KR200377654Y1 - 높은 광 추출 효율을 갖는 발광 갈륨 질화물계 ⅲ-ⅴ족화합물 반도체 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 고안은 요철 표면을 갖는 기판, 텍스쳐링 표면층 및 투광 도전 윈도우층에 특징이 있으며, 높은 광 추출 효율을 갖는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스를 제공하는 것이다. 따라서, 구동 전압은 감소되고 광 추출 효율은 향상된다.

Description

높은 광 추출 효율을 갖는 발광 갈륨 질화물계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 디바이스{LIGHT-EMITTING GALLIUM NITRIDE-BASED III-V GROUP COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE WITH HIGH LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY}

본 고안은 높은 광 추출 효율을 갖는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 구조에 관한 것으로, 특히 구동 전압을 감소시키고 광 추출 효율을 향상시킨 화합물 반도체 구조에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 종래의 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스의 구조가 개시되어 있다. 이 디바이스는 사파이어 기판(10'), 갈륨 질화물 버퍼층(20'), n형 갈륨 질화물 콘택층(30'), 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 발광층(40'), p형 갈륨 질화물층(50'), p형 갈륨 질화물 콘택층(60')(층 20' 내지 층 60'은 에피택시 구조로 불리운다), Ni/Au로 이루어진 투광 도전층(70')을 포함한다. 게다가, p형 금속 전극(80')은 투광 도전층(70') 상에 적층되고 n형 금속 전극(90')은 n형 갈륨 질화물 콘택층(30') 상에 배열된다.

디바이스의 광 추출 효율을 증가시키기 위해, 투광 도전층의 광 투과율은 증가되거나 반사층이 발광층 하부에 추가된다. 그러나, 이 두 방법들은 단지 수직 방향을 따라 발광의 광 추출 효율을 증가시킬 뿐이다.

갈륨 질화물의 에피택시 구조의 굴절율은 2.4이다. 사파이어 기판의 굴절율은 1.77이고 패키징 수지의 굴절율은 1.5이다. 도파관 영향(waveguide effect)로 인해, 발광층으로부터 발광의 일부는 사파이어 기판 및 패키징 수지에 의해 반사되고나서 갈륨 질화물의 다층 에피택시 구조에 의해 흡수된다. 따라서, 광 추출 효율은 감소된다. 도파관 영향을 없애기 위해, 텍스쳐링 구조 또는 거친 표면을 발광 화합물 반도체 디바이스의 표면상에 제공하여 상이한 굴절율들을 갖는 다양한 인터페이스를 통해 광 반사율을 감소시킨다.

에피택시의 성장동안, 텍스쳐링 또는 거친 표면은 인공적으로 형성되며, 이는 대만 특허 출원 제092132987호를 참조하고, 그 프로세스는 본 명세서에 기술되어 있다. 게다가, 광추출 효율을 증가시키고 구동 전압을 줄이기 위한 구조는, 본 고안의 출원인과 동일한 출원인이 출원한 대만 특허 출원 제093204255호에 개시되어 있다. Ni/Au로 이루어진 종래의 투광 도전층은 광 투과율이 Ni/Au보다 낫고 텍스쳐링 표면층과 양호한 오믹 콘택을 갖는 투광 도전 윈도우층으로 대체하여 구동 전압을 감소시킨다.

또한, 만일 갈륨 질화물의 다층 에피택시 구조의 하부에 또한 텍스쳐링 표면 또는 거친 표면이 제공되는 경우, 디바이스의 광 추출 효율 또한 향상된다.

따라서, 본 고안의 주요 목적은 광 추출 효율을 향상시키기 위한 요철 표면을 갖는 기판과 텍스쳐링 표면층을 갖는 높은 광 추출 효율의 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 요철 볼록 표면을 갖는 기판, 텍스쳐링 표면층 및 투광 도전층을 갖는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스를 제공하는 것이다. 텍스쳐링 표면층은 투광 도전층과 오믹 콘택을 형성하여 발광 디바이스의 구동 전압을 감소시킨다.

상술한 목적들을 달성하기 위해, 본 고안은 요철 표면을 갖는 기판 표면, 텍스쳐링 표면층 및 투광 도전층으로 구성된다. 본 고안은 더 낮은 구동 전압과 더 높은 광 추출 효율을 갖는다.

본 고안은 종래의 발광 디바이스의 도파관 영향의 문제를 해결할 수 있다. 도파관 영향은 발광층으로부터 방출되는 광의 일부가 사파이어 기판 및 패키징 수지에 의해 반사되고나서 갈륨 질화물의 다층 에피택시 구조에 의해 흡수되는 원인이 된다. 따라서, 광 추출 효율은 감소된다. 본 고안에는 요철 표면을 갖는 기판과, 에피택시 성장동안 발광 화합물 반도체 디바이스의 표면상에 형성된 텍스쳐링 표면이 제공되어 도파관 영향이 없어지고 광 추출 효율이 향상된다.

도 2를 참조하면, 본 고안의 향상된 실시예가 개시되어 있다. 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스(1)는 요철 표면을 갖는 기판층(10), n형 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층(20), 발광층(활성층)(30), p형 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층(40), 텍스쳐링 표면층(50), 투광 도전 윈도우층(60), 제1 전극(22) 및 제2 전극(42)을 포함하며, 여기서 기판(10)은 버퍼층(12)을 더 구비한다.

