KR101549870B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 활성층으로부터의 빛을 반사하는 분포 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector);로서, 제1 개구를 구비하며, 제1 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 경사져 있는 분포 브래그 리플렉터; 제1 반도체층에 전자와 정공 중의 하나를 공급하는 제1 전극; 그리고 제2 반도체층에 전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하도록 제1 개구를 통해 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
Description
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 개구로 인해 형성된 경사면에 의해 광추출 효율이 향상된 구조를 가진 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 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.
여기서는, 본 개시에 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).
도 1은 미국 등록특허공보 제7,262,436호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 위에 성장되는 n형 반도체층(300), n형 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 반도체층(500), p형 반도체층(500) 위에 형성되는 반사막으로 기능하는 전극(901,902,903) 그리고 식각되어 노출된 n형 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 본딩 패드(800)를 포함한다.
이러한 구조의 칩, 즉 기판(100)의 일측에 전극(901,902,903) 및 전극(800) 모두가 형성되어 있고, 전극(901,902,903)이 반사막으로 기능하는 형태의 칩을 플립 칩(filp chip)이라 한다. 전극(901,902,903)은 반사율이 높은 전극(901; 예: Ag), 본딩을 위한 전극(903; 예: Au) 그리고 전극(901) 물질과 전극(903) 물질 사이의 확산을 방지하는 전극(902; 예: Ni)으로 이루어진다. 이러한 금속 반사막 구조는 반사율이 높고, 전류 확산에 이점을 가지지만, 금속에 의한 빛 흡수라는 단점을 가진다.
도 2는 일본 공개특허공보 제2006-120913호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 반도체층(300), n형 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 반도체층(500), p형 반도체층(500) 위에 형성되며, 전류 확산 기능을 하는 투광성 도전막(600), 투광성 도전막(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700) 그리고 식각되어 노출된 n형 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 본딩 패드(800)를 포함한다. 그리고 투광성 도전막(600) 위에는 분포 브래그 리플렉터(900; DBR: Distributed Bragg Reflector)와 금속 반사막(904)이 구비되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 금속 반사막(904)에 의한 빛 흡수를 감소하지만, 전극(901,902,903)을 이용하는 것보다 상대적으로 전류 확산이 원활치 못한 단점이 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 활성층으로부터의 빛을 반사하는 분포 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector);로서, 제1 개구를 구비하며, 제1 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 경사져 있는 분포 브래그 리플렉터; 제1 반도체층에 전자와 정공 중의 하나를 공급하는 제1 전극; 그리고 제2 반도체층에 전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하도록 제1 개구를 통해 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 미국 등록특허공보 제7,262,436호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 일본 공개특허공보 제2006-120913호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 설명하는 도면,
도 4는 도 3에서 A-A 선을 따라 절단한 단면을 설명하는 도면,
도 5는 도 4에 도시된 반도체 발광소자의 일부를 확대한 도면,
도 6은 비도전성 반사막에 형성되는 제1 개구의 일 예를 나타내는 사진,
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 10은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 11은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면.
도 2는 일본 공개특허공보 제2006-120913호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 설명하는 도면,
도 4는 도 3에서 A-A 선을 따라 절단한 단면을 설명하는 도면,
도 5는 도 4에 도시된 반도체 발광소자의 일부를 확대한 도면,
도 6은 비도전성 반사막에 형성되는 제1 개구의 일 예를 나타내는 사진,
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 10은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 11은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 3은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 설명하는 도면이고, 도 4는 도 3에서 A-A 선을 따라 절단한 단면을 설명하는 도면이다.
반도체 발광소자는 기판(10), 복수의 반도체층(30,40,50), 유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector; 91a), 클래드 막(91f), 제1 전극(80) 및 제2 전극(92)을 포함한다. 유전체 막(91b) 또는 클래드 막(91f)은 생략될 수 있다. 도 4에는 설명을 위해 유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a), 클래드 막(91f) 및 제2 전극(92)이 도시되어 있지 않다.
제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50) 및 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50) 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40)을 가지는 복수의 반도체층이 기판(10) 위에 형성된다.
예를 들어, 기판(10) 위에 버퍼층(20)이 성장되며, 버퍼층(20)위에 n형 반도체층(30; 제1 반도체층), 활성층(40), p형 반도체층(50; 제2 반도체층)이 순차로 성장된다.
