KR20050115078A - 플립칩용 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우수한 전기적 특성과 우수한 휘도를 갖는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 본 발명은, 상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 질화물 단결정 성장을 위한 투광성 기판; 상기 투광성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬(mesh)구조로 이루어진 메쉬형 유전체층; 상기 메쉬형 유전체층 및 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 오픈영역 상에 형성된 고반사성 오믹콘택층; 및 상기 고반사성 오믹콘택층 및 상기 n형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 p측 본딩전극 및 n측 전극을 포함하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 본 발명에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자는, 보다 낮은 순방향 전압과 높은 발광효율을 가질 뿐만 아니라, 열화현상을 효과적으로 방지함으로써 신뢰성이 크게 향상되며, 보다 높은 휘도특성을 갖는다.

Description

플립칩용 질화물 반도체 발광소자{FLIP CHIP TYPE NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 전기적 특성과 우수한 휘도를 갖는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
근래에 GaN를 비롯한 질화물을 이용한 질화물 반도체는 그 우수한 물리, 화학적 특성에 기인하여 현재 광전재료 및 전자소자의 핵심 소재로 각광 받고 있다. 특히, 질화물 반도체 발광소자는 녹색, 청색 및 자외 영역까지의 빛을 생성할 수 있으며, 기술 발전으로 인해 그 휘도가 비약적으로 향상됨에 따라 총천연색 전광판, 조명장치 등의 분야에도 적용되고 있다.
이와 같은 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광소자로서, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체물질로 제조되고 있다. 질화물 반도체 결정은 격자정합을 고려하여 사파이어기판과 같은 질화물 단결정성장용 기판에서 성장된다. 상기 사파이어 기판은 전기적 절연성 기판이므로, 최종 질화물 반도체 발광소자는 p측 전극과 n측 전극이 동일면 상에 형성된 구조를 갖는다.
이러한 구조적인 특징으로 인해, 질화물 반도체 발광소자는 플립칩 구조에 적합한 형태로 적극적으로 개발되고 있다. 종래의 질화물 반도체 발광소자가 탑재된 플립칩 발광장치가 도 1에 예시되어 있다.
도 1에 도시된 플립칩 발광장치(20)는 지지체용 기판(21) 상에 탑재된 질화물 반도체 발광소자(10)를 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11)과 그 위에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(14)을 포함한다. 또한, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 지지체용 기판(21) 상에 각 전극(19a,19b)을 도전성 범프(24a,24b)를 통해 각 리드패턴(22a,22b)상에 융착시킴으로써 탑재될 수 있다. 이러한 플립칩구조(20)에서 상기 발광소자(10)의 사파이어 기판(11)은 투광성이므로 광 방출면으로 활용될 수 있다.
도 1과 같이, 플립칩형 질화물 반도체 발광소자의 전극, 특히 p측 전극은 p형 질화물 반도체층(14)과의 오믹 콘택을 형성하면서도, 상기 활성층(13)으로부터 발광된 광을 광방출면을 향해 반사시킬 수 있는 높은 반사율을 가질 것이 요구된다. 따라서, 도1에 예시된 바와 같이, p측 전극구조는 p형 질화물 반도체층(14) 상에 형성된 높은 반사율을 갖는 오믹콘택층(15)과 상기 오믹콘택층(15) 성분의 확산을 방지하기 위한 금속 배리어층(16)을 포함할 수 있다.
하지만, 도 1에 도시된 질화물 반도체 발광소자(10)는 플래너 전극구조에 가지며, 특히 p형 질화물 반도체층(14)에 비해 p측 오믹콘택층(15)이 낮은 비저항을 가지므로, 화살표로 표시된 바와 같이 전류의 상당부분이 오믹콘택층(15)을 따라 n측 전극의 인접한 부분(A)에 집중되는 전류크라우딩(current crowding)이 발생된다.
