KR20040104265A - 질화 갈륨계 반도체 led 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화 갈륨계 반도체 LED(Light Emitting Diode, 이하"LED"라 함)에 관한 것으로서, 구체적으로는 LED소자의 활성층에서 발생하는 빛이 외부로 방출되는 과정에서 빛의 전반사 발생을 줄일 수 있도록 LED 칩의 평면 구조를 마름모 형태를 갖도록 형성하여 외부 양자 효율을 향상시키고 전극 패턴을 최적화하여 전류-전압 특성을 개선한 질화 갈륨계 반도체 LED에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 종래의 질화갈륨계 반도체 LED 소자의 평면 구조를 마름모꼴을 띄도록 형성하고, 전극 패턴을 최적화하여 LED 소자 칩의 내부에서 발생된 빛이 내부에서 전반사되는 양을 대폭 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 빛이 LED 소자 칩의 외부로 나오는 과정에서의 외부양자 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

질화 갈륨계 반도체 LED 소자{Fabrication method of InAlGaN LED device}

본 발명은 질화 갈륨계 반도체 LED(Light Emitting Diode, 이하"LED"라 함)에 관한 것으로서, 구체적으로는 LED소자의 활성층에서 발생하는 빛이 외부로 방출되는 과정에서 빛의 전반사 발생을 줄일 수 있도록 LED 칩의 평면 구조를 마름모 형태를 갖도록 형성하여 외부 양자 효율을 향상시키고 n-메탈을 칩의 둘레에 배치하여 동작 전압을 낮춘 질화 갈륨계 반도체 LED에 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 GaAsl-xPx, 갈륨-알루미늄-비소 Gal-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 늘릴수록파장을 길게 만들 수 있고, 알루미늄의 양을 늘릴수록 파장을 짧게 만들 수 있는 특성이 있다.

이러한 AlGaInN계 LED 칩의 평면도를 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(20)상에 n-컨택을 위한 n-AlGaInN 층(21)이 성장되며, n-AlGaInN 층(21)위에는 반도체의 활성 영역(활성층) 또는 그 근처의 굴절률이나 이득을 주위의 클래드(clad)보다 높게 하여 활성 영역이나 그 근처에 광에너지가 집중되도록 하는 광 집중(Optical confinement) 효과를 위해서 활성층보다 밴드갭(Bandgap)이 큰 AlGaInN 층(22)을 성장시킨다.

밴드갭(Bandgap)이 큰 AlGaInN 층(22) 위에는 방출광의 광파장을 결정하는 활성층(23)이 성장되고, 활성층(23) 위의 광집중 효과를 위해 p-AlGaInN 층(24)이 성장되어 P-클래드를 이루며, p-컨택을 위한 p-AlGaInN(25)이 p-클래드(24)위에 성장 형성된다.

그 후에는 p-질화갈륨의 저향율이 매우 높기 때문에 전류 확산(Current spreading)을 용이하게 하기 위해서 다양한 종류의 투광성 오믹 전극(26)을 형성하고, P-본딩 패드를 위한 P 금속 전극(27)이 투광성 오믹 전극(26)위 형성되고, 일부의 p층, 활성층, n-클래드층과 p-클래드층인 AlGaInN층(24)과 p-AlGaInN 층(25), n-컨택을 위한 n-AlGaInN 층(21)의 일부가 제거된 후에 n-오믹 금속(28)을 형성하여 LED가 제조된다.

표면의 전극구조가 완성된 칩의 표면은 도 1에서와 같이 마름모꼴을 가지고 있으며, 평행 사변형의 꼴을 가질 수도 있다.

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 종래의 경우 마름모의 긴 대각선 부분에 p-패드 및 n전극이 형성되어 있다. 이러한 칩의 경우 일반적인 정방형의 LED 소자에 비해서는 높은 외부 양자효율을 가진다. 이러한 칩의 경우 전극 사이의 거리가 벌고 따라서 구동 전압이 높아지는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은 질화 갈륨계 LED소자에서 발생한 빛이 전반사를 일으키는 비율을 줄이고 칩의 내부에서 발생한 빛이 효과적으로 외부로 방출될 수 있도록 하고 전극의 배치를 효과적으로 하여 구동 전압을 낮춘 칩 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적들은 후술될 구성 및 작용에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1은 종래의 마름모꼴 질화갈륨계 반도체 LED소자의 평면 구조를 나타내는 평면도.

