KR20090119258A - 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 전도성을 가지는 제1 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며 전자와 정공의 재결합을 이용해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 활성층이 제거되어 노출된 제1 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 전극; 제2 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제2 전극; 그리고, 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 복수개의 개구부;로서, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류 흐름을 제한하는 제1 개구부 영역과, 제1 개구부 영역에 비해 상대적으로 전류 흐름을 덜 제한하는 제2 개구부 영역을 형성하는 복수개의 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
반도체, 발광소자, 전극, 발광, 전류, 분포, 정공, 질화물, 패드, 확산

Description

반도체 발광소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 전류 확산을 개선한 전극 구조를 가지는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물롤 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 질화물 반도체층(300), n형 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층(500), p형 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), 그리고 p형 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n측 전 극(800)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사피이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 성장되는 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/053042호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 개시되어 있다.
n형 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 개시되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다. 국제공개공보 WO/02/021121호에는 복수개의 양자우물층들과 장벽층들의 일부에만 도핑을 하는 기술이 개시되어 있다.
p형 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 개시되어 있고, 국제공개공보 WO/05/022655호에는 p형 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 개시되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 개시되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 개시되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반 사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 개시되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 개시되어 있다.
한편, n형 질화물 반도체층(300)이나 p형 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
도 2는 미국특허 제5,563,422호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)이 발광소자의 코너에서 대각 방향으로 위치해 있으며, 발광소자 내에서 가장 먼 곳에 위치함으로써 전류 확산을 개선하고 있다. 그러나 전류가 발광소자의 중심부로 몰리는 문제점이 있다.
도 3 및 도 4는 미국특허 제6,445,007호에 개시된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면으로서, p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800) 사이에서의 일정한 전류 확산 거리를 확보하기 위해, p측 전극(600)에 복수개의 홀(900)을 갖춘 기술을 개시하고 있다. 동일한 부호에 대한 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6은 미국특허 제6,781,147호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타 내는 도면으로서, p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800) 사이에서의 전류 몰림을 방지하기 위해 n형 질화물 반도체층에까지 이르는 호(910; trench)를 갖춘 기술을 개시하고 있다. 동일한 부호에 대한 설명은 생략한다.
그러나 전류 확산을 위해 p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800) 사이에 단순히 복수개의 홀(900) 또는 호(910)를 구비하는 경우에 발광소자 중심부에서의 발광을 지나치게 제약할 수 있다.
도 7 및 도 8은 일본 공개특허공보 제2001-024222호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 단순히 외부양자효율을 높이기 위해 복수개의 호(920)를 발광소자 전체에 걸쳐 갖춘 기술을 개시하고 있다. 이러한 경우에, 발광소자 전체에 걸쳐 동일한 면 저항이 적용되므로, 도 2에 도시된 발광소자에서와 같은 전류 확산의 문제를 여전히 가지게 된다. 동일한 부호에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하는 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전류 확산을 개선한 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 발광소자의 중심부에서도 전류 확산이 원활하게 이루어질 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 제1 전도성을 가지는 제1 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며 전자와 정공의 재결합을 이용해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 활성층이 제거되어 노출된 제1 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 전극; 제2 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제2 전극; 그리고, 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 복수개의 개구부;로서, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류 흐름을 제한하는 제1 개구부 영역과, 제1 개구부 영역에 비해 상대적으로 전류 흐름을 덜 제한하는 제2 개구부 영역을 형성하는 복수개의 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제2 반도체층과 제2 전극 사이에 위치하며, 복수개의 개구부가 형성되는 제3 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한 다.
또한 본 발명은 복수개의 개구부가 복수개의 반도체층으로 이어져 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제1 개구부 영역의 개구부 밀도가 제2 개구부 영역의 개구부 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제1 개구부 영역의 개구부의 크기가 제2 개구부 영역의 개구부 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제1 개구부 영역의 개구부의 전류 흐름에 대면하는 길이가 제2 개구부 영역의 개구부의 전류 흐름에 대면하는 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제1 개구부 영역과 제2 개구부 영역은 개구부의 밀도, 크기 전류 흐름에 대면하는 길이 중의 적어도 하나를 달리하는 것을 특징으로 반도체 발광소자를 제공한다. 개구부의 밀도, 크기, 길이는 조합되어 사용될 수 있다.
