KR20050096582A - 질화물계 반도체소자의 피형 전극 - Google Patents

질화물계 반도체소자의 피형 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로 특히, p형 전극의 구조를 개선하여 접촉저항을 감소시키고, 광적출을 향상시킬 수 있는 질화물계 반도체 발광소자의 피형 전극에 관한 것이다. 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자의 p형 전극은 기판 상에 n형 접촉층, 활성층 및 p형 접촉층이 순차적으로 형성되고 상기 n형 접촉층 및 상기 p형 접촉층의 소정 부분 상에 n형 전극 및 p형 전극이 형성되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 p형 전극은 접촉 전극/확산방지막/반사층이 순차적으로 적층된 두 개 이상인 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자는 p형 접촉층 상의 일부에 접촉 전극/확산방지막/반사층을 적층하여 일정 두께를 갖는 다수 개의 전극으로 접촉저항을 낮추어 소자의 구동 전압이 낮아져 고출력 소자 제작을 용이하게 하며, 외부양자효율을 증가시켜 고효율 소자를 제작할 수 있는 이점이 있다.

Description

질화물계 반도체소자의 피형 전극{p-type Ohmic contact in GaN-based LED}
본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로 특히, p형 전극의 구조를 개선하여 접촉저항을 감소시키고, 광적출을 향상시킬 수 있는 질화물계 반도체 발광소자의 피형 전극에 관한 것이다.
대표적인 질화물계 반도체인 질화갈륨(GaN)은 에너지 밴드갭이 3.4 eV로 매우 크고, 높은 전자이동도를 가지고 있기 때문에 고출력 소자에 사용할 수 있다는 장점 및 광대역 밴드갭을 가지고 있으므로 밴드갭 조절에 의해 가시영역 및 자외 영역의 발광소자를 제작할 수 있다는 커다란 장점을 가지고 있다.
그리고, 통상적으로 가시영역 발광다이오드 재료로 사용하는 GaP는 간접천이형 밴드갭을 가지고 있어 내부양자효율이 낮은 반면 GaN의 경우 직접천이형 밴드갭을 가지고 있으므로 상대적으로 높은 내부양자효율을 얻을 수 있다.
그러므로 청색 발광다이오드(Light Emitting Diode ; LED), 단파장 레이저 다이오드, 자외선 검출기(Ultra violet Detector) 등과 같은 광소자에 응용 될 뿐만 아니라 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor ; HEMT), 이종접합트랜지스터(Hetero-junction Bipolar Transistor ; HBT) 등과 같은 고온 고출력 소자에도 많이 사용되고 있다.
질화갈륨 발광다이오드의 발광원리는 외부에서 인가되는 전계가 n형 질화갈륨에 유입되면 전자가 AlGaN/InGaN양자우물 쪽으로 이동하고 역시 p형 질화갈륨에서는 정공이 이동하여 양자우물에서 재결합 후 InGaN 밴드갭에 해당하는 빛을 발광하여 p형 질화갈륨을 통하여 발광다이오드 상단으로 발광하거나 측면 및 하부 기판을 통해 외부로 발광하게 된다.
일반적인 질화물계 반도체 발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(11)의 일면 상에 n형 접촉층(13), 활성층(15) 및 p형 접촉층(17)이 순차적으로 적층되고, 상기 p형 접촉층(17) 및 활성층(15)의 소정 부분이 제거되어, 그 제거로 노출된 n형 접촉층(13) 상의 각각 소정 부분에 n형 전극(21)이 형성되고, 상기 p형 접촉층(17) 상의 전면을 덮는 투명전극(19)과 상기 투명전극(19) 상의 소정 부분에 p형 전극(23)이 형성된 구조를 갖는다.
이렇게 형성된 소자의 평면도가 도 2로 n형 및 p형 전극(21)(23)은 패키지 조립시 진행되는 전도성 와이어 조립 및 전류 확산 효과 등의 이유로 발광다이오드의 양 끝단에 위치하고, 질화물 청색 발광다이오드는 통상적으로 부도체인 사파이어를 기판으로 하여 성장되므로 발광다이오드 상단에 n형 및 p형 전극(21)(23)이 모두 형성되는 두 상부 전극구조를 갖게된다.
