KR20110027296A - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 상기 발광구조물의 일부가 제거된 캐버티 상에 형성된 절연층; 및 상기 발광구조물 상에 형성된 제2 전극;을 포함한다.
발광소자, 고효율

Description

발광소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device: LED)는 전기에너지가 빛에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 생성될 수 있다. LED는 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 에너지 갭에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 LED가 되는 것이다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
종래기술에 의한 수직형 발광소자는 전류주입을 위해 n형 전극과 p형 전극이 각각 상,하에 형성되는데 n형 전극 아래에서 방출된 빛은 n형 전극의 반사로 인해 발광효율이 감소하며, n형 전극에 의해 반사된 빛의 재흡수로 열이 발생하는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 전류밀집(current crowding)으로 인한 수명 및 신뢰성이 저하하는 문제가 있다.
실시예는 전류 스프레딩(current spreading) 효율을 높일 뿐만 아니라 광추출 효율(light extraction efficiency)을 향상시킬 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 상기 발광구조물의 일부가 제거된 캐버티 상에 형성된 절연층; 및 상기 발광구조물 상에 형성된 제2 전극;을 포함한다.
또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 발광구조물의 일부를 제거하여 캐버티를 형성하는 단계; 상기 캐버티 상에 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 효율적인 전류흐름(current flow) 조절로 광 추출효율(light extraction efficiency)을 증가시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 전류스프레딩(current spreading)으로 발광소자의 신뢰성을 향상시킬수 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층(130), 활성층(120), 제1 도전형 반도체층(110)을 포함하는 발광구조물을 포함하고, 상기 발광구조물의 일부가 제거된 캐버티(C) 상에 형성된 절연층(140)을 포함하며, 상기 발광구조물 상에 제2 전극(150)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자에 의하면, 효율적인 전류흐름(current flow) 조절로 광 추출효율(light extraction efficiency)을 증가시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 전류스프레딩(current spreading)으로 발광소자의 신뢰성을 향상시킬수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설 명한다.
먼저, 도 2와 같이 제1 기판(100)을 준비한다. 상기 제1 기판(100)은 사파이어(Al2O3) 기판, SiC 기판 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 기판(100)에 대해 습식세척을 실시하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
이후, 상기 제1 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(110)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
이때, 실시예는 상기 제1 기판(100) 상에 언도프트(undoped) 반도체층(미도시)을 형성하고, 상기 언도프트 반도체층 상에 제1 도전형 반도체층(110)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(100) 상에 undoped GaN층을 형성하고, n형 GaN층(110)을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 활성층(120)을 형성한다. 상기 활성층(120)은 제1 도전형 반도체층(110)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(120)은 에너지 밴드가 서로 다른 질화물 반도체 박막층을 교대 로 한 번 혹은 여러 번 적층하여 이루어지는 양자우물구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(120)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 InGaN/GaN, InGaN/InGaN 구조를 갖는 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 상기 활성층(120) 상에 제2 도전형 반도체층(130)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(130)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 3과 같이 상기 제2 도전형 반도체층(130), 상기 활성층(120), 상기 제1 도전형 반도체층(110)을 일부 제거하여 캐버티(C)를 형성한다. 상기 캐버티(C)는 움푹들어간 곳, 홈, 도랑, 트렌치 등의 의미를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이후 형성될 제1 전극(160)의 수직 아래에 해당하는 일부분의 제2 도전형 반도체층(130)에서 시작해서 제1 도전형 반도체층(110)의 일부가 나타날 때까지 식각을 진행할 수 있다. 캐버티(C)를 형성하기 위한 식각은 건식식각 또는 습식식각으로 진행될 수 있다.
실시예에서 캐버티(C)는 제2 도전형 반도체층(130)에서 시작해서 활성층(120)까지 식각되거나 제1 도전형 반도체층(110)의 일부가 식각될 수도 있다.
