상태에서 우선 먼저 성장 형성한 다음, 엑시츄(ex-situ) 상태에서 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)을 상기 슈퍼래티스 구조(90) 상면에 성장 형성할 수도 있다.The light-emitting structure A for a light-emitting diode device having the flip chip structure is continuously grown in an in-situ state by using an apparatus such as MOCVD, MBE, HVPE, sputter, or PLD. The nitride-based
도 2는 본 발명에 의해 창안된 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 제2 실시예를 보인 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device of a flip chip structure invented by the present invention.
도 2를 참조하여 설명하면, 성장기판(10) 상부에 성장 형성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체(B)로서, 상기 성장기판(10) 상면에 버퍼층(미도시)을 포함한 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)과, 질화물계 활성층(30)과, p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)과, 반복적으로 적층된 슈퍼래티스 구조(90) 및 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)을 포함한다.Referring to FIG. 2, a light emitting structure B for a light emitting diode device having a flip chip structure according to a first embodiment of the present invention, which is grown on a
상기 성장기판(10)은 사파이어(sapphire) 또는 실리콘카바이드(SiC) 등과 같은 소재로 이루어질 수 있다.The
상기 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)은 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 형성될 수 있으며, 상기 성장기판(10) 상면에 형성된 버퍼층(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The lower nitride-based
상기 질화물계 활성층(30)은 전자(electron) 및 정공(hole)인 캐리어가 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다.The nitride-based
또한, 상기 질화물계 활성층(30)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 질화물계 활성층(30)의 장벽층을 구성하는 물질의 에너지 밴드갭(band-gap)은 우물층을 구성하는 물질의 에너지 밴드갭에 비해서 크고, 상기 장벽층의 두께는 우물층의 두께보다 더 두꺼운 것이 일반적이다. 상기 장벽층과 우물층은 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원, 3원, 또는 4원 화합물 질화물계 반도체일 수 있다. 더 나아가서, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성할 수 있다. 상기 질화물계 활성층(30)의 양자 우물층을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라 상기 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다.The nitride-based
상기 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상면에서 반복적으로 적층된 상기 슈퍼래티스 구조(90)는 상기 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40) 상면에 위치하며, p형 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체의 도판트 활성화 에너지를 낮추어 유효정공농도를 증가시키거나, 또는 에너지 밴드갭 조절(band-gap engineering)을 통해서 양자역학적 터널링 전도(quantum-mechanical tunneling transport) 현상을 일으킬 수 있다.The
상기 슈퍼래티스 구조(90)는 다층으로 형성되는 것이 일반적이고, 이을 구성하고 있는 각층의 두께는 5nm 이하로 형성되고, 상기 각층은 InN, InGaN, InAlN, AlGaN, GaN, AlInGaN, AlN, SiC, SiCN, MgN, ZnN, 또는 SiN으로 구성될 수 있다. 일예로, 상기 슈퍼래티스 구조(90)는 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, InGaN/GaN/AlGaN, AlGaN/GaN/InGaN 등이 있다.The
더 나아가서, 상기 슈퍼래티스 구조(90)의 각층은 실리콘(Si), 마그네 슘(Mg), 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.Further, each layer of the
상기 다층으로 구성된 슈퍼래티스 구조(90) 대신 5nm 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN 단층(single layer) 또는 p형 도전성의 InGaN 단층(single layer)으로 구성된 슈퍼래티스 구조(90)로 대체할 수도 있다.A
상기 슈퍼래티스 구조(90) 상면에 반복적으로 적층된 상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)은 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로 구성되어 있다. 상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)의 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체는 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)로 표기되는 6nm 이상의 두께를 지닌 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer)으로 구성될 수 있다. 더 나아가서, 상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.The first ohmic contact current spreading
상기 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체(B)는 MOCVD, MBE, HVPE, sputter, 또는 PLD 등의 장치를 이용하여 인시츄(in-situ) 상태에서 연속적으로 성장 형성한다. 더 나아가서, 상기 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체(B)의 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), 상부 질화물계 클래드층(40), 및 슈퍼래티스 구조(90)는 연속적으로 인시츄(in-situ) 상태에서 우선 먼저 성장 형성한 다음, 엑시츄(ex-situ) 상태에서 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)을 상기 슈퍼래티스 구조(90) 상면에 성장 형성할 수도 있다.The light emitting structure B for the light emitting diode element having the flip chip structure is continuously grown in an in-situ state by using an apparatus such as MOCVD, MBE, HVPE, sputter, or PLD. The nitride-based
