KR19990088218A - Ⅲ족질화물계화합물반도체발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광도가 높고 구동 전압이 낮은 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 해결하기 위하여, 본 발명은, 플립 칩형 III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자에 있어서, p형 반도체 층에 접속되어 광을 사파이어 기판측으로 반사하는 후막(厚膜) 양전극을 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 합금으로부터 형성시킨다. 이로써, 반사율이 높고 접촉 저항이 낮은 양전극이 수득된다. 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 이들의 합금으로 이루어진 제1 박막 금속 층을 p형 반도체 층과 후막 양전극 사이에 구비하면, 접촉 층에 후막 양전극을 보다 견고하게 접속할 수 있다. 제1 박막 금속 층의 막 두께는 2Å 이상 200Å 이하이면 효과를 발휘하고, 보다 바람직하게는, 5Å 이상 50Å 이하가 좋다. 금(Au)으로 이루어진 제2 박막 금속 층을 또한 구비하면, 후막 양전극을 더욱 보다 견고하게 접속할 수 있다.
Description
본 발명은, III족 질화물계 화합물 반도체로 이루어진 층이 기판 위에 적층된 플립 칩형 발광소자에 관한 것으로, 특히 광도가 높고 구동 전압이 낮은 플립 칩형 발광소자에 관한 것이다.
도 7에 플립 칩형 발광소자(400)의 단면도를 나타낸다. (101)은 사파이어 기판, (102)는 AlN 또는 GaN으로 이루어지는 완충 층, (103)은 n형 GaN 층, (104)는 발광 층, (105)는 p형 AlGaN 층, (106)은 p형 GaN 층, (120)은 양전극, (130)은 보호막, (140)은 다층 구조의 음전극이다. 또한, 층(106)에 접속되어 있는 후막의 양전극(120)은, 종래 예를 들면, 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)로 이루어지는 막 두께 3000Å의 금속 층에 의해 형성되어 있다.
발광층(104)에서 방출된 광을 사파이어 기판(101) 측으로 충분히 반사시키기 위해서, 통상의 플립 칩형 양전극(120)에는 후막의 금속 전극을 사용한다. 그러나, 종래 기술에 있어서는, 이 후막의 양전극(120)에 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 금속이 사용되고 있기 때문에, 파장이 380 내지 550nm[청자(靑紫), 파랑, 초록]인 가시광의 반사량이 충분하지 않아서, 발광소자로서 충분한 발광 강도가 확보될 수 없었다.
본 발명은 위의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이고, 그 목적은 광도 가 높고 구동 전압이 낮은 발광소자를 제공하는 것이다. 또한, 다른 목적은 반사율이 높으면서 내구성이 큰 전극을 형성함으로써 발광소자의 전극 구성을 간략화하고, 와이어 결합재가 불필요한 발광소자를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 플립 칩형 반도체 발광소자(100)의 모식적 단면도이고,
도 2는 본 발명에 의한 플립 칩형 반도체 발광소자(200)의 모식적 단면도이며,
도 3은 플립 칩형 반도체 발광소자(100, 200 및 400)의 성능 비교표이고,
도 4는 본 발명에 의한 플립 칩형 반도체 발광소자(300)의 모식적 단면도이며,
도 5는 플립 칩형 반도체 발광소자(300 및 400)의 발광 광도를 나타내는 표이고,
도 6은 양전극 또는 양전극 제1 층에 사용되는 금속 원소의 특성의 일람표이며,
도 7은 플립 칩형 반도체 발광소자(400)의 모식적 단면도이다.
부호의 설명
101: 사파이어 기판
102: AlN 완충 층
103: n형 GaN 층
104: 발광 층
105: p형 AlGaN 층
106: p형 GaN 층
111: 제1 박막 금속 층
112: 제2 박막 금속 층
120: 양전극
121: 양전극 제1 층
122: 양전극 제2 층
123: 양전극 제3 층
130: 보호막
140: 다층 구조의 음전극
위의 과제를 해결하기 위해서는 하기 방법이 유효하다.
즉, 제1 방법은 III족 질화물계 화합물 반도체로 이루어진 층이 기판 위에 적층된 플립 칩형 III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자에 있어서, p형 반도체 층에 접속되어 광을 기판측으로 반사하는 양전극을 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 형성시키는 것이다. 단, 이들 금속 또는 합금으로 형성되는 양전극의 막 두께는 100Å 이상 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 제2 방법은 제1 방법에 있어서, 양전극에 복수 종류의 금속으로 형성된 다층 구조를 설치하는 것이다. 단, 다층으로 이루어지는 양전극 내의 적어도 하위 층(p형 반도체 층에 비교적 가까운 층)이 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 형성되어 있으면, 본 발명의 작용에 의해 본 발명의 효과를 수득할 수 있다. 보다 바람직하게는, 최하위 층을 포함하여 양전극의 하위 1000Å 이내에 위치하는 양전극의 각 금속 층 내의 거의 모든 층을 각각 위의 금속 또는 합금으로 형성시키는 것이 바람직하다.