또한, p형 질화갈륨은 낮은 p형 운반자 농도와 같은 이유로 말미암아 높은 저항을 갖게된다. 따라서, 통상적인 발광다이오드 제작시 p형 질화갈륨 전면에 낮은 접촉저항을 갖고 일정 광 투과성을 갖는 투명 전극을 형성할 수밖에 없는 실정이다.
이와 같은 p형 전극물질은 높은 투광성을 갖도록 높은 일함수를 갖는 Ni, Pt, Pd, Au, Ru, W, Co, Re 및 Rh 등의 물질을 수십에서 수백 Å의 낮은 두께로 형성하여 얻는다. 하지만 이렇게 전면에 형성된 p형 전극은 현재까지 보고된 바에 의하면 10-3 Ω㎠ 정도의 접촉저항 및 청색 파장에서 약 80 % 정도의 광 투과성을 나타낼 수 밖에 없다.
접촉저항을 높이기 위하여 p형 금속 전극의 두께를 증가시킬 경우는 반대로 양자우물에서 발생된 광자가 두꺼운 p형 전극을 통해 외부로 빠져나오지 못하게되므로 광 투과율이 현저히 저하되는 결과를 초래하게된다.
이와 같은 문제로 두꺼운 p형 전극 및 광 반사층을 갖고 역전된 형태로 조립하는 플립칩 형태의 칩이 구상되어 많은 연구가 진행되고 있다. 역전된 발광소자, 즉, 플립칩의 경우에는 두꺼운 p형 전극으로 말미암아 낮은 접촉저항을 나타내고 양자우물에서 발생된 광자가 p형 전극에 반사되어 통상적으로 사용되는 사파이어 및 탄화규소 기판을 통해 외부로 빠져나오게 된다.
그러나 이와 같은 좋은 장점이 있음에도 불구하고 플립칩 제작 및 조립 시 낮은 수율 문제와 제조원가의 상승으로 소자 제작 시 제약이 따르게된다. 때문에 플립칩 형태의 발광다이오드는 한정된 소자에만 부분적으로 생산이 진행되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 질화물계 반도체소자의 p형 전극 형성시 접촉 저항을 감소시키고, 광 적출을 향상시킬 수 있는 질화물계 반도체소자의 p형 전극을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자의 p형 전극은 기판 상에 n형 접촉층, 활성층 및 p형 접촉층이 순차적으로 형성되고 상기 n형 접촉층 및 상기 p형 접촉층의 소정 부분 상에 n형 전극 및 p형 전극이 형성되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 상기 p형 전극은 접촉 전극/확산 방지막/반사층이 순차적으로 적층된 두 개 이상인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자를 개략적으로 도시하는 단면도 및 평면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 질화물계 반도체소자의 광자 적출 개념도이다.
본 발명은 접촉저항을 저하시키고 높은 광 투과율을 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 p형 질화갈륨 표면에 전극층, 전극 확산 방지막층, 반사막층 및 전류 확산층이 순차적으로 적층된 p형 전극이 두 개 이상인 구조를 갖는다.
이와 같은 구조를 형성하기 위해 사파이어(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC), 셀레늄아연(ZnSe), 또는 질화붕소(BN) 등을 이용한 기판(31) 상에 n형 접촉층(33), 활성층(35) 그리고 p형 접촉층(37)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 p형 접촉층(37) 및 활성층(35)의 소정 부분이 제거되어, 그 제거로 노출된 n형 접촉층(35)에 n형 전극(45)을 형성한다.
그리고, 상기 p형 접촉층(37) 상에 Ni/Au 또는 Ru/Ni 등을 이용하여 접촉전극(39)을 형성하고, 상기 접촉 전극(39) 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 확산 방지막(40)과, 상기 확산 방지막(40) 상에 Al 또는 Ag 등의 반사층(41)을 적층하여 다층 전극(42)을 형성한다. 상기 다층 전극(42)은 p형 접촉층(37) 상의 전면에 형성되지 않고 서로 분리되어 부분적으로만 형성된다. 그런 다음에, 상기 다층의 전극(42)을 덮는 전극(43)과 상기 전극(43)의 소정 부분 상에 p형 전극(47)을 형성한다. 통상적으로 ITO 및 IZO의 경우 가시영역에서 약 90 % 이상의 광투과율을 나타내는 것으로 알려져 있고, 전도성 향상을 위해 상기 ITO 또는 IZO에 소량의 불순물을 첨가 할 수도 있다.
