KR20050061743A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싼 제2 영역으로 구분된 상면을 갖는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 순차적으로 형성된 활성층과 p형 질화물 반도체층으로 이루어진 발광구조물과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p측 전극과, 상기 n형 질화물 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, n측 전극형성에 따른 활성영역의 감소를 최소화하고, 순방향 전압특성을 개선함으로써 전체 발광효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 고출력 조명장치 등에 적절히 사용될 수 있는 큰 사이즈를 갖는 고효율 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다. 질화물 반도체 발광소자는 결정성장을 위한 격자정합조건을 만족하는 사파이어기판이나 SiC기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, p 및 n 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 플래너구조를 취할 수 밖에 없다.
이러한 플래너(planar)구조 발광소자는, 2개의 전극이 발광구조물 상하면에 각각 배치된 버티컬(vertical)구조 발광소자에 비해 전류흐름가 전체 발광영역에 균일하게 분포하지 못하므로, 발광에 가담하는 유효면적이 크지 못하고, 발광면적당 발광효율도 낮다는 문제가 있다. 이러한 플래너구조 발광소자와 그로 인한 발광효율의 제한성을 도1a 및 도1b를 참조하여 설명한다.
도1a 및 도1b는 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)의 일형태를 예시한다.
도1a에 도시된 질화물 반도체 발광소자(10)는 p측 전극(19)과 n측 전극(18)이 모두 상부를 향하며 거의 사각형인 상면의 대각선 방향으로 배열된 형태로 예시되어 있다. 이와 같이, 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는 수평방향으로 나란히 배열된 플래너구조를 갖는다.
보다 상세하게, 도1a의 A-A'선 단면을 나타내는 도1b을 참조하면, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(14) 및 p형 질화물 반도체층(16)을 포함한 구조를 가지며, 본 예와 같이 상기 p형 질화물 반도체층(16) 상에는 접촉저항을 개선하기 위해 ITO 등과 같은 투명전극층(17)를 추가적으로 구비할 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 질화물 반도체층을 형성하는데 사용되는 사파이어 기판(11)은 전기적으로 절연성을 가지므로, n형 질화물 반도체층(12)에 접속될 n측 전극(18)을 형성하기 위해서 p형 질화물 반도체층(16)과 활성층(14)의 일부영역을 제거하여야 한다. 이와 같이 질화물 반도체 성장용 기판의 절연성을 인해 질화물 반도체 발광소자(10)는 두 전극(19,18)아 동일한 면에 배치된 플래너구조(planar structure)를 갖는다.
도1a 및 도1b에 도시된 플래너구조 반도체 발광소자(10)에서, 두 전극 사이의 전류흐름은 최단거리인 경로에서 집중되므로, 수직방향으로 전류흐름이 제공되는 버터컬 구조(vertical structure) 발광소자에 비해, 전류밀도가 집중되는 전류경로가 협소해지며, 수평방향의 전류흐름을 가지므로 큰 직렬저항으로 인해 비교적 높은 구동전압을 높아진다. 이러한 문제로 인해 실질적으로 발광에 가담하는 면적을 작아진다. 이와 같이 질화물 반도체 발광소자는 플래너 구조라는 제한성으로 인해 단위면적당 전류밀도가 낮을 뿐만 아니라, 발광면적도 작아 면적효율이 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제로 인해, 큰 사이즈(1000㎛ ×1000㎛)를 갖는 조명장치용 발광소자에서 고출력을 보장하는 것은 매우 어려운 과제로 여겨지고 있다.
종래에, 이러한 문제를 완화하기 위해서, 전류밀도를 향상시키고 면적효율성을 향상시키기 위한 p측 전극과 n측 전극의 모양과 배열방안이 도2와 도3a 및 3b에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 개발되어 왔다.
도2를 참조하면, 기판 상에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(22), 활성층 및 p형 질화물 반도체층(미도시)으로 이루어진 발광소자의 상면이 도시되어 있다. 상기 발광소자의 상면에는 p형 질화물반도체층(투명전극층(27)이 형성된 경우에는 투명전극층) 및 n형 질화물 반도체층(22)에 각각 연결된 p측 전극(29) 및 n측 전극(28)이 형성된다. 상기 n측 전극(28)과 상기 p측 전극(29)은 각각 2개의 접속패드(28a,29a)와 그로부터 연장된 다수의 전극지(28b,29b)를 포함하며, 상기 n측과 p측 전극지(28b,29b)는 서로 맞물리는 구조로 형성된다. 이러한 전극구조에서는 다수개의 전극지(28b,29b)를 통해 독립된 전류경로를 제공하여 전극간의 측방향 평균거리를 감소시킬 수 있다. 이로써, 직렬저항을 감소시킬 뿐만 아니라, 전체 면적에 대한 전류밀도의 균일성을 향상시키고, 대면적 LED를 사용하여도 전체 상면의 면적에서 충분한 발광면적을 확보할 수 있다.
하지만, 각 전극지(28b,28b)의 단부는 전류가 제공되는 접속패드(28a,29b)로부터 상당한 거리로 이격되어 있으므로, 다른 인접한 부분에 비해 낮은 광출력을 나타내는 문제가 있다.