또한, 제3 방법은 제1 방법 또는 제2 방법에 있어서, 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 이루어진 제1 박막 금속 층을 p형 반도체 층과 양전극 사이에 구비하는 것이다.
또한, 제4 방법은 제3 방법에 있어서, 제1 박막 금속 층의 막 두께를 2Å 이상 200Å 이하로 하는 것이다. 제1 박막 금속 층의 막 두께는, 보다 바람직하게는 5Å 이상 50Å 이하가 좋다.
또한, 제5 방법은 제3 방법 또는 제4 방법에 있어서, 금(Au) 또는 금(Au)을 포함하는 합금으로 이루어진 제2 박막 금속 층을 제1 박막 금속 층과 양전극 사이에 구비하는 것이다.
또한, 제6 방법은 제5 방법에 있어서, 제2 박막 금속 층의 막 두께를 10Å 이상 500Å 이하로 하는 것이다. 제2 박막 금속 층의 막 두께는, 보다 바람직하게는 30Å 이상 300Å 이하가 좋다.
또한, 제7 방법은 제1 방법 내지 제6 방법 중의 어느 하나에 있어서, 양전극의 막 두께 또는 다층 구조의 양전극의 기판에 가장 가까운 최하위 층을 구성하는 양전극 제1 층의 막 두께를 0.01 내지 5㎛으로 하는 것이다. 양전극 제1 층의 막 두께는, 바람직하게는 0.02 내지 2㎛이고, 보다 바람직하게는 0.05 내지 1㎛이다.
또한, 제8 방법은 제1 방법 내지 제7 방법 중의 어느 하나에 있어서, 금(Au)으로 이루어진 양전극 제2 층을 양전극 또는 양전극 제1 층 위에 형성시키는 것이다.
또한, 제9 방법은 제8 방법에 있어서, 양전극 제2 층의 막 두께를 0.1 내지 5㎛로 하는 것이다. 양전극 제2 층의 막 두께는, 바람직하게는 0.2 내지 3㎛이고, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2㎛이다.
또한, 제10 방법은 제1 방법 내지 제9 방법 중의 어느 하나에 있어서, 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 이루어진 양전극, 양전극 제3 층을 양전극, 제1 층 또는 양전극 제2 층 위에 형성시키는 것이다.
또한, 제11 방법은 제10 방법에 있어서, 양전극 제3 층의 막 두께를 5 내지 1000Å으로 하는 것이다. 양전극 제3 층의 막 두께는, 바람직하게는 10 내지 500Å이고, 보다 바람직하게는 15 내지 100Å이다.
또한, 제12 방법은 제1 방법에 있어서, 양전극을 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 형성시키고, 또한 양전극을 p형 반도체 층에 직접 접합시키는 것이다.
또한, 제13 방법은 제2 방법, 제10 방법 또는 제11 방법에 있어서, 양전극의 다층 구조를 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 형성된 양전극 제1 층, 양전극 제1 층 위에 직접 적층되는, 금(Au)으로 형성된 양전극 제2 층 및 양전극 제2 층 위에 직접 적층되는, 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 형성된 양전극 제3 층의 3층으로 이루어지는 3층 구조로 만들고, 양전극 제1 층을 p형 반도체 층에 직접 접합시키는 것이다.
또한, 제14 방법은 제10 방법 또는 제13 방법에 있어서, 양전극 제1 층의 막 두께를 0.02 내지 2㎛로 하고, 양전극 제2 층의 막 두께를 0.2 내지 3㎛로 하고, 또한, 양전극 제3 층의 막 두께를 10 내지 500Å으로 하는 것이다.
또한, 제15 방법은 제10 방법, 제11 방법, 제13 방법 또는 제14 방법에 있어서, 산화규소(Si02), 질화규소(SixNy), 티타늄 화합물(TixNy등) 또는 폴리이미드 등으로 이루어진 절연성 보호막을 양전극 제3 층 위에 직접 적층시키는 것이다.
이상의 방법으로 위의 과제를 해결할 수 있다.
은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)은 파장이 380 내지 550nm(청자, 파랑, 초록)인 가시광에 대한 광 반사율 R이 대단히 큰 금속(0.6<R<1.0)이기 때문에, 이들 금속 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금을 양전극 또는 양전극 제1 층에 사용함으로써 가시광의 양전극에 의한 반사량을 충분히 크게 하는 것이 가능하고, 따라서 발광소자로서 충분한 발광 강도를 확보할 수 있게 된다.
양전극 또는 양전극 제1 층에 사용되는 금속 원소의 특성을 모은 일람표를 도 6에 나타낸다. 본 일람표에 관해서는, 뒤에서 자세히 설명하지만, 위의 5종류의 금속 원소는 이들의 다면적인 실험 결과(도 6)에서, 양전극 또는 양전극 제1 층에 사용하는 금속으로서 가장 뛰어난 원소인 것이 판명되어 있다.