기판(10)으로 주로 사파이어, SiC, Si, GaN 등이 이용되며, 기판(10)은 최종적으로 제거될 수 있고, 버퍼층(20)은 생략될 수 있다.
p형 반도체층(50) 및 활성층(40)이 메사식각되어 n형 반도체층(30)이 일부 노출된다. 메사식각의 순서는 변경될 수 있다.
p형 반도체층(50) 위에 부분적으로 빛흡수 방지막(95)이 형성된다. 빛흡수 방지막(95)은 후술될 p측 가지 전극(93)에 대응하여 형성될 수 있다. p측 가지 전극(93) 등에 의한 빛흡수 감소를 위해 빛흡수 방지막(95)을 도입할 수도 있지만, 경우에 따라 빛흡수 방지막(95)은 생략될 수 있다. 빛흡수 방지막(95)은 p형 반도체층(50)보다 굴절률이 낮은 투광성 물질로 된 단일층(예: SiO2), 다층막(예: Si02/TiO2/SiO2), 분포 브래그 리플렉터, 단일층과 분포 브래그 리플렉터의 결합 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 빛흡수 방지막(95)은 비도전성 물질(예: SiOx, TiOx와 같은 유전체 막)로 이루어질 수 있다.
이후, 빛흡수 방지막(95)을 덮으며 p형 반도체층(50) 위에 p형 반도체층(150)으로 전류확산을 위한 투광성 도전막(60)이 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, ITO, Ni/Au와 같은 물질로 투광성 도전막(60)이 형성될 수 있다.
이후, 투광성 도전막(60) 위에 p측 가지 전극(93)이 형성된다. p측 가지 전극(93)은 투광성 도전막(60)에 의해 p형 반도체층(50)과 전기적으로 연결된다. 본 예에서 p측 가지 전극(93)은 가지 전극과 다르게 섬 형태로 형성될 수도 있다. 이와 다르게, p측 가지 전극(93)이 생략되고, p측 전극(92; 제2 전극)이 직접 투광성 도전막(60)에 접촉될 수도 있다.
노출된 n형 반도체층(30) 위에 n형 반도체층(30)으로 전자를 공급하는 n측 본딩 패드(80; 제1 전극) 및 n측 가지 전극(81)이 p측 가지 전극(93)의 형성과 함께 형성될 수 있다. n측 본딩 패드(80) 및 n측 가지 전극(81)은 p측 전극(92)과 함께 형성될 수도 있다. n측 가지 전극(81)은 생략될 수 있다.
기판(10)이 제거되거나 도전성을 가지는 경우에 n측 본딩 패드(80)는 기판(10)이 제거된 n형 반도체층(30)측 또는 도전성 기판측에 형성될 수 있다. n형 반도체층(30)과 p형 반도체층(50)은 그 위치가 바뀔 수 있으며, 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서 주로 GaN으로 이루어진다. 각각의 반도체층(20,30,40,50)이 다층으로 구성될 수 있으며, 추가의 층이 구비될 수도 있다.
n측 본딩 패드(80)는 별도의 범프를 이용하여 패키지와 결합할 정도의 높이를 가져도 좋고, 도 2에서와 같이 자체가 패키지와 결합될 정도의 높이로 증착되어도 좋다.
본 예에서는 p측 가지 전극(93)에 의해 투광성 도전막(60)과 p측 전극(92) 간에 안정적인 전기적 접촉을 얻는다. 안정적 전기적 접촉에는 Cr, Ti, Ni 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 반도체 발광소자의 일부를 확대한 도면이다.
계속해서, p측 가지 전극(93)을 덮는 유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f)이 형성된다. 유전체 막(91b) 또는 클래드 막(91f)은 생략될 수 있다. 분포 브래그 리플렉터(91a)가 비도전성인 경우, 유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f) 전체가 비도전성 반사막(91)으로 기능한다.
유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f)은 p형 반도체층(50), 활성층(40)이 식각되어 노출된 n형 반도체층(30) 및 n측 본딩 패드(80) 일부의 위에도 형성될 수 있다. 유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f)은 n형 반도체층(30) 및 p형 반도체층(50) 위의 모든 영역을 반드시 덮을 필요는 없다.
