KR20090002191A - 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 반도체 발광소자는 반도체층; 전극 증착 영역이 전체 개방되지 않고 제1개방 패턴을 이루어 상기 반도체층 위에 형성된 투명전극층; 및 상기 전극 증착 영역의 제1개방 패턴 위에 형성된 전극을 포함한다.

본 발명에 의하면, 전극으로 반사전극을 사용할 수 있으며, 전극과 투명전극층, 반도체층 사이의 결합력이 강화되어 접합 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 투명전극층의 개방 영역을 작게하여 분산배치함으로써 전류의 공급은 원활해지고 발광 면적은 증대되며, 따라서 발광 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자{Semiconductor light emitting device}

도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 형태를 도시한 측단면도.

도 2는 일반적인 수직형 반도체 발광소자의 형태를 도시한 측단면도.

도 3은 일반적인 반도체 발광소자의 전극이 구현된 형태를 도시한 상면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 형태를 도시한 측단면도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 전극 구조를 도시한 상면도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투명전극층의 전극 증착 영역 상에 형성된 제1개방 패턴을 예시한 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 전극 구조 중 전극연결선로의 형태를 도시한 측단면도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 전극 구조 중 전극연결선로의 형태를 예시한 상면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100: 반도체 발광소자 105: 반사층

110: 기판 120: 버퍼층

130: n형 반도체층 140: 활성층

150: p형 반도체층 160: 투명전극층

160b: 제1개방 패턴 160a: 제2개방 패턴

170: n형 전극 180: p형 전극

180a: 전극연결선로

본 발명은 반도체 발광소자의 전극 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용되는 소자이다.

LED의 사용 범위는 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 종류는 크게 IRED(Infrared Emitting Diode)와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나뉘어 진다.

특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 반도체광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있는데, 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭을 가지고, 이를 이용한 밴드갭 엔지니어링은 하나의 반도체상에서 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.

최근, 질화물 반도체를 이용한 청색 및 녹색 발광소자의 개발은 광디스플레이 시장에 일대 혁명을 몰고 왔으며, 앞으로도 고부가가치를 창출할 수 있는 유망 산업의 한 분야로 여겨지고 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 이러한 질화물 반도체광소자에 있어서 보다 많은 산업상의 이용을 추구하려면 역시 발광휘도를 증가시키는 것이 선결되어야 할 과제이다.

도 1은 일반적인 반도체 발광소자(10)의 형태를 도시한 측단면도이고, 도 2는 일반적인 수직형 반도체 발광소자(20)의 형태를 도시한 측단면도이며, 도 3은 일반적인 반도체 발광소자(10, 20)의 전극(18, 27)이 구현된 형태를 도시한 상면도이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11) 상에 버퍼층(12)을 형성하고 그 상부에 n-GaN 층(13), 다중양자우물구조로 형성되어 광을 방출하는 활성층(14)과, p-GaN층(15) 및 투명전극(16)을 포함하여 구성된다.

이때, 투명전극(16)부터 n-GaN 층(13)까지 부분 식각하여 n-GaN층(13)을 외부로 노출시키고 n-GaN층(13)에 n형 전극(17)을 형성시키고, 상기 투명전극(16) 상에는 p형 전극(18)을 형성시켜 준다.

도 2를 참조하면, 일반적인 수직형 반도체 발광소자(20)는 밑으로부터 n형 전극(21), 버퍼층(22), n-GaN층(23), 활성층(24), p-GaN층(25), 투명전극층(26) 및 p형 전극(27)이 형성된다.

상기와 같은 일반적인 반도체 발광소자(10, 20)는 광산란 현상을 유발하고 광효율을 개선하기 위하여 반사전극을 사용하는데, 반사전극을 이루는 금속 재질과 투명전극층(16, 26)은 재료 특성상 접합력이 좋지 못하다.