예를 들면, 위의 금속 또는 합금은 임의 함수가 큰 등의 이유에 의해, p형 반도체 층과의 접촉 저항이 작기 때문에, 이들 금속을 사용하면, 동시에 구동 전압이 낮은 발광소자를 실현할 수 있다.
또한, 위의 금속은 귀금속 또는 백금족 원소이기 때문에, 이들 금속을 사용하면, 예를 들면, 수분 등에 대한 시간에 따른 내식성이 양호하게 되어, 신뢰성이 높은 전극을 형성할 수 있다고 하는 효과도 동시에 수득된다.
또한, 특히 로듐(Rh)은 반사율 면에서 은(Ag)에는 약간 뒤떨어지지만, 그 밖의 물성에서는 모두 다른 금속보다도 뛰어난 특성 또는 동등 이상의 특성을 나타내기 때문에, 종합적으로 보면, 양전극 또는 양전극 제1 층에 사용하는 금속 원소로서 최적의 재료이다.
또한, 루테늄(Ru)은 물성상 로듐(Rh)과 유사하거나 매우 유사한 성질을 가지기 때문에, 양전극 또는 양전극 제1 층에 사용하는 금속 원소로서는 로듐(Rh)과 대략 동일하게 좋은 재료이다.
또한, 제1 박막 금속 층을 설치함으로써 양전극의 p형 반도체 층에 대한 밀착성이 향상되어 발광소자의 구조를 보다 견고하게 할 수 있다. 제1 박막 금속층의 막 두께는 2Å 이상 200Å 이하가 좋다. 막 두께를 2Å 이하로 하면 막 두께가 지나치게 얇아서 충분한 밀착성을 수득할 수 없고, 막 두께를 200Å 이상으로 하면, 후막 양전극을 형성하는 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 합금의 작용에 의한 높은 반사율을 수득할 수 없게 된다.
또한, 제2 박막 금속 층을 설치함으로써 양전극의 p형 반도체 층에 대한 밀착성이 보다 더욱 향상되어 발광소자의 구조를 보다 한층 견고하게 할 수 있다. 제2 박막 금속의 막 두께는 10Å 이상 500Å 이하가 좋다. 막 두께를 10Å 이하로 하면, 막 두께가 지나치게 얇아서 견고한 밀착성을 수득할 수 없고, 500Å 이상으로 하면 금속 또는 합금의 작용에 의한 높은 반사율을 수득할 수 없게 된다.
또한, 양전극 제1 층의 막 두께를 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하로 하는 이유는 다음과 같다. 즉, 막 두께를 0.01㎛n 이하로 하면, 막 두께가 지나치게 얇아서 반사되지 않는 투과광을 발생하고, 막 두께를 5㎛ 이상으로 하면, 전극 형성에 막대한 시간을 요하게 되어 생산성 면에서 바람직하지 않기 때문이다.
또한, 금(Au)으로 이루어지는 양전극 제2 층을 설치함으로써 양전극의 저항값을 높이지 않고 후막의 양전극으로 할 수 있다. 또한, 양전극 위에 후공정에서 형성되는 범프재, 금 볼(gold ball) 또는 와이어 결합재의 형성 공정에서의 열이력(熱履歷)에 의한 특성에 대한 악영향을 막기 위해서는, 양전극의 막 두께는 0.1㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 금(Au)은 형성이 용이한 내식재이고, 또한 범프재, 금 볼 또는 와이어 결합재와의 접합 강도가 높기 때문에, 양전극 제2 층으로서 대단히 바람직하다.
양전극 제2 층의 막 두께는 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하인 것이 바람직하다. 0.1㎛ 이하로 하면 막 두께가 지나치게 얇아서 효과가 적고, 막 두께를 5㎛ 이상으로 하면, 전극 형성에 막대한 시간을 요하게 된다.
또한, 막 두께를 5㎛ 이상으로 하면, 실시예 3에서 후술하는 범프 형성 또는 금 볼 형성 등의 가공 공정에 있어서의 상태에 따라, 음전극의 막 두께도 불필요하게 두껍게 되어 바람직하지 않다.
