KR101855188B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

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    • H01L2924/12041—LED

Abstract

본 개시는 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 제1 반도체층에 전자와 정공 중 하나를 공급하는 제1 전극; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 제2 반도체층에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 제2 전극; 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성된 둑(bank);으로서, 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 분리된 둑;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 장시간 사용시 신뢰성이 향상된 반도체 발광소자에 관한 것이다.
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 도면으로서, 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 일 측에 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 제2006-20913호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 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.
도 3은 일렉트로 마이그레이션에 의한 전극 간의 절연 파괴의 일 예를 설명하기 위한 도면으로서, 반도체 발광소자가 솔더 범프(16)에 의해 기판(6)의 도전 패턴(8)에, 도 3a와 같이, 본딩될 수 있다. 장시간 전극(3,5)에 전압이 인가되면 솔더 범프(16)에 일렉트로 마이그레이션(electro migration), 또는 일렉트로케미컬 마이그레이션(electrochemical migration) 현상이 발생할 수 있다. 일렉트로(케미컬) 마이그레이션 현상의 예로서, 컨덕티브 에노딕 필라멘트(conductive anodic filament) 현상(도 3b 참조)과, 덴드리틱 그로스(dendritic growth) 현상(도 3c 참조)을 예로 들 수 있다. 컨덕티브 에노딕 필라멘트에 있어서, 가해진 전기장에 의해 양극의 금속이 이온화되고 마이그레이션하여 양극에서 음극으로 필라멘트가 형성되고, 결국 절연파괴에 이르게 된다. 덴드리틱 그로스에 있어서, 양극에서 이온화된 금속이 전기장을 따라 음극쪽으로 이동, 음극상에 환원되어 수지상의 필라멘트가 형성되며, 이렇게 형성된 필라멘트가 양극까지 자라나가 절연파괴에 이르게 된다.
예를 들어, 솔더 범프(16)는 두 가지 이상의 물질로 이루어진 합금이다. 솔더 범프(16)는 솔더 종류에 따라 Sn, Pb, Ag, Cu 등을 포함할 수 있다. 이러한 원자들이 일렉트로(케이컬) 마이그레이션에 의해 이동하여 2개의 전극(3,5) 사이에 쑈트가 발생하는 문제가 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), 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 제1 반도체층에 전자와 정공 중 하나를 공급하는 제1 전극; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 제2 반도체층에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 제2 전극; 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성된 둑(bank);으로서, 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 분리된 둑;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 활성층으로부터의 빛을 반사하는 절연성 반사막; 절연성 반사막을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에 구비되며, 제1 반도체층에 전자와 정공 중 하나를 공급하는 제1 전극; 그리고 절연성 반사막을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에 구비되며, 제2 반도체층에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 제2 전극;을 포함하며, 절연성 반사막에는 제1 전극과 제2 전극 사이에서 길게 뻗은 그루브(groove)가 형성된 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 제2006-20913호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 일렉트로 마이그레이션에 의한 전극 간의 절연 파괴의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 도 4에서 A-A 선을 따라 절단한 단면의 일 예를 나타내는도면,
도 6은 둑이 제1 전극과 제2전극 사이 마이그레이션을 차단하는 예를 설명하기 위한 도면,
도 7은 전극의 면적과 반도체 발광소자의 휘도의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면,
도 10는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예들을 설명하기 위한 도면,
도 11 및 도 12는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예들을 설명하기 위한 도면들,
도 13은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예들을 설명하기 위한 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 4는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4에서 A-A 선을 따라 절단한 단면의 일 예를 나타내는도면으로서, 본 예에 따른 반도체 발광소자는 복수의 반도체층(30,40,50), 제1 전극(80), 제2 전극(70), 및 둑(98; bank)을 포함한다. 복수의 반도체층(30,40,50)은 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50), 및 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50)의 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층(40)을 가진다. 제1 전극(80)은 제1 반도체층(30)에 전자와 정공 중 하나를 공급하며, 제2 전극(70)은 제2 반도체층(50)에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급한다. 둑(98)은 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에 제1 전극(80) 및 제2 전극(70)과 전기적으로 분리되도록 형성된다. 반도체 발광소자가 기판(500; 도 14 참조)의 도전부(511,512; 도13 참조)에 본딩될 때, 솔더 범프(7; 도 14 참조)나 도전부(511,512), 또는 전극(80,70)이 일렉트로 마이그레이션(electro migration) 또는 일렉트로케미컬 마이그레이션(이하, 일렉트로 마이그레이션으로 칭함)에 의해 절연파괴 또는 쑈트가 발생할 수 있다. 본 개시에서 둑(98)은 이러한 일렉트로 마이그레이션의 발생을 억제하거나, 일렉트로 마이그레이션시 금속의 이동을 막거나 방해하여 쑈트를 방지하며, 솔더 범프(7) 또는 전극(80,70)의 손상도 방지할 수 있다.
