KR101534304B1 - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

3족 질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, n형 도전성을 가지는 n형 3족 질화물 반도체층; 상기 n형 3족 질화물 반도체층에 전기적으로 접속되도록 구비되는 n측 전극; p형 도전성을 가지는 p형 3족 질화물 반도체층; 및 상기 p형 3족 질화물 반도체층에 전기적으로 접속되도록 구비되는 p측 전극;을 포함하며, 상기 n측 전극과 p측 전극 중 적어도 하나는 상면에 Al, Ag, Pt 및 Ni, 이들 중 선택된 적어도 둘 이상의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 반사층;을 가진다. 본 발명에 따르면 반사층에 의해 패키징 상태에서 몰딩 부재에 의해 반사된 광의 흡수를 최소화되므로, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명(Disclosure)은 전체적으로 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 3족 질화물 반도체 발광소자가 패키징 된 상태에서 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 전극구조를 가지는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다.
반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다.
3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(300), n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(500), p형 3족 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 3족 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 3족 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있다. 바람직하게는 n형 3족 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않은 GaN층이 성장되며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 3족 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
n형 3족 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다.
미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 기재되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 3족 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다.
미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 3족 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정 없이 p형 3족 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 3족 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 3족 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 3족 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 3족 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 기재되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 기재되어 있다. 또한, p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)이 Cr, Ni, Au, Cr 및 Au의 순으로 적층되어 구성되는 예가 있다.
여기서, p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)의 최상층은 Au로 구비되는데, 이는 Au가 산화가 잘되지 않으며 와이어 본딩이 용이한 이점을 가지기 때문이다. 그러나 Au의 경우 높지 않은 광 반사율로 인해 패키징 된 3족 질화물 반도체 발광소자의 광 추출 효율을 개선하는데 한계가 있었다.
구체적으로, 통상 3족 질화물 반도체 발광소자는 몰딩 부재(에폭시 등)와 다양한 구조물 내부에 수용되어 패키징 되며, 3족 질화물 반도체 발광소자로부터 방출되는 빛은 몰딩 부재를 통과하여 외부로 방출된다.
이때, 3족 질화물 반도체 발광소자로부터 방출된 빛 중 일부는 몰딩 부재와 다양한 구조물에 의해 3족 질화물 반도체 발광소자 쪽으로 반사되는데, 반사된 빛의 상당부분이 3족 질화물 반도체 발광소자에 흡수되어 광 추출 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
특히, p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)의 최상층에 위치되는 Au에 의해 흡수되는 빛은 3족 질화물 반도체 발광소자의 광 추출 효율을 떨어뜨리는 큰 원인이 되었다. 따라서 이에 대한 개선이 요구된다.
본 발명은 패키징 상태에서 몰딩 부재에 의해 반사된 광의 흡수를 최소화할 수 있는 전극구조를 가지는 3족 질화물 반도체 발광소자의 제공을 일 목적으로 한다.
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 태양(aspect)은, n형 도전성을 가지는 n형 3족 질화물 반도체층; 상기 n형 3족 질화물 반도체층에 전기적으로 접속되도록 구비되는 n측 전극; p형 도전성을 가지는 p형 3족 질화물 반도체층; 및 상기 p형 3족 질화물 반도체층에 전기적으로 접속되도록 구비되는 p측 전극;을 포함하며, 상기 n측 전극과 p측 전극 중 적어도 하나는 상면에 Al, Ag, Pt 및 Ni, 이들 중 선택된 적어도 둘 이상의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 반사층;을 가진다.
여기서, 상기 n측 전극과 상기 p측 전극은, 각각 상기 n형 3족 질화물 반도체층과 상기 p형 3족 질화물 반도체층의 상면에 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 p측 전극은, 상기 p형 3족 질화물 반도체층의 상면 일 측에 구비되는 p측 본딩패드; 및 상기 p측 본딩패드로부터 뻗어나오는 p측 가지전극;으로서, 상기 p형 3족 질화물 반도체층의 위에 구비되는 p측 가지전극;을 포함하며, 상기 반사층은 상기 p측 가지전극의 상면에 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 p측 가지전극은 상기 p측 본딩패드와 설정된 간격만큼 떨어져 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사층은 상기 p측 본딩패드 및 상기 p측 가지전극의 상면에 구비되며, 상기 p측 본딩패드는 상면에 상기 반사층이 구비되지 않으며 Au로 구비되는 본딩영역;을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 n측 전극과 상기 p측 전극 중 적어도 하나는, 상면에 반사층이 제거되어 Au가 노출된 본딩영역;을 가지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 반사층은 적어도 10nm이상의 두께로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사층은 30nm이상의 두께로 구비되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예에 의하면, p측 전극과 n측 전극의 상면에 구비된 반사층에 의해 패키징 상태에서 몰딩 부재에 의해 반사된 광의 흡수를 최소화되므로, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제1 실시예를 보인 도면,
도 3은 도 2에서 반사층의 두께에 따른 파장 별 반사율을 보인 선도,
도 4는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제2 실시예를 보인 도면,
도 5는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제3 실시예를 보인 도면,
도 6은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제4 실시예를 보인 도면 및
도 7은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제5 실시예를 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다양한 실시예에 대하여 자세히 설명한다.