또한, 티타늄(Ti) 또는 크롬(Cr)으로 이루어지는 양전극 제3 층을 설치함으로써 기판 면의 반대측에 동시에 존재하는 양전극과 음전극 사이에, 예를 들면, 산화규소막(Si02), 질화규소막(SiNx) 또는 폴리이미드로 이루어지는 절연 층을 설치하였을 때, 절연 층의 양전극으로부터의 박리를 억제할 수 있다. 이로써, 범프 형성시 범프재에 의한 단락을 막을 수 있다. 제3 박막 금속 층의 막 두께는 5Å 이상 1000Å 이하가 좋다. 막 두께를 5Å 이하로 하면, 막 두께가 지나치게 얇아서 절연 층과의 견고한 밀착성을 수득할 수 없고, 1000Å 이상으로 하면 범프재나 금 볼 등의 접속 부재와의 견고한 밀착성을 수득할 수 없게 되기 때문에, 바람직하지 않다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예에 기초하여 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 1에 본 발명에 의한 플립 칩형 반도체 발광소자(100)의 모식적 단면도를 나타낸다. 사파이어 기판(101) 위에 질화알루미늄(AlN)으로 이루어지는 막 두께 약 200Å의 완충 층(102)이 설치되고, 그 위에 실리콘(Si) 도프의 GaN으로 이루어지는 막 두께 약 4.0㎛의 고캐리어 농도 n+층(103)이 형성되어 있다.
그리고, n+층(103) 위에 GaN과 Ga0.8In0.2N으로 이루어지는 다중량자 우물형 구조(MQW)의 발광 층(104)이 형성되어 있다. 발광 층(104) 위에는 마그네슘(Mg) 도프의 Al0.15Ga0.85N으로 이루어지는 막 두께 약 600Å의 p형 층(105)이 형성되어 있다. 또한, 층(105) 위에는 마그네슘(Mg) 도프의 GaN으로 이루어지는 막 두께 약 1500Å p형 층(106)이 형성되어 있다.
또한, 층(106) 위에는 금속 증착에 의한 제1 박막 금속 층(111)이, n+층(103) 위에는 음전극(140)이 형성되어 있다. 제1 박막 금속 층(111)은 층(106)에 접합하는 막 두께 약 10Å의 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)로 이루어지는 금속 층으로 구성되어 있다. 양전극(120)은 막 두께 약 3000Å의 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속 층에 의해 구성되어 있다.
다층 구조의 음전극(140)은 막 두께 약 175Å의 바나듐(V) 층(141), 막 두께 약 1000Å의 알루미늄(Al) 층(142), 막 두께 약 500Å의 바나듐(V) 층(143), 막 두께 약 5000Å의 니켈(Ni) 층(144) 및 막 두께 약 8000Å의 금(Au) 층(145)이 고캐리어 농도 n+층(103)의 일부 노출된 부분 위서부터 순차로 적층되어 구성되어 있다. 또한, 최상부에는 Si02막으로 이루어지는 보호막(130)이 형성되어 있다.
상기한 바와 같이, 양전극(120)을 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속 층으로 구성함으로써 도 3의 표 중의 번호 1 및 번호 2에 나타내는 종래 기술에 의한 반도체 발광소자(400)보다도 발광 강도를 약 10 내지 50% 향상시킬 수 있었다.
실시예 2
도 2에 본 발명에 의한 플립 칩형 반도체 발광소자(200)의 모식적 단면도를 나타낸다. 본 발광소자(200)는 제1 실시예에 있어서의 발광소자(100)에 제2 박막 금속 층(112)을 추가한 것이고, 그 밖의 점에서는 발광소자(100)와 하등의 차이가 없다. 제2 박막 금속 층(112)은 막 두께 약 150Å의 금(Au)으로 이루어지는 금속 층으로 구성되어 있고, 막 두께 약 10Å의 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)로 이루어지는 제1 박막 금속 층(111)을 적층한 후, 제1 박막 금속 층(111)과 마찬가지로 금속 증착시켜 형성시킨 것이다.
제2 박막 금속 층(112)을 제1 박막 금속 층(111)과 양전극(120) 사이에 형성시킴으로써 더 한층 견고하게 양전극(120)을 층(106)에 접속시킬 수 있다.
도 3에 플립 칩형 반도체 발광소자(100, 200 및 400)의 성능 비교표를 나타낸다. 한편, 이 표에는 실시예 1에서, 양전극(120)을 은(Ag) 또는 로듐(Rh)으로 구성하고, 제1 박막 금속 층(111)의 구성을 생략하였으며, 특히 본 발명의 청구항 1 및 청구항 12에 해당하는 경우의 실시예도 합쳐서 개재하였다(번호 3 및 번호 3.1).
이 표에서 알 수 있는 것과 같이, 본 발명에 의한 반도체 발광소자(100 또는 200)의 구성에 의하면, 양전극(120)을 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 금속 층으로 형성시킴으로써 발광 강도를 종래 기술에 의한 반도체 발광소자(400)(번호 1 및 번호 2)보다도 약 10 내지 50% 향상시킬 수 있다.
한편, 번호 1 및 번호 2의 발광소자(400)에 있어서, 제1 박막 금속 층이 설치되어 있지 않은 것은, 양전극(120) 자신이 이미 제1 박막 금속 층의 구성 금속 원소인 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)에 의해 형성되어 있기 때문이고, 이에 의해, 양전극(120)과 층(106) 사이의 밀착성이 이미 충분히 확보되어 있기 때문이다. 도 3에 있어서 양전극(120)이 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)에 의해 형성된 발광소자(400)(번호 1 및 번호 2)의 상대 광도가 낮은 것은 후막 양전극(120)을 구성하는 금속 원소의 반사율이 작기 때문이며, 제1 박막 금속 층(111)의 유무가 도 3에 있어서의 상대 광도의 우열을 초래하는 요인은 아니다.