분포 브래그 리플렉터(91a)는 반사막으로 기능하되, 빛의 흡수를 방지하도록 투광성 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 분포 브래그 리플렉터(91a)는 예를 들어, SiO2와 TiO2의 쌍이 복수 회 적층되어 이루어진다. 분포 브래그 리플렉터(91a)는 이 외에도 Ta2O5, HfO, ZrO, SiN 등 고 굴절률 물질과 이보다 굴절률이 낮은 유전체 박막(대표적으로 SiO2)등의 조합으로 이루어 질 수 있다. 분포 브래그 리플렉터(91a)가 TiO2/SiO2로 구성되는 경우 활성층으로부터 나오는 빛의 파장의 1/4의 광학 두께를 기본으로 입사 각도와 파장에 따른 반사율등을 고려해서 최적화 공정을 거치는 것이 바람직하며, 반드시 각 층의 두께가 파장의 1/4 광학두께를 반드시 지켜야 하는 것은 아니다. 그 조합의 수는 4 ~ 20 페어(pairs)가 적합하다.
정밀성을 요하는 분포 브래그 리플렉터(91a)의 증착에 앞서, 일정 두께의 유전체 막(91b)을 형성함으로써, 이질적이면서 이형(異形)을 가지는 증착물(50,60,80,81,93)에도 불구하고, 분포 브래그 리플렉터(91a)가 안정적으로 제조될 수 있으며, 빛의 반사에도 도움을 줄 수 있다. 유전체 막(91b)의 경우에 물질은 SiO2가 적당하며, 그 두께는 0.2um ~ 1.0um가 적당하다.
본 예에 따른 반도체 발광소자에서, 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이, 비도전성 반사막(91)은 유전체 막(91b)과 분포 브래그 리플렉터(91a)에 더하여 분포 브래그 리플렉터(91a) 위에 형성되는 클래드 막(91f)을 더 포함한다.
유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f)에 대해서는 더 후술된다.
도 6은 비도전성 반사막에 형성되는 제1 개구의 일 예를 나타내는 사진이다.
계속해서, p측 가지 전극(193)의 일부를 노출하는 제1 개구(5)가 유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f)을 관통하도록 형성된다. 유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f)의 두께 합은 0.5um 이상10um 이하 일 수 있다. 이러한 두께의 막을 관통하는 제1 개구(5)를 형성하기 위해 건식 식각 혹은 습식 식각과 같은 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 비도전성 반사막(91) 위에 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 수행한 후에 열처리를 수행하면 개구가 형성될 위치에 대응하는 포토레지스트 패턴에 경사가 형성된다. 이후, 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 건식식각(예: ICP, RIE, RIBE, CAIBE 등)을 실시하면 도 6에 도시된 것과 같은 경사면을 가지는 제1 개구(5)가 형성된다.
복수의 반도체층(30,40,50)으로부터 멀수록 제1 개구(5)의 폭이 크게 형성되어 있다. 따라서, 제1 개구(5)에 의해 유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91c)에 형성된 경사면(3)은 도 4 및 도 6에 도시된 것과 같이, 분포 브래그 리플렉터(91a)의 상면과 경사지게 형성된다. 경사면(3)은 분포 브래그 리플렉터(91a)의 상면과 직교하는 수직선과 경사각(6)을 이룬다.
이후, p측 전극(92)이 클래드 막(91f) 위에 형성되며, 제1 개구(5)에 형성된 전기적 연결(94)에 의해 p측 가지 전극(93)에 전기적으로 연결된다.
활성층(40)에서 발생한 빛은 많은 부분이 유전체 막(91b)과 분포 브래그 리플렉터(91a)에 의해 n형 반도체층(30) 측으로 반사된다. 그러나 유전체 막(91b)과 분포 브래그 리플렉터(91a)도 일정한 두께를 가지므로, 일부의 빛이 그 내부에 갇히거나, 유전체 막(91b)과 분포 브래그 리플렉터(91a) 측면을 통해 방출된다.
유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f)의 관계가 광 웨이브가이드(optical waveguide)의 관점에서 설명될 수 있다. 광 웨이브가이드는 빛의 전파부를 그 보다 굴절률이 낮은 물질로 둘러싸서, 전반사를 이용하여, 빛을 안내하는 구조물이다. 이러한 관점에서, 분포 브래그 리플렉터(91a)를 전파부로 보면, 유전체 막(91b)과 클래드 막(91f)은 전파부를 둘러싸는 구성으로서 광 웨이브가이드의 일부로 볼 수 있다.