도 3은 본 발명에 의해 제조된 제1 실시예로서 보인 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light emitting diode device having a flip chip structure as a first embodiment manufactured by the present invention.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체(A)가 성장기판(10) 상면에 성장 형성되어 있다. 다시 말하자면, 성장기판(10) 상면에 버퍼층(미도시)을 포함한 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40), 슈퍼래티스 구조(90), 제1 오믹접촉 커런트스프페딩층(100)으로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체(A)와, 제2 오믹접촉 커런트스프페딩층(120), 제3 오믹접촉 커런트스프페딩층(130), p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드(70), 및 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(80)를 포함한다.Referring to FIG. 3, a light emitting structure A for a light emitting diode device having a flip chip structure according to the first embodiment of the present invention is grown on an upper surface of a
일예로, 상기 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), 상부 질화물계 클래드층(40), 슈퍼래티스 구조(90)와, 및 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층(100)은 MOCVD, MBE, 또는 HVPE 장비를 사용하여 인시츄(in-situ) 상태에서 연속적으로 성장 형성하고, 상기 제2 및 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층(130)은 sputter, evaporator 또는 PLD 장비를 사용하여 엑시츄(ex-situ) 상태에서 형성하는 것이 바람직하다.For example, the lower nitride-based
상기 성장기판(10)은 사파이어(sapphire) 또는 실리콘카바이드(SiC) 등과 같은 소재로 이루어질 수 있다.The
상기 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)은 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 형성될 수 있으며, 상기 성장기판(10) 상면에 형성된 버퍼층(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 하부 질화 물계 클래드층(20)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The lower nitride-based
상기 질화물계 활성층(30)은 전자(electron) 및 정공(hole)인 캐리어가 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다.The nitride-based
또한, 상기 질화물계 활성층(30)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 질화물계 활성층(30)의 장벽층을 구성하는 물질의 에너지 밴드갭(band-gap)은 우물층을 구성하는 물질의 에너지 밴드갭에 비해서 크고, 상기 장벽층의 두께는 우물층의 두께보다 더 두꺼운 것이 일반적이다. 상기 장벽층과 우물층은 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원, 3원, 또는 4원 화합물 질화물계 반도체일 수 있다. 더 나아가서, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성할 수 있다. 상기 질화물계 활성층(30)의 양자 우물층을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라 상기 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다.The nitride-based
상기 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 발광다이오드 소자는 상기 하부 질화물계 클래드층(20), 상기 질화물계 활성층(30), 그리고 상부 질화물계 클래드층(40)이 연속적으로 적층된 구조를 이룬다. 상기 질화물계 활성층(30)은 상기 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 영역 상부에 형성되며, 상기 질화물계 활성층(30) 위로는 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)이 형성된다. 따라서, 상기 하부 질화물계 클래드층(20) 상면 일부 영역은 상기 질화물계 활성층(30)과 접합되어 있으며, 상면의 나머지 일부 영역은 외부로 노출된다.The light emitting diode device has a structure in which the lower nitride-based
상기 슈퍼래티스 구조(90)는 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상면 일부 또는 전체 영역에 위치하며, 다층으로 형성되는 것이 일반적이고, 이을 구성하고 있는 각층의 두께는 5nm 이하로 형성되고, 상기 각층은 InN, InGaN, InAlN, AlGaN, GaN, AlInGaN, AlN, SiC, SiCN, MgN, ZnN, 또는 SiN으로 구성될 수 있다. 일예로, 상기 슈퍼래티스 구조(90)는 실리콘(Si) 도핑된 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, InGaN/GaN/AlGaN, AlGaN/GaN/InGaN 등이 있다.The
더 나아가서, 상기 슈퍼래티스 구조(90)의 각층은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.Further, each layer of the
상기 다층으로 구성된 슈퍼래티스 구조(90) 대신 5nm 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN 단층(single layer) 또는 p형 도전성의 InGaN 단층(single layer)으로 구성된 슈퍼래티스 구조(90)로 대체할 수도 있다.A
상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층은(100)은 상기 슈퍼래티스 구조(90) 상부의 일부 또는 전체 영역에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로 형성되고, 상기 질화물계 활성층(30)에서 방출되는 빛을 외부로 투과시킨다. 예를 들어, 50 Ω/□ 이하의 면저항을 갖는 실리콘(Si) 도핑된 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si) 도핑된 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 등과 같은 그룹 3족 질화물계 전도성 물질로 이루어지며 MOCVD, MBE, HVPE, sputter, 또는 PLD 등의 장치를 이용하여 형성된 6nm 이상의 두께를 갖는 단층 또는 다층 박막으로서, 상기 제 p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드(70)를 통해 입력되는 전류를 골고루 분산시켜 발광 효율을 높이는 역할을 수행한다.The first ohmic contact current spreading
상기 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층(120)은 투명전도성 박막구조체로 구성되어 있다. 상기 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층(120)의 투명전도성 박막구조체는 ITO 또는 ZnO 등과 같이 600nm 이하의 파장대역에서 70% 이상의 광 투과율을 갖는 동시에 50 Ω/□ 이하의 면저항을 갖는 물질로서, 5nm 이상의 두께를 지닌 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer)으로 구성될 수 있다.The second ohmic contact current spreading layer 120 is formed of a transparent conductive thin film structure. The transparent conductive thin film structure of the second ohmic contact current spreading layer 120 has a light transmittance of 70% or more in a wavelength band of 600 nm or less, such as ITO or ZnO, and has a sheet resistance of 50 Ω / Or a multi-layer having a thickness equal to or greater than the thickness of the substrate.