오히려 반대로, 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 양전극(120)을 형성하는 경우에는, 도 3의 번호 3과 번호 4를 비교하더라도 알 수 있는 것과 같이, 제1 박막 금속 층(111) 또는 제2 박막 금속 층(112)이 없는 쪽이 보다 큰 발광 강도를 수득할 수 있다. 즉, 이러한 구성에 의하면, 양전극(120)과 층(106) 사이의 밀착성에 관해서는 어느 정도 뒤떨어지지만, 발광 광도 면에서는 보다 뛰어난 값을 나타낸다. 이것은, 제1 박막 금속 층(111) 또는 제2 박막 금속 층(112)에 의한 광 흡수가 없어지기 때문이다.
또한, 특히 도 3에서 번호 3.1의 제1 박막 금속 층과 제2 박막 금속 층을 적층시키지 않고, 직접 p형 GaN 층(106) 위에 막 두께 약 3000Å의 로듐(Rh)으로 이루어지는 양전극(120)을 형성시킨 발광소자(400)에서는, 번호 8의 발광소자(200)와 대략 동량의 광도와 동등 이상으로 견고한 GaN 층(106)과의 밀착성을 수득할 수 있었다. 이것은, 로듐(Rh)의 높은 반사율 및 GaN 층과의 견고한 밀착성에 의존하는 것이고, 번호 3.1의 발광소자(400)는 이들의 양면에서 번호 5의 발광소자(100)보다도 우수하다.
즉, 번호 3.1의 발광소자(400)를 제조하면, 로듐(Rh)이 갖는 특성에 의해 제1 박막 금속 층과 제2 박막 금속 층을 적층하지 않고서, 광도, 밀착성 등이 충분히 양호한 발광소자를 제공할 수 있다. 따라서, 번호 3.1의 구성에 의하면, 제1 박막 금속층과 제2 박막 금속 층의 적층 공정을 생략하여 생산성이 높은, 양산(量産)에 알맞은 발광소자(400)를 제조하는 것도 가능해진다.
위의 실시예에서 양전극(120)의 막 두께는 약 3000Å이지만, 양전극(120)의 막 두께는 100Å 이상 5㎛ 이하이면 좋다. 양전극(120)의 막 두께가 100Å 미만이면, 광을 충분히 반사할 수가 없게 되고, 5㎛을 넘으면, 증착 시간이나 재료가 필요 이상으로 소모되어 생산 비용 면에서 뒤떨어진다.
또한, 위의 실시예에서 제1 박막 금속 층의 막 두께는 약 10Å이지만, 제1 박막 금속 층의 막 두께는 2Å 이상 200Å 이하이면 그 효과를 발휘한다. 제1 박막 금속 층(111)의 막 두께는, 보다 바람직하게는 5Å 이상 50Å 이하가 좋다. 제1 박막 금속 층(111)은 지나치게 얇으면, 층(106)과 양전극(120)을 강하게 결합시킬 수 없게 되고, 지나치게 두꺼우면, 광 흡수가 일어나서, 발광 광도가 떨어진다.
또한, 위의 실시예에서 제2 박막 금속 층의 막 두께는 약 150Å이지만, 제2 박막 금속 층의 막 두께는 10Å 이상 50OÅ 이하이면 그 효과를 발휘한다. 제2 박막 금속 층(112)의 막 두께는, 보다 바람직하게는 30Å 이상 300Å 이하가 좋다. 제2 박막 금속 층(112)은 지나치게 얇으면, 제1 박막 금속 층(111)과 양전극(120)을 강하게 결합시킬 수 없게 되고, 지나치게 두꺼우면, 광 흡수가 일어나서, 발광 광도가 떨어진다.
또한, 위의 실시예에서 양전극(120)은 단층 구조를 하고 있지만, 양전극(120)은 다층 구조를 구비하고 있더라도 좋다. 층(106), 제1 박막 금속 층(111) 또는 제2 박막 금속 층(112) 위에, 예를 들면, 막 두께 약 5000Å의 은(Ag), 막 두께 약 800Å의 니켈(Ni), 막 두께 약 8000Å의 금(Au)을 순차로 증착시켜 적층함으로써 막 두께 약 1.4㎛의 양전극을 형성하여도 좋다. 이러한 구성에 의해서도, 양전극에 의한 반사 효율이 충분히 높은 고광도의 발광소자를 수득할 수 있다.
