KR101654342B1 - 고효율 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

기판; 상기 기판위에 형성된 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층을 포함하는 반도체 적층구조; 및 상기 기판에 굴절률이 서로 다른 2 이상의 절연층들이 교번하여 적층되어, 상기 활성층에서 상기 기판쪽으로 향하는 광을 반사시키는 고반사 절연층을 포함하되, 상기 고반사 절연층은 상기 기판과 접하는 절연층이 Si 화합물인 발광 다이오드가 제공된다.

Description

고효율 발광 다이오드{HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고반사 절연층을 구비하여 광추출율을 향상시킨 고효율 발광 다이오드에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드가 약 10년 이상 적용되고 개발되어 왔다. GaN 계열의 LED는 LED 기술을 상당히 변화시켰으며, 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다. 최근, 고효율 백색 LED는 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있으며, 특히 백색 LED의 효율(efficiency)은 통상의 형광램프의 효율에 유사한 수준에 도달하고 있다.
질화갈륨 계열의 발광 다이오드는 일반적으로 사파이어와 같은 기판 상에 에피층들을 성장시키어 형성되며, N형 반도체층, P형 반도체층 및 이들 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 한편, 상기 N형 반도체층 상에 N-전극이 형성되고, 상기 P형 반도체층 상에 P-전극이 형성된다. 상기 발광 다이오드는 상기 전극들을 통해 외부 전원에 전기적으로 연결되어 구동된다. 이때, 전류는 P-전극에서 상기 반도체층들을 거쳐 N-전극으로 흐른다.
일반적으로 P형 반도체층은 높은 비저항을 가지므로, P형 반도체층 내에서 전류가 고르게 분산되지 못하고, 상기 P-전극이 형성된 부분에 전류가 집중되며, 모서리를 통해 전류가 집중적으로 흐르는 문제점이 발생된다. 전류집중은 발광영역의 감소로 이어지고, 결과적으로 발광효율을 저하시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, P형 반도체층 상에 비저항이 낮은 투명전극층을 형성하여 전류분산을 도모하는 기술이 사용된다. P-전극으로부터 유입된 전류가 투명전극층에서 분산되어 상기 P-형 반도체층으로 유입되기 때문에 발광 다이오드의 발광영역을 넓힐 수 있다.
그러나, 투명전극층은 광을 흡수하기 때문에 그 두께가 제한되며, 따라서 전류분산에 한계가 있다. 특히 고출력을 위해 사용되는 약 1㎟ 이상의 대면적 발광 다이오드에서 투명전극층을 이용한 전류분산은 한계가 있다.
한편, 상기 전류는 반도체층들을 통해 흘러서 N-전극으로 빠져 나간다. 이에 따라, 상기 N형 반도체층에서 N-전극이 형성된 부분에 전류가 집중되며, 이는 반도체층 내에서 흐르는 전류가 N-전극이 형성된 영역 근처에 집중되는 것을 의미한다. 따라서, N형 반도체층 내의 전류집중을 개선할 수 있는 발광 다이오드가 또한 요구된다.
통상적으로 발광 다이오드에 균일한 전류확산을 위하여 도 1에 도시되어 있는 대각선 전극 구조와 도 2에 도시되어 있는 대면형 구조 + 대칭 확장형 구조가 소개되어 있다.
도 1은 종래의 대각선 전극 구조를 가지는 발광 다이오드를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 종래의 대면형 구조 + 대칭 확장형 전극 구조를 가지는 발광 다이오드를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 절취선 A-A'를 따라 취해진 단면도이다. 도 1에서 1은 N형 전극이고, 2는 P형 전극이고, 3은 노출된 N형 반도체층이고, 4는 투명전극층이다. 도 2 및 도 3에서 11은 기판이고, 13은 N형 반도체층이고, 15는 활성층이고, 17은 P형 반도체층이고, 19는 투명 전극층이고, 22 및 23은 연장부이다.
도 1을 참조하면, 대각선 전극 구조의 경우 작은 크기의 발광 다이오드에서는 큰 효과를 발휘할 수 있으나, 발광 다이오드의 면적이 커짐에 따라 중앙으로 전류 집중 현상이 강화되어 중앙을 제외하고는 발광을 하지 못하는 문제점이 발생한다. 또한 단순한 대면형 구조의 전극 패턴도 대각선 전극구조와 같은 문제점을 가지고 있다.
한편, LED 칩의 크기가 커짐에 따라 커진 발광면적에 고른 전류 분포를 위하여 전극의 연장부가 발광 면적 전체로 펼쳐지고 있다. 예컨대, 도 2 및 도 3을 참조하면, 종래의 대면형 구조 + 대칭 연장(extention)형 구조의 경우, 크기가 큰 발광 다이오드에 주로 이용하고 있으나, P 전극(31)의 연장부(32, 33)와 N 전극(21)의 연장부(22, 23)를 형성하기 위하여는 메사 에칭을 하여 N형 반도체층(13)을 노출시켜야 함에 따라 발광 면적이 감소되는 희생이 불가피한 문제점이 존재한다.