본 개시에서 반도체 발광소자는 플립칩에 한정되지 않으며, 레터럴칩(lateral chip)이나 수직형칩(vertical chip)도 적용가능하다. 솔더 범프(7) 간의 일렉트로 마이그레이션뿐만 아니라, 솔더 범프(7)와 와이어 본딩 간의 일렉트로 마이그레이션이 발생하는 경우에도 적용될 수 있다.
복수의 반도체층(30,40,50)의 조성에 따라 반도체 발광소자는 청색 반도체 발광칩(예: 450 nm), NUV 반도체 발광칩, 녹색 반도체 발광칩, 적색 반도체 발광칩 등의 칩일 수 있다. 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들면, 성장 기판(10) 위에 복수의 반도체층(30,40,50)을 형성한다. 복수의 반도체층(30,40,50)은 성장 기판(10) 위에 형성된 버퍼층(도시되지 않음), 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30; 예: Si 도핑된 GaN), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50; 예: Mg 도핑된 GaN) 및 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50) 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40; 예: InGaN/(In)GaN 다중양자우물구조)을 포함한다. 복수의 반도체층(30,40,50) 각각은 다층으로 이루어질 수 있고, 버퍼층은 생략될 수 있다.
복수의 반도체 발광소자 영역으로 웨이퍼를 구획하는 공정에서 제1 반도체층(30)을 노출하는 메사식각에 의해 홈(63)이 형성될 수 있다. 이후, 투광성 도전막(60)이 형성된다. 투광성 도전막(60) 형성 이후에 메사식각 공정이 수행될 수도 있다.
본 예에서는 후술될 전기적 연결(71)이나 가지 전극(75)에 대응하여 제2 반도체층(50)과 투광성 도전막(60) 사이에 빛흡수 방지막(41)이 형성될 수 있다. 빛흡수 방지막(41)은 활성층(40)에서 발생된 빛의 일부 또는 전부를 반사하는 기능만 가져도 좋고, 전기적 연결(71)이나 가지 전극(75)의 바로 아래로 전류가 흐르지 못하도록 하는 기능(current blocking)만을 가져도 좋고, 양자의 기능을 모두 가져도 좋다.
이후, 투광성 도전막(60) 위에 빛흡수 방지막(41)에 대응하여 가지 전극(75) 및 섬형 패드(72)가 형성되며, 메사식각되어 노출된 제1 반도체층(30) 위에 가지 전극(85)이 형성된다. 반도체 발광소자의 사양에 따라서는 가지 전극(85,75)이 생략되는 예도 가능하다.
이후, 투광성 도전막(60) 위에 절연성 반사막(R)이 형성된다. 절연성 반사막(R)은 활성층(40)으로부터의 빛을 반사한다. 절연성 반사막(R)은 바람직하게는 복수의 층을 가지며 가지며, 금속 반사막에 의한 빛흡수 감소를 위해 적어도 절연성 반사막(R)의 빛을 반사하는 측은 비도전성 물질로 형성된다. 여기서 절연성이라는 의미는, 절연성 반사막(R)이 전기적 도통의 수단으로 사용되지 않는다는 의미이며, 반드시 절연성 반사막(R) 전체가 비도전성 물질로만 이루어져야 한다는 의미는 아니다. 절연성 반사막(R)은 분포 브래그 리플렉터(91a; Distributed Bragg Reflector), ODR(Omni-Directional Reflector), 등을 포함할 수 있다. 이와 다른 예로서, 제2 반도체층(50) 위에 금속 반사막이 구비되고, 제2 전극(70)이 금속 반사막 위에 구비되며, 메사식각으로 노출된 제1 반도체층(30)과 제1 전극(80)이 연통될 수 있다.
