KR20040087121A - 질화 갈륨계 반도체 ｌｅｄ 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화 갈륨계 반도체 LED(Light Emitting Diode, 이하"LED"라 함)에 관한 것으로서, 구체적으로는 LED소자에서 밴드갭의 차이를 갖는 이종 반도체 층사이에 위치한 활성층에서 발생하는 빛이 외부로 방출되는 과정에서 빛의 전반사 발생을 줄일 수 있도록 LED 칩의 평면 구조를 마름모 형태를 갖도록 형성하여 외부 양자 효율을 향상시킨 질화 갈륨계 반도체 LED에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 종래의 질화갈륨계 반도체 LED 소자의 평면 구조를 마름모꼴을 띄도록 형성하여, LED 소자 칩의 내부에서 발생된 빛이 내부에서 전반사되는 양을 대폭 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 빛이 LED 소자 칩의 외부로 나오는 과정에서의 외부 양자 효율을 극대화할 수 있다. 그리고, LED 소자 칩의 절단면이 질화갈륨이나 사파이어 웨이퍼의 결정방향과 일치되어 있으므로 절단에 의한 칩의 제조시에 칩의 수율이 획기적으로 향상되는 효과가 있다. 또한, LED의 양 전극과 음 전극을 대각선상에 배치하여 전류 분산을 최적화하는 구조로서 활성층에서 고르게 빛이 나오게 되어 광효율이 증가되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 질화 갈륨계 반도체 LED(Light Emitting Diode, 이하"LED"라 함)소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 LED소자에서 밴드갭의 차이를 갖는 이종 반도체 층사이에 위치한 활성층에서 발생하는 빛이 외부로 방출되는 과정에서 빛의 전반사 발생을 줄일 수 있도록 LED 칩의 평면 구조를 마름모 형태를 갖도록 형성하여 외부 양자 효율을 향상시킨 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 관한 것이다.
일반적으로 반도체에 전압을 가할 때 생기는 발광현상은 전기 루미네선스(전기장발광)라고 하며, 1923년 탄화규소 결정의 발광 관측에서 비롯되는데, 1923년에 비소화갈륨 p-n 접합에서의 고발광효율이 발견되면서부터 그 연구가 활발하게 진행되었으며, 1960년대 말에는 이들이 실용화되기에 이르렀다.
반도체 LED에 적합한 재료가 만족시켜야 할 조건으로는 첫째, 발광파장이 가시영역 또는 근적외영역에 존재할 것, 둘째, 발광효율이 높을 것, 셋째, p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건이 있으며, 주로 비소화갈륨 GaAs, 인화갈륨 GaP, 갈륨-비소-인 GaAs1-x Px, 갈륨-알루미늄-비소 Ga1-xAlxAs, 인화인듐 InP, 인듐-갈륨-인 ln1-xGaxP 등 3 B 및 5 B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있는데, 2 B, 6 B족이나 4 A, 4 B족인 것에 대하여도 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이중에서 특히 AlGaInN 계 LED는 300nm대의 파장에서 600nm대의 파장까지의 광을 방출할 수 있는 레이저 다이오드나 LED(Light Emitting Diode) 등을 제조하는데 사용되는데, 이러한 AlGaInN 계 LED의 광파장은 인듐(Indium)의 양을 늘릴수록 파장을 길게 만들 수 있고, 알미늄의 양을 늘릴수록 파장을 짧게 만들 수 있는 특성이 있다.
이러한 AlGaInN계 LED를 이용하여 칩(chip을 형성한 일부분을 도면으로 도1에 나타내고 있으며, 도 2에서는 도 1의 A-A'부분에 대한 수직 단면을 나타내고 있다.
도 1의 평면도와 도 2의 단면도를 보면 사파이어(Sapphire)나 SiC 등의 투명한 기판(10)상에 n-컨택을 위한 n-AlGaInN 층(50)이 성장되며, n-AlGaInN 층(50)위에는 반도체의 활성 영역(활성층) 또는 그 근처의 굴절률이나 이득을 주위의 클래드(clad)보다 높게 하여 활성 영역이나 그 근처에 광 에너지가 집중되도록 하는 광 집중(Optical confinement) 효과를 위해서 활성층(70)보다 밴드갭(Bandgap)이 큰 AlGaInN 층(60)을 성장시킨다.