아울러, 전류확산을 위하여 하나의 칩에 형성되는 전극 패드가 2개 이상으로 증가하는 추세이고, 이 전극과 전극으로부터의 연장부를 형성하기 위한 메사에칭 면적도 확대되고 있다. 패드의 증가로 인한 메사에칭 면적의 확대는 동일한 칩 면적기준에서 발광면적을 줄이게 되고 발광효율을 떨어뜨리게 된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 고반사 절연층을 구비하여 광추출율을 향상시킨 고효율 발광 다이오드를 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 의하면, 기판; 상기 기판위에 형성된 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층을 포함하는 반도체 적층구조; 및 상기 기판에 굴절률이 서로 다른 2 이상의 절연층들이 교번하여 적층되어, 상기 활성층에서 상기 기판쪽으로 향하는 광을 반사시키는 고반사 절연층을 포함하는 발광 다이오드가 제공된다. 상기 고반사 절연층은 상기 기판과 접하는 절연층이 Si 화합물이다. 상기 고반사 절연층은 분포 브래그 반사기일 수 있다. 상기 고반사 절연층은 상기 기판에 대하여 반대측 최외각에 적층되는 절연층이 Si 화합물일 수 있다. 상기 Si 화합물은 SiO2일 수 있으며, 상기 고반사 절연층은 SiO2와 TiO2가 교번하여 적층된 것일 수 있다.
한편, 상기 반도체 적층 구조는, 상기 기판 상에 하부 반도체층이 형성되고;
상기 하부 반도체층의 가장자리 영역들의 적어도 일부가 노출되도록 상기 하부 반도체층의 상부에 상부 반도체층이 배치되며; 상기 발광 다이오드는, 상기 상부 반도체층의 일부 영역상에 형성된 제2 고반사 절연층; 상기 제2 고반사 절연층을 개재하여 상기 하부 반도체층에 전류를 공급하기 위해 형성된 제1 전극; 상기 상부 반도체층의 다른 일부 영역상에 상기 상부 반도체층에 전류를 공급하기 위해 형성된 제2 전극; 및 상기 제1 전극으로부터 연장되어 상기 노출된 하부 반도체층의 적어도 일부에 이르도록 형성된 제1 전극의 연장부를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 고반사 절연층은 굴절률이 서로 다른 적어도 2 개의 절연층을 교대로 적층하여 이루어지되, 최외각에 위치하는 절연층들은 Si 화합물이다.
상기 제2 고반사 절연층은 상기 제1 전극이 형성되는 부분의 하부에 형성될 수 있다. 상기 제2 고반사 절연층은 상기 하부 반도체층의 가장자리 영역들의 적어도 일부가 노출되도록 형성된 메사면 영역중에 상기 제1 전극의 연장부의 하부에 형성될 수 있다. 상기 제2 고반사 절연층은 상기 노출된 하부 반도체층의 적어도 일부에 이르도록 형성된 제1 전극의 연장부의 주변에 형성될 수 있다. 상기 제2 고반사 절연층은 상기 제2 전극의 하부에 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 전극의 연장부는 상기 상부 반도체층으로부터 상기 하부 반도체층에 이르는 경사진 메사면에 형성될 수 있다. 상기 발광 다이오드는 상기 상부 반도체층상에 상기 제2 전극으로부터 연장되어 형성된 제2 전극의 연장부를 더 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드는 상기 상부 반도체층상에 형성된 투명 전극층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기판에 굴절률이 서로 다른 2 이상의 절연층들이 교번하여 적층하여, 상기 활성층에서 상기 기판쪽으로 향하는 광을 반사시키는 고반사 절연층을 형성하되, 고반사 절연층중에서 기판과 접하는 절연층에 열적 환경에서 번성이 잘 일어나지 않는 Si 화합물을 사용함으로써 고반사 절연층의 크랙을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 하부 반도체층에 전류를 공급하기 위한 전극 및 연장부를 형성함에 있어 절연층을 개재하여 상부 반도체층위에 형성함에 따라 전극 및 연장부를 형성하기 위해 메사 에칭에 의해 제거되는 반도체층의 면적이 종래에 비하여 상대적으로 감소됨에 따라 발광 면적이 감소되는 것을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 대각선 전극 구조를 가지는 발광 다이오드를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 대면형 구조 + 대칭 확장형 전극 구조를 가지는 발광 다이오드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 도 4의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 도 6의 절취선 B-B'를 따라 취해진 단면도이다
도 8은 도 6의 절취선 C-C'를 따라 취해진 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이고, 도 5는 도 4의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 발광 다이오드는 기판(111)과, 상기 기판(111)위에 형성된 하부 반도체층(113), 활성층(115), 상부 반도체층(117)을 포함하는 반도체 적층구조를 포함한다.