이에 앞서, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어 개념을 적절하게 정의할 수 있으므로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 2는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제1 실시예를 보인 도면, 도 3은 도 2에서 반사층의 두께에 따른 파장 별 반사율을 보인 선도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(10)는 n형 도전성을 가지는 n형 3족 질화물 반도체층(13), n형 3족 질화물 반도체층(13)에 전기적으로 접속되도록 구비되는 n측 전극(18), p형 도전성을 가지는 p형 3족 질화물 반도체층(15) 및 p형 3족 질화물 반도체층(15)에 전기적으로 접속되도록 구비되는 p측 전극(17)을 포함한다.
보다 구체적으로 본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(10)는 배경기술로서 상술한 일반적인 3족 질화물 반도체 발광소자와 같이, 기판(11), 기판(11) 위에 성장되는 버퍼층(12), 버퍼층(12) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(13), n형 3족 질화물 반도체층(13) 위에 성장되는 활성층(14), 활성층(14) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(15), p형 3족 질화물 반도체층(15) 위에 형성되는 전류 확산층(예: ITO)(16), p형 3족 질화물 반도체층(15) 위에 형성되는 p측 전극(17), 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(13) 위에 형성되는 n측 전극(18)을 포함한다. 또한, 보호막(19)이 선택적으로 더 구비될 수 있다.
여기서, 기판(11)은 n형 3족 질화물 반도체층(14)과 이종물질(예: 사파이어(Al2O3))로 구비되는데, 3족 질화물 반도체가 성장되는 면에 복수의 요철 또는 복수의 돌기가 구비된 기판(Patterned Sapphire Substrate; PSS)이 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, n측 전극(18) 및 p측 전극(17)은, 하부로부터 Ni, Au, Cr, Au 순으로 적층되어 구비되는 것이 바람직하며, n측 전극(18)과 p측 전극(17)의 상면에는 반사층(17a,18a)이 형성된다. 본 예에서 반사층(17a,18a)은 Al로 구비된다.
이와 달리 반사층(17a,18a)은 Al, Ag, Pt 및 Ni, 이들 중 선택된 적어도 둘 이상의 합금 중에서 선택될 수 있다.
또한, n측 전극(18)은 n형 3족 질화물 반도체층(13)의 상면에 구비되며, p측 전극(17)은 p형 3족 질화물 반도체층(15)의 상면에 구비된다. 여기서, p측 전극(17)은 p형 3족 질화물 반도체층(15)의 상면 전체를 덮는 전류 확산층(16)을 제외하는 개념이다.
도 3을 참조하면, 본 예에 따른 반사층(17a,18a)에 의한 반사율은 3족 질화물 반도체 발광소자의 주요 발광 파장인 400nm~460nm 영역에서 Al의 두께가 10nm이상에서 70% 정도의 반사율을 보이며, Al의 두께가 30nm인 경우 90% 이상의 반사율을 보인다.
또한 반사층(17a,18a)의 두께가 증가할수록 반사율이 계속 증가하며, 반사율 증가폭은 점차 작아짐을 확인할 수 있다.
따라서, 본 예에 있어서, 반사층(17a,18a)은 적어도 10nm이상의 두께로 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 반사층(17a,18a)은 30nm이상의 두께로 구비되는 것이 더욱 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제2 실시예를 보인 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(20)는 다른 구성에 있어서 앞서 설명한 제1 실시예와 동일하나, p측 전극이 p측 본딩패드(17)와 p측 가지전극(27)으로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
p측 가지전극(27)은 p측 본딩패드(17)로부터 뻗어나온 것으로서, p형 3족 질화물 반도체층(15) 위에 구비된다.
여기서, p측 가지전극(27)은 p형 3족 질화물 반도체층(15)에 상면에 바로 형성될 수도 있으나, p형 3족 질화물 반도체층(15)에 상면에 형성되는 전류 확산층(16)의 상면에 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 본 예에 있어서, 반사층(17a,18a)은 p측 본딩패드(17)의 상면뿐만 아니라 p측 가지전극(27)의 상면(27a 참조)에도 구비되는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다.
p측 가지전극(27)은 3족 질화물 반도체 발광소자(10)의 대면적화로 인해 전류의 확산 효율 개선이 요구되면서 그 해결책은 제시되었으나, p측 가지전극(27)에 의해 광 흡수가 증가되어 광 추출 효율을 낮아지는 문제가 있었다.
