KR20100114146A

KR20100114146A - 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR20100114146A
Application number: KR1020090032536A
Authority: KR
Inventors: 박은현; 유태경
Original assignee: 주식회사 세미콘라이트
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-10-25

Abstract

본 발명은 발광소자에서 생성된 광자의 탈출효율을 증가시켜 외부양자효율이 개선된 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 투광성 기판상에 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자에서 상기 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층의 전체영역이 상기 기판의 노출된 표면영역으로 포위되는 구조로 형성된다.

발광소자, 외부양자효율

Description

반도체 발광소자 {SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 상기 발광소자에서 생성된 광자의 탈출효율을 증가시켜 외부양자효율이 개선된 반도체 발광소자에 관한 것이다

일반적으로 반도체 발광소자인 질화물계 발광소자는 기판 상부에 여러 반도체 질화물층들이 형성되는 구조를 갖는다. 도 1은 이러한 일반적인 질화물계 발광소자의 개략 단면도를 나타낸다.

도 1을 참조하면서 일반적인 질화물계 발광소자(1)의 구조를 개략적으로 설명하면, 먼저 통상적으로 사파이어 기판(2) 상부에 N형 질화물 반도체층(3), 발광영역인 활성층(5) 및 P형 질화물 반도체층(6)이 차례로 형성된다. 또한, P형 질화물의 전기전도성이 매우 낮기 때문에 구동전류를 이의 전면에 균일하게 흘리기 위하여 P형 질화물 반도체층(6) 상에는 투광성 전도막으로 되는 P형 전극(7)이 형성되고, 그 상부에 P형 패드전극(8)이 형성된다. 그리고, N형 질화물 반도체층(3)의 일부를 식각한 영역 상에는 N형 전극(4)이 형성된다. 마지막으로, 사파이어 기판(2)의 배면을 연마한 후, 스크라이빙 공정 및 브레이킹 공정을 통하여 하나의 발 광소자로 제조된다.

따라서, 이러한 발광소자(1)에 전류를 인가하면, 전자와 정공이 활성층(5)에서 만나 광자를 생성하고, 이 광자의 일부는 발광소자(1)의 외부로 탈출함으로써 발광하게 된다. 그런데, 이러한 구조의 발광소자(1)에서는 적층구조가 원자수준으로 제어되어 상기 기판(2)의 평탄성은 거울면 수준으로 가공되고 각 층들(3-8)은 서로 평행하게 적층되므로, 결국 P형 질화물 반도체층(7)의 표면과 기판(2)의 표면에 의해 일종의 도파로가 형성된다. 그리고, 이러한 도파로에 상기 광자들이 포획되어 발광소자(1) 내부로 진행함으로써 활성층(5), P형 전극(7), N형 전극(4) 및 P형 패드전극(8) 등과 반응하여 일부는 흡수되면서 결국은 소멸하게 된다. 이렇게 활성층(5)에서 생성된 광자 중에서 발광소자(1)의 외부로 탈출하는 광자의 비율을 외부양자효율이라고 하며, 현재 질화물계 발광소자의 경우 외부양자효율은 약 10% 내외에 불과하여 조명용 발광소자의 구현을 위해서는 이보다 더 높은 외부양자효율이 요구되고 있다.

이에, 외부양자효율을 개선하기 위해 여러 측면에서의 개발이 이루어져 왔다. 그 중 하나가 활성층에서 생성된 광자들은 스넬의 법칙에 의해 탈출각도에 제한을 받는다는 원리에서 출발한다. 즉, 발광소자의 외부물질인 공기 또는 에폭시와 발광소자 구성물질 간의 굴절률의 차이가 작을수록 상기 광자들은 상기 발광소자 구성물질을 쉽게 탈출할 수 있다. 아래 표 1은 발광소자 구성물질들의 굴절률과 공기로의 탈출각을 나타낸다.