종래의 다른 전극구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자(30)는 도3a 및 도3b에 도시되어 있다. 도3a를 참조하면, p측 전극(39)은 소자 상면의 거의 중앙영역에 형성된 접속패드(39a)와 그로부터 연장되어 대각선방향으로 배치된 4개의 전극지(39b)를 포함하며, n측 전극(38)은 상면의 일 코너부근에 형성된 접속패드(38a)와 그 접속패드(38a)로부터 연장되며 p측 전극을 둘러싸도록 외주부근을 따라 형성된 연장부(38b)와 상기 연장부(38b)로부터 상기 p측 접속패드(39a)를 향해 연장된 4개의 전극지(38c)를 포함한다.
도3b에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자(30)는 기판(31) 상에 n형 질화물 반도체층(32)과 활성층(34) 및 p형 질화물 반도체층(36)이 순차적으로 형성된 발광구조물을 포함한다. 상기 발광구조물 상면에는 p측 전극(38)과 접촉저항을 개선하기 위해서 p형 질화물 반도체층(36) 상면에 형성된 투명전극층(37)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 n측 전극(38a,38b)은 상기 소자(30)의 외주를 따라 노출된 n형 질화물 반도체층(32) 상면에 형성되며, 상기 p측 전극(39a,39b)은 상기 투명전극 상면에 형성되어 p형 질화물 클래드층(37)에 전기적으로 연결된다.
여기에 도시된 질화물 반도체 발광소자(30)는 도2에 도시된 형태에 비해 접속패드와 다른 전극부분의 단부가 짧게 형성할 수 있으며, 전체 면적에서 두 전극의 균일한 간격으로 분포되므로, 직렬저항을 감소시켜 발광효율을 개선할 뿐만 아니라, 전류밀도의 균일한 분포를 형성할 수 있다.
하지만, 이러한 전극구조에서도, n측 전극을 형성하기 위해 제거되는 활성층면적이 적지 않으므로, 원래 성장된 발광구조물의 전체 크기에 비해 실제 발광에 가담하는 면적이 크게 감소될 뿐만 아니라, 발광소자의 크기에 증가함에 따라 오히려 면적당 발광효율이 저하되는 한계가 있어 왔다.
따라서, 당 기술분야에서는, 큰 사이즈의 질화물 반도체 발광소자에서 보다 고출력을 보장할 수 있는 새로운 전극구조 및 배열방안을 끊임없이 강구되어 왔다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 n측 전극을 소자 상면의 내부영역에 배치하고 그 주위를 둘러싸도록 p측 전극을 배치함으로써, 넓은 유효발광면적을 확보할 수 있는 기하학적인 구조를 취하면서 효과적인 전류분산을 실현할 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은
제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싼 제2 영역으로 구분된 상면을 갖는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 순차적으로 형성된 활성층과 p형 질화물 반도체층으로 이루어진 발광구조물과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p측 전극과, 상기 n형 질화물 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자을 제공한다.
바람직하게는, 상기 n형 질화물 반도체층 상면의 제1 영역은 상기 n형 질화물 반도체층의 거의 중앙영역에 해당할 수 있으며, n측 전극 또한 그 중앙영역에 형성돌 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시형태에서는 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 p측 전극 사이의 접촉저항을 저감시키기 위한 투명전극층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 p측 전극은, 적어도 하나의 접속패드와, 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 p형 질화물 반도체층 상면의 외주부근을 따라 형성된 적어도 하나의 연장부를 포함할 수 있으며, 상기 p측 전극은 상기 n측 전극의 주위를 둘러싸도록 형성하는 것이 바람직하다.
보다 바람직한 실시형태에서, 상기 발광구조물은 4개의 코너와 인접한 코너를 연결하는 4개의 변으로 이루어진 상면을 가지며, 상기 p측 전극은, 상기 4개의 코너 중 적어도 하나의 코너 부근에 형성된 접속패드와 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 4개의 변을 따라 형성된 연장부를 포함할 수 있다.
본 실시형태에서, p측 전극은 다양하게 변형될 수 있다. 즉, 상기 p측 전극은, 상기 접속패드 및/또는 상기 연장부로부터 상기 n측 전극을 향해 연장된 적어도 하나의 p측 전극지를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 p측 전극은, 상기 p측 전극지 중 적어도 하나의 단부에 그 폭방향으로 형성된, 소정의 길이를 갖는 전극바를 더 포함할 수 있다.
이와 유사하게, 본 발명에서 채용되는 n측 전극도 다양한 형태로 구현될 수 있다. 바람직하게, 상기 n측 전극은, 상기 n형 질화물 반도체층 상면의 거의 중앙영역에 형성된 접속패드와, 상기 접속패드로부터 상기 n형 질화물 반도체층의 외주방향으로 연장되어 형성된 적어도 하나의 n측 전극지를 포함한다.