기판(111)상에 제1 도전형 하부 반도체층(113)이 위치한다. 상기 기판(111)은 특정하게 한정되지는 않으며, 사파이어 기판일 수 있다.
기판(111)의 상부에는 PSS 영역(111a)이 형성될 수 있으며, 기판(111)의 상부 PSS 영역(111a)에 고반사 절연층(111b)이 형성될 수 있다. 고반사 절연층(111b)은 Si, Ti, Ta, Nb, In 및 Sn에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 고반사 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 고반사 절연층(111b)은 SixOyNz, TixOy, TaxOy 및 NbxOy에서 선택된 적어도 두 개의 층을 교대로 적층하여 이루어질 수 있다. 상기 고반사 절연층(111b)은 예컨대, DBR 구조층으로, 예컨대 굴절율 차이가 큰 물질을 반복하여 형성될 수 있다.
상기 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조층은 발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종 발광소자에서 높은 반사율을 필요로 하는 경우에 사용되고 있다. DBR 구조층은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 매질을 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 고반사 절연층(111b)은 서로 다른 굴절률을 가지는 둘 이상의 절연층이 교번하여 적층되어 형성된다. 상기 고반사 절연층(111b)은 기판(111)의 상부 PSS 영역(111a)에 예를 들어 SiO2와 TiO2를 교번하여 적층함으로써 다수의 층으로 적층한 다음, 포토리소그라피 기술을 이용하여 적층된 절연층들을 패터닝 식각하여 형성될 수 있다. 이때, 기판(111)에 접하는 절연층은 Si 화합물인 SiO2가 되게 한다. TiO2는 열적 환경에서 변성이 일어날 수 있다. 따라서, SiO2와 TiO2를 교번 적층하여 고반사 절연층(111b)을 형성할 때, TiO2가 기판(111)에 접하게 위치하게 되면 고반사 절연층(111b)의 증착후에 크랙이 발생될 수 있다. 그렇지만, 열적 환경에서 비교적 변성이 일어나지 않는 SiO2를 기판(111)에 우선적으로 증착한 다음 TiO2를 증착하는 순서로 다수의 층으로 증착을 수행하면 고반사 절연층(111b)이 열적 환경에서 안정적인 특성을 갖게 되어 증착 후 크랙 발생을 막을 수 있다. 또한, 고반사 절연층(111b)의 마지막으로 증착되는 최외각 절연층도 SiO2로 하는 것이 바람직하다.
고반사 절연층(111b)은 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층이 교번하여 다수층으로 적층되어 생성됨에 따라 DBR(Distributed Bragg Reflector)의 기능을 수행하여 활성층(115)에서 발생된 광이 기판(111)쪽으로 진행해올 때 이 광을 반사시켜서 활성층(115)에서 발생된 광이 기판(111)에 의해 흡수되거나 차단되는 것을 효과적으로 줄일 수 있다.
한편, 도면에서는 고반사 절연층(111b)이 기판의 PSS(111a) 상부에 형성되어 있는 것에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 미도시되었지만 기판(111)의 상부 일부 또는 전부에 적층되어 형성될 수 있으며, 기판(111)의 내부 또는 기판(111)의 하부에 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 하부 반도체층(113) 상부에 제2 도전형 상부 반도체층(117)이 위치한다. 한편, 상부 반도체층(117)은 상기 하부 반도체층(113)의 가장자리 영역들의 적어도 일부가 노출되도록 하부 반도체층(113)의 가장자리들로 둘러싸인 영역 내에 위치한다. 한편, 상기 하부 반도체층(113)과 상기 상부 반도체층(117)사이에 활성층(115)이 개재된다. 활성층(115)은 상부 반도체층(117) 아래에 위치하여, 상기 하부 반도체층(113)의 가장자리 영역들의 적어도 일부는 여전히 노출된다.
상기 하부 반도체층(113), 활성층(115) 및 상부 반도체층(117)은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질, 즉 (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 활성층(115)은 요구되는 파장의 광, 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 하부 반도체층(113) 및 상부 반도체층(117)은 상기 활성층(115)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.
상기 하부 반도체층(113) 및/또는 상부 반도체층(117)은, 도시된 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(115)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 기판(111)과 하부 반도체층(113) 사이에 버퍼층(도시되지 않음)이 개재될 수 있다. 버퍼층은 기판(111)과 그 위에 형성될 하부 반도체층(113)간의 격자부정합을 완화사키기 위해 채택된다.