표 1

물질	굴절율	탈출각	용도
공기	1.0	·	·
에폭시	1.5	·	·
GaN	2.4	24.6°	N형 및 P형 질화물층
In_xGa₁ _- _xN	＞2.4	·	활성층
사파이어	1.8	33.7°	기판

표 1을 참조하면, 발광소자 구성물질들 중 공기 또는 에폭시와 가장 낮은 차이의 굴절율을 갖는 것은 사파이어이다. 따라서, 발광소자(1) 내에서 광자들이 사파이어 기판(2)을 통해 탈출하기 쉽도록 상기 기판(2)의 체적을 증가시키면 외부양자효율을 높일 수 있게 된다. 이를 위해, 종래에는 사파이어 기판(2)의 두께를 증가시킴으로써 이의 측면으로 탈출하는 광자의 양이 많아져서 외부양자효율을 증가시켰다. 그러나, 사파이어 기판(2)의 두께가 너무 두꺼워지면, 소자분리공정인 스크라이빙 공정 및 브레이킹 공정에서 발광소자 형상의 변이 및 깨짐이 발생하여 공정수율이 제한되는 문제가 발생하며, 또한 열전달계수가 낮은 사파이어의 체적이 증가함에 따라 발광소자 동작시 발생하는 열방출이 어려워져 히트싱크(heat sink)에 부착하더라도 소자의 신뢰도가 크게 저하되는 문제가 발생한다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명은 높은 공정수율을 가짐에도 불구하고 개선된 외부양자효율을 갖는 질화물계 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점에 의한 반도체 발광소자는 투광성 기판상에 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자에 있어서, 상기 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층의 전체영역이 상기 기판의 노출된 표면영역으로 포위될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 반도체 발광소자는 투광성 기판상에 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자에 있어서, 상기 N형 반도체층의 일부가 제거되어 단차진 N형 반도체층의 노출된 표면영역이 나머지 N형 반도체층과 상기 활성층 및 P형 반도체층의 전체영역을 포위하도록 형성되고 상기 표면영역은 요철구조로 될 수 있다.

이때, 상기 투광성 기판은 사파이어 또는 실리콘 카바이드로 될 수 있고, 그 표면은 요철구조로 될 수 있다. 또한, 상기 각 노출된 표면영역의 면적은 상기 전체영역의 면적의 20-300%로 될 수 있다.

상술한 구조를 갖는 본 발명에 의한 발광소자는 생성된 광자의 탈출효율이 우수하여 외부양자효율이 높아지는 이점을 가지며, 사파이어 기판의 두께가 두꺼워질 필요가 없으므로 이로 인한 공정수율의 향상을 기할 수 있다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하며 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 반도체 발광소자는 여러 질화물들이 형성되어 적층된 통상의 질화물계 발광소자의 적층구조를 포함할 수 있고, 또한 상술하였듯이 생성된 광자들의 탈출이 스넬의 법칙에 따른 탈출각도에 좌우되고 표 1에 나타내었듯이 발광소자 구성물질들 중 공기 또는 에폭시와 가장 낮은 차이의 굴절율을 갖는 것은 사파이어이므로, 이 사파이어로 되는 기판의 표면적을 극대화함으로써 이 기판을 통한 광자들의 탈출을 유도하여 외부양자효율을 개선할 수 있다는 사실에 착안한 것이다. 따라서, 이를 위한 본 발명의 바람직한 일 구현예는 도 2a 및 2b에 도시한 발광소자의 구조로 구현될 수 있다. 도 2a는 본 발명의 일 구현예에 의한 발광소자의 개략 평면도를, 도 2b는 도 2a에 도시된 발광소자의 개략 단면도를 각각 도시한다.