실시예에서 제1 전극(160)의 수직 아래의 캐버티(C) 영역은 활성층(120)이 없으므로 캐리어(전자 및 홀)의 결합에 의한 빛의 생성은 일어나지 않는다.
즉, 실시예에 의하면 캐버티(C)가 형성되는 영역에는 전류의 공급이 원활하지 않아 캐버티(C) 상측에서는 발광이 발생하지 않고, 이에 따라 캐버티(C) 상측에 존재하는 제1 전극(160)에 의한 빛의 흡수를 최소화할 수 있다.
또한, 도 6과 같이 실시예에서 캐버티는 상부와 하부의 폭이 다를 수 있다. 예를 들어, 발광구조물의 결정방향을 고려한 식각에 의해 소정의 경사를 가질 수 있다. 이에 따라 발광된 빛 중 절연층(140)에 흡수되지 않은 빛은 반사되어 외부로 추출될 수 있다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 캐버티(C) 상에 절연층(140)을 형성한다. 예를 들어, SiN, SiO2 등과 같은 질화막, 산화막 등의 유전체층 등의 절연층(140)을 캐버티(C) 상에 형성할 수 있다.
실시예에서 상기 절연층(140)은 절연층 자체가 반사율이 50%인 경우 또는 발광구조물의 반도체층과 절연층의 굴절률 차이에 의한 반사율이 50%이상일 수 있다.
이에 따라 활성층에서 발생된 빛이 절연층(140)에 의한 흡수를 줄일 수 있어 광추출 효율을 높일 수 있다.
이후 상기 제2 도전형 반도체층(130)과 상기 절연층(140) 상에 제2 전극(150)을 형성한다.
상기 제2 전극(150)은 오믹층(미도시), 반사층(152), 결합층(미도시), 전도층(154) 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 전극(150)은 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 또는 불순물이 주입된 반도 체 기판 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(150)은 오믹층을 포함할 수 있으며, 정공주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 오믹층은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
또한, 상기 제2 전극(150)은 반사층(152)이나 결합층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(150)이 반사층(152)을 포함하는 경우 Al, Ag, 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
실시예에에 의하면 발광된 빛이 제2 전극(150)의 반사층(152)에 의해 반사되어 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 도 6과 같이 상기 캐버티(C)가 상측에서 하측으로 폭이 넓어지게 형성되는 경우 활성층에서 발생된 빛과 반사층에 의해 반사된 빛은 제2 절연층(142)에 의해 발광구조물 상측으로 효율적으로 반사되어 광추출효율이 증대될 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 제2 전극층(150)이 결합층을 포함하는 경우 상기 반사층이 결합층의 기능을 하거나, 니켈(Ni), 금(Au) 등을 이용하여 결합층을 형성할 수 있다.
한편, 도 5에서 절연층(140)이 캐버티(C)의 전부를 메우는 형태로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것이 아니며, 도 7과 같이 상기 캐버티(C)를 일부 메우는 형태로 형성될 수도 있다. 이에 따라 제2 반사층(153)이 캐버티(C)의 일부에 존재함으로써 제3 절연층(143)을 투과한 빛을 반사하여 광추출 효율을 높일 수 있다.
이후, 도 5와 같이 상기 반사층(152) 상에 전도층(154)을 형성할 수 있다. 상기 전도층(154)은 효율적으로 정공을 주입할 수 있도록 전기 전도성이 우수한 금속, 금속합금, 혹은 전도성 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 전도층(154)은 구리(Cu), 구리합금(Cu Alloy) 또는 Si, Mo, SiGe 등일 수 있다. 상기 전도층(154)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 공융금속을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 상기 제1 기판(100)은 제거될 수 있다. 예를 들어, 고출력의 레이저를 이용(laser lift-off)하여 제1 기판(100)을 분리하거나 화학적 식각 방법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판(100)은 물리적으로 갈아냄으로써 제거할 수도 있다.