상기 발광구조물이 4개의 코너와 인접한 코너를 연결하는 4개의 변으로 이루어진 상면을 갖는 실시형태에서는, 상기 n측 전극지는 4개이며, 4개의 코너 또는 4개의 외주변중앙을 향해 연장된 형태로 형성될 수 있다. 이러한 n측 전극은 상기 n측 전극지 중 적어도 하나의 단부에 그 폭방향으로 형성된, 소정의 길이를 갖는 전극바를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 발광구조물과, 상기 p형 질화물 반도체층 상면의 일영역에 형성된 적어도 하나의 접속패드와 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 p형 질화물 반도체 상면의 전체 외주를 둘러싸도록 형성된 연장부을 포함하는 p측 전극과, 상기 n형 질화물 반도체층 상면 중 상기 p측 전극으로 둘러싸인 영역에 형성된 적어도 하나의 접속패드을 포함하는 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
상기 실시형태에서, 상기 n측 전극의 접속패드는 상기 p측 전극으로 둘러싸인 영역을 동일한 면적으로 분할한 복수개의 영역 중 거의 중앙부에 각각 배치된 복수개의 접속패드일 수 있다. 이 경우에, 상기 n측 전극은 상기 접속패드로부터 다른 접속패드 및/또는 p측 전극으로 연장된 연장부를 더 포함할 수 있다. 상기 n측 전극의 연장부에 의해 상기 복수개의 n측 접속패드 중 적어도 일부쌍이 서로 연결될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도4a 및 도4b는 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도 및 측단면도이다.
도4a를 참조하면, n측 전극(48)과 p측 전극(49)이 형성된 상면을 갖는 발광소자(40)가 도시되어 있다. 상기 n측 전극(48)은 n형 질화물 반도체층(42)의 일영역 상에 형성된다. 상기 n측 전극(48)이 형성된 영역은 도4b에 도시된 바와 같이 활성층(44)과 p형 질화물 반도체(46)층으로 둘러싸인 n형 질화물 반도체층(42) 상면의 내부영역으로 정의된다. 상기 n측 전극은 바람직하게는 본 실시형태와 같이 n형 질화물 반도체층(42) 상면의 중앙영역에 형성된 접속패드로 구성될 수 있다.
상기 p측 전극(49)은 상기 p형 질화물 반도체층(46) 상면에 형성되며, 일 코너에 형성된 접속패드(49a)와 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 형성된 연장부(49b)로 이루어진다. 특히, 상기 p측 전극(49)의 연장부(49b)는 도4a에 도시된 바와 같이, n측 전극(48)을 완전히 둘러싸도록 형성될 수 있다. 본 실시형태에서는 p측 전극(49)이 p형 질화물 반도체층(46) 상에 직접 접촉하는 것으로 도시되어 있으나, 실제로 많은 응용형태에서는 p측 전극(49)과 p형 질화물 반도체층(46) 사이에 접촉저항을 감소시키기 위한 투명전극층을 추가로 형성할 수 있으며, 이 때에, 상기 p측 전극(49)은 p측 본딩전극이라고도 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(40)는 n형 질화물 반도체층(42)의 상면 중 내부영역에 형성된 n측 전극(48)과 그 주위의 p형 질화물 반도체층(46) 상면에 형성된 p측 전극(49)을 포함한 새로운 전극배열방안을 제공한다.
본 발명자는 도3a에 도시된 형태에 비교하여, n측 전극(48)과 p측 전극(49)을 반대로 배열시킬 경우에, 그 기하학적 특징으로 인해 제거될 활성층영역을 감소시킬 수 있으므로 실제 발광면적을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전류분산효과와 순방향전압특성이 향상되어 실제 발광효율이 증가시킬 수 있다는 것을 알아 냈다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 발광면적의 증가효과는 활성층의 제거를 수반하는 n측 전극의 형성영역을 내부영역에 배치시키고 그 주위에 p측 전극을 배치시킨 새로운 기하학적인 배열구조에 기인한다. 즉, 질화물 반도체 발광소자에서는, n측 전극이 형성될 영역으로부터 p형 질화물 반도체층과 함께 활성층을 선택적으로 제거해야 하는데, 기하학적인 구조 측면에서 n측 전극이 외부에 형성되는 경우보다 내부에 위치하는 것이 보다 적은 면적으로 구현될 수 있으므로, 그 면적을 확보하기 위해 제거될 활성층의 크기를 감소시킬 수 있다. 본 발명의 또 다른 효과인 순방향 전압특성의 향상과 이러한 효과에 의한 전체 발광효율의 증가에 대한 설명은, 도9 내지 도12를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도4a에 도시된 본 실시형태에 따른 발광소자의 구조는 상술된 본 발명의 범위 내에서, 두 전극 사이에서 전류를 보다 균일하게 분산시키기 위해서 다양하게 변형된 전극구조를 채용할 수 있다.
도5a 내지 도5c는 각각 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도 및 다른 방향에 따른 측단면도를 나타낸다. 여기에 도시된 발광소자는 보다 효과적인 전류분산을 실현하기 위해 n측 전극이 변형된 형태이다.