도 5에 제시된 예에서, 절연성 반사막(R)은 유전체막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a), 및 클래드막(91c)을 포함한다. 분포 브래그 리플렉터(91a)는 유전체막(91b) 위에 형성된다. 분포 브래그 리플렉터(91a)는, 예를 들어, SiO2와 TiO2의 쌍이 복수 회 적층되어 이루어진다. 이 외에도 분포 브래그 리플렉터(91a)는 Ta2O5, HfO, ZrO, SiN 등 고 굴절률 물질과 이보다 굴절률이 낮은 유전체 박막(대표적으로 SiO2) 등의 조합에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 분포 브래그 리플렉터(91a)는 SiO2/TiO2, SiO2/Ta2O2, 또는 SiO2/HfO 쌍의 반복 적층으로 이루어질 수 있으며, Blue 빛에 대해서는 SiO2/TiO2가 반사효율이 좋고, UV 빛에 대해서는 SiO2/Ta2O2, 또는 SiO2/HfO가 반사효율이 좋을 것이다. 클래드막(91c)은 Al2O3와 같은 금속 산화물, SiO2, SiON와 같은 유전체막(91b), MgF, CaF, 등의 물질로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 유전체막(91b), 분포 브래그 리플렉터(91a) 및 클래드막(91c)은 절연성 반사막(R)으로서 광 웨이브가이드의 역할을 수행하며, 전체 두께가 1㎛~8㎛, 또는 4㎛~5㎛일 수 있다.
절연성 반사막(R)에 개구가 형성되고, 전기적 연결(81,71), 및 전극(80,70)이 형성된다. 제1 전기적 연결(81)은 절연성 반사막(R)을 관통하여, 복수의 반도체층(30,40,50)에 형성된 홈(63)을 통해 제1 반도체층(30)에 전기적으로 연결된다. 제2 전기적 연결(71)은 절연성 반사막(R)을 관통하여 제2 반도체층(50)에 전기적으로 연결된다. 절연성 반사막(R) 위에 제1 전기적 연결(81)과 연결되는 제1 전극(80), 제2 전기적 연결(71)과 연결되는 제2 전극(70)이 형성된다. 전기적 연결(81,71)과 전극(80,70)은 함께 형성될 수 있다. 이후, 절단 공정에 의해 웨이퍼가 개별 반도체 발광소자별로 분리된다.
제1 전극(80) 및 제2 전극(70)의 형성 공정에서 둑(98)이 함께 형성될 수 있다. 따라서, 둑(98)은 제1 전극(80) 및 제2 전극(70)과 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 제1 전극(80) 및 제2 전극(70)이 복수의 층으로 이루어지는 경우, 둑(98)은 전극(80,70)의 복수의 층 중 적어도 일부의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(80) 및 제2 전극(70)은 안정적 전기적 접촉을 위해 Cr, Ti, Ni 또는 이들의 합금으로 이루어진 접촉층과, 접촉층 위에 Al 또는 Ag와 같은 반사 금속층으로 이루어진 반사층을 포함할 수 있다. 다른 예로, 전극(80,70)은 접촉층(예: Cr,Ti 등)/반사층(예; Al,Ag 등)/확산방지층(예;Ni 등)/본딩층(예; Au/Sn 합금, Au/Sn/Cu 합금, Sn, 열처리된 Sn 등)을 포함할 수 있다. 물론, 전극(80,70)의 형성과 별개의 공정으로 둑(98)이 형성될 수도 있으며, 둑(98)의 재질은 도전체 이외에 유전체(절연체)로 이루어질 수도 있다(도 10a 참조).