상기 반도체층들(113, 115, 117)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 이용하여 형성될 수 있으며, 사진 및 식각 공정을 이용하여 상기 하부 반도체층(113)의 영역들이 노출되도록 메사 에칭이 수행될 수 있다.
이때, 메사 에칭은 메사 에칭에 의한 반도체층의 메사면은 경사지게 하는 것이 바람직하다. 상기 메사면은 예컨대 20 ~ 80도의 경사도를 가질 수 있으며, 좀더 바람직하게는 30 ~ 60의 경사도를 가질 수 있다.
메사 에칭면이 경사지게 형성되면 이후에 수행될 DBR층(140) 및 제1 전극 경사 연장부(122)의 형성할 때 작업성 및 신뢰성을 높일 수 있다. 아울러, 발광 면적이 더 넓어지는 효과를 가져오게 된다.
상기 상부 반도체층(117)상에 절연층이 형성된다. 상기 절연층은 제1 절연층(119) 및 제2 절연층(140)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(119)은 상부 반도체층(117) 및 메사 에칭에 의한 경사면상에 전체적으로 형성되며, 예컨대 SiO2, Si3N4, TiO2가 사용될 수 있다.
상기 제2 절연층(140)은 상부 반도체층(117)중에서 제1 전극(121)이 형성될 영역과 메사 에칭에 의한 메사면중에서 제1 전극(121)의 경사 연장부(122)가 형성될 부분에 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 절연층(140)은 Si, Ti, Ta, Nb, In 및 Sn에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 고반사 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(140)은 SixOyNz, TixOy, TaxOy 및 NbxOy에서 선택된 적어도 두 개의 층을 교대로 적층하여 이루어지는 고반사 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(140)은 예컨대, DBR 구조층으로, 예컨대 굴절율 차이가 큰 물질을 반복하여 형성될 수 있다.
상기 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조층은 발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종 발광소자에서 높은 반사율을 필요로 하는 경우에 사용되고 있다. DBR 구조층은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 매질을 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 제2 절연층(140)은 서로 다른 굴절률을 가지는 둘 이상의 절연층이 교번하여 적층되어 형성된다. 상기 제2 절연층(140)은 예를 들어 SiO2와 TiO2를 교번하여 적층함으로써 다수의 층으로 적층한 다음, 포토리소그라피 기술을 이용하여 적층된 절연층들을 패터닝 식각하여 형성될 수 있다. 이때, 최외각에 위치하는 절연층들은 Si 화합물인 SiO2가 되게 한다. TiO2는 열적 환경에서 변성이 일어날 수 있다. 따라서, SiO2와 TiO2를 교번 적층하여 고반사 절연층을 형성할 때, TiO2가 최외각에 위치하게 되면 고반사 절연층의 증착후에 크랙이 발생될 수 있다. 그렇지만, 열적 환경에서 비교적 변성이 일어나지 않는 SiO2를 우선적으로 증착한 다음 TiO2를 증착하는 순서로 다수의 층으로 증착을 수행하고, 마지막으로 증착되는 최외각 절연층도 SiO2로 하면 제2 절연층(140)이 열적 환경에서 안정적이어서 증착 후 크랙 발생을 막을 수 있다.
제2 절연층(140)은 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층이 교번하여 다수층으로 적층되어 생성됨에 따라 DBR(Distributed Bragg Reflector)의 기능을 수행하여 활성층(115)에서 발생된 광이 제1 전극(121)으로 진행해올 때 이 광을 반사시켜서 활성층(115)에서 발생된 광이 제1 전극(121)에 의해 흡수되거나 차단되는 것을 효과적으로 줄일 수 있다.
한편, DBR 구조의 제2 절연층(140)은 제1 전극(131)의 하부에 뿐만 아니라 제2 전극(131)의 하부에 상부 반도체층(117)과 접촉하는 부분을 제외한 부분에 형성될 수 도 있다.
상기 제1 전극(121)의 하부 또는 메사면에 형성된 제2 절연층(140)에 의해 반사된 광의 외부로의 추출효율을 증가시키기 위하여, 노출된 하부 반도체층(113)에도 형성될 수 있다.
상기 상부 반도체층(117)상의 제1 영역 부분에 제1 절연층(119) 및 제2 절연층(140)을 개재하여 제1 전극(121)이 형성되고, 상기 기판의 제1 변에 상기 제1 전극(121)으로부터 상기 노출된 상기 하부 반도체층(113)의 가장자리 영역에 까지 연장된 제1 전극 경사 연장부(122) 및 제1 전극 하부 연장부(123)가 형성된다. 상기 제1 전극(121)과, 제1 전극 경사 연장부(122) 및 제1 전극 하부 연장부(123)는 동일한 물질 및 동일한 공정을 통하여 함께 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 하부 반도체층이 N형인 경우, 상기 제1 전극 (121)과, 제1 전극 경사 연장부(122) 및 제1 전극 하부 연장부(123)들은 리프트 오프 기술을 사용하여 Ti/Al로 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부 반도체층(117)의 제2 영역에 제2 전극(131)이 형성된다. 상기 제 2 전극(131)은 상부 반도체층(117)상에서 상기 제1 변에 인접하는 제2 변과, 제2 변에 인접하는 제3 변 사이의 모서리 부분에 위치한다.