도 2는 도 1의 반도체 LED소자의 단면을 나타내기 위한 단면도.

도 3은 본 발명의 제 1 형태의 LED 소자 평면 구조를 나타내는 평면도.

도 4는 제 1 형태의 제 1 변형 예를 나타내는 평면도

도 5는 본 발명의 제 2 형태의 LED 소자 평면 구조를 나타내는 평면도.

도 6은 제 2 형태의 제 1 변형 예를 나타내는 평면도

도 7은 제 2 형태의 제 2 변형 예를 나타내는 평면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10, 30, 40, 50, 60, 70 : chip 외관 11, 26, 31, 41, 51, 61, 71 : p 메탈

12, 28, 32, 42, 52, 62, 72 : n 메탈 13, 27, 33, 43, 53, 63, 73 : p-패드

20 : 기판 21 : n-AlGaInN

22 : n clad 층 23 : 활성층

24 : p clad 층 25 : p-AlGaInN

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-AlGaInN층상의 n-전극이 상기 마름모꼴 형상의 각각 마주보는 위치에 배치되도록 형성되며, n-전극이 p-전극을 바람직하게는 둘러싸고 있는 형태가 되며, 상기 마름모꼴 칩의 예각은 바람직한 일례로 60°로 형성되며, 둔각은 120°로 형성될 수 있다.

그리고, 바람직하게 상기 칩의 절단면이 사파이어 기판이나 질화갈륨 결정 방향과 일치하도록 형성되며, 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-패드와 n-AlGaInN 층상의 n-패드가 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 3은 본 발명에 따른 질화갈륨계 반도체 LED소자의 평면 구조를 나타내는 평면도로서, 사파이어 기판 위에 각각의 층을 적층형상하는 과정은 종래 기술부분에서 언급한 적층 과정과 동일하므로 언급을 생략한다.

그러나, 본 발명의 핵심 부분인 마름모꼴 평면 구성에서 n-전극이 p-전극을 둘러싸는 모양은 반도체 LED 소자를 설계하는 과정에서 미리 절단시의 형상과 함께 예측하여 설계되며, 본 발명에서는 P 전극과 N-전극간의 최적화된 전류 분산을 위하여 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-전극 및 p-패드와 n-AlGaInN 층상의 n-전극 및 n-패드를 형성한다. 그림에서 p-전극을 둘러싸고 있는 부분의 n-금속을 n-전극이라 표시하고, n-전극 중에서 면적이 넓은 부분, 즉, 본딩이 일어날 부분을 n-패드라 명명하였다,

이와 같은 구성에 따라 일단 P전극과 N 전극 사이의 전하가 이동하는 전류 경로가 기존 칩의 경우에 비해 균일해지게 되고, 균일해진 전류 경로에 의해 동작 전압이 낮아지며, 활성층에서 발생하는 빛의 광효율도 일차적으로 증가하게 된다.

[실시 예 1]

도 4에 제 1 실시 예를 보였다. 칩의 평면 구조에서 좌측 및 상측의 n-전극이 생략된 것을 제외하면 기본 발명인 제 1 형태와 동일하다. 제 1형태의 경우 n-전극이 p-전극을 둘러싸고 있는 형태이므로 칩의 크기가 비교적 크게 된다. 제 1 형태의 제 1 변형인 제 1 실시예는 이러한 단점을 보완한 것이다.

[실시 예 2]

도 5는 제 2 실시 예를 보였다. 기존의 마름모형 칩의 p-패드 및 n-패드는 마름모의 예각 부분에 패드가 형성되어 있는 것에 비하여 제 2 형태인 본 실시 예의 경우 p-패드 및 n-패드가 둔각의 마주보는 위치에 형성되어 있다. 기존의 구조에 비해 전극간 거리가 짧아서 구동전압이 개선되는 효과를 가진다.

[실시 예 3]

도 6은 제 3 실시 예를 보였다. 칩의 평면 구조에서 p-전극의 주위로 n-전극을 배치한 것을 제외하면 제 3 실시 예의 제 2 형태와 동일하다. 제 2 실시 예의 칩 구조에서 n-전극을 p-전극 둘레에 배치함으로써 구동전압을 개선한 구조이다.