도5a를 참조하면, n측 전극(58)과 p측 전극(59)이 형성된 상면을 갖는 발광소자(50)가 도시되어 있다. 상기 n측 전극(58)은 n형 질화물 반도체층(52)의 중앙영역에 형성된 접속패드(58a)와 그로부터 연장된 4개의 전극지(58b)를 포함하며, 상기 p측 전극(59)은 대향하는 두 코너에 각각 형성된 2개의 접속패드(59a)와 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 형성된 연장부(59b)를 포함한다. 도5b와 도5c에 도시된 바와 같이, 상기 n측 전극(58)은 n형 질화물 반도체층(52)의 중앙영역에 형성되며, 상기 p측 전극(59)은 상기 p형 질화물 반도체층(56)의 외주부근에 형성된다. 본 실시형태의 발광소자는 와이어 본딩 또는 플립칩본딩으로 외부회로와 연결되는 2개의 접속패드(59a)에 모두 연결시킬 수 있으나, 이 중 하나를 선택하여 연결할 수도 있다.
상기 p측 전극(59)의 연장부(59b)는 도5a에 도시된 바와 같이, n측 전극(58)을 완전히 둘러싸도록 형성될 수 있다. 도5a에 도시된 실시형태에서, 상기 n측 전극지(58b)는 각각 상기 n측 접속패드(58a)로부터 상기 p측 전극(59)의 연장부(59b)의 각 변중심을 향해 연장되어 형성된다. 이러한 n측 전극지(58b)는 p측 전극(59)과 n측 전극(58)간의 전류경로를 단축시켜 직렬저항을 감소시키는 동시에, 전체 발광영역에서 보다 균일한 전류분산을 보장하기 위한 수단으로 제공된다.
이와 같이, n측 전극(58)을 n형 질화물 반도체층 상면의 중심부에 배치하고, 그 주위에 p측 전극(59)을 둘러싸도록 배열하고, n측 전극(59)에 발광구조물의 각 변의 중심으로 향하는 전극지를 추가 형성함으로써 전류분산효과를 보다 향상시킬 수 있다. 이러한 전류분산효과의 향상을 위해 n측 전극은 다양한 구조로 변형될 수 있다. 도6a 내지 6c에는 다양한 n측 전극의 구조가 예시되어 있다.
도6a는 도5a에 도시된 형태와 유사하지만, n측 전극지(68b)의 각 단부에 그 폭방향으로 소정의 길이를 갖는 전극바(68c)가 형성된 형태를 예시한다.
도6a와 같이, 본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(60)는 n형 질화물 반도체층(62)에 접속된 n측 전극(68)과 p형 질화물 반도체층(66)에 접속된 p측 전극(69)이 형성된 상면을 갖는다. 상기 p측 전극(69)은 대향하는 두 코너에 각각 형성된 2개의 접속패드(69a)와 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 형성된 연장부(69b)를 포함한다. 상기 n측 전극(68)은 n형 질화물 반도체층(62)의 중앙영역에 형성된 접속패드(68a)와, 그로부터 연장된 4개의 전극지(68b)와, 각 전극지(68b)의 단부에서 폭방향으로 배치된, 소정의 길이를 갖는 전극바(68c)를 포함한다. 상기 n측 전극바(68c)는 전극지(68b)와 유사하게 p측 전극(69)과의 전류경로를 단축하면서, 전체 발광영역에서 균일한 전류분산을 실현하기 위한 수단으로 사용될 수 있다.
도6b는 도5a와 유사하게 4개의 n측 전극지(78b)를 포함하지만 그 연장된 방향이 다른 형태를 예시한다.
도6b에 도시된 질화물 반도체 발광소자(70)는 n형 질화물 반도체층(72)에 접속된 n측 전극(78)과 p형 질화물 반도체층(76)에 접속된 p측 전극(79)이 형성된 상면을 갖는다. 상기 p측 전극(79)은 대향하는 두 코너에 각각 형성된 2개의 접속패드(79a)와 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 형성된 연장부(79b)를 포함한다. 상기 n측 전극(78)은 n형 질화물 반도체층(72)의 중앙영역에 형성된 접속패드(78a)와 그로부터 각 코너부근을 향해 연장된 4개의 전극지(78b)를 포함한다. 상기 p형 질화물 반도체층(76) 상면의 각 코너부근으로 연장된 n측 전극지(78b)는 도5b에 도시된 p측 전극지(59b)와 마찬가지로 전류경로를 단축하면서, 전체 발광영역에서 균일한 전류분산을 실현하기 위한 수단으로서 채용될 수 있다. 본 실시형태와 같이, p형 질화물 반도체층(76)의 각 코너를 향해 연장된 n측 전극지(79b)는 각각 서로 다른 길이로 형성될 수 있다. 보다 균일한 전류분산측면에서, p측 접속패드(79a)가 형성된 코너로 향하는 전극지(78b)는 다른 전극지에 비해 짧은 길이를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
도6c는 도6b에 도시된 형태에서 n측 전극지(88b)의 각 단부에 그 폭방향으로 소정의 길이를 갖는 전극바(88c)가 형성된 형태를 예시한다.