도 2a 및 2b를 참조하면, 본 구현예에서의 발광소자(100)는 투광성 기판(102) 상부에 N형 반도체층(103), 발광영역인 활성층(105) 및 P형 반도체층(106)이 차례로 형성된다. 이때, 상기 기판(102)은 사파이어 및 실리콘 카바이드를 포함한 해당 분야에서 공지된 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 N형 반도체층(103)은 n-GaN 질화물 반도체로 될 수 있고 상기 P형 반도체층(106)은 p-GaN 질화물 반도체로 될 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다. 또한, 상술하였듯이 구동전 류를 전면에 균일하게 흘리기 위하여 P형 반도체층(106) 상에는 투광성 전도막으로 되는 P형 전극(107)이 형성되고, 그 상부에 P형 패드전극(108)이 형성된다. 그리고, N형 반도체층(103)의 일부를 식각한 영역 상에는 N형 전극(104)이 형성된다. 이렇게 적층이 완료되면, 마지막으로 기판(102)의 배면을 연마한 후, 스크라이빙 공정 및 브레이킹 공정을 포함하는 통상의 공정들을 통하여 하나의 발광소자로서 제조된다.

또한, 여기서는 보다 효율적인 설명을 위하여 발광소자(100)에 있어서 N형 반도체층(103), N형 전극(104), 활성층(105), P형 반도체층(106), P형 전극(107) 및 P형 패드전극(108)으로 구성되는 영역 중에서 전자 및 정공의 주입과 광자의 생성에 필수적인 영역을 능동발광영역(130)이라 정의하고, 그 나머지 영역은 수동발광영역(120)이라고 정의한다. 즉, 본 구현예에 의한 발광소자(100)는 기판(102)의 면적을 증가시키기 위하여 도 2a 및 2b에 도시하는 바와 같이 반도체층들 및 전극들 (103-108)이 제거되어 기판(102)이 노출된 수동발광영역(120)으로써 능동발광영역(130)을 포위하도록 한다. 특히, 도 2a를 참조하면, 능동발광영역(130)을 포위하는 수동발광영역(120)의 면적은 발광소자(100)의 면적(즉, L1×W1)으로부터 능동발광영역(130)의 면적(즉, L2×W2)을 뺀 나머지인 0보다 큰 면적으로 된다. 또한, 수동발광영역(120)의 면적을 너무 크게 설정하면, 하나의 웨이퍼에서 생산되는 칩의 개수가 현저히 줄어들 뿐 아니라 외부양자효율도 포화되는 경향을 보이기 때문에, 수동발광영역(120)의 면적은 능동발광영역(130)의 면적의 20-300%로 됨이 바람직하고, 특히 50-100%로 됨이 더욱 바람직하다.

이리하여, 본 구현예에 있어서 수동발광영역(120)은 광자의 흡수가 거의 없고 낮은 굴절율로 인한 큰 탈출각도를 가지므로, 능동발광영역(130)에서 생성된 광자들을 효율적으로 외부로 탈출시키게 된다. 즉, 능동발광영역(130)에서 생성된 광자들은 모든 방향으로 진행하며, 일부는 능동발광영역(130)을 거치면서 흡수되나, 거의 대부분은 상기와 같이 증가된 표면적의 수동발광영역(120)을 통하여 탈출함으로써 외부양자효율이 크게 증가하게 된다.

또한, 일 실시예로서 도 2c에 도시하는 바와 같이 기판(102)의 표면에 요철구조(112)를 형성할 수 있다. 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 개략 단면구조도를 나타낸다.

도 2c를 참조하면, 기판(102)의 표면을 가공하여 요철구조(112)를 갖도록 하면, 활성층(105)에서 생성된 광자들을 기판(102)으로 더 많이 집중시킬 수 있어 더욱 효과적으로 외부로 탈출시킬 수 있게 된다. 이러한 요철구조(112)는 포토케미컬 등의 습식식각방식과, 마스크 물질(예를 들어, 금속, 전도성 투명막, 산화막 등)을 이용한 건식식각방식을 포함하는 해당 분야에 공지된 방법으로 형성될 수 있다.

도 3은 본 구현예에 의한 발광소자에 있어서 수동발광영역(120)과 능동발광영역(130)의 면적비에 따른 외부양자효율의 그래프를 나타낸다. 이때, 보다 상세하게는 능동발광영역(130)의 면적은 350㎛×350㎛으로 설계되었고 반도체층들의 높이는 6㎛이며 기판(102)의 두께는 100㎛였다. 또한, 발광소자(100)의 면적은 폭과 길이가 동일 값을 갖는 정사각형으로 설계되었고 소자의 면적을 증가시키면서 이에 따른 상대적 광출력값(relative optical power)을 측정하여 그래프로 도시하였다.