실시예 3
도 4에 본 발명에 의한 플립 칩형 반도체 발광소자(300)의 모식적 단면도를 나타낸다. 사파이어 기판(101) 위에는 질화알루미늄(AlN)으로 이루어진, 막 두께 약 200Å의 완충 층(102)이 설치되고, 그 위에 실리콘(Si) 도프의 GaN으로 이루어진, 막 두께 약 4.0㎛의 고캐리어 농도 n+층(103)이 형성되어 있다. 그리고, 층(103) 위에 GaN과 Ga0.8In0.2N으로 이루어진, 다중량자 우물형 구조(MQW)의 발광층(104)이 형성되어 있다. 발광층(104) 위에는 마그네슘(Mg) 도프의 Al0.15Ga0.85N으로 이루어진, 막 두께 약 600Å의 p형 층(105)이 형성되어 있다. 또한, p형 층(105) 위에는 마그네슘(Mg) 도프의 GaN으로 이루어진, 막 두께 약 1500Å의 p형층(106)이 형성되어 있다.
또한, p형 층(106) 위에는 금속 증착에 의한 다층 구조를 갖는 양전극(120)(이하, 「다중 양전극(120)」이라고 하는 경우가 있다)이, n+층(103) 위에는 음전극(140)이 형성되어 있다. 다중 양전극(120)은, p형 층(106)에 접합하는 양전극 제1 층(121), 양전극 제1 층(121)의 상부에 형성되는 양전극 제2 층(122), 또한 양전극 제2 층(122)의 상부에 형성되는 양전극 제3 층(123)의 3층 구조이다.
양전극 제1 층(121)은 p형 층(106)에 접합하는 막 두께 약 0.1㎛의 로듐(Rh) 또는 백금(Pt)으로 이루어진 금속 층이다. 또한, 양전극 제2 층(122)은 막 두께 약 1.2㎛의 금(Au)으로 이루어진 금속 층이다. 또한, 양전극 제3 층(123)은 막 두께 약 20Å의 티타늄(Ti)으로 이루어진 금속 층이다.
다층 구조의 음전극(140)은 막 두께 약 175Å의 바나듐(V) 층(141), 막 두께 약 1000Å의 알루미늄(Al) 층(142), 막 두께 약 500Å의 바나듐(V) 층(143), 막 두께 약 5000Å의 니켈(Ni) 층(144)과 막 두께 약 8000Å의 금(Au) 층(145)을 고캐리어 농도 n+층(103)의 일부 노출된 부분 위에 순차로 적층시킴으로써 구성된다.
이와 같이 형성된 다중 양전극(120)과 음전극(140) 사이에는 Si02막으로 이루어지는 보호막(130)이 형성되어 있다. 보호 층(130)은 음전극(140)을 형성하기 위해서 노출된 n+층(103)으로부터, 에칭되어 노출된 발광층(104)의 측면, p형 층(105)의 측면, 및 p형 층(106)의 측면 및 상면(上面)의 일부, 양전극 제1 층(121), 양전극 제2 층(122)의 측면, 양전극 제3 층(123)의 상면의 일부를 덮고 있다. Si02막으로 이루어지는 보호막(130)의 양전극 제3 층(123)을 덮는 부분의 두께는 0.5㎛이다.
상기한 바와 같이, 다중 양전극(120)을 로듐(Rh) 또는 백금(Pt)으로 이루어지는 양전극 제1 층, 금(Au)으로 이루어지는 양전극 제2 층 및 티타늄(Ti)으로 이루어지는 양전극 제3 층으로 구성된, 본 발명에 의한 발광소자(300)의 발광 광도를 측정하여, 종래의 발광소자(400)와 비교하였다. 결과를 도 5에 나타낸다. 여기에서, 종래 기술에 의한 발광소자(400)에 비해 본 발명에 의해 발광 광도를 약 30 내지 40% 향상시킬 수 있었다.
이러한 구성의 플립 칩형 발광소자(300)는, 높은 발광 광도와 높은 내구성을 가지고 있고, 보호 층(130)을 대폭으로 생략할 수 있어 외부 전극과의 접속에 있어서, 양전극, 음전극 모두 넓은 면적을 사용할 수 있다. 이 때문에, 땜납 등에 의한 범프 형성이나, 양전극 및 음전극 위에서의 직접적인 금 볼 형성에 의해 발광소자를 반전시켜서 회로 기판에 직접 접속하는 것도 가능하다.
또한, 외부 전극과의 접속은 와이어 결합 등에 의해서 실시하여도 무방하다.
한편, 상기의 제3 실시예에서 다중 양전극(120)의 막 두께는 약 1.3㎛이지만, 다중 양전극(120)의 막 두께는 0.11㎛ 이상 10㎛ 이하이면 좋다. 다중 양전극(120)의 막 두께가 0.11㎛ 미만이면, 빛을 충분히 반사할 수 없게 되어 범프재나 금 볼 등의 접속 부재와의 견고한 밀착이 수득되지 않게 된다. 한편, 10㎛를 넘으면, 증착 시간이나 재료가 필요 이상으로 소모되어 생산 비용 면에서 뒤떨어진다.