도6c에 도시된 질화물 반도체 발광소자(80)는 n형 질화물 반도체층(82)에 접속된 n측 전극(88)과 p형 질화물 반도체층(86)에 접속된 p측 전극(89)이 형성된 상면을 갖는다. 상기 p측 전극(89)은 대향하는 두 코너에 각각 형성된 2개의 접속패드(89a)와 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 형성된 연장부(89b)를 포함한다. 상기 n측 전극(88)은 n형 질화물 반도체층(82)의 중앙영역에 형성된 접속패드(88a)와, 그로부터 연장된 4개의 전극지(88b)와, 각 전극지(88b)의 단부에서 폭방향으로 배치된, 소정의 길이를 갖는 전극바(88c)를 포함한다.
이와 달리, 본 발명은 n측 전극구조가 아니라 p측 전극구조를 개조할 수 있다. 도7a 및 도7b는 p측 전극구조를 개선한 본 발명의 실시형태를 예시한다.
도7a는 중심에 위치한 n측 전극(98)을 향하는 4개의 p측 전극지(98b)를 포함한 형태를 예시한다.
도7a에 도시된 질화물 반도체 발광소자(90)는 n형 질화물 반도체층(92)에 접속된 n측 전극(98)과 p형 질화물 반도체층(96)에 접속된 p측 전극(99)이 형성된 상면을 갖는다. 상기 n측 전극(98)은 n형 질화물 반도체층(92)의 중앙영역에 형성된 접속패드로만 구성되는 반면에, 상기 p측 전극(99)은 대향하는 두 코너에 각각 형성된 2개의 접속패드(99a)와, 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 형성된 연장부(99b)와, 상기 각 코너부근으로부터 상기 n측 전극(98)을 향해 연장된 4개의 전극지(99c)를 포함한다. 본 실시형태에서, 상기 p측 전극지(99c)는 앞서 설명된 n측 전극지와 유사하게 전류경로를 감소시키고 전체 발광영역에서 전류를 보다 균일하게 분산시키기 위한 수단으로서 사용된다.
도7b는 도7a의 실시형태와 다른 p측 전극지(109c)가 형성된 형태를 예시한다.
도7b에 도시된 질화물 반도체 발광소자(100)는 n형 질화물 반도체층(102)에 접속된 n측 전극(108)과 p형 질화물 반도체층(106)에 접속된 p측 전극(109)이 형성된 상면을 갖는다. 상기 n측 전극(108)은 도7a와 같이 n형 질화물 반도체층(102)의 중앙영역에 형성된 접속패드만으로 구성되어 있으나, 상기 p측 전극(109)은 대향하는 두 코너에 각각 형성된 2개의 접속패드(109a)와 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 형성된 연장부(109b)와, 상기 각 변중심의 연장부로부터 상기 n측 전극(108)을 향해 연장된 4개의 전극지(109c)를 포함한다. 또한, 상기 p측 전극지(109c)는 각 단부에 그 폭방향으로 소정의 길이를 갖는 전극바(109d)를 포함한다. 상기 전극바(109d)는 각 p측 전극지(109c)의 단부에서 n측 전극(108)과의 전류밀도를 향상시킴으로써 전체 발광효율을 추가적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 두 형태, 즉 n측 전극구조와 p측 전극구조를 결합하여 추가적인 실시형태를 제공할 수 있다. 도8a 및 도8b는 p측 전극과 n측 전극이 모두 개선된 실시형태를 예시한다.
도8a에 도시된 질화물 반도체 발광소자(110)에서는, n측 전극(118)은 n형 질화물 반도체층(112)의 중앙영역에 형성된 접속패드(118a)와 상기 접속패드(118a)로부터 각 변중심을 향하도록 배치된 4개의 전극지(118b)와 상기 전극지(118b)의 각 단부에 폭방향으로 배치된 전극바(118c)을 포함한다. 또한, p형 질화물 반도체층(116)에 접속된 p측 전극(119)은, 대향하는 두 코너에 각각 형성된 2개의 접속패드(119a)와, 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 따라 형성된 연장부(119b)와, 상기 각 코너로부터 상기 n측 접속패드(118a)를 향해 연장된 4개의 전극지(119c)를 포함한다.
본 실시형태에 따른 전극구조를 거의 정방형인 발광구조물 상면을 기준으로 하여 설명하면, 상기 p측 전극(119)은 대각선방향으로 배열된 전극지(119c)를 구비하며, n측 전극(118)은 상기 p측 전극지(119c) 사이 영역에 십자방향으로 배열된 전극지(118b)를 포함한다. 또한, n측 전극(118)은 p측 전극(119)과 전류경로를 단축시키기 위해 전극지(118b)의 단부에 그 전극지(118b)의 연장방향과 반대, 즉 그 폭방향으로 형성된 전극바(118c)를 추가적으로 구비한다.
