KR20080001245A

KR20080001245A - 고휘도 질화물계 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR20080001245A
Application number: KR20060059446A
Authority: KR
Inventors: 장태성; 이수열; 우종균; 최석범
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-01-03
Also published as: KR100812736B1

Abstract

본 발명은 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, n형 전극과, 상기 n형 전극 상에 n형 질화물 반도체층과 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 위로 순차 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 상에 형성되되, 이와 접하는 표면에 소정 간격 이격되게 형성된 복수의 ODR층을 가지는 p형 반사전극 및 상기 p형 반사전극 상에 형성된 구조지지층을 포함하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

LED, 반사효율, ODR층, 휘도

Description

고휘도 질화물계 반도체 발광소자{HIGH BRIGHTNESS NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명이 적용되는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 ODR층의 작용을 보여주기 위한 개념도.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : n형 전극 120 : n형 질화물 반도체층

130 : 활성층 140 : p형 질화물 반도체층

150 : p형 반사전극 160 : ODR층

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광소자 내부에서 반사층에 의한 빛의 흡수로 손실되는 빛의 양을 최소화하여 발광효율을 향상시킬 수 있는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물계 반도체는 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 물질(예; GaN 반도체의 경우, 약 3.4eV)로서 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하기 위한 광소자에 적극적으로 채용되고 있다. 이러한 질화물계 반도체로는 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질이 널리 사용되고 있다.

이러한 질화물 반도체로 이루어진 발광소자는 최근에는 휘도를 증가시키기 위해 반사층 소재로 각광 받고 있는 은(Ag) 등의 금속을 후면 반사층으로 채용하여 전면과는 반대면으로 방출되는 빛을 후면 반사층을 통해 앞쪽으로 반사시키고 이전의 p형 전극의 낮은 투과율로 인해 감소되고 있는 빛을 살려 광 추출 효율을 향상시키고 있다.

그러나, 상기 후면 반사층은 전면과는 반대면으로 방출되는 모든 빛을 반사시킬 수 있는 것이 아니라 그 일부만을 반사시키고 나머지 일부는 흡수하여 소멸시킨다. 예를 들어, 반사율이 가장 우수한 은으로 이루어진 후면 반사층의 경우, 약 80% 내지 85%의 빛은 반사시키는 반면, 나머지 15% 내지 20%의 빛은 흡수하여 소멸시킨다.

따라서, 후면 반사층을 사용하는 질화물계 반도체 발광소자는 반사층의 사용횟수를 감소시키거나 반사층에서 흡수하는 빛의 흡수율을 최소화시키는 방안이 요 구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 발광 구조물과 접하는 p형 반사전극의 표면에 진공으로 이루어진 무지향성 반사(OmniDirectional Reflective : 이하, 'ODR'이라 칭함)층을 형성함으로써, p형 반사전극으로 향하는 빛의 반사효율을 최대화시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 고휘도 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 n형 전극과, 상기 n형 전극 상에 n형 질화물 반도체층과 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 위로 순차 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 상에 형성되되, 이와 접하는 표면에 소정 간격 이격되게 형성된 복수의 ODR층을 가지는 p형 반사전극 및 상기 p형 반사전극 상에 형성된 구조지지층을 포함하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 ODR층은 진공으로 이루어진 것이 바람직하며, 이는 상기 p형 질화물 반도체층을 이루는 매질과 굴절률 차이를 크게 하여 광 추출 효율을 감소시키기 위함이다. 즉, 상기 발광구조물 내에서 발광하는 빛을 전반사시켜 반사효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 발광 구 조물의 측면 및 상면을 덮고, 상기 p형 반사전극의 상면 일부분을 노출하게 형성된 보호막을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 보호막의 외측을 덮고, 상기 p형 반사전극과 구조지지층 사이에 위치하는 도금 시드층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 금속 시드층은, 접착층과 반사층이 순차 적층되어 있는 이중층으로 이루어진 것이 바람직하다. 이때, 상기 접착층은, Cr, Ni, Ti 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어지며, 상기 반사층은, Ag, Al, Pt 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 또 다른 본 발명은 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되되, 이와 접하는 표면에 소정 간격 이격되게 형성된 복수의 ODR층을 가지는 p형 반사전극 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 ODR층은 진공으로 이루어진 것이 바람직하며, 이는 상기 p형 질화물 반도체층을 이루는 매질과 굴절률 차이를 크게 하여 광 추출 효율을 감소시키기 위함이다.