[실시 예 4]

도 7은 제 4 실시 예를 보였다. 칩의 평면 구조에서 좌측 및 상측의 n-전극이 생략된 것을 제외하면 본 발명의 제 2 형태와 동일하다. 제 2 형태의 경우 n-전극이 p-전극을 둘러싸고 있는 형태이므로 칩의 크기가 비교적 크게 된다. 제 2 형태의 제 1 변형인 제 4 실시 예는 이러한 단점을 보완한 것이다.

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 알것이며, 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, n-전극을 p-전극 둘레에 배치하여 구동 전압 특성을 개선한 것이다.

그리고, LED 소자 칩의 절단면이 질화갈륨이나 사파이어 웨이퍼의 결정방향과 일치되어 있으므로절단에 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 (12)

1. 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 있어서,

   상기 LED 소자 칩의 평면 구조에 있어서 칩의 외관이 마름모꼴 또는 평행 사변형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하고, 기판 위에 적절한 버퍼층, 하층의 n-Al(x)Ga(y)In(z)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 층, Al(x)Ga(y)In(z)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 활성층, p-Al(x)Ga(y)In(z)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 층의 적층 구조를 구비한 화합물 반도체 발광 디바이스에 있어서, 최상층에 접하여 전면 또는 일부에 제 1 투광성 전극을 형성하고, 상기 제 1 투광성 전극의 가장자리 영역에 상기 p 층, 활성층 및 하층의 n 층의 일부를 제거하여 노출된 n형 Al(x)Ga(y)In(z)N 층에 접하여 n-ohmic 금속을 형성하고, 제 1 전극 상에 p-패드를 형성한 질화 갈륨계 반도체 LED 소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 마름모꼴의 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-패드와 n-AlGaInN 층상의 n-전극의 패드 부분이 상기 마름모꼴 또는 사다리꼴 형상에서 예각의 대각선상의 마주보는 위치에 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 마름모꼴의 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-패드와 n-AlGaInN 층상의 n-전극의 패드 부분이 상기 마름모꼴 또는 사다리꼴 형상에서 예각의 대각선상의 마주보는 위치에 배치되고, 모서리의 n-패드와 접하는 변에만 n-전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 마름모꼴의 예각이 10°~40°인것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
5. 제 1항에 있어서,

   p-패드의 위치가 칩의 중심 부근에 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 마름모꼴의 경사진 변이 상기 질화갈륨계 반도체 LED 소자의 질화갈륨, SiC 또는 사파이어 웨이퍼의 결정 방향과 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
7. 질화 갈륨계 반도체 LED 소자에 있어서,

   상기 LED 소자 칩의 평면 구조에 있어서 칩의 외관이 마름모꼴 또는 평행 사변형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하고, 기판 위에 적절한 버퍼층, 하층의 n-Al(x)Ga(y)In(z)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 층, Al(x)Ga(y)In(z)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 활성층, p-Al(x)Ga(y)In(z)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 층의 적층 구조를 구비한 화합물 반도체 발광 디바이스에 있어서, 최상층에 접하여 전면 또는 일부에 제 1 투광성 전극을 형성하고, 상기 p 층, 활성층 및 하층의 n 층의 일부를 제거하여 노출된 n형 Al(x)Ga(y)In(z)N 층에 접하여 n-ohmic 금속을 형성하고, 마름모꼴의 둔각 부분에 n-패드를 형성하고, 제 1 전극 상의 대각선상의 마주보는 위치에 p-패드를 형성한 질화 갈륨계반도체 LED 소자.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 마름모꼴의 평면 구조상에서 상기 제 1 투광성 전극의 가장자리 영역에 상기 p 층, 활성층 및 하층의 n 층의 일부를 제거하여 노출된 n형 Al(x)Ga(y)In(z)N 층에 접하여 n-ohmic 금속을 형성하고, 제 1 전극 상에 p-패드를 형성한 질화 갈륨계 반도체 LED 소자.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 마름모꼴의 평면 구조상에서 p-AlGaInN 층상의 p-패드와 n-AlGaInN 층상의 n-전극의 패드 부분이 상기 마름모꼴 또는 사다리꼴 형상에서 둔각의 대각선상의 마주보는 위치에 배치되고, 모서리의 n-패드와 접하는 변에만 n-전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 마름모꼴의 예각이 10°~40°인것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 마름모꼴의 경사진 변이 상기 질화갈륨계 반도체 LED 소자의 질화갈륨, SiC 또는 사파이어 웨이퍼의 결정 방향과 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.
12. 제 7항에 있어서,

    p-패드의 위치가 칩의 중심 부근에 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 반도체 LED 소자.