둑(98)은 서로 대향하는 제1 전극(80)의 에지(an edge)와 제2 전극(70)의 에지(an edge) 사이에서 뻗어 있으며(extending), 바람직하게는, 도 4에 제시된 바와 같이, 둑(98)은 서로 대향하는 제1 전극(80)의 에지(an edge)와 제2 전극(70)의 에지(an edge)를 따라 뻗는다. 특히, 본 예에서 제1 전극(80)에서 제2 전극(70)을 향하는 방향으로의 폭에 있어서, 둑(98)의 폭은 제1 전극(80)의 폭보다 작고, 제2 전극(70)의 폭보다 작도록 형성된다. 도 7에서 후술되는 바와 같이, 본 발명자들은 절연성 반사막(R) 위에 금속의 면적이 작을수록 휘도가 향상되는 점을 발견하였다. 따라서, 둑(98)의 폭을 불필요하게 증가시킬 필요가 없으며, 도 4 및 도 5에 제시된 바와 같이, 둑(98)은 긴 띠 형상으로 형성되며, 서로 대향하는 전극(80,70)의 에지보다 길게 형성될 수 있다. 또한, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에 둑(98)과 다른 형태로, 예를 들어, 섬 형태로 띄엄뜨엄 금속이나 유전체를 형성하는 경우, 일렉트로 마이그레이션에 의한 필라멘트, 또는 원자(이온)의 진행을 차단할 수 없다. 따라서, 본 예와 같이, 둑(98)의 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4에 제시된 바와 같이, 둑(98)은 제1 전극(80) 및 제2 전극(70)의 사이, 대략 중앙에서 뻗어 있다. 둑(98)은 메사식각된 반도체 발광소자의 테두리를 제외한 복수의 반도체층(30,40,50) 위에 형성될 수도 있다. 이와 다른 예로서, 도 4에서 점선(98b)으로 표시된 바와 같이, 가장자리 끝까지 둑(98)이 형성될 수도 있다. 또한, 둑(98)으로부터 연장되는 돌출부(98c)가 추가될 수 있으며, 돌출부(98c)는 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 방향 구분에 사용되거나, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이 전기장에 영향을 미칠 수도 있다.
제1 전극(80) 및 제2 전극(70)이 기판(500)의 도전부(511,512)에 솔더 범프(7)에 의하지 않는 방법(예: 유테틱 본딩)에 의해 접합되는 경우, 접합에 방해가 되지 않도록, 둑(98)은 전극(80,70)과 거의 비슷한 높이, 또는 전극(80,70)보다 낮은 높이로 기판(500)에 접촉하지 않도록 형성될 수 있다. 한편, 제1 전극(80) 및 제2 전극(70)이 기판(500)의 도전부(511,512)에 솔더 범프(7)에 의해 접합되는 경우, 둑(98)은 기판(500)에 접촉하지 않는 높이로 형성될 수 있고, 경우에 따라서는 전극(80,70)보다 높게 형성될 수도 있다.
도 6은 둑이 제1 전극과 제2 전극 사이 일렉트로 마이그레이션을 억제하는 예를 설명하기 위한 도면으로서, 제1 전극(80)과 제2 전극(70)이 솔더 범프(7)에 의해 기판(500)의 도전부(511,512)에, 도 6a와 같이, 본딩될 수 있다. 솔더 범프(7)는 볼모양의 범프로 사용될 수 있는데, 와이어 본딩에 비하여 동일 면적에 더욱 많은 연결 지점들이 형성될 수 있는 장점이 있다. 장시간 전극(80,70)에 전압이 인가되면 전기장(E1)으로 인해, 솔더 범프(7)에 일렉트로 마이그레이션 현상이 발생할 수 있다. 솔더 범프(7)는 두 가지 이상의 물질로 이루어진 합금일 수 있다. 솔더 범프(7)는 솔더 종류에 따라 Sn, Pb, Ag, Cu 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 설명한 바와 같이, 이러한 원자들이 일렉트로 마이그레이션에 의해, 도 6a에 제시된 바와 같이, 절연성 반사막(R) 표면에 필라멘트(5)가 성장되고, 또는 원자(이온)이 이동하고, 그 결과, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에 절연파괴(쑈트)가 될 수 있다.
본 예에서는 도 6b에 제시된 바와 같이, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에 둑(98)이 형성된다. 도 6c에 제시된 제시된 바와 같이, 일렉트로 마이그레이션에 의한 필라멘트(5)의 성장 또는, 원자의 이동이 발생할 수 있지만, 둑(98)은 필라멘트(5)의 성장 또는, 원자의 이동을 막거나, 시간을 지연시키는 벽으로 기능할 수 있다. 그 결과, 장시간 사용시 반도체 발광소자의 신뢰성이 향상된다.