분포 브래그 리플렉터(91a)가 SiO2/TiO2로 구성되는 경우에, SiO2의 굴절률이 1.46이고, TiO2의 굴절률이 2.4이므로, 분포 브래그 리플렉터(91a)의 유효 굴절률이 SiO2로 된 유전체 막(91b)의 굴절률보다 크도록 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 유효 굴절률은 서로 다른 굴절률을 가진 물질들로 이루어진 도파로에서 진행할 수 있는 빛이 가지는 등가 굴절률을 의미하며, 1.46과 2.4 사이의 값을 가진다.
클래드 막(91f) 또한 분포 브래그 리플렉터(91a)의 유효 굴절률보다 낮은 물질로 구성된다. Al2O3와 같은 금속 산화물, SiO2, SiON와 같은 유전체 막, MgF, CaF, 등의 물질로 이루어질 수 있다. 클래드 막(91f)은 λ/4n 내지 3.0um의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 여기서 λ는 활성층(40)에서 생성된 빛의 파장이고, n은 클래드 막(91f)을 이루는 물질의 굴절률이다. 예를 들어, 클래드 막(91f)이 1.46의 굴절률을 가지는 유전체인 SiO2로 형성될 수 있다. λ가 450nm(4500A)인 경우에, 4500/4*1.46 = 771A 이상의 두께로 형성될 수 있다.
다수 쌍의 SiO2/TiO2로 이루어지는 분포 브래그 리플랙터(91a)의 최상층이 λ/4n의 두께를 가지는 SiO2층으로 이루어질 수 있다는 것을 고려하여, 클래드 막(91f)은 아래에 위치하게 되는 분포 브래그 리플랙터(91a)의 최상층과 차별되도록 λ/4n보다 두꺼운 것이 바람직하다. 그러나 후속하는 제1 개구(5) 형성공정에 부담이 될 뿐만 아니라 두께 증가가 효율 향상에 기여하지 못하고 재료비만 증가시킬 수 있기 때문에 클래드 막(91f)은 3.0um 이상으로 너무 두꺼운 것은 바람직하지 않다. 후속될 제1 개구(5) 형성공정에 부담을 주지 않기 위해, 클래드 막(91f) 두께의 최대치는 1um ~ 3um 이내로 형성되는 것이 적당할 것이다. 그러나 경우에 따라 3.0um 이상으로 형성되는 것이 불가능한 것은 아니다.
분포 브래그 리플렉터(91a)와 p측 전극(92) 및 n측 본딩 패드(80)가 바로 접촉하는 경우에는 분포 브래그 리플렉터(91a)를 통해서 진행하는 빛의 일부가 p측 전극(92)과 n측 본딩 패드(80)에 영향을 받으면서 흡수가 일어날 수 있는데, 이때 p측 전극(92) 및 n측 본딩 패드(80)와 분포 브래그 리플렉터(91a) 사이에 분포 브래그 리플렉터(91a)보다 낮은 굴절율을 가지는 클래드 막(91f) 및 유전체 막(91b)을 삽입하게 되면, 분포 브래그 리플렉터(91a)를 통해 진행하는 빛의 일부가 p측 전극(92) 및 n측 전극(80)에서 흡수되는 것을 최소화할 수 있으므로, 빛의 효율을 증가시키는 장점이 있다.
유전체 막(91b)이 생략되는 경우를 생각해 볼 수 있으며, 광 웨이브가이드의 관점에서는 바람직하지 않지만, 본 개시의 전체 기술사상의 관점에서, 분포 브래그 리플렉터(91a)와 클래드 막(91f)으로 된 구성을 배제할 이유는 없다. 분포 브래그 리플렉터(91a) 대신에 유전체인 TiO2 재질의 유전체 막을 포함하는 경우를 생각해 볼 수도 있을 것이다. 분포 브래그 리플렉터(91a)가 가장 위층에 SiO2 층을 구비하는 경우, 클래드 막(91f)을 생략하는 경우 또한 생각해 볼 수 있을 것이다.
유전체 막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드 막(91f)은 광 웨이브가이드의 역할을 수행하며, 전체 두께가 1 ~ 8um인 것이 바람직하다.
광 웨이브가이드의 역할을 수행하는 비도전성 반사막(91)으로 입사하는 빛 중에서, 수직 또는 수직에 가까운 각도로 비도전성 반사막(91)으로 입사하는 빛은 기판(10) 측으로 잘 반사되지만, 비스듬한 각도로 비도전성 반사막(91)으로 입사하는 빛을 포함하는 일부의 빛은 기판(10) 측으로 반사되지 못하고 전파부 역할의 분포 브래그 리플렉터(91a) 내에 갇혀, 도 5에 도시된 것과 같이, 측면으로 전파될 수 있다.