또한 본 발명은 제2 반도체층과 제2 전극 사이에 위치하는 형성되는 제3 전극;을 포함하며, 복수개의 개구부가 적어도 제3 전극을 관통하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 제1 전극으로부터 뻗어 있는 제1 가지 전극; 그리고, 제2 전극으로부터 뻗어 있으며, 제1 가지 전극과 교대로 위치하여 제1 영역과 제2 영역을 형성하는 제2 가지 전극:을 포함하며, 제1 개구부 영역이 제1 영역에 위치하고, 제2 개구부 영역이 제2 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공 한다.
또한 본 발명은 반도체 발광소자는 3족 질화물 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자 전체에 걸쳐 전류 확산을 원활히 할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자의 중심부에서도 전류 확산이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.
이하 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 사파이어 기판(10), 사파이어 기판(10) 위에 성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 성장되는 n형 질화물 반도체층(30), n형 질화물 반도체층(30) 위에 성장되는 활성층(40), 활성층(40) 위에 성장되는 p형 질화물 반도체층(50), p형 질화물 반도체층(50) 위에 형성되는 p측 투광성 전극(60), p측 투광성 전극(60) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(70), 그리고 p형 질화물 반도체층(50)과 활성층(40)이 식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(30)의 영역(31) 위에 형성되는 n측 전극(80)이 구비되어 있다.
p측 투광성 전극(60)에는 복수개의 개구부(90)가 형성되어 있으며, 복수개의 개구부(90)는 n측 전극(80)과 p측 본딩 패드(70) 사이에서 발광소자의 중심부에서 의 전류 흐름을 지나치게 제한하지 않는 한편, 발광소자 전체에 걸친 전류 흐름을 원활히 하도록, 복수개의 개구부가(90)가 밀하게 형성된 제1 개구부 영역(91)과, 복수개의 개구부(90)가 소하게 형성되어 제1 개구부 영역(91)에 비해 상대적으로 전류 흐름을 덜 제한하는 제2 개구부 영역(92)을 구비한다. 따라서 제1 개구부 영역(91)의 저항이 제2 개구부 영역(92)의 저항보다 크게 되므로, 제1 개구부 영역(91)으로의 전류 쏠림을 해소할 수 있게 되며, 도 3 또는 도 5에 도시된 발광소자에서와 달리 발광소자 중심부에서의 전류 흐름을 지나치게 제한하지 않음으로써 발광소자 전체에 걸쳐 원활하게 그리고 균일하게 전류 확산을 이룰 수 있게 된다.
p측 투광성 전극(70)에 형성된 개구부(90)는 p측 투광성 전극(70)에서의 저항을 조절하는 역할을 하는 한편, p측 투광성 전극(70)에 의해 차단되는 빛이 외부로 빠져나가는 창으로서 기능할 수 있다.
복수개의 개구부(90)는 p측 투광성 전극(70)의 증착시에 마스크 패턴을 이용하여 형성할 수도 있고, p측 투광성 전극(70)을 형성한 후에 식각을 통해 형성할 수도 있다. 형성 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 패턴의 형성에는 포토리소그피, 나노임프리트 등의 방법이 사용될 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 10에 도시된 발광소자와 달리, 복수개의 개구부(90)가 n형 질화물 반도체층(30)에 까지 이어져 호(trench)를 형성하고 있다. 호를 형성함으로써 활성층(40)에서 형성된 빛이 외부로 취출되는 것을 도우는 역할을 겸할 수 있게 되며, 발광소자가 대면적화되는 경향에 따라 발광소자의 발열을 도우는 역할도 할 수 있게 된다. 동 일한 부호에 대한 설명은 생략한다.
호의 형성에 특별한 제한이 있는 것은 아니며, p측 투광성 전극(70)을 증착한 후에 식각을 통해 형성될 수 있고, 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 오더(order)의 크기를 가져도 좋다. 한편 호를 형성한 후에, p측 투광성 전극(70)을 증착하여도 좋다. 바람직하게는 노출된 n형 질화물 반도체층(30)의 영역(31)을 형성할 때 함께 형성된다.