도8b에 도시된 질화물 반도체 발광소자(120)에서는, n측 전극(128)은 n형 질화물 반도체층(122)의 중앙영역에 형성된 접속패드(128a)와 상기 접속패드(128a)로부터 각 코너부근을 향하도록 배치된 4개의 전극지(128b)와 상기 전극지(128b)의 각 단부에 폭방향으로 배치된 전극바(128c)을 포함한다. 또한, p형 질화물 반도체층(126)에 접속된 p측 전극(129)은, 대향하는 두 코너에 각각 형성된 2개의 접속패드(129a)와 그로부터 연장되어 그 상면의 외주부근에 따라 형성된 연장부(129b)와, 상기 각 코너로부터 상기 n측 접속패드(128a)를 향해 연장된 4개의 전극지(129c)를 포함한다.
이러한 전극구조는 거의 정방형인 발광구조물의 상면을 기준으로 보면, 상기 p측 전극(129)은 십자방향으로 배열된 전극지(129c)를 구비하며, n측 전극(128)은 상기 p측 전극지(129c) 사이 영역에 대각선방향으로 배열된 전극지(128b)를 포함한다. 또한, n측 전극(128)은 p측 전극(129)과 전류경로를 단축시키기 위해 전극지(128b)의 단부에 그 전극지(128b)의 연장방향과 반대, 즉 그 폭방향으로 형성된 전극바(128c)를 추가적으로 구비한다.
(실시예)
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 향상된 특성을 확인하기 위해서, 약 1000㎛ ×1000㎛ 사이즈를 갖는 정방형인 사파이어기판 상에 각 층의 조성과 두께가 동일한 3개의 질화물 반도체 발광구조물을 제조하였다.
상기 발광구조물 중 2개는 각각 도2와 도3a에서 설명된 전극구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자로 제조하였다. 이렇게 제조된 종래의 질화물 반도체 발광소자는 각각 도9a 및 도9b에 나타내었다. 상기 발광구조물 중 나머지 하나는 도8a와 동일한 전극구조를 갖도록 형성하였다. 이와 같이 제조된 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 도9c에 나타내었다.
도9c에 도시된 본 발명에 따른 발광소자는 도9b에 도시된 종래의 발광소자와 거의 유사한 전극패턴을 가지고 있으나, 도9b에 도시된 종래의 형태와 반대로 n측 전극이 상면 중심에 형성되며, p측 전극이 상면 외주에 n측 전극을 둘러싸도록 형성된 구조를 갖는다.
도9a 내지 도9c의 발광소자는 p측 및 n측 전극의 접속패드 중 각각 하나의 접속패드를 선택하여 와이어본딩을 통해 소정의 전압을 인가하였으며, 각 발광소자의 전류를 측정하여 순방향전압특성을 확인하고, 이어 각 소자의 휘도특성을 관찰하였다. 이렇게 얻어진 순방향전압특성과 전류-휘도특성에 대한 결과를 각각 도10a 및 도10b의 그래프에 나타내었다. 참고로, 이러한 조명용 고출력 발광소자와 달리 통상의 질화물 반도체 발광소자(350㎛ ×350㎛)에 대한 특성을 s로 함께 예시하였다.
우선, 도10a를 참조하면, 도9a 내지 도9c의 발광소자의 순방향전압특성이 각각 a 내지 c로 나타나 있다. 도9c의 발광소자는 도9a 및 도9b의 발광소자에 비해 우수한 순방향전압특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
특히, 도9b의 발광소자와 도9c의 발광소자는 거의 동일한 크기와 형상의 전극구조가 적용되지만, p측 전극과 n측 전극이 서로 반대로 위치한 구조를 갖는다는 차이만 있다. 도10a의 결과에 따르면, 도9c의 발광소자와 같이 n측 전극이 내부에 위치하고 p측 전극이 외주에 위치시키는 것이 순방향전압특성을 향상시킨다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도10b를 참조하면, 도9a 내지 도9c의 발광소자의 전류에 따른 광출력 변화가 나타나 있다. 도10b와 같이, 도9c의 발광소자가 가장 높은 휘도를 나타내어 가장 우수한 광출력을 갖는 것을 알 수 있다.
도9a 내지 도9c의 질화물 반도체 발광소자의 광출력 차이를 육안으로 비교하기 위해서, 100㎃와 300㎃ 전류에서 작동되는 질화물 반도체 발광소자를 촬영한 사진을 각각 도11 내지 도12에서 볼 수 있다. 도11a 내지 도11c와 도12a 내지 도12c에 나타난 바와 같이, 각각의 인가전류에서 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자인 도11c와 도12c의 발광소자가 가장 우수한 광출력을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
특히, 도9b의 발광소자와 도9c의 발광소자는 도10a에서 확인된 순방향 전압특성의 차이에서 기대할 수 있는 수준보다 큰 광출력특성 차이를 나타내었다. 이러한 광출력특성의 향상은 도9c의 발광소자가 도9b의 발광소자에 비해 발광면적을 확보하기 위한 유리한 기하학적인 구조를 갖기 때문이다.
즉, 도9b와 같이 n측 전극을 외부주위에 배치한 발광소자에서보다 도9c와 같이 n측 전극을 내부에 배치하는 발광소자에서 n측 전극을 형성하는데 요구되는 면적을 감소시킬 수 있으므로, 도9c의 발광소자가 큰 발광면적을 확보하는데 유리하다.