이와 같이, 분포 브래그 리플렉터(91a)의 측면으로 전파되는 빛의 일부는 제1 개구(5)로 인해 형성된 경사면(3)에서 기판(10) 측으로 가이드된다. 경사면(3)은 원활한 기판(10) 측으로 빛을 가이드하기 위해 예를 들어, 10도(degree) ~ 80도 범위 이내의 경사각(6)을 가지는 것이 적당하다. 경사각(6)이 10도 보다 작거나 80도 보다 크면 기판(10) 측으로 빛을 가이드 하는 효과가 약하고, 경사각을 80도 이상으로 형성하는 것은 경사면(3) 형성에 부담이 될 수 있기 때문이다. 기판(10) 측으로 빛을 가이드 하는 효과가 크고 제1 개구(5) 형성 공정에 부담되지 않기 위해서는 25도 ~ 75도인 것이 바람직하다.
도 5에서 빛은 2차원 면에 도시되어 있지만, 실제의 3차원으로는 경사면(3)에서 반사 또는 가이드되어 지면의 앞 또는 뒤를 비스듬히 향하는 빛도 있다. 경사면(3)에서 반사 또는 가이드된 빛의 일부는 p측 가지 전극(93)에 입사하지만, 대부분의 반사된 또는 가이드된 빛은 투광성 도전막(60)을 투과한다.
이와 같이, 경사면(3)은 가이드면 또는 반사면으로 역할을 수행하며, 반도체 발광소자의 휘도 향상에 기여하게 된다.
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자는 p측 가지 전극이 생략되고, p측 전극(92)이 제1 개구(5)를 통해 투광성 도전막(60)에 접촉하는 점과, 제1 개구(5)에 의한 경사면(3)이 복수의 서브 경사면을 포함하는 점을 제외하고는 도 4 내지 도 6에서 설명된 반도체 발광소자와 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명은 생략한다.
반도체 발광소자는 빛흡수 방지막(95)을 포함할 수도, 포함하지 않을 수도 있다.
예를 들어, 경사면(5) 형성을 위해 건식 식각 혹은 습식 식각과 같은 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 비도전성 반사막(91) 위에 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 수행한 후에 150C 및 10min 조건으로 열처리를 수행하면 개구가 형성될 위치에 대응하는 포토레지스트 패턴에 경사가 형성된다. 이후, 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 건식식각(예: ICP, RIE, RIBE, CAIBE 등)을 실시하면 복수의 서브 경사면을 가지는 경사면(3)이 형성된다. 이러한 경사면(3)은 표면이 거칠게 형성될 수도 있다. 복수의 서브 경사면으로 인해 다양한 각도의 반사각이 구현될 수 있다.
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자는 p측 가지 전극이 생략되고, p측 전극(92)이 제1 개구(5)를 통해 투광성 도전막(60)에 접촉하는 점과, 제1 개구(5)에 의한 경사면(3)에 접하는 반사 전극층을 포함하는 점을 제외하고는 도 4 내지 도 6에서 설명된 반도체 발광소자와 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명은 생략한다.
반도체 발광소자는 빛흡수 방지막(95)을 포함할 수도, 포함하지 않을 수도 있다.
제1 개구(5)에 의한 경사면(3)과 접하는 반사 금속층(6)을 형성하여 반사율을 더 향상시키는 것을 고려할 수 있다. 예를 들어, 반사 금속층(6)은 제1 개구(5)에 의해 형성되는 유전체 막(91b)의 면, 분포 브래그 리플렉터(91a)의 면 및 클래드 막(91f)의 면과 접하며, Ag, Al 또는 이들의 합금을 포함하는 고반사 금속층으로 이루어질 수 있다. 반사 금속층(6)은 제2 전극(92)의 하부층이거나 별개의 금속층일 수 있다.
도 9는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자는 p측 가지 전극, n측 가지 전극이 생략된 점과, 투광성 도전막(60) 위에 비도전성 반사막(91)이 형성된 점과, 제1 개구(5)의 개수가 증가된 점과, 비도전성 반사막(91)에 제2 개구(7)가 추가로 형성된 점과, n측 본딩 패드(80)가 비도전성 반사막(91) 위에 형성되며, 제2 개구(7)에 형성된 전기적 연결(82)에 의해 n형 반도체층(30)과 전기적으로 연결된 점을 제외하고는 도 4 내지 도 6에서 설명된 반도체 발광소자와 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명은 생략한다.