밴드갭(Bandgap)이 큰 AlGaInN 층(60) 위에는 방출광의 광파장을 결정하는 활성층(70)이 성장되고, 활성층(70) 위의 광집중 효과를 위해 p-AlGaInN 층(80)이 성장되어 P-클래드를 이루며, p-컨택을 위한 p-AlGaInN(90)이 p-클래드(80)위에 성장 형성된다.
그 후에는 p-질화갈륨의 저향율이 매우 높기 때문에 전류 확산(Current spreading)을 용이하게 하기 위해서 다양한 종류의 투광성 오믹 전극(100)을 형성하고, p-본딩 패드를 위한 P 금속 전극(40)이 투광성 오믹 전극(100)위 형성되고, 일부의 p층, 활성층, n-클래드층과 p-클래드층인 AlGaInN 층(60)과 p-AlGaInN 층(80), n-컨택을 위한 n-AlGaInN 층(50)의 일부가 제거된 후에 n-오믹 금속(30)을 형성하여 LED가 제조된다.
이와 같이 제조된 LED의 발광원리는 p 전극을 통해 들어오는 정공과 n 전극을 통해 들어오는 전자가 활성층에서 결합하여 활성층 물질 조성의 밴드갭에 해당하는 빛을 상하 및 측면으로 방출하는 p-n 접합 다이오드 구조이다.
이러한 LED의 광효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 나누어지며, 내부 양자 효율은 활성층의 설계나 에피층의 품질에 따라서 결정되게 된다.
그리고, 외부 양자 효율은 활성층에서 발생된 빛이 칩(Chip)의 외부로 나오는 정도에 따라서 결정되며, 일정한 굴절율을 가진 질화갈륨계 물질이나 사파이어의 경우에는 굴절율이 1인 공기중으로 빛이 나오기 위해서 임계각을 넘어야 한다.
이러한 임계각은 θc =sin-1(ηlow/ηhigh)로 표시되고, 질화갈륨에서 굴절율이 1인 공기중으로 빛이 진행할때의 임계각은 23.6°가 된다.
만약 위의 임계각 이상의 각도로 발생되는 빛은 칩의 내부로 다시 돌아가서 칩의 내부에 갇히는 결과를 초래하고, 에피(epi)층이나 사파이어 웨이퍼내에서 빛의 흡수가 이루어져 외부 양자 효율은 급격하게 떨어지게 된다.
도 1의 평면도를 기준으로 보면 일반적인 LED 소자의 형상은 직사각형 또는 정사각형으로 형성되며, 도 5에 나타난 경로와 같이 대부분의 빛은 칩내에서 전반사가 일어나게 된다.
이와 같이 LED 소자에서 발생한 빛이 칩내에서 전반사되는 것을 방지하기 위해 일부에서는 칩의 단면을 역피라미드(TIP: truncated inverted pyramid) 구조로 가공하고 제작하기도 하지만, 역피라미드 구조는 그 단면 구조가 상측으로 올라갈수록 넓어지는 구조이므로 이에 따른 가공이 매우 어렵고 사파이어와 같은 단단한 물질을 가공할때는 더욱 어려워 수율이 대폭 저하되는 문제점이 있다.
통상적으로 AlGaInN 계 LED의 제조에 있어서 또 다른 어려움은 칩의 제조시에 있어서 칩을 직사각형 또는 정사각형으로 가공하는 경우에 도 3의 평면도에서와 같이 사파이어 웨이퍼 또는 질화갈륨 단결정의 원자배열 방향에서 C측 방향으로는 절단 특성이 양호하게 나오나, D측 방향으로는 절단 특성이 불량하게 나오므로 칩을 제조할 때의 수율이 나빠지는 특성이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은 질화갈륨계 LED소자에서 발생한 빛이 전반사를 일으키는 비율을 줄이고 칩의 내부에서 발생한 빛이 효과적으로 외부로 방출될 수 있도록 하는 칩 구조를 제공함에 있다.
본 발명의 제 2 목적은 칩의 절단면이 질화갈륨이나 사파이어 웨이퍼의 결정방향과 일치될 수 있는 구조를 제공하여 칩의 절단시에 칩의 수율이 향상될 수 있는 구조를 제공함에 있다.
본 발명의 제 3 목적은 LED의 양전극과 음전극사이의 전류 분산을 최적화할 수 있는 구성을 제공하여 빛이 고르게 나오는 광효율 향상에 있다.
본 발명의 다른 목적들은 후술될 구성 및 작용에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은 종래의 질화갈륨계 반도체 LED소자의 평면 구조를 나타내는 평면도.
도 2는 도 1의 반도체 LED소자의 단면을 나타내기 위한 단면도.