이러한 전류크라우딩은 순방향 전압을 증가시킬 뿐만 아니라, 상대적으로 n측 전극과 이격된 활성층부분의 발광효율을 저감시켜 휘도특성을 감소시킨다. 또한, 전류가 집중되는 부분(A)에서 발열량이 커져 소자의 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전류크라우딩현상이 완화되도록 p측 전극구조를 개선함으로써 보다 낮은 순방향 전압과 높은 발광효율을 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,
질화물 단결정 성장을 위한 투광성 기판;
상기 투광성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;
상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬(mesh)구조로 이루어진 메쉬형 유전체층;
상기 메쉬형 유전체층 및 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 오픈영역 상에 형성된 고반사성 오믹콘택층; 및
상기 고반사성 오믹콘택층 및 상기 n형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 p측 본딩전극 및 n측 전극을 포함하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
바람직하게, 상기 메쉬형 유전체층의 오픈영역 면적의 합은 상기 p형 질화물 반도체층 상면 면적의 30% 이상일 수 있으며, 상기 메쉬형 유전체층의 굴절율은 상기 p형 질화물 반도체층의 굴절율보다 낮아야 한다. 본 발명에서 채용 가능한 상기 메쉬형 유전체층은 Si, Zr, Ta, Ti, In, Sn, Mg 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 포함한 산화물 또는 질화물로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 상기 메쉬형 유전체층과 상기 p형 질화물 반도체층과의 계면에서 생성된 빛의 일부가 반사되고, 상기 메쉬형 유전체층을 통과한 빛은 상기 메쉬형 유전체층과 고반사성 오믹콘택층의 계면에서 반사되는 특징을 갖는다. 이 때, 상기 메쉬형 유전체층의 두께를 조절함으로써, 상기 메쉬형 유전체층과 상기 p형 질화물 반도체층의 계면에서 반사되는 반사광과 상기 메쉬형 유전체층과 고반사성 오믹콘택층의 계면에서 반사되는 반사광이 서로 보강간섭을 일으켜 보다 고휘도의 빛을 방출할 수 있게된다. 이와 같이, 두 개의 반사광이 서로 보강간섭을 일으키기 위해서 상기 메쉬형 유전체층의 두께는 하기 식 1과 같이 계산될 수 있다.
[식 1]
(d : 메쉬형 유전체층의 두께, λ: 빛의 파장, n : 메쉬형 유전체층의 굴절율)
또한, 상기 고반사성 오믹콘택층의 반사율은 70% 이상인 것이 바람직하다. 본 발명에서 채용 가능한 상기 고반사성 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성되어 Ag 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게 상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시형태는 상기 고반사성 오믹콘택층을 둘러싸는 금속 배리어층을 더 포함하며, 상기 금속 배리어층은 Ni, Al, Cu, Cr, Ti 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 "플립칩용 질화물 반도체 발광소자"라는 용어는, 플립칩 구조의 발광장치에 채용되는 발광소자를 의미하며, p측 본딩전극 및 n측 전극이 형성된 면이 상기 발광장치의 기판에 접합되는 탑재면이 되는 발광소자를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도 및 상부 평면도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(30)는, 질화물 단결정 성장을 위한 투광성 기판(31)과, 상기 투광성 기판(31) 상에 형성된 n형 질화물 반도체층(32)과, 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상에 형성된 활성층(33)과, 상기 활성층(33) 상에 형성된 p형 질화물 반도체층(34)과, 상기 p형 질화물 반도체층(34) 상에 형성되며 상기 p형 질화물 반도체층(34)이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진 메쉬형 유전체층(35)과, 상기 메쉬형 유전체층(35) 및 상기 p형 질화물 반도체층(34)이 노출된 오픈영역 상에 형성된 고반사성 오믹콘택층(36) 및 상기 고반사성 오믹콘택층(36) 및 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상에 각각 형성된 p측 본딩전극(39b) 및 n측 전극(39a)을 포함하여 구성된다. 상기 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(30)의 각 구성요소에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 투광성 기판(31)은, 그 위에 성장되는 질화물 반도체 물질의 결정과 결정구조가 동일하면서 격자정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문에 격자정합을 고려하여 사파이어 기판이 주로 사용된다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 격자간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 특징이 있다. 이러한 사파이어 기판의 C면의 경우 비교적 GaN 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 청색 또는 녹색 발광소자용 기판으로 사파이어 기판이 주로 사용된다.
상기 n형 질화물 반도체층(32)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, GaInN가 있다. 상기 n형 질화물 반도체층(32)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있다. 상기 n형 질화물 반도체층(32)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE) 또는 하이브리드 기상증착법(Hybride Vapor Phase Epitaxy : HVPE)과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 투광성 기판(31) 상에 성장시킴으로써 형성된다.
일반적으로, 상기 투광성 기판(31)과 n형 질화물 반도체층(32) 사이에는 격자부정합을 완화하기 위한 버퍼층이 형성될 수 있다. 이 버퍼층으로는 통상 수 십 ㎚의 두께를 갖는 GaN 또는 AlN 등의 저온핵성장층이 사용된다.
상기 활성층(33)은 빛을 발광하기 위한 층으로서, 단일 또는 다중 양자우물구조를 갖는 GaN 또는 InGaN 등의 질화물 반도체층으로 구성된다. 상기 활성층(33)은 상기 n형 질화물 반도체층(32)과 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상에 형성될 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층(34)은 상기 n형 질화물 반도체층(32)과 마찬가지로, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 p 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, GaInN가 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(34)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(34)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 활성층(33) 상에 성장시킴으로써 형성된다.