또한, 상기 본 발명의 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 p형 반사전극 사이 계면에 투명전극층을 더 포함하여 전류의 흐름을 균일화하는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

실시예 1

먼저, 도 1을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자의 최하부에는 외부 소자와 전기적으로 연결하기 위한 n형 본딩 패드(도시하지 않음)가 형 성되어 있다.

상기 n형 본딩 패드 상에는 n형 전극(110)이 형성되어 있다. 이때, 상기 n형 전극(110)은 오믹 접촉하는 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 n형 전극(110) 상에는 n형 질화물 반도체층(120)이 형성되어 있으며, 보다 상세하게, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은 n형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다.

상기 n형 질화갈륨층(120) 상에는 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)이 위로 순차 적층되어 발광 구조물을 이룬다. 이때, 상기 발광 구조물 중 활성층(130)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성될 수 있으며, 상기 p형 질화물 반도체층(140)은 상기 n형 질화물 반도체층(120)과 마찬가지로 p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다.

상기 발광 구조물의 p형 질화물 반도체층(140) 상에는 p형 반사전극(150)이 형성되어 있다. 상기 p형 반사전극(150)은 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하도록 반사율이 높은 금속, 예를 들어 은(Ag)과 같은 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

그러나, 상기 p형 반사전극(150)은 전면과는 반대면으로 즉, 상기 p형 반사전극(150)으로 방출되는 모든 빛을 반사시킬 수 있는 것이 아니라 그 일부만을 반사시키고 나머지 일부는 흡수하여 소멸시킨다. 예를 들어, 반사율이 가장 우수한 은으로 이루어질 경우, 약 80% 내지 85%의 빛은 반사시키는 반면, 나머지 15% 내지 20%의 빛은 흡수하여 소멸시킨다.

따라서, 본 발명은 상기 발광 구조물 즉, p형 질화물 반도체층(140)과 접하는 상기 p형 반사전극(150)의 표면에 소정 간격 이격되도록 형성된 복수의 ODR층(160)을 구비하고 있다. 이와 같이, 상기 ODR층(160)이 소정 간격 이격되게 형성된 이유는 상기 p형 반사전극(150)이 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 전기적으로 연결되어야 하기 때문이다.

그러면, 이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 ODR층에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 굴절은, 빛이 투명한 다른 재질에 입사할 때 똑바로 들어가지 못하고 꺾인 후에 다시 똑바로 나아가는 현상을 말한다. 또한, 굴절할 때 꺾이는 정도를 굴절률이라 하며, 진공을 기준으로 정한 굴절률을 절대 굴절률이라 하는데, 이를 흔히 굴절률이라 한다.

예를 들어, 진공에서 빛의 속도를 C, 매질 내에서의 빛의 속도를 V라 하면, 굴절률은 하기 수학식 1과 같이 나타난다.

굴절률 n = C/V

a : 파장 598nm 빛(나트륨 등의 노란색 빛)에 대한 수치.

b : STP (표준상태, 0℃이고, 1기압인 상태)

따라서, 굴절률은 위의 표 1에 나타낸 바와 같이 항상 1보다 크게 나타난다.

굴절률이 크다는 것은 밀한 매질이라는 뜻이며, 빛의 속도가 느리다는 의미이다. 그 반대를 소한 매질이라 하는데, 이는 항상 상대적으로 사용하는 말이다.

그리고, 어떤 매질에서의 굴절은 입사각과 굴절각 사이에 일정한 규칙이 성립하는데 이를 스넬(Snell)의 법칙이라 한다.