반도체 발광소자는 빛흡수 방지막(95)을 포함할 수도, 포함하지 않을 수도 있다.
비도전성 반사막이 다층의 유전체 막(91c,91d,91e)으로 되어 있다. 예를 들어, 비도전성 반사막을 SiO2로 된 유전체 막(91c), TiO2로 된 유전체 막(91d) 및 SiO2로 된 유전체 막(91e)으로 구성하여 반사막의 역할을 할 수 있다. 바람직하게는 유전체 막(91d)이 DBR 구조로 형성된다.
반도체 발광소자의 제조 후에, 누설 전류의 발생 등, 소자 신뢰성에 영향을 줄 수 있으므로, SiO2로 된 유전체 막(91c)을 형성함에 있어서, 특히 주의를 할 필요가 있다. 유전체 막(91c)을 소자 신뢰성 확보에 보다 적합한 방법으로 형성할 필요가 있다. 예를 들어, SiO2로 된 유전체 막(91c)을 화학 기상 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 그 중에서도(바람직하게는) 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD; Plasma Enhanced CVD)에 의해 형성하고, TiO2/SiO2 DBR로 된 유전체 막(91d)/유전체 막(91e) 반복 적층 구조를 물리 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition), 그 중에서도(바람직하게는) 전자선 증착법(Electron Beam Evaporation) 또는 스퍼터링법(Sputtering) 또는 열 증착법(Thermal Evaporation)에 의해 형성함으로써, 본 예에 따른 반도체 발광소자의 신뢰성을 확보하면서도 비도전성 반사막으로서의 기능을 확보할 수 있게 된다. 메사 식각된 영역 등의 단차 영역을 덮는데(step coverage), 화학 기상 증착법이 물리 증착법, 특히 전자선 증착법에 비해 유리하기 때문이다.
유전체 막(91c), 분포 브래그 리플렉터(91d) 및 유전체 막(91e)을 관통하며 각각 투광성 도전막(60)의 일부 및 n형 반도체층(30)의 일부를 노출하는 제1 개구(5) 및 제2 개구(7)가 형성된다.
대면적 반도체 발광소자 또는, 고출력, 고전력(high-power) 반도체 발광소자의 경우, p측 전극(92)과 투광성 도전막(60)의 연결을 위해 다수의 제1 개구(5)를 형성하고 전기적 연결(94)이 형성될 수 있다.
n측 본딩 패드(80)가 유전체 막(91e) 위에 형성되어, 제2 개구(7)에 형성된 전기적 연결(82)에 의해 n형 반도체층(30)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 개구(7)는 하나 이상이 형성될 수 있다. 이로 인해, 플립칩의 경우, p측 전극(92)과 n측 본딩 패드(80)의 단차가 거의 없어질 수 있다.
제1 개구(5) 및 제2 개구(7)로 인해 유전체 막(91c), 분포 브래그 리플렉터(91d) 및 유전체 막(91e)은 경사면(3, 8)을 구비한다. 이와 같이, 다수의 제1 개구(5) 및 제2 개구(7)가 형성되는 경우, 경사면(3,8)에 의해 빛을 기판(10) 측으로 더 많이 나오게 할 수 있다.
도 10은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자는 제1 개구(5)의 개수가 증가된 점과, 제2 개구(7) 및 제3 개구(9)가 추가로 형성된 점과, n측 본딩 패드(80)가 비도전성 반사막 위에 형성되며, 제2 개구(7)에 형성된 전기적 연결(82)에 의해 n측 가지 전극(81)과 전기적으로 연결된 점을 제외하고는 도 4 내지 도 6에서 설명된 반도체 발광소자와 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명은 생략한다.
본 예에서, 반도체 발광소자는 빛흡수 방지막(95)을 포함할 수도, 포함하지 않을 수도 있다.
n측 가지 전극(81)을 덮는 비도전성 반사막(91)에 제2 개구(7)가 경사면(8)을 가지도록 형성되어 있고, n측 본딩 패드(80)가 제2 개구(7)에 형성된 전기적 연결(82)를 통해 n측 가지 전극(81)에 연결된다.