도 7은 전극의 면적과 반도체 발광소자의 휘도의 관계를 설명하기 위한 도면으로서, 본 발명자들은 DBR을 포함하는 절연성 반사막(R)이 이용되는 경우에 그 위에 놓이는 전극(70,80)의 크기(면적)을 줄일수록 절연성 반사막(R)에 의한 광 반사율이 높아진다는 것을 확인하였으며, 이러한 실험 결과는 본 개시에서 전극(70,80)의 크기가 종래에 생각할 수 없었던 범위로 줄어드는 계기를 제공하였고, 둑(98)의 폭이 불필요하게 넓게 형성될 필요가 없었다.
분포 브래그 리플렉터(91a)는 수직 방향에 가까운 빛일 수록 더 잘 반사하여, 대략 99% 이상의 빛을 반사한다. 그러나 비스듬히 입사하는 빛(L1,L2)은 분포 브래그 리플렉터(91a)를 통과하며, 클래드 막(91c) 또는 절연성 반사막(R)의 상면에 입사하며, 전극(80,70)에 의해 덮이지 않은 부분에서는 빛(L1)이 거의 반사되지만, 전극(80,70)에 입사하는 빛(L2)은 일부가 흡수된다(도 5 참조).
한편, 도 7에 제시된 바와 같이, 전극(80,70) 간의 간격(G) 및 면적비를 변경하여 휘도를 테스트하였다. 간격(G)를 150um(도 7a),300um(도 7b),450um(도 7c),600um(도 7d)로 변경하고, 반도체 발광소자의 외곽과 전극(80,70)의 외측 에지와의 겝은 일정하다. 전극(80,70)이 서로 대향하는 방향으로 반도체 발광소자의 에지 간의 거리(W)는 1200um이고, 세로 길이(c)는 600um이고, 전극(80,70)의 가로(B)는 485,410,335,260um이고, 전극(80,70)의 세로(A)는 520um로 일정하다. 반도체 발광소자의 평면적과 전극(80,70)의 면적비는 각각 0.7, 0.59, 0.48, 0.38이된다. 비교 기준으로 전극(80,70) 간격이 80um인 경우, 면적비는 0.75가 된다. 전극(80,70) 면적이 동일하면, 전극(80,70) 간격이 변화해도 휘도에 큰 차이가 없음을 알았다.
도 7에서 상측의 그래프는 설명된 실험예들의 결과를 나타내는 그래프로서, 비교 기준휘도를 100으로 할 때, 106.79(도 7a),108.14(도 7b),109.14(도 7c),111.30(도 7d)의 휘도를 확인하였다. 휘도의 상승이 상당히 높은 것을 확인할 수 있다. 전극(80,70)의 면적비를 0.38 보다 더 작게 하면 휘도 상승이 더 있을 수 있다.
본 예에서, 둑(98)의 폭을 좁게하여도 둑(98)으로서 충분하고, 둑(98)의 폭을 넓게 하면, 오히려 전술한 바와 같이 휘도가 저하될 수 있다. 따라서, 제1 전극(80)에서 제2 전극(70)을 향하는 방향으로의 폭에 있어서, 둑(98)의 폭은 제1 전극(80)의 폭보다 작고, 제2 전극(70)의 폭보다 작게 하는 것이 좋다. 예들 들어, 둑(98)의 폭은 10㎛ 이하일 수 있으며, 이는 주변의 가지전극의 너비 정도일 수 있다. 도 4에 제시된 바와 같이, 둑(98)은 얇은 폭의 띠 형상을 가질 수 있다. 한편, 휘도 향상의 관점이나, 본딩시 간격 유지를 위해, 둑(98)은 서로 대향하는 제1 전극(80)의 에지 및 제2 전극(70)의 에지로부터 각각 100㎛ 이상 떨어지는 것이 좋다.