상기 메쉬형 유전체층(35)은 상기 p형 질화물 반도체층(34)이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진다. 상기 메쉬형 유전체층(35)은 상기 p형 질화물 반도체층의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 물질로 이루어지며, 그 재료로는 Si, Zr, Ta, Ti, In, Sn, Mg 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 포함한 산화물 또는 질화물로 이루어질 수 있다.
활성층(33)에서 생성된 빛은 메쉬형 유전체층(35)-p형 질화물 반도체층(34) 계면(설명의 편의를 위해 이하 제1 계면이라 함)에서 일부 반사되고, p형 질화물 반도체층(34)-고반사성 오믹콘택층(35)의 계면(이하, 제2 계면이라함)에서 대부분 반사된다. 이는 도 3을 참조하면 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 도 3은 도 2a에서 'B'로 표시된 부분의 확대도로서, 도 3을 참조하면, 활성층에서 생성된 빛은 약 1.5의 굴절율을 갖는 상기 메쉬형 유전체층(35)과 약 2.4의 굴절율을 갖는 p형 질화물 반도체층(34)의 계면인 제1 계면에서 투광성 기판 쪽으로 일부 반사된다(l1). 또한, 메쉬형 유전체층(35)을 통과한 빛은 메쉬형 유전체층(35) 상에 형성되는 고반사성 오믹콘택층(36)과 메쉬형 유전체층(35)의 계면인 제2 계면에서 반사된다(l2).
특히, 상기 제1 계면에서 반사되는 빛(l1)과 제2 계면에서 반사되어 다시 p형 질화물 반도체층(34)으로 방출되는 빛(l2)이 동일한 위상을 갖도록 상기 메쉬형 유전체층(35)의 두께를 결정하면, 두 빛(l1, l2)이 서로 보강간섭을 일으켜 빛의 휘도를 더욱 증가시킬 수 있다. 보강간섭이 발생할 수 있는 메쉬형 유전체층(35)의 두께는 하기 식 1을 통해 계산될 수 있다.
[식 1]
(d : 메쉬형 유전체층의 두께, λ: 빛의 파장, n : 메쉬형 유전체층의 굴절율)
다시 도 2a를 참조하면, 상기 고반사성 오믹콘택층(36)은 상기 메쉬형 유전체층 및 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 오픈영역 상에 형성된다.
상기 고반사성 오믹콘택층(36)은 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 p형 질화물 반도체층(34)과의 접촉저항을 낮추는데 적절하면서 동시에 플립칩용 질화물 반도체 발광소자의 구조적 측면을 고려하여 높은 반사율을 갖는 물질로 형성될 것이 요구된다. 이러한 접촉저항 개선과 고반사율의 조건을 만족하기 위해서, 상기 고반사성 오믹콘택층(36)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있으며, 70% 이상의 반사율을 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 상기 고반사성 오믹콘택층(36)은 Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성되어 Ag 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층을 포함하는 이층구조로 형성될 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 고반사성 오믹콘택층(36)은 Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층을 포함하는 삼층구조로 형성될 수 있다. 상기 고반사성 오믹콘택층(36)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD) 및 전자빔 증발법(E-beam evaporator)과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 공정에 의해 형성될 수 있으며, 오믹콘택의 특성을 향상시키기 위해서 약 400 내지 900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.
상기 메쉬형 유전체층(35)은 메쉬구조를 가지므로, 고반사성 오믹콘택층(36)은 상기 오픈영역에서 상기 p형 질화물 반도체층(34)의 상면에 접촉하게 된다. 따라서, 상기 고반사성 오믹콘택층(36)과 p형 질화물 반도체층(34)이 서로 접한 계면(이하, 제3 계면이라 함)은 실질적으로 메쉬형태를 갖게 된다. 상기 고반사성 오믹콘택층(36)은 실질적으로 메쉬구조를 가지므로, p측 본딩전극(39b)에서 고반사성 오믹콘택층(36)을 따라 n측 전극(39a)을 향하는 전류경로는 상대적으로 길어진다. 따라서, 발광소자가 동작 시에, n측 전극(39a)에 인접한 부분에 전류가 집중되는 경향이 완화되며, 동시에 전류가 p형 질화물 반도체층(34)으로 진행되는 경향이 증가되어 전류크라우딩 문제를 완화시킬 수 있다.