도 2는 본 발명이 적용되는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 개념도이다.

도 2를 참고하면, 굴절률이 큰 매질인 밀한 매질(n1)에서 굴절률이 작은 매질인 소한 매질(n2)로 빛이 방사되는 경우, 어떤 일정 각도 이상으로 입사한 빛이 수평의 경계면에서 스넬의 법칙을 충족할 수 없으므로 굴절되지 못하고 반사되며, 이러한 현상을 전반사라 한다. 또한, 이 경계각을 임계각이라 하는 데, 이때, 두 매질의 굴절률 차이가 클수록 임계각은 작아지며, 그로 인해 입사하는 빛의 전반사도 많아진다.

다시 말해, 본 발명은 상기 p형 반사전극(150)으로 빛이 흡수되는 것을 방지하기 위해 즉, 빛의 전반사 양을 증가시키기 위하여 서로 다른 매질의 경계면에서 임계각을 작게 해주어야 한다.

따라서, 본 발명에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(140)과 접하는 p형 반사전극(150)의 표면에 굴절률 2.4인 GaN으로 이루어진 p형 질화물 반도체층(140)보다 작은 굴절률을 가진 매질로 이루어진 ODR층(160)을 구비하고 있다.

특히, 본 발명에 따른 ODR층(160)은 표 2에 나타낸 바와 같이 상기 p형 질화물 반도체층(150)을 이루는 GaN과의 굴절률 차이가 클수록 임계각이 작고, 광추출율이 낮으므로, 굴절률 2.4인 GaN과 굴절률 차이가 가장 큰 진공(air)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

앞서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자는 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 p형 반사전극(150)을 향하여 방출되는 모든 빛 중 일부는 상기 p형 반사전극(150)을 통해 반사(화살표 (가) 참조)시키고, 나머지 일부는 ODR층(160)을 통해 반사(화살표 (나) 참조)시킴으로써, 종래 p형 반사전극(150)을 통해 흡수되어 소멸되던 빛의 일부 또한 반사시켜 반사효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만 본 발명의 제1 실시예에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자는 외부 회로와 본딩되는 상기 p형 전극(150)의 일부분을 제외한 발광 구조물의 상면 및 측면에는 소자가 그와 이웃하는 소자 간에 서로 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위한 보호막이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보호막 및 상기 p형 전극(150)의 최외곽 표면에는 도금 시드층이 형성되는 것이 바람직하며, 이는 후술하는 구조지지층을 전해 도금 또는 무전해 도금법을 통해 형성할 때, 도금 공정시, 도금 결정핵 역할을 하는 것으로, Au, Cu, Ta 및 Ni 등과 같은 금속을 사용하여 단일층으로 이루어진다. 한편, 이는 이에 한정되는 것이 아니고, 접착층과 반사층이 순차 적층되어 있는 이중층으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 도금 시드층을 구성하는 상기 접착층은, 산화물과 접착성이 우수한 금속 즉, Cr, Ni, Ti 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어져 상기 보호막(160)과의 접착력을 더욱 우수하게 할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 반사층은, 반사율이 높은 금속 즉, Ag, Al, Pt 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어지며, 이에 따라, 상기 발광 구조물에서 발광하는 광을 반사층을 통해 반사시켜 발광면으로 향하게 하는 것이 가능하여 광 추출 효율을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

그리고, 상기 도금 시드층에 의해 상기 도금 시드층 상에 형성된 구조지지층(도시하지 않음)은 형성된 최종 고휘도 질화물 반도체 발광소자를 지지하는 지지층 역할을 한다.

실시예 2

그러면, 이하 도 4를 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 고휘도 질화물계 반도체 발광소자는, 기판(200) 상에 버퍼층(도시하지 않음), n형 질화물 반도체층(210), 활성층(220) 및 p형 질화물 반도체층(230)이 순차 적층되어 있다.

상기 기판(200)은 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층(도시하지 않음)은 GaN로 형성되며, 생략 가능하다.