도 3을 참조하면, p형 전극(18, 27)이 반사전극으로 구비된 경우의 증착 형태가 도시되어 있는데, p형 전극(18, 27)이 p형 반도체층(15, 25) 면에 직접 증착되도록 투명전극층(16, 26)의 전극 증착 영역은 개방된 형태(A; 스퍼터링이나 증착 공정시 레지스트 패턴에 의하여 형성되거나 식각되어 형성될 수 있음)를 이룬다.

따라서, p형 전극(18, 27)이 증착된 투명전극층(16, 26)의 주변 영역에서는 높은 발광 효율을 기대하기 어려워지는 문제점이 있다.

또한, p형 전극(18, 27)이 p형 반도체층(15, 25)과 직접 접합되는 구조를 가지나, 접합면의 극히 일부분이라도 접합 결함(벗겨지는 현상; "peeling"이라고도 지칭됨)이 일단 발생되면, 결함은 연속적으로 진행되어 전체 전극 구조에 영향을 주게된다.

따라서, p형 전극(18, 27)의 일부 또는 전체가 p형 반도체층(15, 25)으로부터 떨어져 나가는 현상이 발생될 수 있다.

본 발명은 투명전극층과 전극의 결합 구조를 개선함으로써 발광효율이 증대되는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 본 발명은 투명전극층과 전극의 결합 구조를 개선함으로써 접합 결함이 억제되는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 본 발명은 투명전극층과 전극, 그리고 전극연결선로의 결합 구조를 개선함으로써 발광효율이 증대되는 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 본 발명은 투명전극층과 전극, 그리고 전극연결선로의 결합 구조를 개선함으로써 접합 결함이 억제되는 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에 의한 반도체 발광소자는 반도체층; 전극 증착 영역이 전체 개방되지 않고 제1개방 패턴을 이루어 상기 반도체층 위에 형성된 투명전극층; 및 상기 전극 증착 영역의 제1개방 패턴 위에 형성된 전극을 포함한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 형태를 도시한 측단면도이다.

도 4에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 형태가 도시되어 있는데, 반사층(105), 기판(110), 버퍼층(120), n형 반도체층(130), 활성층(140), p형 반도체층(150), 투명전극층(160), p형 전극(180) 및 n형 전극(170)을 포함하여 이루어진다.

상기 반사층(105)은 금속 재질로 기판(110)의 아랫면에 증착되는데, 활성층(140)으로부터 전달되는 광자를 상측으로 반사시킨다.

기판(110)은 사파이어 기판, SiC, Si 기판 등이 이용될 수 있고, 상기 버퍼층(120)은 기판(110)과 반도체층의 격자상수 차이를 줄여주기 위한 것으로서, 예컨대 AlInN 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InGaN/GaN 적층구조, AlInGaN/InGaN/GaN의 적층구조 중에서 선택되어 형성될 수 있다.

상기 버퍼층(120) 상에는 n형 반도체층(130)이 형성되는데, n형 반도체층(130)은 n-GaN층으로 형성될 수 있으며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑된다.

여기서, 상기 버퍼층(120)과 n형 반도체층(130) 사이에는 언도프드(Undopped) GaN층이 형성될 수 있다. 상기 언도프드 GaN층은 예컨대, 1500℃의 성장온도에서 상기 버퍼층(120) 상에 NH₃와 트리메탈 갈륨(TMGa)을 공급하여, 소정 두께로 도펀트를 포함하지 않은 언도프드 GaN층이 형성된다. 또한 본 발명은 상기 기판(110) 상에 버퍼층(120) 및 언도프드 GaN층이 모두 형성될 수 있고, 또는 어느 하나의 층만 형성되거나 두 층이 모두 제거되는 구조로 형성될 수도 있다.

상기 n형 반도체층(130) 상에는 활성층(140)이 형성된다. 이러한 활성층(140)은 예컨대, 780℃의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH₃, TMGa, 및 트리메틸인듐(TMIn)을 공급하여, InGaN/GaN으로 이루어진 활성층을 120Å 내지 1200Å의 두께로 성장시킨다. 이때, 활성층(140)의 조성은 InGaN의 In 원소성분의 몰 비율에 차이를 두고 성장시킨 적층 구성일 수 있다.