상기 다층의 전극(42)을 부분적으로 형성하기 위해서는 p형 접촉층(37) 전면에 접촉 전극(39)/확산방지막(40)/반사층(41)을 순차적으로 적층한 후, 상기 다층의 전극(42)을 패터닝한다.
도 4는 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 질화갈륨계 발광다이오드의 평면도로서, 일정 두께를 갖는 p형 전극(47) 및 다층 전극(42)의 광 반사층(41)은 발광다이오드의 소자 내부에서 발생된 광자의 외부적출을 방해하는 요소이므로 p형 질화갈륨 표면의 소정 영역에만 위치하게된다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드의 광자 적출개념도로서, 외부에서 인가되는 전계가 n형 질화갈륨에 유입되면 전자가 AlGaN/InGaN로 구성된 양자우물 쪽으로 이동하고 역시 p형 질화갈륨에서는 정공이 이동하여 양자우물에서 재결합한 후 InGaN 밴드갭에 해당하는 광자가 형성된다. 광자는 p형 전극이 형성되어 있지 않은 부분에서는 90 % 이상 높은 투과율을 갖는 전류 확산층을 통해 외부로 빠져나올 수 있다. 그리고, p형 전극과 만나는 광자들은 높은 반사율을 갖는 전극에 반사되고 다시 GaN와 사파이어 기판 사이의 굴절률 차이에 의해 계면에서 일부 반사되는 광자들은 재반사를 일으켜 외부로 빠져나오거나 사파이어로 투과된 광자 역시 측면을 통해 발광 다이오드 외부로 빠져나오거나 전면은 전류 확산층을 통해 빠져나오게 되므로 외부 양자효율이 종래 발광다이오드에 비해 약 20 % 이상 증가 된다.
따라서, 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자는 접촉 전극/확산방지막/반사층을 적층하여 일정 두께를 갖는 다수 개의 p형 전극으로 접촉저항을 낮추어 소자의 구동 전압이 낮아져 고출력 소자 제작을 용이하게 하며, 외부양자효율을 증가시켜 고효율 소자를 제작할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.
도 2는 일반적인 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 평면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 평면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 광자적출 개념도.
<도면의 주요 기호에 대한 상세한 설명>
31 : 기판 33 : n형 접촉층
35 : 활성층 37 : p형 접촉층
39 : 접촉전극층 40 : 확산방지층
41 : 반사층 45 : n형 전극

Claims (5)

  1. 기판 상에 n형 접촉층, 활성층 및 p형 접촉층이 순차적으로 형성되고 상기 n형 접촉층 및 상기 p형 접촉층의 소정 부분 상에 n형 전극 및 p형 전극이 형성되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 p형 전극은 접촉 전극/확산방지막/반사층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체소자의 피형 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 p형 전극은 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체소자의 피형 전극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉전극은 Ni/Au 또는 Ru/Ni 등인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체소자의 피형 전극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산 방지막은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체소자의 피형 전극.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사층은 Al 또는 Ag 등인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체소자의 피형 전극.
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