상기 기판(10)은 사파이어, 아연 산화물(ZnO), 리튬 갈륨 산화물, 리튬 알루미늄 산화물 또는 첨성석(spinel)과 같은 투광 기판일 수 있다. 상기 n형 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층(20)은 n-도핑된 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 인듐 갈륨 질화물(A1InGaN) 또는 인듐 갈륨 질화물(InGaN)층으로 이루어진다. 상기 p형 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층(40)은 p-도핑된 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 인듐 갈륨 질화물(AlInGaN) 또는 인듐 갈륨 질화물(InGaN)층이다. 상기 텍스쳐링 표면층(50)은 화학식이 AlInGaNPAs인 p-도핑된, n-도핑된 또는 공통 도핑된 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층이다. 상기 발광층(활성층)(30)은 인듐을 갖는 질화물 화합물 반도체로 형성된다.

상기 투광 도전 윈도우층(60)은 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐 몰리브덴 산화물(InMoO), 아연 산화물, 인듐 아연 산화물(InZnO), 인듐 세륨 산화물(InCeO) 또는 인듐 주석 산화물(InSnO)로 이루어진 투광 및 도전성 산화물층이다.

상기 텍스쳐링 표면층(50)은 상기 p형 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층(40)의 표면상에 그러한 구조의 형성을 허용하는, 에피택시 성장동안의 제어로 인해 형성된다. 따라서, 텍스쳐링 표면층(50)과 투광 도전 윈도우층(60)간의 콘택 저항은 감소된다. 그에 따라, 발광 디바이스의 구동 전압은 줄어든다.

상기 기판상의 요철 표면은 에칭 프로세스시 사용된 감광성 마스크에 의해 형성된다. 예를 들면, 사파이어 기판은 C-축(0001)이고 니켈, 광-레지스트, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어진 감광성 마스크는 기판의 A-축에 평행 또는 수직하다. 다음으로 사파이어 기판은 BCl₃, Cl₂ 및 Ar의 가스 혼합과 함께, RIE(reactive ion etching) 또는 ICP(inductively coupled plasma etching)와 같은 건식 에칭 기술에 의해 줄무늬 모양으로 에칭된다. 따라서, 사파이어 기판은 볼록면의 폭은 1㎛ 내지 5㎛의 범위를 가지고, 오목면의 폭은 1㎛ 내지 5㎛의 범위를 가지며, 에칭 깊이는 0.1 내지 2㎛인 복수의 볼록면 및 오목면을 가진 기판으로 바뀐다.

비교 챠트

(투광 도전 윈도우층은 인듐 주석 산화물로 이루어진다)

발광 디바이스의 구조	출력 파워(mW)	20mA에서의 Vf
평탄 표면	8.8	4.0
텍스쳐링 표면	12	3.2
요철 표면과 텍스쳐링 표면층	13.7	3.2

본 고안은 요철 표면을 갖는 기판과 텍스쳐링 표면층을 갖는 발광 디바이스를 제공하여 광 추출 효율을 향상시키기 것이다.

본 분야의 숙련된 자라면 부가적인 이점 및 변형들은 바로 이루어질 것이다. 따라서, 더 넓은 양상에서의 본 고안은 특정 상세설명, 및 본 명세서에 도시되고 기술된 대표 디바이스에 국한되지 않는다. 이에 따라, 다양한 변형은 첨부된 청구항 및 그 등가물에 의해 정의된 바와 같이 일반적인 고안의 개념의 사상 또는 범위로부터 동떨어짐없이 이루어질 수도 있다.

도 1은 종래 기술의 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스의 구조를 도시한 개략도.

도 2는 본 고안의 일 실시예의 구조를 나타낸 개략도.

Claims (9)

1. 높은 광 추출 효율을 갖는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스에 있어서,

   요철 표면을 갖는 기판;

   상기 기판 상에 배열되며, 순차적으로 하부로부터 제1 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층, 발광층 및 제2 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조;

   에피택시의 성장동안 형성되며 상기 제2 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층상에 배열된 텍스쳐링 표면층;

   상기 텍스쳐링 표면층 상에 배열되고 상기 텍스쳐링 표면층과 오믹 콘택을 형성하는 투광 도전 윈도우층;

   상기 반도체 적층 구조의 상기 제1 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉하여 제공된 제1 전극; 및

   상기 투광 도전 윈도우층과 전기적으로 접촉된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 볼록면의 폭이 1㎛ 내지 5㎛이고, 오목면의 폭이 1㎛ 내지 5㎛이며, 에칭 깊이는 0.1㎛ 내지 0.2㎛인 투광성 기판인 것을 특징으로 하는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스.
3. 제1항에 있어서, 상기 기판은 굴절율이 상기 반도체 적층 구조의 굴절율보다 작은 단결정인 것을 특징으로 하는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층은 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 인듐 갈륨 질화물(AlInGaN) 또는 인듐 갈륨 질화물(InGaN)로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체층은 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 인듐 갈륨 질화물(AlInGaN) 또는 인듐 갈륨 질화물(InGaN)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스.
6. 제1항에 있어서, 상기 발광층은 인듐을 갖는 질화물 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스.
7. 제1항에 있어서, 상기 투광 도전 원도우 층은 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐 몰리브덴 산화물, 아연 산화물, 인듐 아연 산화물, 인듐 세륨 산화물, 또는 인듐 주석 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 갈륨 질화물계 III-V족 화합물 반도체 디바이스.
8. 삭제
9. 삭제