또한, 상기의 제3 실시예에서 양전극 제1 층(121)의 막 두께는 0.1㎛이지만, 양전극 제1 층의 막 두께는 0.01 내지 5㎛이면 그 효과를 발휘한다. 양전극 제1 층의 막 두께는 바람직하게는 0.02 내지 2㎛이고, 보다 바람직하게는 0.05 내지 1㎛이다. 양전극 제1 층(121)은 지나치게 얇으면, 빛의 반사가 불충분하게 되고, 지나치게 두꺼우면, 증착 시간이나 재료가 필요 이상으로 소모되어 생산 비용 면에서 뒤떨어진다.
또한, 제3 실시예에서 양전극 제2 층(122)의 막 두께는 1.2㎛이었지만, 양전극 제2 층의 막 두께는 0.1 내지 5㎛이면 그 효과를 발휘한다. 양전극 제2 층(122)의 막 두께는 바람직하게는 0.2 내지 3㎛이고, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2㎛이다. 전극 제2 층(122)은 지나치게 얇으면, 범프재나 금 볼 등의 접속 부재와의 견고한 밀착이 수득되지 않게 된다. 한편, 지나치게 두꺼우면, 음전극(140)의 균형을 맞춰야 할 필요상의 이유로 양전극 제2 층(122)과 음전극(140) 둘 다에서 증착 시간이나 재료가 필요 이상으로 소모되어 바람직하지 못하다.
또한, 제3 실시예에서 양전극 제3 층(123)의 막 두께는 20Å이지만, 양전극 제3 층의 막 두께는 5 내지 1000Å이면 그 효과를 발휘한다. 양전극 제3 층(123)의 막 두께는 바람직하게는 10 내지 500Å이고, 보다 바람직하게는 15 내지 100Å이다. 양전극 제3 층(123)은 지나치게 얇으면, 보호 층과의 밀착성이 나쁘게 되고, 지나치게 두꺼우면, 저항값이 높게 되어 바람직하지 못하다.
또한, 제3 실시예에서 양전극 제3 층으로서 티타늄(Ti)을 사용하였지만, 양전극 제3 층으로서는 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함한 합금을 사용하더라도 좋다.
도 6은 양전극 또는 양전극 제1 층에 사용되는 금속 원소의 특성을 모은 일람표를 나타낸다. 일람표의 각 평가 항목 ① 내지 ⑥은 하기와 같다.
① 반사율: 발광층(104)으로부터의 소정량의 발광에 대한, 파장이 380 내지 550nm(청자, 파랑, 초록)인 가시광의 반사량에 의한 평가.
② 접촉 저항(구동 전압): GaN 층과의 접촉 저항에 대한 발광소자의 구동 전압에 의한 평가.
⑧ GaN 층과의 밀착성: 소정의 내구 테스트에 있어서의 불량 장소의 발생 빈도에 의한 평가.
④ 내식성: 각 원소의 물성값 및 성질에 의한 평가.
⑤ Au 적층 후의 특성 안정성: 발광소자(300)에 있어서의 금(Au)으로 이루어지는 양전극 제2 층(122) 적층 후의 구동 전압의 상승 및 상기 가시광의 반사량의 열화에 의한 평가.
⑥ 종합 평가(상용 양산(量産) 가부): 발광소자의 양산을 전제로 한, 상기의 평가 항목 ① 내지 ⑤를 기초로 하는 종합적 고찰에 의한 평가.
특히, 플립 칩형 화합물 반도체 발광소자의 경우, 상기의 평가 항목 ① 및 ②에 있어서의 평가가 모두 양호(良: ○) 이상인 것이 제품으로서의 필요 조건이 되기 때문에, 본 발명의 유효성이 도 6의 일람표에서 판정된다.
또한, 특히, 로듐(Rh)은 ① 반사율 면에서 은(Ag)보다는 약간 뒤떨어지지만, 그 밖의 평가 항목 ② 내지 ⑤에서는 어느 것이나 다른 금속보다도 뛰어난 특성 또는 동등 이상의 특성을 나타내고 있고, 양전극 또는 양전극 제1 층에 사용하는 금속 원소로서는 최적의 재료인 것이 판명됐다.
또한, 루테늄(Ru)은 물성상 로듐(Rh)과 유사하거나 매우 유사한 성질을 가지기 때문에, 양전극 또는 양전극 제1 층에 사용하는 금속 원소로서는 로듐(Rh)과 대략 동등하게 좋은 재료이다.