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 8b는 도 8a에서 B-B 선을 따른 단면의 일 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자는 복수의 반도체층(30,40,50)과 절연성 반사막(R) 사이에 형성된 가지 전극(75)과, 메사식각되어 노출된 제1 반도체층(30)에 형성된 가지 전극(85)을 가진다. 가지 전극(85)은 제1 전극(80) 아래에서 제2 전극(70)의 아래로 뻗는다. 가지 전극(75)은 제1 가지(75a), 및 제2 가지(75b)를 포함한다. 제1 가지(75a)는 제2 전극(70)의 아래에서 제1 전극(80)의 아래로 뻗고, 제2 가지(75b)는 제1 가지(75a)로부터 돌출되어 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에서 뻗는다. 복수의 제1 가지(75a)가 투광성 도전막(60) 위에 형성되어 있고, 각 제1 가지(75a)로부터 제2 가지(75b)가 뻗어 있다. 가지 전극(75)의 높이로 인해 절연성 반사막(R)은 위로 상승한 부분을 가질 수 있다. 특히, 제2 가지(75b)로 인해, 도 8b에 제시된 바와 같이, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에 절연성 반사막(R)이 위로 솟아 둑(98)이 형성되며, 둑(98)은 제2 가지(75b)를 따라 길게 형성된다. 이러한 둑(98)은 일렉트로 마이그레이션에 의한 필라멘트(5)의 진행을 막는 벽으로서 기능하거나, 진행 시간을 지연시키는 기능을 할 수 있다. 따라서, 반도체 발광소자의 장시간 사용시 신뢰성이 향상된다.
도 9는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 9b는 도 9a에서 C-C 선을 따른 단면의 일 예를 나타내는 도면이다.도 9a를 참조하면, 각 제1 가지(75a)로부터 뻗은 각 제2 가지(75b)가 서로 연결되어 제1 전극(80)과 제2 전극(70)의 사이에서 길게 이어져 있다. 도 9b를 참조하면, 가지 전극(85)과 제2 가지(75b) 사이에 절연체(44)가 개재되어 있다. 예를 들어, 가지 전극(85)이 먼저 형성되고, 도 5에서 설명된 빛흡수 방지막(41) 형성시 절연체(44)가 함께 형성될 수 있다. 이후, 제1 가지(75a) 및 제2 가지(75b)가 형성될 수 있다. 이러한 제2 가지(75b)로 인해 절연성 반사막(R)은 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에서 위로 돌출되어 둑(98)이 형성된다. 둑(98)으로 인해 일렉트로 마이그레이션에 의한 쑈트가 방지 내지 억제될 수 있다.
도 10는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예들을 설명하기 위한 도면으로서, 도 10a에 제시된 바와 같이, 전극(80,70) 형성과 별개로 유전체 또는 절연체로 둑(98)을 형성하여, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에 형성하여 일렉트로 마이그레이션을 억제할 수 있다. 또 다른 예로, 도 10b에 제시된 바와 같이, 둑(98)은 금속(98b)과 절연체(98a)를 포함할 수 있다. 전극(80,70)과 함께 둑(98)의 금속 부분(98b)이 형성되고, 금속 부분(98b)을 덮는 절연체(98a)가 형성된다. 도 10b에 제시된 예에 의하면, 제1 전극(80), 및 제2 전극(70) 모두로부터 원자(이온)이 이동되어 둑(98)에서 만나는 경우가 발생하더라도, 절연체(98a)로 인해 쑈트가 방지된다.
도 11 및 도 12는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예들을 설명하기 위한 도면들로서, 도 12a, 및 도 12b는 도 11에서 D-D 선을 따라 절단한 단면의 예들을 나타낸다. 도 11 및 도 12a를 참조하면, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이 절연성 반사막(R)에 길게 트랜치(trench), 또는 홈(67; groove)이 형성된다. 예를 들어, 절연성 반사막(R) 형성 이후, 전기적 연결(81,71)을 위한 개구를 형성할 때, 트랜치 또는 홈(67)이 형성될 수 있다. 또한, 혹시 있을 수 있는 빛의 누설을 방지하기 위해 트랜치 또는, 홈(67)의 형태가 유지도록 트랜지 또는, 홈(67)에 반사체(97)를 형성할 수도 있다.