이후, 상기 제1 기판(100)의 제거에 따라 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 제1 전극(160)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(160)은 상기 캐버티(C)와 공간적으로 오버랩되도록 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 형성될 수 있다.
실시예에서 제1 전극(160)의 수직 아래의 캐버티(C) 영역은 활성층(120)이 없으므로 캐리어(전자 및 홀)의 결합에 의한 빛의 생성은 일어나지 않는다.
실시예에서 식각된 영역인 캐버티(C)는 절연층(140)으로 덮여있어 전류가 흐 르지 않고 그 외의 영역으로 전류가 확산된다. 즉, 캐버티는 절연층(140)으로 덮여있어 전류차단층(CBL:current blocking layer)의 역할을 한다. 그러므로 효율적인 전류흐름으로 신뢰성 향상뿐만 아니라 제1 전극에 의한 빛의 흡수를 최소화 할 수 있어 광량증가의 효과가 있다.
또한, 실시예에 의하면 제2 절연층에 반사기울기를 형성하거나, 제3 절연층 내에 반사층을 도입하여 광 추출효율(light extraction efficiency)를 증가시킬 수 있으며, 광출력 파워(Light output power)를 증가시킬 수 있다.
실시예에 의하면 전류 스프레딩(current spreading) 효율을 높일 뿐만 아니라 광추출 효율(light extraction efficiency)을 함께 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 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.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도.
도 6은 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도.

Claims (19)

  1. 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물;
    상기 발광구조물의 일부가 제거된 캐버티 상에 형성된 절연층; 및
    상기 발광구조물 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발광구조물의 일부를 제거하여 형성되는 캐버티는,
    상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 노출될 때까지 상기 제2 도전형 반도체층에서 부터 상기 활성층 까지 일부 제거된 캐버티인 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 발광구조물의 일부를 제거하여 형성되는 캐버티는,
    상기 제2 도전형 반도체층에서 부터 상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 제거된 캐버티인 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 캐버티는
    상측과 하측의 폭이 다른 발광소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 발광구조물 상에 제2 전극은,
    상기 절연층과 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사층;
    상기 반사층 상에 전도층;을 포함하는 발광소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 캐버티 상에 절연층은,
    상기 캐버티를 메우도록 형성된 절연층을 포함하는 발광소자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 캐버티 상에 절연층은,
    상기 캐버티의 일부에 형성된 절연층을 포함하는 발광소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 발광구조물 상에 제2 전극은,
    상기 캐버티 내의 절연층과 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사층;
    상기 반사층 상에 전도층;을 포함하는 발광소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 제1 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극과 상기 캐버티의 일부는 공간적으로 오버랩되는 발광소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 절연층은
    반사율이 50% 이상인 절연층을 포함하는 발광소자.
  11. 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계;
    상기 발광구조물의 일부를 제거하여 캐버티를 형성하는 단계;
    상기 캐버티 상에 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 발광구조물의 일부를 제거하여 형성되는 캐버티는,
    상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 노출될 때까지 상기 제2 도전형 반도체층에서 부터 상기 활성층 까지 일부 제거된 캐버티인 발광소자의 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 캐버티는
    상측과 하측의 폭이 다른 발광소자의 제조방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 캐버티는
    상측에서 하측으로 폭이 넓어지는 발광소자의 제조방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계는,
    상기 절연층과 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사층을 형성하는 단계;
    상기 반사층 상에 전도층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 캐버티 상에 절연층을 형성하는 단계는,
    상기 캐버티를 메우도록 절연층을 형성하는 발광소자의 제조방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 캐버티 상에 절연층을 형성하는 단계는,
    상기 캐버티의 일부에 절연층을 형성하는 발광소자의 제조방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 발광구조물 상에 제2 전극을 형성하는 단계는,
    상기 캐버티 내의 절연층과 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사층을 형성하는 단계;
    상기 반사층 상에 전도층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 전극과 상기 캐버티의 일부는 공간적으로 오버랩되는 발광소자의 제조방법.
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