도 3을 참조하면, 발광소자(100)의 면적이 증가함에 따라, 즉 수동발광영역(120)의 면적이 증가함에 따라 18-20%의 외부양자효율 개선이 이루어졌음을 알 수 있다.

또한, 다른 일 실시예에 의하면, 도 2a-2c와 같이 기판(102) 일부를 드러내지 않고, 도 4a와 같이 표면에 요철구조를 갖는 일부 N형 반도체층(103)으로서 수동발광영역(120)을 형성할 수 있다. 도 4a는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 발광소자의 개략 단면구조도를 도시한다.

도 4a를 참조하면, 본 실시예에 의한 발광소자(100)는 도 2a 및 2b와 같이 수동발광영역(120)이 기판(102)으로 되지 아니하고 일부 단차진 N형 반도체층(103a)으로 되며, 이 단차진 N형 반도체층(103a)의 표면은 요철구조(113)를 갖는다. 즉, 본 실시예에서는 반도체층들 및 전극들 (103-108)을 제거하되 주연부의 N형 반도체층(103a)은 완전히 제거하지 않고 그 일부만을 단차지도록 제거함으로써, 형성된 N형 반도체층(103a)은 능동발광영역(130)을 포위하게 된다. 그리고, 상기 단차진 N형 반도체층(103a)의 표면에 요철구조(113)를 형성하며, 이의 방법은 상술한 바와 같다. 이리하면, 활성층(105)에서 생성된 광자들이 기판(102)의 상면을 통해서 통과하지 못하고 바로 질화물로 통과하게 된다 하더라도, 수동발광영역(120)의 질화물 표면에는 소자의 특성에 영향을 미치지 않으면서 쉽게 요철구조 또는 거친 표면(113)을 만들 수 있으므로, 이 또한 외부 양자 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 다른 일 실시예에 의하면, 도 4a의 실시예에 있어서 도 2c의 실시예와 같이 표면에 요철구조를 갖는 기판(102)을 형성할 수도 있다. 이를 도 4b에 도시하며, 도 4b는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 발광소자의 개략 단면구조도이다.

이 경우, 생성된 광자들은 기판(102)의 상면에 집중되어 탈출할 수 있고 또한 단차진 N형 반도체층(103a)을 통하여 탈출할 수 있게 된다.

전술한 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예들은 모두 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 일반적인 질화물계 발광소자의 개략 단면도.

도 2a는 본 발명의 일 구현예에 의한 발광소자의 개략 평면도.

도 2b는 도 2a에 도시된 발광소자에서 선 A-B를 기준으로 한 개략 단면도.

도 2c는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 개략 단면구조도

도 3은 본 구현예에 의한 발광소자에 있어서 수동발광영역과 능동발광영역의 면적비에 따른 외부양자효율의 그래프.

도 4a는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 발광소자의 개략 단면구조도.

도 4b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 발광소자의 개략 단면구조도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 질화물계 발광소자, 102: 투광성 기판, 103: N형 반도체층, 103a: 단차진 부분의 N형 반도체층, 104: N형 전극, 105: 활성층, 106: P형 반도체층, 107: P형 전극, 108: P형 패드전극, 112 및 113: 요철구조

Claims

투광성 기판상에 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자에 있어서,

상기 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층의 전체영역이 상기 기판의 노출된 표면영역으로 포위되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
투광성 기판상에 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자에 있어서,

상기 N형 반도체층의 일부가 제거되어 단차진 N형 반도체층의 노출된 표면영역이 나머지 N형 반도체층과 상기 활성층 및 P형 반도체층의 전체영역을 포위하도록 형성되고 상기 표면영역은 요철구조로 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 투광성 기판은 사파이어 또는 실리콘 카바이드로 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 투광성 기판의 표면은 요철구조로 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발 광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 노출된 표면영역의 면적은 상기 전체영역의 면적의 20-300%로 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.