한편, 도 11 및 도 12b에 제시된 바와 같이, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에서 길게 제1 반도체층(30)이 노출되도록 메사식각되고, 노출된 제1 반도체층(30) 위에 가지 전극(85)의 가지(85b)가 형성될 수 있다. 이러한 메사식각으로 인한 높이차로 인해 절연성 반사막(R)에는 도 12b에 제시된 바와 같이 길게 홈 또는, 그루브(67)가 형성될 수 있다.
이러한 트렌치, 홈(67), 또는 그루브(67)는 일렉트로 마이그레이션에 의한 원자들의 진행 거리를 증가시키거나, 또는 진행에 방해가될 수 있다. 따라서, 장시간 사용시 일렉트로 마이그레이션에 의한 쑈트를 방지하거나 억제할 수 있다.
도 13은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 13b는 도 13a의 E-E 선을 따른 단면의 일 예를 나타낸다. 복수의 발광셀(101,102,103)을 전기적으로 분리하는 공정(isolation 공정)에서 복수의 반도체층(30,40,50)이 메사식각된다. 이러한 분리공정에서는 기판(10)이 노출되도록 복수의 반도체층(30,40,50)이 제거될 수 있으며, 그 만큼 높이차가 있게 된다. 이로 인해 복수의 발광셀(101,102,103) 사이에는 트랜치가 형성되며, 비도전성 반사막(R)에는 이러한 트랜치로 인해 홈(67) 또는 그루브가 형성된다. 제1 전극(80)과 제2 전극(70)은 서로 다른 발광셀(101,103) 위에 위치하며, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에는 상기 분리공정으로 인한 홈(67) 또는 그루브가 형성되어 일렉트로 마이그레이션에 의한 쑈트를 방지하거나 억제할 수 있다.
도 14는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예들을 설명하기 위한 도면으로서, 반도체 발광소자는 도전부(511,512)가 형성된 기판(500)과, 도전부(511) 및 도전부(512)를 각각 제1 전극(80) 및 제2 전극(70)과 접합하는 솔더 범프(7)를 포함한다. 도 14a에 제시된 바와 같이, 제1 전극(80)과 제2 전극(70) 사이에 금속, 또는 유전체로 둑(98)이 형성되거나, 도 14b에 제시된 바와 같이, 제2 가지(75b)로 인해 절연성 반사막(R)이 솟아 올라서 둑(98)이 형성될 수 있다. 둑(98)으로 인해 솔더 범프(7)에서의 일렉트로 마이그레이션이 억제되거나, 일렉트로 마이그레이션이 발생해도 둑(98)이 원자의 이동을 차단하거나 지연시키므로 신뢰성이 향상된다. 여기서, 둑(98)은 기판(500)에 접촉하지 않도록 형성되어 있다.
경우에 따라서는 둑(98)이 기판(500)에 접촉하도록 하여, 둑(98)이 기판(500)에서 도전부(511)와 도전부(512) 간의 일렉트로 마이그레이션을 차단 또는 방해하는 기능을 함께 가질 수도 있다. 이와 다르게, 둑(98)과는 별개로, 기판(500)의 도전부(511)와 도전부(512) 사이에 기판(500) 표면에 댐 또는 벽을 설치하여 기판(500) 표면에서 도전부(511)와 도전부(512) 간의 일렉트로 마이그레이션을 억제하는 예도 고려할 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 제1 반도체층에 전자와 정공 중 하나를 공급하는 제1 전극; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 제2 반도체층에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 제2 전극; 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성된 둑(bank);으로서, 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 분리된 둑;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(2) 활성층으로부터의 빛을 반사하는 절연성 반사막;을 포함하며, 제1 전극 및 제2 전극은 절연성 반사막을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(3) 제1 전극에서 제2 전극을 향하는 방향으로의 폭에 있어서, 둑의 폭은 제1 전극의 폭보다 작고, 제2 전극의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(4) 둑은 서로 대향하는 제1 전극의 에지(an edge)와 제2 전극의 에지(an edge) 사이에서 뻗은(extending) 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(5) 둑은 도전체, 유전체, 또는, 이들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(6) 둑으로부터 연장된 돌출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(7) 둑의 길이는 서로 대향하는 제1 전극의 에지(an edge), 및 제2 전극의 에지(an edge)보다 각각 더 긴 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(8) 활성층으로부터의 빛을 반사하는 절연성 반사막;을 포함하며, 제1 전극 및 제2 전극은 절연성 반사막을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에 