유전체 막(91c), 분포 브래그 리플렉터(91d) 및 유전체 막(e)에 제1 개구(5), 제2 개구(7) 및 제3 개구(9)가 형성된다. 제3 개구(9)는 제1 개구(5)와 그 형상이 거의 비슷하게 형성될 수 있다. 전기적 연결과 무관하게 기판(10) 측으로 빛의 반사만을 위한 제3 개구(9)가 형성하는 것을 고려할 수 있다. 예를 들어, 유전체(91g)가 유전체 막(91c)과 동일한 물질로 이루어진 경우, 유전체(91g)와 분포 브래그 리플렉터(91d) 및 유전체 막(91e)의 경계면에서 빛이 반사될 수 있다. 제3 개구(9)에 유전체(91g)와 같은 물질로 채워질 수 있다. 이때 유전체(91g)는 비도전성 반사막(91)을 이루는 물질들보다 굴절률이 작은 물질로 이루어지는 것이 빛의 반사에 유리할 수 있다. 예를 들어, 유전체(91g)는 MaF로 이루어질 수 있다. 이와 다르게, 제3 개구(9)를 채우지 않고, 그대로 둘 수도 있다.
이와 같이, 기판(10) 측으로 더 많은 빛을 가이드 하기 위해 전기적 연결과 무관한 개구를 형성할 수 있다.
도 11은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자는 p측 가지 전극이 생략되고, 투광성 도전막(60) 위에 제1 개구(5) 대응하여 오믹 접촉층(52)이 추가된 점과, p측 전극(92)이 제1 개구(5)로 이어져 오믹 접촉층(52)에 접촉하는 점을 제외하고는 도 4 내지 도 6에서 설명된 반도체 발광소자와 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명은 생략한다.
오믹 접촉층(52)으로는 오믹 금속(Cr, Ti 등)이 사용될 수 있고, 반사 금속(Al, Ag) 등으로 형성될 수도 있으며, 이들의 조합으로 이루어져도 좋다. 오믹 접촉층(52)으로 인해 반도체 발광소자의 동작전압이 낮아진다.
p형 반도체층과 투광성 도전막(60) 사이에 오믹 접촉층(52)에 대응하여 빛흡수 방지막 또는 전류차단층(current block layer)을 추가할 수도 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 복수의 반도체층과 분포 브래그 리플렉터의 사이에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 유전체 막; 그리고 분포 브래그 리플렉터를 기준으로 복수의 반도체층의 반대측에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 클래드 막; 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(2) 분포 브래그 리플렉터의 상면과 직교하는 수직선과 제1 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 이루는 경사각은 25도 이상 및 75도 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1 개구로 인해 형성된 경사면이 반드시 평평한 면일 필요는 없다. 경사면의 형상은 곡면 또는 계단형으로 경사지게 형성될 수도 있다.
(3) 제1 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면은 경사각이 다른 복수의 서브 면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(4) 제1 개구는 유전체 막과 클래드 막에 의해 분포 브래그 리플렉터 내로 가이드되는 빛을 복수의 반도체층 측으로 반사시키도록 경사져 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(5) 유전체 막 및 클래드 막 모두를 포함하며, 제1 개구에 의해 형성되는 유전체 막의 면, 분포 브래그 리플렉터의 면 및 클래드 막의 면과 접하는 Ag, Al 또는 이들의 합금으로 이루어진 반사 금속층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(6) 분포 브래그 리플렉터는 제2 개구;를 구비하며, 제2 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 경사져 있고, 제1 전극은 제2 개구를 통해 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1 개구와 제2 개구가 반드시 함께 형성될 필요는 없다.