상기 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층(130)은 반사전도성 박막구조체로 구성되어 있다. 상기 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층(130)의 반사전도성 박막구조체는 Ag 또는 Al 등과 같이 600nm 이하의 파장대역에서 70% 이상의 광 반사율을 갖는 동시에 50 Ω/□ 이하의 면저항을 갖는 물질로서, 200nm 이상의 두께를 지닌 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer)으로 구성될 수 있다.The third ohmic contact current spreading
상기 p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드(70)는 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(100, 120, 또는 130) 상면 일부 영역에 위치하며, 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(100, 120, 또는 130)과 쇼키접촉 계면을 형성하기 위한 물질, 예를 들어 Pd/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift off) 방법에 의해 형성될 수 있다. Pd/Au을 사용하여 상기 오믹접촉 커런트스프레딩층(100, 120, 또는 130)과의 접착력(adhesion)을 개선시킬 뿐만 아니라 바람직한 상기 오믹접촉 커런트스프레딩 층(100, 120, 또는 130)의 쇼키접촉 계면을 얻을 수 있다.The p-type schottky contact electrode and the
상기 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(80)는 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상기 하부 질화물계 클래드층(20)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(80)는 상기 하부 질화물계 클래드층(20)과 오믹접촉 계면을 형성하기 위한 물질, 예를 들어 Cr/Al과 같은 금속으로 이루어지며, Cr 금속을 사용하여 접착력(adhesion)을 개선시킬 뿐만 아니라 바람직한 상기 하부 질화물계 클래드층(20)과의 오믹접촉(ohmic contact) 계면을 얻을 수 있다.The n-type ohmic contact electrode and the
도 4는 본 발명에 의해 제조된 제2 실시예로서 보인 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a group III nitride-based semiconductor light emitting diode device having a flip chip structure as a second embodiment manufactured by the present invention.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플립칩 구조의 발광다이오드 소자용 발광구조체(A)가 성장기판(10) 상면에 성장 형성되어 있다. 다시 말하자면, 성장기판(10) 상면에 버퍼층(미도시)을 포함한 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40), 슈퍼래티스 구조(90), 제1 오믹접촉 커런트스프페딩층(100), 광추출 구조(110)로 구성된 발광다이오드 소자용 발광구조체(A)와, 제3 오믹접촉 커런트스프페딩층(130), p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드(70) 및 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(80)를 포함한다.Referring to FIG. 4, a light emitting structure A for a light emitting diode element having a flip chip structure according to the first embodiment of the present invention is grown on the
일예로, 상기 하부 질화물계 클래드층(20), 질화물계 활성층(30), 상부 질화물계 클래드층(40), 슈퍼래티스 구조(90)와, 및 제1 오믹접촉 커런트스프레딩 층(100)은 MOCVD, MBE, 또는 HVPE 장비를 사용하여 인시츄(in-situ) 상태에서 연속적으로 성장 형성하고, 상기 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층(130)은 MOCVD, MBE, HVPE, sputter, evaporator 또는 PLD 장비를 사용하여 엑시츄(ex-situ) 상태에서 형성하는 것이 바람직하다.For example, the lower nitride-based
상기 성장기판(10)은 사파이어(sapphire) 또는 실리콘카바이드(SiC) 등과 같은 소재로 이루어질 수 있다.The
상기 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)은 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 형성될 수 있으며, 상기 성장기판(10) 상면에 형성된 버퍼층(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 하부 질화물계 클래드층(20)은 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The lower nitride-based
상기 질화물계 활성층(30)은 전자(electron) 및 정공(hole)인 캐리어가 재결합되는 영역으로서, InGaN, AlGaN, GaN, AlInGaN 등을 포함하여 이루어진다.The nitride-based
또한, 상기 질화물계 활성층(30)은 양자 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 질화물계 활성층(30)의 장벽층을 구성하는 물질의 에너지 밴드갭(band-gap)은 우물층을 구성하는 물질의 에너지 밴드갭에 비해서 크고, 상기 장벽층의 두께는 우물층의 두께보다 더 두꺼운 것이 일반적이다. 상기 장벽층과 우물층은 화학식 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 표현되는 2원, 3원, 또는 4원 화합물 질화물계 반도체일 수 있다. 더 나아가서, 상기 장벽층과 우물층은 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 형성할 수 있다. 상기 질화물계 활성층(30)의 양자 우물층을 구성하고 있는 물질의 종류에 따라 상기 발광다이오드 소자에서 방출되는 빛의 발광 파장이 결정된다.The nitride-based