위치하며, 둑은 서로 대향하는 제1 전극의 에지(an edge), 및 제2 전극의 에지(an edge) 사이 절연성 반사층 위에 도전체, 유전체, 또는 이들의 조합으로 이루어지며, 제1 전극에서 제2 전극을 향하는 방향으로의 폭에 있어서, 둑의 폭은 제1 전극의 폭보다 작고, 제2 전극의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(9) 복수의 반도체층과 제1 전극 및 제2 전극의 사이에 형성되며, 활성층으로부터의 빛을 반사하는 절연성 반사막; 그리고 복수의 반도체층과 절연성 반사막 사이에 형성된 가지 전극;으로서, 제2 전극 아래에서 제1 전극의 아래로 뻗은 제1 가지와, 제1 가지로부터 돌출되어 제1 전극과 제2 전극 사이에서 뻗는 제2 가지를 포함하는 가지 전극;을 포함하며, 절연성 반사막이 제2 가지를 따라 상승하여 둑이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(10) 제1 전극 및 제2 전극이 고정되는 기판;으로서, 제1 전극이 접합되는 제1 도전부, 그리고 제2 전극이 접합되는 제2 도전부를 가지는 기판;을 포함하며, 둑은 기판에 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(11) 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 활성층으로부터의 빛을 반사하는 절연성 반사막; 절연성 반사막을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에 구비되며, 제1 반도체층에 전자와 정공 중 하나를 공급하는 제1 전극; 그리고 절연성 반사막을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에 구비되며, 제2 반도체층에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 제2 전극;을 포함하며, 절연성 반사막에는 제1 전극과 제2 전극 사이에서 길게 뻗은 그루브(groove)가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(12) 절연성 반사막이 식각되어 그루브가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(13) 그루브 아래의 복수의 반도체층이 메사식각되어 있고, 메사식각으로 인한 높이차로 인해 그루브가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 반도체 발광소자의 장시간 사용시 신뢰성이 향상된다.
또한, 반도체 발광소자의 제1 전극과 제2 전극이 접합되는 솔더 범프들 간의 일렉트로 마이그레이션에 의한 쑈트가 방지된다.
또한, 금속 반사막 대신 절연성 반사막을 사용하여 빛흡수 손실이 감소한다.
또한, 전기적 연결 또는 가지 전극의 설계 자유도가 높아서 전류를 균일하게 공급하는 데에 유리하다.
30: 제1 반도체층 40: 활성층 50: 제2 반도체층
R: 절연성 반사막 98: 둑 75,85: 가지전극
7: 솔더 범프 500: 기판 67: 홈, 그루브

Claims (6)

  1. 반도체 발광소자에 있어서,
    제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층;
    활성층으로부터의 빛을 반사하는 절연성 반사막;
    절연성 반사막 위에 위치하며, 제1 반도체층에 전자와 정공 중 하나를 공급하는 제1 전극;
    절연성 반사막 위에 위치하며, 제2 반도체층에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 제2 전극; 그리고
    절연성 반사막 위에 위치하며, 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성되는 둑(bank);으로서, 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 분리되며, 반사층을 포함하는 둑;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    둑은 절연성 반사막 위에 형성되는 도전층과, 도전층을 덮는 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 .
  3. 청구항 2에 있어서,
    도전층은 제1 전극 및 제2 전극과 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    둑으로부터 연장된 돌출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    복수의 반도체층과 절연성 반사막 사이에 형성된 가지 전극;으로서, 제2 전극 아래에서 제1 전극의 아래로 뻗은 제1 가지와, 제1 가지로부터 돌출되어 제1 전극과 제2 전극 사이에서 뻗는 제2 가지를 포함하는 가지 전극;을 포함하며,
    절연성 반사막이 제2 가지를 따라 상승하여 둑이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 전극 및 제2 전극이 고정되는 기판;으로서, 제1 전극이 접합되는 제1 도전부, 그리고 제2 전극이 접합되는 제2 도전부를 가지는 기판;을 포함하며,
    둑은 기판에 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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