본 발명에 따른 발광소자는 조명용으로 주로 사용되는 고출력 발광소자에 유용하게 적용될 수 있다. 이와 같이 조명용 고출력 발광소자는 소형 발광소자를 여러개 결합하기도 하지만, 1000㎛ ×1000㎛이상의 큰 사이즈를 갖는 발광소자가 주로 사용되며, 이러한 응용형태에 본 발명은 보다 유익하게 채용될 수 있다. 특히, 보다 높은 출력을 보장하기 위해서 발광소자의 크기를 증가시키는 경우에, 균일한 전류분산을 보장하기 위해서, 와이어 등의 수단을 통해 외부의 전원과 연결되는 접속패드를 추가적으로 구비할 수 있다. 예를 들어, 도6 내지 도8에 걸쳐 도시된 바와같이, p측 전극은 대향하는 코너에 마련된 2개의 접속패드를 구비할 수 있으며, 이와 달리, 각 코너에 4개의 접속패드를 구비할 수 있다. 복수개의 접속패드가 마련된 위치에는 코너부근에 한정되지 않지만, 동일한 간격을 배치하는 것이 바람직할 것이다.
이와 유사하게, n측 전극구조도 보다 넓은 면적에서 균일한 전류분산을 보장하기 위해서 복수개의 접속패드로 구성될 수 있다.
도13a 내지 도13b는 각각 복수개의 접속패드로 이루어진 n측 전극구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도이다.
도13a에 도시된 질화물 반도체 발광소자(130)에서, p측 전극(139)은 일 코너에 형성된 접속패드(139a)와 p형 질화물 반도체층(136)의 외주변을 둘러싼 연장부(139b)로 이루어지며, n측 전극은 n형 질화물 반도체층(132)에 접속된 4개의 n측 접속패드(138a)를 이루어진다. 각 n측 접속패드(138a)는 넓은 면적에 균일한 전류분산이 보장될 수 있도록 전체 면적의 1/4영역에 해당하는 영역의 중심에 각각 형성된다.
도13b에 도시된 질화물 반도체 발광소자(140)에서, n측 전극은 도13a와 유사하게 n형 질화물 반도체층(142)에 접속된 4개의 n측 접속패드(148a)로 이루어지지만, p측 전극(149)은 일 코너에 형성된 접속패드(149a)와 p형 질화물 반도체층(146)의 외주변을 둘러싼 연장부(149b)외에도, 상기 연장부의 각 변중앙영역에서 n측 접속패드 사이의 영역으로 연장된 4개의 전극지(149c)를 추가적으로 포함할 수 있다.
도13c에 도시된 질화물 반도체 발광소자(150)에서, p측 전극(159)은 도13b와 같이, 일 코너에 형성된 접속패드(159a)와 p형 질화물 반도체층(156)의 외주변을 둘러싼 연장부(159b)와, 상기 연장부(159b)의 각 변중앙영역에서 n측 접속패드(158) 사이의 영역으로 연장된 4개의 전극지(159c)으로 이루어진다. 또한, n측 전극(158)은 4개의 n측 접속패드(158a)와 상기 n측 접속패드를 p측 전극과 접속되지 않도록 십자형으로 교차 연장부(158b)를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 발광소자는 대형 발광소자에서도 충분히 균일한 전류분산의 효과를 얻기 위해서, 각 전극의 접속패드의 수를 적절하게 증가시킬 수 있는 형태로 개조되거나 변형될 수 있다. 이러한 접속패드의 수를 증가시킨 변형형태뿐만 아니라, 다른 실시형태도, n측 전극이 발광구조물 상면의 내부에 배치되어 p형 질화물 반도체층에 둘러싸며 p측 전극이 발광구조물의 p형 질화물 반도체층 상면 외주부근에 형성되어 n측 전극을 둘러싼 형태로 제공되는 본 발명에 따른 구조를 유지하면서 다양하게 변형될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 n측 전극의 형성영역을 내부영역에 배치시키고 그 주위에 p측 전극을 배치시킨 새로운 전극 배열구조를 통해서 n측 전극형성에 따른 활성영역의 감소를 최소화하고, 순방향 전압특성을 개선함으로써 전체 발광효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도1a 및 도1b는 각각 종래의 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도 및 측단면도이다.
도2는 종래의 일 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도이다.
도3a 및 도3b는 종래의 다른 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도 및 측단면도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도 및 측단면도이다.
도5a 내지 도5c는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도 및 측단면도이다.
도6a 내지 도6c는 각각 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에서 n측 전극구조의 다양한 예를 나타내는 평면도이다.
도7a 및 도7b는 각각 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에서 p측 전극구조의 다양한 예를 나타내는 평면도이다.
도8a 및 도8b는 각각 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에서 p측 및 n측 전극구조가 모두 개선된 다양한 예를 나타내는 평면도이다.
도9a 내지 도9c는 각각 종래의 질화물 반도체 발광소자와 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 사진이다.
도10a 및 도10b는 각각 도9a 내지 도9c의 질화물 반도체 발광소자의 순방향전압특성과 전류-휘도특성을 나타내는 그래프이다.