상기 상부 반도체층(117)상에 상기 제1 절연층(119)이 형성되기 전에 투명 전극층(미도시됨)이 형성될 수 있다. 일반적으로 투명전극층은 ITO 또는 Ni/Au로 형성되어 투광성을 가지며, 아울러 상부 반도체층(117)에 오믹콘택되어 콘택저항을 낮출 수 있다. 그러나, 제2 전극(131)은 투광성을 갖지 못하며, 또한 상부 반도체층에 오믹콘택되지 못한다. 따라서, 제2 전극(131)을 직접 상부 반도체층(117)에 접하게 함으로써, 제2 전극(131) 아래로 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 발생된 광이 제2 전극(131)에 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 제2 전극의 제1 연장부(132)가 상기 제2 전극(131)으로부터 연장되어 제2 변에 인접하여 상기 상부 반도체층(117)상에 형성되고, 제2 전극의 제2 연장부(133)가 상기 제2 전극(131)으로부터 연장되어 제3 변에 인접하여 형성된다. 상기 제2 전극(131), 제2 전극의 제1 연장부(132) 및 제2 전극의 제2 연장부(133)는 동일한 물질 및 동일한 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 2 및 도 4를 비교하여 종래의 기술에 의한 발광 다이오드와 본 발명의 일실시예에 의한 발광 다이오드에서의 발광 영역 면적에 관련하여 비교하도록 한다.
도 2 및 도 4를 비교할 때, 하부 반도체층에 전류를 공급하기 위한 하부 전극(21) 및 제1 전극(121)에 의해 감소되는 발광 영역의 면적에 많은 차이가 있음을 볼 수 있다. 즉, 도 2에서는 하부 전극(21)을 형성하기 위해 그 면적에 해당하는 활성층(15)을 포함하는 발광 영역이 메사 에칭에 의해 제거된다. 이에 반하여, 도 4에서는 제1 전극(121)이 제1 절연층(119) 및 제2 절연층(140)을 개재하여 상부 반도체층(117)상에 형성되고 활성층(115)가 그대로 남아 있다. 따라서, 종래에 발광 영역이 감소되는 것을 효과적으로 해결할 수 있는 것이다.
아울러, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 전극(121)의 하부에 형성된 DBR 구조의 제2 절연층(140)에 의해 제1 전극(121)에 의해 흡수되거나 차단될 수 있는 광이 효과적으로 외부로 방출될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이고, 도 7은 도 6의 절취선 B-B'를 따라 취해진 단면도이고, 도 8은 도 6의 절취선 C-C'를 따라 취해진 단면도이다.
이하의 본 발명의 다른 실시예에 따른 실시예는 도 4 및 도 5에서 설명된 실시예와 비교하여 제1 전극 및 제2 전극의 개수, 위치, 및 형태가 변형되었으며, 제1 전극의 연장부와 제2 전극의 연장부의 형태가 변형된 것을 볼 수 있다.
도 6, 도 7 및 도 8을 참조하면, 상부 반도체층(217)상에 제1 전극(221, 224)은 제2 전극(231, 234)은 서로 대향하도록 형성되어 있으며, 제1 전극의 연장부(223, 225)는 제2 전극의 연장부(232, 233, 235)의 사이 사이에 형성되어 서로 대응하여 형성되어 있다.
기판(211)상에 제1 도전형 하부 반도체층(213)이 위치한다. 상기 기판(211)은 특정하게 한정되지는 않으며, 사파이어 기판일 수 있다.
기판(211)의 상부에는 PSS 영역(211a)이 형성될 수 있으며, 기판(211)의 상부 PSS 영역(211a)에 고반사 절연층(211b)이 형성될 수 있다. 고반사 절연층(211b)은 Si, Ti, Ta, Nb, In 및 Sn에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 고반사 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 고반사 절연층(211b)은 SixOyNz, TixOy, TaxOy 및 NbxOy에서 선택된 적어도 두 개의 층을 교대로 적층하여 이루어질 수 있다. 상기 고반사 절연층(211b)은 예컨대, DBR 구조층으로, 예컨대 굴절율 차이가 큰 물질을 반복하여 형성될 수 있다.