한편, 위의 제1 내지 제3 실시예에 있어서의 발광소자의 각 층의 구성은 어디까지나 각 층을 형성할 때의 물리적 또는 화학적 구성이고, 그 후, 보다 견고한 밀착성을 수득하기 위해서 또는 접촉 저항의 값을 감소시키는 등의 목적으로 실시되는, 예를 들면, 열처리 등과 같은 물리적 또는 화학적 처리에 의해서 각 층간에서는 고용(固溶) 또는 화합물 형성이 일어나고 있는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 위의 제1 내지 제3 실시예에서는, 발광소자의 발광 층(104)은 MQW 구조로 하였지만, 발광 층(104)의 구조는 SQW 구조나 호모 접합 구조라도 좋다. 또한, 본 발명의 발광소자를 형성하는 III족 질화물계 화합물 반도체 층은 완충 층도 포함하고, 이들 층은 임의의 혼정비(混晶比)의 4원(元), 3원, 2원계의 AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 하여도 좋다.
또한, 완충 층에는 III족 질화물계 화합물 반도체 이외에도, 질화티타늄(TiN), 질화하프늄(HfN) 등의 금속 질화물이나, 산화아연(Zn0), 산화마그네슘(Mg0), 산화망간(MnO) 등의 금속 산화물을 사용하여도 좋다.
또한, p형 불순물로서는 마그네슘(Mg) 이외에, 베릴륨(Be), 아연(Zn) 등의 2 족 원소를 사용할 수 있다. 또한, 이들이 도프된 p형 반도체 층을 보다 낮은 저항으로 하기 위해서는 또한, 전자선 조사나 어닐링 등의 활성화 처리를 행하여도 좋다.
또한, 상기의 실시예에서는, 고캐리어 농도 n+층(103)은 실리콘(Si) 도프의 질화갈륨(GaN)으로 형성하였지만, 이들의 n형 반도체 층은 III족 질화물계 화합물 반도체에 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등의 IV족 원소 또는 VI족 원소를 도핑함으로써 형성하여도 좋다.
또한, 결정 성장의 기판에는 사파이어 이외에, 탄화규소(SiC), 산화아연(Zn0), 산화마그네슘(Mg0), 산화망간(Mn0) 등을 사용하여도 좋다.
이상과 같은 구성에 의해 형성된 다층 구조의 양전극은 광 반사율이 높고, 수분 등의 침입에 대하여도 내구성이 높기 때문에, 보호 층을 간략화할 수 있고, 그 결과, 와이어 결합재를 사용하지 않고 외부 전극과 접속하는 것도 가능하게 된다.
Claims (15)
- III족 질화물계 화합물 반도체로 이루어진 층이 기판 위에 적층된 플립 칩형 발광소자에 있어서,p형 반도체 층에 접속되어 광을 기판측으로 반사하는 양전극을 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 형성시킴을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 양전극이 복수 종류의 금속으로 형성된 다층 구조를 가짐을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 이루어진 제1 박막 금속 층이 p형 반도체 층과 양전극 사이에 구비되어 있음을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제3항에 있어서, 제1 박막 금속 층의 막 두께가 2Å 이상 200Å 이하임을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제3항에 있어서, 금(Au) 또는 금(Au)을 포함하는 합금으로 이루어진 제2 박막 금속 층이 제1 박막 금속 층과 양전극 사이에 구비되어 있음을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제5항에 있어서, 제2 박막 금속 층의 막 두께가 10Å 이상 500Å 이하임을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 양전극의 막 두께 또는 기판에 가장 가까운 다층 구조의 최하위 층을 구성하는 양전극 제1 층의 막 두께가 0.01 내지 5㎛임을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 금(Au)으로 이루어진 양전극 제2 층이 양전극 또는 양전극 제1 층 위에 형성되어 있음을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제8항에 있어서, 양전극 제2 층의 막 두께가 0.1 내지 5㎛임을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 이루어진 양전극 제3 층이 양전극, 양전극 제1 층 또는 양전극 제2 층 위에 형성되어 있음을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제10항에 있어서, 양전극 제3 층의 막 두께가 5 내지 1000Å임을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서, 양전극이 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 이루어지고, 또한 p형 반도체 층에 직접 접합되어 있음을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제2항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 다층 구조가, 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 형성된 양전극 제1 층, 양전극 제1 층 위에 직접 적층되는, 금(Au)으로 형성된 양전극 제2 층 및 양전극 제2 층 위에 직접 적층되는, 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 이들 금속을 1종류 이상 포함하는 합금으로 형성된 양전극 제3 층의 3층으로 이루어지는 3층 구조이고, 양전극 제1 층이 p형 반도체에 직접 접합되어 있음을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제10항에 있어서, 양전극 제1 층의 막 두께가 0.02 내지 2㎛이고, 양전극 제2 층의 막 두께가 0.2 내지 3㎛이며, 양전극 제3 층의 막 두께가 10 내지 500Å임을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
- 제10항에 있어서, 산화규소(SiO2), 질화규소(SixNy), 티타늄 화합물(TixNy등) 또는 폴리이미드 등으로 이루어진 절연성 보호막이 양전극 제3 층 위에 직접 적층되어 있음을 특징으로 하는, III족 질화물계 화합물 반도체 발광소자.
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