상기 활성층(140)이 형성된 후, 그 위로 p형 도펀트를 함유한 p형 반도체층(150)이 형성된다. 이러한 p형 반도체층(150)은 p-GaN층으로 형성될 수 있으며, 수백에서 수천 Å의 두께로 성장된다.

상기 p형 반도체층(150) 상에는 투명전극층(160)이 형성되는데, 상기 투명전극층(123)은 투과성 산화막으로서 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 중 적어도 하나 이 상으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 투명전극층(160)에서 n형 반도체층(130)까지 부분 식각하여 식각된 n형 반도체층(130) 상에 n형 전극(170)을 형성하고, 상기 투명전극층(160)의 일부 영역에 개방 패턴을 형성하여 p형 전극(180)을 형성한다.

여기서, 상기 p형 반도체층(150) 위에, n-GaN과 같은 n형 반도체층이 더 형성될 수 있으며, 이는 반도체 발광소자(100)를 npn 구조로 만들어 준다. 즉, 본 발명의 반도체 발광 소자(100)는 pn 접합 구조 또는 npn 접합 구조에 적용될 수 있다.

한편, 전극은 원활한 전류 공급을 위하여 다수개로 구비될 수 있으며, 다수개로 구비되는 경우 전극연결선로를 통하여 상호 연결되는 구조를 갖는다.

본 발명에 의한 투명전극층(160)은 전극과 전극연결선로(180a)가 증착되는 영역에 개방패턴을 형성하여 발광효율을 극대화하고 전극과의 결합력을 향상시킬 수 있다.

본 발명이 제시하는 전극 구조는 어느 반도체 상이라도 적용될 수 있음은 물론이다.

그러나, 본 발명의 실시예에서, 본 발명이 제시하는 전극 구조는 p형 반도체층(150), 투명전극층(160), p형 전극(180)의 영역 상에서 구현된 것으로 하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 전극 구조를 도시한 상면도이다.

도 5를 참조하면, 투명전극층(160) 위에 p형 전극(180)이 형성되어 있는데, 도 5에는 도시되지 않았으나 본 발명의 실시예에서 p형 전극(180)은 다수개로 구비되는 것으로 한다.

상기 p형 전극(180)들을 전기적으로 연결시키기 위하여, 전극연결선로(Spread Wing)(180a)가 투명전극층(160) 위에 형성되며, 도 5에 도시된 전극 구조는 투명전극층(160)위에 다수개로 형성/연결됨으로써 p형 전극(180)의 분산배치 효과를 얻을 수 있다.

우선, 도 6을 참조하여, 상기 p형 전극(180)의 구조에 대하여 살펴본다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투명전극층(160)의 전극 증착 영역 상에 형성된 제1개방 패턴(160b)을 예시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 투명전극층(160)의 전극 증착 영역에 형성된 제1개방 패턴(160b)의 형태를 볼 수 있는데, 제1개방 패턴(160b)은 투명전극층(160)이 증착되는 과정에서 레지스트 패턴에 의하여 형성되거나 또는 증착된 후 식각 공정을 통하여 형성가능하다.

상기 제1개방 패턴(160b)은 도 6의 (a)도면, (b)도면, (c)도면과 같이, 라인형, 그물형, 다수개의 원형(또는 다각형으로도 형성 가능함) 중 하나 이상의 형태로 형성될 수 있으며, p형 전극(180)이 투명전극층(160)의 전극 증착 영역에 형성되면, 제1개방 패턴(160b)을 통하여 노출된 p형 반도체층(150)과 직접 접촉되어 결합된다.

따라서, p형 전극(180)은 투명전극층(160) 및 p형 반도체층(150)과 동시에 결합됨으로써 결합력이 강화되고, 접합 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 전극 구조 중 전극연결선로(180a)의 형태를 도시한 측단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)의 전극 구조 중 전극연결선로(180a)의 형태를 예시한 상면도이다.