상기 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조층은 발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종 발광소자에서 높은 반사율을 필요로 하는 경우에 사용되고 있다. DBR 구조층은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 매질을 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 고반사 절연층(211b)은 서로 다른 굴절률을 가지는 둘 이상의 절연층이 교번하여 적층되어 형성된다. 상기 고반사 절연층(211b)은 기판(211)의 상부 PSS 영역(211a)에 예를 들어 SiO2와 TiO2를 교번하여 적층함으로써 다수의 층으로 적층한 다음, 포토리소그라피 기술을 이용하여 적층된 절연층들을 패터닝 식각하여 형성될 수 있다. 이때, 기판(211)에 접하는 절연층은 Si 화합물인 SiO2가 되게 한다. TiO2는 열적 환경에서 변성이 일어날 수 있다. 따라서, SiO2와 TiO2를 교번 적층하여 고반사 절연층(211b)을 형성할 때, TiO2가 기판(211)에 접하게 위치하게 되면 고반사 절연층(211b)의 증착후에 크랙이 발생될 수 있다. 그렇지만, 열적 환경에서 비교적 변성이 일어나지 않는 SiO2를 기판(211)에 우선적으로 증착한 다음 TiO2를 증착하는 순서로 다수의 층으로 증착을 수행하면 고반사 절연층(211b)이 열적 환경에서 안정적인 특성을 갖게 되어 증착 후 크랙 발생을 막을 수 있다. 또한, 고반사 절연층(111b)의 마지막으로 증착되는 최외각 절연층도 SiO2로 하는 것이 바람직하다.
고반사 절연층(211b)은 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층이 교번하여 다수층으로 적층되어 생성됨에 따라 DBR(Distributed Bragg Reflector)의 기능을 수행하여 활성층(215)에서 발생된 광이 기판(211)쪽으로 진행해올 때 이 광을 반사시켜서 활성층(215)에서 발생된 광이 기판(211)에 의해 흡수되거나 차단되는 것을 효과적으로 줄일 수 있다.
한편, 도면에서는 고반사 절연층(211b)이 기판의 PSS(211a) 상부에 형성되어 있는 것에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 미도시되었지만 기판(211)의 상부 일부 또는 전부에 적층되어 형성될 수 있으며, 기판(211)의 내부 또는 기판(211)의 하부에 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 하부 반도체층(213) 상부에 제2 도전형 상부 반도체층(217)이 위치한다. 한편, 상부 반도체층(217)은 상기 하부 반도체층(213)의 가장자리 영역들의 적어도 일부가 노출되도록 하부 반도체층(213)의 가장자리들로 둘러싸인 영역 내에 위치한다. 한편, 상기 하부 반도체층(213)과 상기 상부 반도체층(217)사이에 활성층(215)이 개재된다. 활성층(215)은 상부 반도체층(217) 아래에 위치하여, 상기 하부 반도체층(213)의 적어도 일부는 여전히 노출된다.
상기 하부 반도체층(213), 활성층(215) 및 상부 반도체층(217)은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질, 즉 (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 활성층(215)은 요구되는 파장의 광, 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 하부 반도체층(213) 및 상부 반도체층(217)은 상기 활성층(215)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.
상기 하부 반도체층(213) 및/또는 상부 반도체층(217)은, 도시된 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(215)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 기판(211)과 하부 반도체층(213) 사이에 버퍼층(도시되지 않음)이 개재될 수 있다. 버퍼층은 기판(211)과 그 위에 형성될 하부 반도체층(213)간의 격자부정합을 완화사키기 위해 채택된다.
상기 반도체층들(213, 215, 217)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 이용하여 형성될 수 있으며, 사진 및 식각 공정을 이용하여 상기 하부 반도체층(213)의 영역들이 노출되도록 메사 에칭이 수행될 수 있다.
이때, 메사 에칭은 메사 에칭에 의한 반도체층의 메사면은 경사지게 하는 것이 바람직하다. 상기 메사면은 예컨대 20 ~ 80도의 경사도를 가질 수 있으며, 좀더 바람직하게는 30 ~ 60의 경사도를 가질 수 있다.
메사 에칭면이 경사지게 형성되면 이후에 수행될 DBR층(240) 및 제1 전극 경사 연장부(222)의 형성할 때 작업성 및 신뢰성을 높일 수 있다. 아울러, 발광 면적이 더 넓어지는 효과를 가져오게 된다.
상기 상부 반도체층(217)상에 절연층이 형성된다. 상기 절연층은 제1 절연층(219) 및 제2 절연층(240)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(219)은 상부 반도체층(217) 및 메사 에칭에 의한 경사면상에 전체적으로 형성되며, 예컨대 SiO2, Si3N4, TiO2가 사용될 수 있다.