본 예에 따르면 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제3 실시예를 보인 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(30)는 다른 구성에 있어서 앞서 설명한 제2 실시예와 동일하나, p측 전극이 p측 본딩패드(17)과 p측 가지전극(37)으로 구성되되, 반사층(37a)이 p측 가지전극(37) 및 n측 전극(18)의 상면에 구비되는 점에서 차이가 있다.
p측 본딩패드(17)의 경우 그 상면에 전류 공급을 위한 와이어가 본딩되는데, 와이어는 전류 전도성이 매우 높은 Au 재질이 바람직하며, p측 본딩패드(17)와 접합성을 고려할 때, p측 본딩패드(17)의 상면은 Au로 구비되는 것이 바람직하다.
따라서 본 예에 의하는 경우, p측 본딩패드(17)의 상면에 반사층을 형성하지 않음으로써 와이어 본딩시 발생할 수 있는 접합성 저하를 방지할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제4 실시예를 보인 도면이다.
본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(40)는 다른 구성에 있어서 앞서 설명한 제2 실시예와 동일하나, p측 가지전극(47)이 p측 본딩패드(17)와 설정된 간격만큼 떨어져 구비되는 점에서 차이가 있다.
이는 p측 가지전극(47)에 의한 전류 확산 효율을 향상시키기 위한 것으로서, 설정된 간격은 소자의 면적 및 형상 등에 따라 최적화될 수 있을 것이며, p측 가지전극(47)과 p측 본딩패드(17)가 분리되어 있으므로, p측 가지전극(27)과 p측 본딩패드(17) 중 어느 하나의 상면에만 반사층(17a,47a)을 형성하려는 경우 공정이 용이해지는 이점을 가진다.
도 7은 본 발명에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제5 실시예를 보인 도면이다.
본 예에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자(50)는 다른 구성에 있어서 앞서 설명한 제1 실시예와 동일하나, 와이어 본딩의 접합성을 향상시키기 위해, p측 전극(17)과 n측 전극(18)의 상면 중 일부 영역은 반사층(57a,58a)이 형성되고, 나머지 영역은 와이어 본딩을 위해 Au가 노출되도록 형성되는 본딩영역(57b,58b)으로 구비된다.
이때, p측 전극(17)은 p측 본딩패드(17)만으로 구성되거나, p측 가지전극(57c)을 포함할 수 있으며, 제4 실시예와 같이 p측 가지전극(57c)이 p측 본딩패드(17)로부터 분리되어 구비될 수도 있다.
이에 의하면, 제4 실시예와 달리 와이어 본딩의 접합 안정성을 향상시키면서도 반사층에 의한 광 추출 효율 향상을 도모할 수 있게 된다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (8)

  1. n형 도전성을 가지는 n형 3족 질화물 반도체층;
    상기 n형 3족 질화물 반도체층에 전기적으로 접속되도록 구비되며, n측 본딩패드로 구비되는 n측 전극;
    p형 도전성을 가지는 p형 3족 질화물 반도체층; 및
    상기 p형 3족 질화물 반도체층에 전기적으로 접속되도록 구비되며, p측 본딩패드를 포함하는 p측 전극;을 포함하며,
    상기 n측 전극과 p측 본딩패드 중 적어도 하나는 상면에 Al, Ag, Pt 및 Ni, 이들 중 선택된 적어도 둘 이상의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 반사층;으로서,외부로부터 상기 n측 전극과 p측 본딩패드 중 어느 하나의 상면을 향하여 조사되는 빛을 반사시키는 반사층;을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 n측 전극과 상기 p측 본딩패드는, 각각 상기 n형 3족 질화물 반도체층과 상기 p형 3족 질화물 반도체층의 상면에 구비되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 p측 전극은,
    상기 p형 3족 질화물 반도체층의 상면 일 측에 구비되는 p측 본딩패드; 및
    상기 p측 본딩패드로부터 뻗어나오는 p측 가지전극;으로서, 상기 p형 3족 질화물 반도체층의 위에 구비되는 p측 가지전극;을 포함하며,
    상기 반사층은 상기 p측 가지전극의 상면에 구비되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 p측 가지전극은 상기 p측 본딩패드와 설정된 간격만큼 떨어져 구비되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 반사층은 상기 p측 본딩패드 및 상기 p측 가지전극의 상면에 구비되며,
    상기 p측 본딩패드는 상면에 상기 반사층이 구비되지 않으며 Au로 구비되는 본딩영역;을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 n측 전극과 상기 p측 본딩패드 중 적어도 하나는, 상면에 반사층이 제거되어 Au가 노출된 본딩영역;을 가지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 반사층은 적어도 10nm이상의 두께로 구비되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 반사층은 30nm이상의 두께로 구비되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.





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