(7) 분포 브래그 리플렉터는 제3 개구를 구비하며, 제3 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 경사져 있고, 제3 개구는 제1 전극 및 제2 전극에 의해 덮이지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(8) 복수의 반도체층과 분포 브래그 리플렉터의 사이에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 유전체 막; 그리고 분포 브래그 리플렉터를 기준으로 복수의 반도체층의 반대측에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 클래드 막;을 포함하며, 복수의 제1 개구와 적어도 하나의 제2 개구가 클래드 막, 분포 브래그 리플렉터 및 유전체 막을 관통하게 형성되며, 제1 전극 및 제2 전극은 클래드 막 위에서 실질적으로 동일한 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(9) 복수의 반도체층과 분포 브래그 리플렉터의 사이에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 유전체 막; 분포 브래그 리플렉터를 기준으로 복수의 반도체층의 반대측에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 클래드 막; 그리고 복수의 반도체층과 유전체 막 사이에 위치하며, 제1 개구를 채우는 제2 전극과 전기적으로 연결되는 투광성 도전막;을 포함하며, 제1 개구는 유전체 막과 클래드 막에 의해 분포 브래그 리플렉터 내로 가이드되는 빛을 복수의 반도체층 측으로 반사시키도록 경사져 있고, 분포 브래그 리플렉터는 제2 개구;를 구비하며, 제2 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 경사져 있고, 제1 전극은 제2 개구를 통해 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 반도체 발광소자의 내부에서 측면을 향하는 빛의 일부를 반도체 발광소자의 기판 측 또는 수직 방향으로 가이드하여 휘도가 향상된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 전기적 연결을 위해 형성되는 개구로 인한 경사면에 의해 빛이 반사되므로, 별도의 추가 공정 또는 다른 구성요소의 추가 없이 휘도가 향상된다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 금속 반사막에 의한 빛 흡수가 감소되고, 가지 전극에 의해 전류 확산이 향상된다.
Claims (10)
- 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층;
활성층으로부터의 빛을 반사하는 분포 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector);로서, 제1 개구를 구비하며, 제1 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 분포 브래그 리플렉터 내로 가이드되는 빛을 복수의 반도체층 측으로 반사시키도록 경사져 있는 분포 브래그 리플렉터;
제1 반도체층에 전자와 정공 중의 하나를 공급하는 제1 전극; 그리고
제2 반도체층에 전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하도록 제1 개구를 통해 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되며, 분포 브래그 리플렉터 위에 형성되는 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
복수의 반도체층과 분포 브래그 리플렉터의 사이에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 유전체 막; 그리고
분포 브래그 리플렉터를 기준으로 복수의 반도체층의 반대측에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 클래드 막; 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
분포 브래그 리플렉터의 상면과 직교하는 수직선과 제1 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 이루는 경사각은 25도 이상 및 75도 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
제1 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면은 경사각이 다른 복수의 서브 면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 2에 있어서,
제1 개구는 유전체 막과 클래드 막에 의해 분포 브래그 리플렉터 내로 가이드되는 빛을 복수의 반도체층 측으로 반사시키도록 경사져 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 2에 있어서,
유전체 막 및 클래드 막 모두를 포함하며,
제1 개구에 의해 형성되는 유전체 막의 면, 분포 브래그 리플렉터의 면 및 클래드 막의 면과 접하는 Ag, Al 또는 이들의 합금으로 이루어진 반사 금속층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
분포 브래그 리플렉터는 제2 개구;를 구비하며,
제2 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 경사져 있고,
제1 전극은 제2 개구를 통해 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
분포 브래그 리플렉터는 제3 개구를 구비하며,
제3 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 경사져 있고,
제3 개구는 제1 전극 및 제2 전극으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 7에 있어서,
복수의 반도체층과 분포 브래그 리플렉터의 사이에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 유전체 막; 그리고
분포 브래그 리플렉터를 기준으로 복수의 반도체층의 반대측에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 클래드 막;을 포함하며,
복수의 제1 개구와 적어도 하나의 제2 개구가 클래드 막, 분포 브래그 리플렉터 및 유전체 막을 관통하게 형성되며,
제1 전극 및 제2 전극은 클래드 막 위에서 실질적으로 동일한 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
복수의 반도체층과 분포 브래그 리플렉터의 사이에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 유전체 막;
분포 브래그 리플렉터를 기준으로 복수의 반도체층의 반대측에 위치하며, 굴절률이 분포 브래그 리플렉터의 유효 굴절률보다 작고, 제1 개구에 의해 관통된 클래드 막; 그리고
복수의 반도체층과 유전체 막 사이에 위치하며, 제1 개구를 채우는 제2 전극과 전기적으로 연결되는 투광성 도전막;을 포함하며,
제1 개구는 유전체 막과 클래드 막에 의해 분포 브래그 리플렉터 내로 가이드되는 빛을 복수의 반도체층 측으로 반사시키도록 경사져 있고,
분포 브래그 리플렉터는 제2 개구;를 구비하며,
제2 개구에 의해 형성되는 분포 브래그 리플렉터의 면이 경사져 있고,
제1 전극은 제2 개구를 통해 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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