상기 제2 절연층(240)은 상부 반도체층(217)중에서 제1 전극(221, 224)이 형성될 영역과 메사 에칭에 의한 메사면중에서 제1 전극(221, 224)의 연장부(222, 225)가 형성될 부분에 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 절연층(240)은 Si, Ti, Ta, Nb, In 및 Sn에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 고반사 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(240)은 SixOyNz, TixOy, TaxOy 및 NbxOy에서 선택된 적어도 두 개의 층을 교대로 적층하여 이루어지는 고반사 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(240)은 예컨대, DBR 구조층으로, 예컨대 굴절율 차이가 큰 물질을 반복하여 형성될 수 있다.
상기 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조층은 발광 기능, 광 검출 기능, 광 변조 기능 등을 포함하는 각종 발광소자에서 높은 반사율을 필요로 하는 경우에 사용되고 있다. DBR 구조층은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 매질을 교대로 적층하여, 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 제2 절연층(240)은 서로 다른 굴절률을 가지는 둘 이상의 절연층이 교번하여 적층되어 형성된다. 상기 제2 절연층(240)은 예를 들어 SiO2와 TiO2를 교번하여 적층함으로써 다수의 층으로 적층한 다음, 포토리소그라피 기술을 이용하여 적층된 절연층들을 패터닝 식각하여 형성될 수 있다. 이때, 최외각에 위치하는 절연층들은 Si 화합물인 SiO2가 되게 한다. TiO2는 열적 환경에서 변성이 일어날 수 있다. 따라서, SiO2와 TiO2를 교번 적층하여 고반사 절연층을 형성할 때, TiO2가 최외각에 위치하게 되면 고반사 절연층의 증착후에 크랙이 발생될 수 있다. 그렇지만, 열적 환경에서 비교적 변성이 일어나지 않는 SiO2를 우선적으로 증착한 다음 TiO2를 증착하는 순서로 다수의 층으로 증착을 수행하고, 마지막으로 증착되는 최외각 절연층도 SiO2로 하면 제2 절연층(240)이 열적 환경에서 안정적이어서 증착 후 크랙 발생을 막을 수 있다.
제2 절연층(240)은 굴절율이 서로 다른 둘 이상의 절연층이 교번하여 다수층으로 적층되어 생성됨에 따라 DBR(Distributed Bragg Reflector)의 기능을 수행하여 활성층(215)에서 발생된 광이 제1 전극(221, 224)으로 진행해올 때 이 광을 반사시켜서 활성층(215)에서 발생된 광이 제1 전극(221, 224)에 의해 흡수되거나 차단되는 것을 효과적으로 줄일 수 있다.
한편, DBR 구조의 제2 절연층(240)은 제1 전극(221, 224)의 하부에 뿐만 아니라 제2 전극(231, 234)의 하부에 상부 반도체층(217)과 접촉하는 부분을 제외한 부분에 형성될 수 도 있다.
상기 제1 전극(221, 224)의 하부 또는 메사면에 형성된 제2 절연층(240)에 의해 반사된 광의 외부로의 추출효율을 증가시키기 위하여, 노출된 하부 반도체층(213)에 형성될 수 있다.
상기 상부 반도체층(217)상의 제1 영역 부분에 제1 절연층(219) 및 제2 절연층(240)을 개재하여 제1 전극(221, 224)이 형성되고, 상기 제1 전극(221, 224)으로부터 상기 노출된 상기 하부 반도체층(213)에 연장된 제1 전극의 연장부(223, 225)가 형성된다. 상기 제1 전극(221, 224)과, 제1 전극의 연장부(223, 225)는 동일한 물질 및 동일한 공정을 통하여 함께 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 하부 반도체층이 N형인 경우, 상기 제1 전극 (121, 224)과, 제1 전극의 연장부(223, 225)들은 리프트 오프 기술을 사용하여 Ti/Al로 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부 반도체층(217)의 제2 영역에 제2 전극(231, 234)이 형성된다. 상기 제 2 전극(231, 234)은 상부 반도체층(217)상에서 상기 제1 변에 대향하는 제2 변의 가장자리에 적정한 간격을 두고 위치한다.
상기 상부 반도체층(217)상에 상기 제1 절연층(219)이 형성되기 전에 투명 전극층(미도시됨)이 형성될 수 있다. 일반적으로 투명전극층은 ITO 또는 Ni/Au로 형성되어 투광성을 가지며, 아울러 상부 반도체층(217)에 오믹콘택되어 콘택저항을 낮출 수 있다. 그러나, 제2 전극(231, 234)은 투광성을 갖지 못하며, 또한 상부 반도체층에 오믹콘택되지 못한다. 따라서, 제2 전극(231, 234)을 직접 상부 반도체층(217)에 접하게 함으로써, 제2 전극(231, 234) 아래로 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 발생된 광이 제2 전극(231, 234)에 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 제2 전극의 제1 연장부(232)가 상기 제2 전극(231)으로부터 연장되어 제3 변에 인접하여 상기 상부 반도체층(217)상에 형성되고, 제2 전극의 제2 연장부(233)가 상기 제2 전극(231, 234)의 중간 부분으로부터 기판의 중간 부분에 연장되어 형성된다. 제2 전극의 제3 연장부(235)가 제2 전극(234)로부터 연장되어 제3 변에 대향하는 제4 변에 인접하여 상기 상부 반도체층(217)상에 형성된다. 상기 제2 전극(231, 234), 제2 전극의 제1 연장부(232), 제2 연장부(233), 및 제3 연장부(235)는 동일한 물질 및 동일한 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 2 및 도 6을 비교하여 종래의 기술에 의한 발광 다이오드와 본 발명의 일실시예에 의한 발광 다이오드에서의 발광 영역 면적에 관련하여 비교하도록 한다.