도 2a와 함께 도 2b를 참조하면, 본 발명에 채용된 메쉬구조를 갖는 고반사성 오믹콘택층(35)에 의해 전류크라우딩 현상이 완화되는 원리를 보다 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 도 2b와 같이 메쉬구조특성으로 인해, p형 질화물 반도체층(34)보다 낮은 비저항을 갖는 고반사성 오믹콘택층(35)을 따라 진행되는 전류는 n측 전극(39a)까지 도달하기 위해서 긴 경로(예를 들면, 도 2b의 화살표)를 갖게 된다. 따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이, p형 질화물 반도체층(34)으로 직접 향하는 전류의 비중이 상대적으로 증가할 수 있다. 이로 인해, 전류크라우딩 문제가 완화되는 동시에, 전체 활성층(33)에서 보다 균일한 발광을 기대할 수 있으므로, 소자의 신뢰성을 향상시키는 것은 물론 발광효율도 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 메쉬구조를 채용하면서도 제1 계면, 제2 계면 및 제3 계면에서 빛을 투광성 기판 측으로 반사할 수 있으므로, 플립칩 구조에서 보다 높은 휘도 특성을 확보할 수 있다.
본 발명의 고반사성 오믹콘택층(36)은 실질적으로 메쉬구조로 형성된 것만으로도 충분히 전류크라우딩 문제를 완화시킬 수 있으나, 전류주입효율을 향상시키고 p형 질화물 반도체층과의 오믹콘택을 형성하기 위해서, 제3 계면의 면적의 합이 상기 p형 질화물 반도체층(34) 상면의 전체 면적에 대해 30% 이상 되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 메쉬형 유전체층(34)은, 상기 p형 질화물 반도체층(34)의 상면이 노출되는 오픈영역의 면적이 p형 질화물 반도체층(34) 상면 전체 면적의 30%이 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 n측 전극(39a)은 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상에 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 상기 n측 전극(39a)은 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성될 수 있다.
상기 p측 본딩전극(39b)은 상기 고반사성 오믹콘택층(36) 상에 형성된다. 상기 p측 본딩전극(39b)은 플립칩 구조에서 도전성 범프를 통해 리드 상에 탑재될 최외곽 전극층으로서, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금을 재료로 하여 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도 4a와 같이, 본 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(40)는 사파이어 기판과 같은 질화물 반도체 성장용 투광성 기판(41)과 그 상면에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(42), 활성층(43) 및 p형 질화물 반도체층(44)을 포함하며, 상기 p형 질화물 반도체층(44) 상에 형성되며 상기 p형 질화물 반도체층(44)이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진 메쉬형 유전체층(45), 상기 메쉬형 유전체층(45) 및 상기 p형 질화물 반도체층(44)이 노출된 오픈영역 상에 형성된 고반사성 오믹콘택층(46) 및 상기 고반사성 오믹콘택층(46)을 둘러싸는 금속 배리어층(47)을 더 포함한다. 또한, 본 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(40)의 n측 전극(49a)은 메사에칭을 통해 노출된 n형 질화물 반도체층(42) 상면에 형성되고, p측 본딩전극(49)은 상기 금속 배리어층(47) 상면에 형성된다.
본 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자(40)는 도 2a를 통해 설명한 본 발명의 실시형태에 고반사성 오믹콘택층을 둘러싸는 금속 배리어층(47)을 더 포함한 구조를 갖는다.
본 실시형태에 채용되는 금속 배리어층(47)은 고반사성 오믹콘택층을 둘러싸는 형태로 형성되며, 상기 p측 본딩전극(49b)을 구성하는 물질과 상기 고반사성 오믹콘택층(46)을 구성하는 물질의 계면에서 융화되어 오믹콘택층의 특성(특히, 반사율 및 접촉저항)을 저하하는 것을 방지하기 위한 층으로 채택된다. 즉, 상기 금속 배리어층(47)은 p측 본딩전극(49b)과 고반사성 오믹 콘택층(46)의 계면에서 Au성분이 믹싱되는 것을 방지하기 위한 배리어 역할을 수행한다. 또한, 상기 금속 배리어층(47)은 고반사성 오믹콘택층이 Ag를 포함한 경우에 Ag의 이동(migration)으로 인한 누설전류의 발생을 효과적으로 방지하는 역할을 동시에 수행한다.
이러한 금속 배리어층(47)은 Ni, Al, Cu, Cr, Ti 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 상기 금속 배리어층(47)은 다른 전극과 같이 통상의 증착법 또는 스퍼터링공정으로 형성되며, 밀착력을 향상시키기 위해, 약 300℃의 온도에서 수십초 내지 수분간 열처리될 수 있다.