도11a 내지 도11c는 각각 100㎃ 전류에서 도9a 내지 도9c의 질화물 반도체 발광소자의 휘도를 나타내는 사진이다.
도12a 내지 도12c는 각각 300㎃ 전류에서 도9a 내지 도9c의 질화물 반도체 발광소자의 휘도를 나타내는 사진이다.
도13a 내지 도13c는 각각 복수개의 접속패드로 이루어진 n측 전극구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
40: 질화물 반도체 발광소자 42: n형 질화물 반도체층
44: 활성층 46: p형 질화물 반도체층
48: n측 전극 49a: p측 접속패드
49b: p측 전극 연장부 49: p측 전극

Claims (23)

  1. 제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싼 제2 영역으로 구분된 상면을 갖는 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 순차적으로 형성된 활성층과 p형 질화물 반도체층으로 이루어진 발광구조물;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p측 전극; 및,
    상기 n형 질화물 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층 상면의 제1 영역은 상기 n형 질화물 반도체층의 거의 중앙영역에 해당하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층과 상기 p측 전극 사이의 접촉저항을 저감시키기 위한 투명전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 p측 전극은, 적어도 하나의 접속패드와, 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 p형 질화물 반도체층 상면의 외주부근을 따라 형성된 적어도 하나의 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 p측 전극은 상기 n측 전극의 주위를 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발광구조물은 4개의 코너와 인접한 코너를 연결하는 4개의 변으로 이루어진 상면을 가지며,
    상기 p측 전극은, 상기 4개의 코너 중 적어도 하나의 코너 부근에 형성된 접속패드와 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 4개의 변을 따라 형성된 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 p측 전극은, 상기 접속패드 및/또는 상기 연장부로부터 상기 n측 전극을 향해 연장된 적어도 하나의 p측 전극지를 더 포함한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 p측 전극지는 4개이며, 각각 상기 4개의 변중심에 해당하는 영역으로부터 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 p측 전극지는 4개이며, 각각 상기 4개의 코너로부터 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 p측 전극은, 상기 p측 전극지 중 적어도 하나의 단부에 그 폭방향으로 형성된, 소정의 길이를 갖는 전극바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 n측 전극은, 상기 n형 질화물 반도체층 상면의 거의 중앙영역에 형성된 접속패드와, 상기 접속패드로부터 상기 n형 질화물 반도체층의 외주방향으로 연장되어 형성된 적어도 하나의 n측 전극지를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 p측 전극은, 적어도 하나의 접속패드와, 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 p형 질화물 반도체층 상면의 외주부근을 따라 형성된 적어도 하나의 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 p측 전극은 상기 n측 전극의 주위를 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 p측 전극은, 상기 접속패드 및/또는 상기 연장부로부터 상기 n측 전극을 향해 연장된 적어도 하나의 p측 전극지를 더 포함한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 발광구조물은 4개의 코너와 인접한 코너를 연결하는 4개의 변으로 이루어진 상면을 가지며,
    상기 적어도 하나의 n측 전극지는 4개이며, 4개의 코너를 향해 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 p측 전극은 적어도 하나의 접속패드와, 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 n측 전극을 둘러싸도록 상기 p형 질화물 반도체층 상면의 외주부근을 따라 형성된 적어도 하나의 연장부와, 4개의 변중심에 해당하는 전극영역으로부터 상기 n측 접속패드를 향해 연장되어 형성된 4개의 p측 전극지를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 발광구조물은 4개의 코너와 인접한 코너를 연결하는 4개의 변으로 이루어진 상면을 가지며,
    상기 적어도 하나의 n측 전극지는 4개이며, 4개의 변중심영역을 향해 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 p측 전극은 적어도 하나의 접속패드와, 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 n측 전극을 둘러싸도록 상기 p형 질화물 반도체층 상면의 외주부근을 따라 형성된 적어도 하나의 연장부와, 4개의 코너에 해당하는 전극영역으로부터 상기 n측 접속패드를 향해 연장되어 형성된 4개의 p측 전극지를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 n측 전극은 상기 n측 전극지 중 적어도 하나의 단부에 그 폭방향으로 형성된, 소정의 길이를 갖는 전극바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  20. n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 발광구조물;
    상기 p형 질화물 반도체층 상면의 일영역에 형성된 적어도 하나의 접속패드와 상기 접속패드로부터 연장되어 상기 p형 질화물 반도체 상면의 전체 외주를 둘러싸도록 형성된 연장부을 포함하는 p측 전극; 및,
    상기 n형 질화물 반도체층 상면 중 상기 p측 전극으로 둘러싸인 영역에 형성된 적어도 하나의 접속패드를 포함하는 n측 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 n측 전극의 접속패드는 상기 p측 전극으로 둘러싸인 영역을 동일한 면적으로 분할한 복수개의 영역 중 거의 중앙부에 각각 배치된 복수개의 접속패드인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 n측 전극은 상기 복수개의 접속패드로부터 다른 접속패드 및/또는 p측 전극으로 연장된 연장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 n측 전극의 연장부는 상기 복수개의 n측 접속패드 중 적어도 일부를 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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