도 2 및 도 6을 비교할 때, 하부 반도체층에 전류를 공급하기 위한 하부 전극(21) 및 제1 전극(221, 224)에 의해 감소되는 발광 영역의 면적에 많은 차이가 있음을 볼 수 있다. 즉, 도 2에서는 하부 전극(21)을 형성하기 위해 그 면적에 해당하는 활성층(15)을 포함하는 발광 영역이 메사 에칭에 의해 제거된다. 물론, 도 2에는 하나의 하부 전극(21)이 형성되어 있지만, 도 6에 상응하여 하부 전극(21)이 두개가 형성되는 경우라면 메사 에칭에 의해 제거되는 발광 영역은 훨씬 많아지게 된다. 이에 반하여, 도 6에서는 제1 전극(221, 224)이 제1 절연층(219) 및 제2 절연층(240)을 개재하여 상부 반도체층(217)상에 형성되고 활성층(215)가 그대로 남아 있다. 따라서, 종래에 발광 영역이 감소되는 것을 효과적으로 해결할 수 있는 것이다.
아울러, 도 6 및 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 전극(221, 224)의 하부에 형성된 DBR 구조의 제2 절연층(240)에 의해 제2 전극(221, 224)에 의해 흡수되거나 차단될 수 있는 광이 효과적으로 외부로 방출될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 대해 예시적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 앞서 설명된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 더 잘 이해할 수 있도록 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 권리 범위는 이러한 실시예들에 의해 한정되지 않으며, 아래 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 하부 반도체층, 활성층, 상부 반도체층을 포함하는 반도체 적층구조;
    상기 기판에 굴절률이 서로 다른 2 이상의 절연층들이 교번하여 적층되어, 상기 활성층에서 상기 기판쪽으로 향하는 광을 반사시키는 제1 고반사 절연층, 및
    상기 상부 반도체층의 일부 영역 상에 굴절률이 서로 다른 적어도 2 개의 절연층들이 교번하여 적층되는 제2 고반사 절연층을 포함하되,
    상기 제1 고반사 절연층의 상기 기판과 접하는 절연층이 Si 화합물인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 고반사 절연층은 분포 브래그 반사기인 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 고반사 절연층은 상기 기판에 대하여 반대측 최외각에 적층되는 절연층이 Si 화합물인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Si 화합물은 SiO2이고,
    상기 고반사 절연층은 SiO2와 TiO2가 교번하여 적층된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 고반사 절연층을 개재하여 상기 하부 반도체층에 전류를 공급하기 위해 형성된 제1 전극;
    상기 상부 반도체층의 다른 일부 영역상에 상기 상부 반도체층에 전류를 공급하기 위해 형성된 제2 전극; 및
    상기 제1 전극으로부터 연장된 제1 전극의 연장부를 더 포함하되,
    상기 하부 반도체층은 기판 상에 배치되고;
    상기 상부 반도체층은 상기 하부 반도체층의 가장자리 영역들의 적어도 일부가 노출되도록 상기 하부 반도체층의 상부에 배치되고,
    상기 제1 전극의 연장부는 상기 노출된 하부 반도체층의 적어도 일부에 이르고,
    상기 제2 고반사 절연층의 최외곽에 위치하는 절연층들이 Si 화합물인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 고반사 절연층은 상기 제1 전극이 형성되는 부분의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 고반사 절연층은 상기 하부 반도체층의 가장자리 영역들의 적어도 일부가 노출되도록 형성된 메사면 영역중에 상기 제1 전극의 연장부의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 고반사 절연층은 상기 노출된 하부 반도체층의 적어도 일부에 이르도록 형성된 제1 전극의 연장부의 주변에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 고반사 절연층은 상기 제2 전극의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 전극의 연장부는 상기 상부 반도체층으로부터 상기 하부 반도체층에 이르는 경사진 메사면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 상부 반도체층 상에 상기 제2 전극으로부터 연장되어 형성된 제2 전극의 연장부를 더 포함하는 발광 다이오드.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 반도체층 상에 형성된 투명 전극층을 더 포함하는 발광 다이오드.
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