상기 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)은 p형 In x Al y Ga 1-x-y N(0≤x, 0≤y, x+y≤1) 반도체 다층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 질화물계 클래드층(40)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도핑(doping)하여 형성할 수 있다.The upper nitride-based
상기 발광다이오드 소자는 상기 하부 질화물계 클래드층(20), 상기 질화물계 활성층(30), 그리고 상부 질화물계 클래드층(40)이 연속적으로 적층된 구조를 이룬다. 상기 질화물계 활성층(30)은 상기 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 하부 질화물계 클래드층(20)의 일부 영역 상부에 형성되며, 상기 질화물계 활성층(30) 위로는 p형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상부 질화물계 클래드층(40)이 형성된다. 따라서, 상기 하부 질화물계 클래드층(20) 상면 일부 영역은 상기 질화물계 활성층(30)과 접합되어 있으며, 상면의 나머지 일부 영역은 외부로 노출된다.The light emitting diode device has a structure in which the lower nitride-based
상기 슈퍼래티스 구조(90)는 상기 상부 질화물계 클래드층(40) 상면 일부 또는 전체 영역에 위치하며, 다층으로 형성되는 것이 일반적이고, 이을 구성하고 있는 각층의 두께는 5nm 이하로 형성되고, 상기 각층은 InN, InGaN, InAlN, AlGaN, GaN, AlInGaN, AlN, SiC, SiCN, MgN, ZnN, 또는 SiN으로 구성될 수 있다. 일예로, 상기 슈퍼래티스 구조(90)는 실리콘(Si) 도핑된 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, InGaN/GaN/AlGaN, AlGaN/GaN/InGaN 등이 있다.The
더 나아가서, 상기 슈퍼래티스 구조(90)의 각층은 실리콘(Si), 마그네 슘(Mg), 아연(Zn) 등을 도핑하여 형성할 수 있다.Further, each layer of the
상기 다층으로 구성된 슈퍼래티스 구조(90) 대신 5nm 이하의 두께를 갖는 n형 도전성의 InGaN 단층(single layer) 또는 p형 도전성의 InGaN 단층(single layer)으로 구성된 슈퍼래티스 구조(90)로 대체할 수도 있다.A
상기 제1 오믹접촉 커런트스프레딩층은(100)은 상기 슈퍼래티스 구조(90) 상부의 일부 또는 전체 영역에 그룹 3족 질화물계 전도성 박막구조체로 형성되고, 상기 질화물계 활성층(30)에서 방출되는 빛을 외부로 투과시킨다. 예를 들어, 50 Ω/□ 이하의 면저항을 갖는 실리콘(Si) 도핑된 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si) 도핑된 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 등과 같은 그룹 3족 질화물계 전도성 물질로 이루어지며 MOCVD, MBE, HVPE, sputter, 또는 PLD 등의 장치를 이용하여 형성된 6nm 이상의 두께를 갖는 단층 또는 다층 박막으로서, 상기 제 p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드(70)를 통해 입력되는 전류를 골고루 분산시켜 발광 효율을 높이는 역할을 수행한다.The first ohmic contact current spreading
상기 광추출 구조(110)는 상기 질화물계 활성층(30)에서 생성된 빛을 최대한 대기로 많이 방출시키기 위해, 상기 제1 또는 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층(100 또는 120) 상면에 도입한 표면 요철(surface texture)이다. 상기 광추출 구조(110)는 상기 제1 또는 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층(100 또는 120) 표면에 습식 또는 건식에칭을 이용하여 소정의 형상 및 치수를 갖는 요철을 형성하여 발광다이오드 소자용 발광구조체 구조 내부로 전반사하는 빛을 최소화시켜 LED 소자의 전체 휘도 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.The light extracting structure 110 is formed on the upper surface of the first or second ohmic contact current spreading
상기 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층(120)은 투명전도성 박막구조체로 구성되어 있다. 상기 제2 오믹접촉 커런트스프레딩층(120)의 투명전도성 박막구조체는 ITO 또는 ZnO 등과 같이 600nm 이하의 파장대역에서 70% 이상의 광 투과율을 갖는 동시에 50 Ω/□ 이하의 면저항을 갖는 물질로서, 5nm 이상의 두께를 지닌 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer)으로 구성될 수 있다.The second ohmic contact current spreading layer 120 is formed of a transparent conductive thin film structure. The transparent conductive thin film structure of the second ohmic contact current spreading layer 120 has a light transmittance of 70% or more in a wavelength band of 600 nm or less, such as ITO or ZnO, and has a sheet resistance of 50 Ω / Or a multi-layer having a thickness equal to or greater than the thickness of the substrate.