상기 n형 또는 p형 질화물 반도체층(210, 230)은 각 도전형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성되며, 상기 활성층(220)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성된다.

상기 활성층(220)과 p형 질화물 반도체층(230)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 형성된 n형 질화물 반도체층(210)의 일부를 노출하고 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(230) 상에는 p형 반사전극(250)이 형성되어 있다. 이때, 상기 p형 반사전극(250)은 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하도록 반사율이 높은 금속, 예를 들어 은(Ag)과 같은 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

특히, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고휘도 질화물 반도체 발광소자는 플립칩(flip-chip) 발광소자로써, 기판(200) 방향으로 빛이 방출되므로, 상기 p형 반사전극(250)은 전면과는 반대면으로 즉, 기판(200) 방향으로 상기 p형 반사전극(250)으로 방출되는 모든 빛을 반사시켜 광 추출 효율을 향상시켜야 한다.

그러나, 상기 p형 반사전극(250)은 이로 방출되는 모든 빛을 반사시킬 수 있는 것이 아니라 그 일부만을 반사시키고 나머지 일부는 흡수하여 소멸시킨다.

따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고휘도 질화물 반도체 발광소자는 상기 p형 질화물 반도체층(230)과 접하는 상기 p형 반사전극(250)의 표면에 소정 간격 이격되도록 형성된 복수의 ODR층(260)을 구비하고 있다. 이와 같이, 상기 ODR층(260)이 소정 간격 이격되게 형성된 이유는 상기 p형 반사전극(250)이 상기 p형 질화물 반도체층(230)과 전기적으로 연결되어야 하기 때문이다.

한편, 도시하지는 않았지만, 본 발명은 상기 p형 질화물 반도체층(230)과 상기 p형 반사전극(250) 사이 계면에 전류의 흐름을 균일화시키기 위한 투명전극층을 더 포함할 수 있다.

상기 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(210) 상의 소정 부분에는 극 역할을 하는 n형 전극(240)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 n형 전극(240)이 Cr/Au 등으로 이루어져 있다.

즉, 제1 실시예는 수직형 발광소자(vertically structured light emitting diodes)를 예시한 것이며, 제2 실시예는 플립칩 발광소자(fiip chip light emitting diodes)를 예시한 것으로서, 이러한 제2 실시예는 제1 실시예에서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 상기 p형 질화물 반도체층과 접하는 p형 반사전극의 표면에 상기 p형 질화물 반도체층과 굴절률 차이가 큰 매질로 이루어진 ODR층을 소정 간격 이격되게 복수개 구비함으로써, 상기 p형 반사전극을 향하여 발광하는 빛을 최대환 반사시켜 p형 반사전극으로 흡수 또는 산란되어 소멸되는 빛을 확보하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 고휘도를 구현하는 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

Claims

n형 전극;

상기 n형 전극 상에 n형 질화물 반도체층과 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 위로 순차 형성된 발광 구조물;

상기 발광 구조물 상에 형성되되, 이와 접하는 표면에 소정 간격 이격되게 형성된 복수의 ODR층을 가지는 p형 반사전극; 및

상기 p형 반사전극 상에 형성된 구조지지층;을 포함하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 ODR층은 진공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 발광 구조물의 측면 및 상면을 덮고, 상기 p형 반사전극의 상면 일부분이 노출되도록 형성된 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 보호막의 외측을 덮고, 상기 p형 반사전극과 구조지지층 사이에 위치하는 도금 시드층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
제4항에 있어서,

상기 도금 시드층은, 접착층과 반사층이 순차 적층되어 있는 이중층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,

상기 접착층은, Cr, Ni, Ti 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
제5항에 있어서,

상기 반사층은, Ag, Al, Pt 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층 상의 소정 영역에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성되되, 이와 접하는 표면에 소정 간격 이격되게 형성된 복수의 ODR층을 가지는 p형 반사전극; 및

상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 ODR층은 진공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 p형 질화물 반도체층과 상기 p형 반사전극 사이 계면에 투명전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 질화물계 반도체 발광소자.