도 12는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 또다른 예를 나타내는 도면으로서, 복수개의 개구부(90)의 크기를 조절함으로써 형성된 제1 개구부 영역(93)과 제2 개구부 영역(94)이 구비되어 있다. 제1 개구부 영역(93)에서 개구부가 크게 형성됨으로써 저항이 높아지게 된다. 동일한 부호에 대한 설명은 생략한다.
도 13은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 또다른 예를 나타내는 도면으로서, 복수개의 개구부(90)의 전류 흐름(화살표 방향)에 대면하는 길이를 조절함으로써 형성된 제1 개구부 영역(95)과 제2 개구부 영역(96)이 구비되어 있다. 이 경우에 크기를 조절하는 경우에 달리 크기 즉, 면적을 동일하게 하면서도(저항을 동일하게 하면서도) 전류 흐름의 방향에 대해 장벽을 형성함으로써 전체적인 전류 확산을 원활히 할 수 있게 된다. 동일한 부호에 대한 설명은 생략한다.
도 14는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 또다른 예를 나타내는 도면으로서, p측 본딩 패드(70)로부터 뻗어 있는 가지 전극(71,72)과 n측 전극(80)으로부터 뻗어 있으며 가지 전극(71,72)과 교대로 위치하는 가지 전극(81)이 구비되어 있다. 이러한 발광소자의 경우에, p측 본딩 패드(70)와 n측 전극(80) 사이 즉, 가지 전 극(71)과 가지 전극(81) 사이에 전류가 집중될 수 있다. 이를 해소하기 위해, 가지 전극(71)과 가지 전극(81) 사이에 제1 개구부 영역(97)이 구비되어 있고, 가지 전극(81)과 가지 전극(72) 사이에 제2 개구부 영역(98)이 구비되어 있다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국특허 제5,563,422호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3 및 도 4는 미국특허 제6,445,007호에 개시된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면,
도 5 및 도 6은 미국특허 제6,781,147호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 7 및 도 8은 일본 공개특허공보 제2001-024222호에 개시된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 11은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 12는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 또다른 예를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 또다른 예를 나타내는 도면,
도 14는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 또다른 예를 나타내는 도면.

Claims (10)

  1. 제1 전도성을 가지는 제1 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며 전자와 정공의 재결합을 이용해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;
    활성층이 제거되어 노출된 제1 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 전극;
    제2 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제2 전극; 그리고,
    제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 복수개의 개구부;로서, 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류 흐름을 제한하는 제1 개구부 영역과, 제1 개구부 영역에 비해 상대적으로 전류 흐름을 덜 제한하는 제2 개구부 영역을 형성하는 복수개의 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제2 반도체층과 제2 전극 사이에 위치하며, 복수개의 개구부가 형성되는 제3 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    복수개의 개구부가 복수개의 반도체층으로 이어져 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1 개구부 영역의 개구부 밀도가 제2 개구부 영역의 개구부 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1 개구부 영역의 개구부의 크기가 제2 개구부 영역의 개구부 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 개구부 영역의 개구부의 전류 흐름에 대면하는 길이가 제2 개구부 영역의 개구부의 전류 흐름에 대면하는 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제1 개구부 영역과 제2 개구부 영역은 개구부의 밀도, 크기 전류 흐름에 대면하는 길이 중의 적어도 하나를 달리하는 것을 특징으로 반도체 발광소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제2 반도체층과 제2 전극 사이에 위치하는 형성되는 제3 전극;을 포함하며,
    복수개의 개구부는 적어도 제3 전극을 관통하여 형성되어 있는 것을 특징으 로 하는 반도체 발광소자.
  9. 청구항 7에 있어서,
    제1 전극으로부터 뻗어 있는 제1 가지 전극; 그리고,
    제2 전극으로부터 뻗어 있으며, 제1 가지 전극과 교대로 위치하여 제1 영역과 제2 영역을 형성하는 제2 가지 전극:을 포함하며,
    제1 개구부 영역이 제1 영역에 위치하고, 제2 개구부 영역이 제2 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 청구항 8에 있어서,
    반도체 발광소자는 3족 질화물 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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