도 3은 사파이어 또는 질화갈륨 단결정의 원자배열을 나타내기 위한 원자배치도.
도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체 LED소자의 평면 구조를 나타내는 평면도.
도 5는 종래의 질화갈륨계 반도체 LED소자의 외부 양자 효율을 결정하는 광경로를 나타내기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체 LED소자의 외부 양자 효율을 결정하는 광경로를 나타내기 위한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 사파이어 기판 20: P 메탈
30: N 메탈 40: P 패드
50: n-AlGaInN 60: n clad 층
70: 활성층 80: p clad 층
90: p-AlGaInN 95: ITO 전극
110: Ga 또는 N 원소
본 발명에 따른 질화 갈륨계 반도체 LED 소자는, 상기 LED 소자의 칩 평면 구조가 마름모꼴 형태로 형성되는 것을 특징으로 하며, 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-전극과 n-AlGaInN 층상의 n-전극이 상기 마름모꼴 형상의 각각 마주보는 위치에 배치되도록 형성되며, 상기 마름모꼴 칩의 예각은 40° 내지 80°, 바람직한 일례로 60°로 형성되며, 둔각은 120°로 형성될 수 있다.
그리고, 바람직하게 상기 칩의 절단면이 사파이어 기판이나 질화갈륨 절단(cleaving) 방향과 일치하도록 형성되며, 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-전극과 n-AlGaInN 층상의 n-전극이 상기 마름모꼴 형상에서 예각측 모서리 부위에 서로 마주보도록 형성됨을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 대한 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체 LED소자의 평면 구조를 나타내는평면도로서, 사파이어 기판(100) 위에 각각의 층을 적층형상하는 과정은 종래 기술부분에서 언급한 적층 과정과 동일하므로 언급을 생략한다.
그러나, 본 발명의 핵심 부분인 마름모꼴 평면 구성은 반도체 LED 소자를 설계하는 과정에서 미리 절단시의 형상을 예측하여 마름모 형태가 되도록 설계되며, 본 발명에서는 P 전극과 N-전극간의 최적화된 전류 분산을 위하여 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-전극과 n-AlGaInN 층상의 n-전극이 마름모꼴 형상에서 예각측 모서리 부위에 서로 마주보도록 형성된다.
이와 같은 구성에 따라 일단 P전극과 N 전극 사이의 전하가 이동하는 전류 경로가 기존 칩의 경우인 도 7에 비해 도 8에 나타난 바와 같이 균일해지게 되고, 균일해진 전류 경로에 의해 동작 전압이 낮아지며, 활성층에서 발생하는 빛의 광효율도 일차적으로 증가하게 된다.
그리고, 활성층에서 발생한 빛이 외측으로 나오기 위한 외부 양자 효율은 도 6에 나타난 광경로와 같이 내측에서 전반사가 일어나는 양이 현저하게 줄어드는 것을 알 수 있으며, 상대적으로 종래에 비해서 상하측으로 방출되는 빛보다는 측면으로 방출되는 빛의 양이 대폭 증가하여 외부 양자효율이 증가됨을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였지만, 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해 결정되어 져야 할 것이다.
본 발명에 따르면 종래의 질화갈륨계 반도체 LED 소자의 평면 구조를 마름모꼴을 띄도록 형성하여, LED 소자 칩의 내부에서 발생된 빛이 내부에서 전반사되는 양을 대폭 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 빛이 LED 소자 칩의 외부로 나오는 과정에서의 외부 양자 효율을 극대화할 수 있다.
그리고, LED 소자 칩의 절단면이 질화갈륨이나 사파이어 웨이퍼의 결정방향과 일치되어 있으므로 절단에 의한 칩의 제조시에 칩의 수율이 획기적으로 향상되는 효과가 있다.
또한, LED의 양 전극과 음 전극을 대각선상에 배치하여 전류 분산을 최적화하는 구조로서 활성층에서 고르게 빛이 나오게 되어 광효율이 증가되는 효과가 있다.
Claims (4)
- 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 있어서,상기 LED 소자 칩의 평면 구조가 마름모꼴 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 반도체 LED 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 마름모꼴의 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-전극과 n-AlGaInN 층상의 n-전극이 상기 마름모꼴 형상의 각각 마주보는 위치에 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 마름모꼴의 예각이 40° 내지 80° 인것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 마름모꼴의 경사진 변이 상기 질화갈륨계 반도체 LED 소자의 질화갈륨 또는 사파이어 웨이퍼의 클리빙 면과 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
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