도 4b는 도 4a의 질화물 발광소자(40)가 탑재된 칩구조(50)를 나타내는 측단면도이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체 발광소자(40)는 지지체용 기판(61) 상에 각 전극(49a, 49b)을 도전성 범프(64a, 64b)를 통해 각 리드패턴(62a, 62b)상에 융착시킴으로써 탑재될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 플립칩 발광장치(50)에서 상기 발광소자(40)의 사파이어 기판(41)은 투광성이므로 광방출면으로 활용되며, 메쉬형 유전체층(45)은 실질적으로 메쉬형상의 고반사성 오믹콘택층(46)을 형성시킴으로써 p형 질화물 반도체층(44)과의 접촉저항 및 전류주입 효과를 개선하는 동시에, 높은 반사율을 확보함으로써 광방출면을 향하는 빛을 증가시켜 높은 휘도특성을 기대할 수 있다. 특히, 상기 메쉬형 유전체층(45)의 두께를 조절함으로써 제1 계면과 제2 계면에서 반사되는 빛의 보강간섭을 유도하여 보다 높은 휘도특성을 기대할 수 있다.
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, 플립칩용 질화물 반도체 발광소자의 p형 질화물 반도체층 상에 메쉬구조의 메쉬형 유전체층을 채용하여 상기 메쉬형 유전체층의 오픈영역에 실질적으로 메쉬형 고반사성 오믹콘택층 형성함으로써, n측 전극에 인접한 부분에 집중되는 전류를 감소시키고 p형 질화물 반도체층으로 향하는 전류를 증가시켜 전류크라우딩 현상을 대폭 완화시킬 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자는 보다 낮은 순방향 전압과 높은 발광효율을 가질 뿐만 아니라, 열화현상을 효과적으로 방지함으로써 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 메쉬형 유전체층과 p형 질화물 반도체층의 계면에서 빛의 일부를 광방출면 측으로 반사하고, 다시 메쉬형 유전체층과 고반사성 오믹콘택층의 계면에서 나머지 빛을 광방출면 측으로 반사함으로써 플립칩 구조에서 높은 휘도 특성을 얻을 수 있으며, 상기 메쉬형 유전체층의 두께를 조절함으로써 상기 두 개의 반사되는 빛의 보강간섭을 유도하여 보다 높은 휘도특성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자가 탑재된 플립구조의 발광장치를 나타내는 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도 및 상부 평면도이다.
도 3은 도 2에서 'B'로 표시된 부분에서 발생하는 빛의 반사를 도시한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도 및 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자가 채용된 플립칩 구조의 발광장치를 나타내는 측단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
30, 40 : 플립칩용 질화물 반도체 발광소자 31, 41 : 투광성 기판
32, 42 : n형 질화물 반도체층 33, 43 : 활성층
34, 44 : p형 질화물 반도체층 35, 45 : 메쉬형 유전체층
36, 46 : 고반사성 오믹콘택층 39a, 49a : n측 전극
39b, 49b : p측 본딩전극 47 : 금속 배리어층

Claims (12)

  1. 질화물 단결정 성장을 위한 투광성 기판;
    상기 투광성 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진 메쉬형 유전체층;
    상기 메쉬형 유전체층 및 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 오픈영역 상에 형성된 고반사성 오믹콘택층; 및
    상기 고반사성 오믹콘택층 및 상기 n형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 p측 본딩전극 및 n측 전극을 포함하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬형 유전체층의 오픈영역 면적의 합은 상기 p형 질화물 반도체층 상면 면적의 30% 이상인 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬형 유전체층의 굴절율은 상기 p형 질화물 반도체층의 굴절율보다 낮은 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬형 유전체층은 Si, Zr, Ta, Ti, In, Sn, Mg 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 포함한 산화물 또는 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬형 유전체층의 두께는 하기 식 1과 같은 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
    [식 1]
    (d : 메쉬형 유전체층의 두께, λ: 빛의 파장, n : 메쉬형 유전체층의 굴절율)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층의 반사율은 70% 이상인 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성되어 Ag 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층은 Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고반사성 오믹콘택층을 둘러싸는 금속 배리어층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속 배리어층은 Ni, Al, Cu, Cr, Ti 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
  12. 기판 상에 형성된 n형 및 p형 질화물 반도체층을 포함하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층이 노출된 다수의 오픈영역을 갖는 메쉬구조로 이루어진 메쉬형 유전체층과, 상기 메쉬형 유전체층 상에 형성된 고반사성 오믹콘택층과, 상기 고반사성 오믹콘택층 상에 형성된 p측 본딩전극을 포함하는 플립칩용 질화물 반도체 발광소자.
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