상기 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층(130)은 반사전도성 박막구조체로 구성되어 있다. 상기 제3 오믹접촉 커런트스프레딩층(130)의 반사전도성 박막구조체는 Ag 또는 Al 등과 같이 600nm 이하의 파장대역에서 70% 이상의 광 반사율을 갖는 동시에 50 Ω/□ 이하의 면저항을 갖는 물질로서, 200nm 이상의 두께를 지닌 단층(single layer) 또는 다층(multi-layer)으로 구성될 수 있다.The third ohmic contact current spreading
상기 p형 쇼키접촉 전극 및 전극패드(70)는 상기 광추출 구조(110) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층(100, 120, 또는 130) 상면 일부 영역에 위치하며, 상기 광추출 구조(110) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층(100, 120, 또는 130)과 쇼키접촉 계면을 형성하기 위한 물질, 예를 들어 Pd/Au과 같은 금속으로 이루어지며 리프트 오프(lift off) 방법에 의해 형성될 수 있다. Pd/Au을 사용하여 상기 광추출 구조(110) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층(100, 120, 또는 130)과의 접착력(adhesion)을 개선시킬 뿐만 아니라 바람직한 상기 광추출 구조(110) 또는 오믹접촉 커런트스프레딩층(100, 120, 또는 130)의 쇼키접촉 계면을 얻을 수 있다.The p-type schottky contact electrode and the
상기 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(80)는 n형 도전성의 반도체 물질로 이루어진 상기 하부 질화물계 클래드층(20)의 노출면 위에 형성되며 리프트 오프 방 법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 n형 오믹접촉 전극 및 전극패드(80)는 상기 하부 질화물계 클래드층(20)과 오믹접촉 계면을 형성하기 위한 물질, 예를 들어 Cr/Al과 같은 금속으로 이루어지며, Cr 금속을 사용하여 접착력(adhesion)을 개선시킬 뿐만 아니라 바람직한 상기 하부 질화물계 클래드층(20)과의 오믹접촉(ohmic contact) 계면을 얻을 수 있다.The n-type ohmic contact electrode and the
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Accordingly, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also within the scope of the present invention.
도 1은 본 발명에 의해 창안된 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 제1 실시예를 보인 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device having a flip chip structure invented by the present invention,
도 2는 본 발명에 의해 창안된 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자용 발광구조체의 제2 실시예를 보인 단면도이고,FIG. 2 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a light-emitting structure for a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device having a flip chip structure invented by the present invention,
도 3은 본 발명에 의해 따라 제조된 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 제1 실시예를 보인 단면도이고,3 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device having a flip chip structure manufactured according to the present invention,
도 4는 본 발명에 의해 따라 제조된 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 제2 실시예를 보인 단면도이고,4 is a cross-sectional view illustrating a flip chip structure group III nitride-based semiconductor light emitting diode device according to a second embodiment of the present invention,
도 5는 종래 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 대표적인 예를 보인 단면도이고,5 is a cross-sectional view showing a typical example of a conventional Group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device,
도 6은 다중양자우물 구조(multi-quantum well structure)와 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 비교 설명하기 위한 단면도이고,6 is a cross-sectional view for explaining a comparison between a multi-quantum well structure and a superlattice structure,
도 7은 종래 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 대표적인 예를 보인 단면도이고,FIG. 7 is a cross-sectional view showing a typical example of a conventional Group III nitride-based semiconductor light-emitting diode device,
도 8은 종래 플립칩 구조의 그룹 3족 질화물계 반도체 발광다이오드 소자의 대표적인 예를 보인 단면도이다.FIG. 8 is a cross-sectional view showing a representative example of a conventional group III nitride-based semiconductor light emitting diode device having a flip chip structure.
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