도 7을 참조하면, 투명전극층(160)은 전극연결선로(180a)가 증착되는 영역, 즉 라인형의 영역 중, 소정 구간이 제거되어 제2개방 패턴(160a)이 형성된 형태를 볼 수 있는데, 도 8과 같이, 상기 제2개방 패턴(160a)은 원형 또는 삼각형, 사각형을 포함하는 다각형 중 하나 이상의 형태를 이루어 형성될 수 있다.

따라서, 전극연결선로(180a)는 투명전극층(160)상에 형성되고, 제2개방 패턴(160a)을 통하여 노출된 p형 반도체층(150)과 직접 접촉되어 결합될 수 있으므로 p형 전극(180)의 경우와 마찬가지로 결합력이 강화되고, 접합 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기 제2개방 패턴(160a)은 소정 거리로 이격되어 다수개로 형성되고, 전극연결선로(180a)와 p형 전극(180)은 투명전극층(160) 위에서 전기적으로 연결된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서, 상기 p형 전극(180)과 전극연결선로(180a)는, 재질의 특성상 결합력이 상대적으로 약한 반사 전극의 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 전극 구조에 의하면, 전극연결선로(180a)의 제2개방 패턴(160a) 영역은 일종의 반사 전극의 역할을 할 수 있으므로, p형 전극(180)의 영역에서 뿐만 아니라 투명전극층(160) 전체의 영역에 걸쳐 전류를 공급할 수 있다.

특히, 투명전극층(160)의 개방된 영역이 한 곳에 넓게 형성되지 않고 제1개방 패턴(160b)과 제2개방 패턴(160a)을 통하여 다수개의 작은 영역으로 분산/배치될 수 있으므로 반도체층 전체에 걸쳐 고른 발광효율을 얻을 수 있다.

이는 전체 발광효율을 극대화시킬 수 있음을 의미한다.

참고로, 반도체 발광 소자의 칩이 대형화될수록 전극 영역이 넓어지게 되고 발광효율이 저하되는 문제점이 있으나, 본 발명에 의한 전극 구조를 대형칩에 적용하면 보다 높은 결합 효과와 발광효율 상승 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의한 반도체 발광소자에 의하면, 전극으로 반사전극을 사용할 수 있으며, 전극과 투명전극층, 반도체층 사이의 결합력이 강화되어 접합 결함이 발생 되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 투명전극층의 개방 영역을 작게하여 분산배치함으로써 전류의 공급은 원활해지고 발광 면적은 증대되며, 따라서 발광 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 정방향 전압(Forward Voltage)을 낮출 수 있고, 대형칩의 경우 전극의 분산 배치 효과를 더욱 크게 기대할 수 있게 된다.

Claims (8)

1. 반도체층;

   전극 증착 영역이 전체 개방되지 않고 제1개방 패턴을 이루어 상기 반도체층 위에 형성된 투명전극층; 및

   상기 전극 증착 영역의 제1개방 패턴 위에 형성된 전극을 포함하는 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전극 증착 영역 및 상기 전극을 적어도 하나 이상 포함하고,

   상기 전극 사이를 연결하며, 상기 투명전극층 위로 형성되는 전극연결선로(Spread Wing)를 포함하며,

   상기 투명전극층은 상기 전극연결선로의 증착 영역을 따라 제2개방 패턴이 형성된 반도체 발광소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 반도체층은 n형 반도체층, p형 반도체층 중 적어도 하나의 반도체층이고, 상기 전극은 n형 전극, p형 전극 중 적어도 하나의 전극인 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1개방 패턴은

   라인형, 그물형, 원형, 다각형 중 하나 이상의 형태를 이루는 반도체 발광소자.
5. 제2항에 있어서, 상기 제2개방 패턴은

   원형, 다각형 중 하나 이상의 형태를 이루는 반도체 발광소자.
6. 제2항에 있어서, 상기 제2개방 패턴은

   상기 전극연결선로의 증착 영역 상에서, 소정 거리로 이격되어 다수개로 형성된 반도체 발광소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 전극은

   반사전극을 포함하는 반도체 발광소자.
8. 제2항에 있어서, 상기 전극연결선로는

   반사전극의 재질을 포함하여 이루어지는 반도체 발광소자.

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