KR20110083292A - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 제1 전도성을 지니는 제1 3족 질화물 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 3족 질화물 반도체층, 그리고 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 복수개의 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 본딩 패드; 제2 3족 질화물 반도체층 상에 형성되며 제2 반도체층이 노출되도록 복수개의 개구부를 구비하는 투광성 전극; 복수개의 개구부의 적어도 일부를 메우도록 형성되는 제1 전극; 그리고, 제1 3족 질화물 반도체층 상에 형성되는 제2 전극;을 포함하고 본딩 패드 및 제1 전극은 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
Description
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 와이어 본딩이 되는 패드가 떨어져 나가는 것을 개선하기 위한 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 3족 질화물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 이루어진 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
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 3족 질화물 반도체층(300), n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(500), p형 3족 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 3족 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 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 3족 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 3족 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 기재되어 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 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/154454호에는 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 기재되어 있다. 바람직하게는 n형 3족 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않는 GaN층이 성장되며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 3족 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
n형 3족 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 기재되어 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.
p형 3족 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 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 3족 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 3족 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 3족 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 3족 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 3족 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 3족 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 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 기재되어 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 기재되어 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
한편, n형 3족 질화물 반도체층(300)이나 p형 3족 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 3족 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
그러나, 이러한 발광소자는 p측 본딩 패드(700)에 와이어 본딩을 할 때, p측 본딩 패드(700)가 발광소자로부터 떨어져 나가는(peeling off) 문제가 발생할 수 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 제1 전도성을 지니는 제1 3족 질화물 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 3족 질화물 반도체층, 그리고 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 복수개의 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 본딩 패드; 제2 3족 질화물 반도체층 상에 형성되며 제2 반도체층이 노출되도록 복수개의 개구부를 구비하는 투광성 전극; 복수개의 개구부의 적어도 일부를 메우도록 형성되는 제1 전극; 그리고, 제1 3족 질화물 반도체층 상에 형성되는 제2 전극;을 포함하고 본딩 패드 및 제1 전극은 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2 및 도 3은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타낸 도면,
도 5 및 도 6은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타낸 도면,
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타낸 도면.
도 2 및 도 3은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타낸 도면,
도 5 및 도 6은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타낸 도면,
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타낸 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 2 및 도 3은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10)과, 기판(10) 위에 형성되는 버퍼층(11)과, 버퍼층(11) 위에 형성되는 제1 3족 질화물 반도체층(12)과, 제1 3족 질화물 반도체층(12) 위에 형성되고 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층(13)과, 활성층(13) 위에 형성되는 제2 3족 질화물 반도체층(14)과, 제2 3족 질화물 반도체층(14) 위에서 제1 개구부(21)를 가지도록 형성되는 투광성 전극(16)과, 제2 3족 질화물 반도체층(14) 위에 형성되는 본딩 패드(15) 및 제1 전극(17)과, 제2 3족 질화물 반도체층(14)과 활성층(13)이 식각되어 드러나는 제1 3족 질화물 반도체층(12) 위에 형성되는 제2 전극(20)을 포함한다.
제1 3족 질화물 반도체층(12)과 제2 3족 질화물 반도체층(14)은 서로 다른 도전성을 갖도록 구비되는데 본 실시예에서는 제1 3족 질화물 반도체층(12)은 n형 반도체층, 제2 3족 질화물 반도체층(14)은 p형 반도체층으로 형성하였다.
제2 3족 질화물 반도체층(14) 형성 후, 도 2에 개시된 바와 같이, 전자빔 증착기(E-beam evaporator)를 이용하여 제2 3족 질화물 반도체층(14) 위에 제1 개구부(21)가 형성되도록 투광성 전극(16)을 적층한다. 본 개시에서 제1 개구부(21)는 5 내지 10 마이크로미터의 지름을 가지며, 투광성 전극(16)의 전면이 아닌 제1 전극(17)이 형성될 위치에 형성된다. 또한 제1 개구부(21)는 제2 3족 질화물 반도체층(14)과 제1 전극(17)이 접하는 면적을 증가시키기 위한 것으로 제1 개구부(21)의 형상 및 복수의 제1 개구부(21)의 배열 형태는 특별히 제한되지 않는다.
그리고 본 실시예에서는 제1 개구부(21) 및 제1 전극(17)이 본딩 패드(15)로부터 제2 전극(20)을 향해 뻗어있는 구조가 기재되어 있으나 제1 전극(17)의 형태는 이에 한정되지 않으며 전류확산을 원활히 하기 위해 복수의 가지전극으로 뻗어나가는 형태로 형성될 수 있다.
이후, 25℃의 상온에서 6×10-6torr의 압력으로 Cr, Ni, Au층들을 순차적으로 적층하여 본딩 패드(15) 및 제1 전극(17)을 동시에 형성하는데, 이는 별도의 공정을 통해 형성될 수도 있다. 노출된 제2 3족 질화물 반도체층(14) 위에 Cr, Ni, Au층들을 적층하여 제1 개구부(21)를 메운 다음, 투광성 전극(16) 위에서 본딩 패드(15) 및 제1 전극(17)이 전기적으로 연결되도록 형성된다. 본 개시에서 제1 전극(17)은 제1 개구부(21)를 전부 메우도록 형성되었으나 일부를 메우도록 형성될 수도 있다. 또한 본 개시에서 본딩 패드(15)는 제2 3족 질화물 반도체층(14)에 접하도록 형성되었다.
이후, 3족 질화물 반도체 발광소자에 전기를 공급하기 위한 와이어가 본딩된다. 본딩 패드(15)는 와이어 본딩을 할 때, 또는 와이어 본딩이 이루어진 후 와이어에 의해 당겨지게 되어 패드가 떨어지는 필링이 발생할 수 있으나, 상기와 같이 제1 개구부(21)를 메우도록 형성된 제1 전극(17)으로 인하여 제2 3족 질화물 반도체층(14)과 접촉하는 면적이 넓어지므로 접착력이 향상되어 이러한 현상을 개선할 수 있다.
도 4는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타낸 도면으로서, 도 3과 달리 투광성 전극(16) 위에 본딩 패드(15)가 형성되고 본딩 패드(15)는 제1 전극(17)과 접촉하여 제2 3족 질화물 반도체층(14)과 전기적으로 연결된다.
도 5 및 도 6은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타낸 도면으로서, 본딩 패드(15)가 형성될 영역에 제2 개구부(18)가 형성되어 제2 3족 질화물 반도체층(14)이 노출되도록 투광성 전극(16)이 형성된다. 본 실시예에서 상기 영역에 형성되는 제2 개구부(18)는 본딩 패드(15)의 크기를 고려하여 원의 지름을 110 내지 120 마이크로미터 내외로 설정하였고 제1 전극(17)이 형성될 영역의 제1 개구부(21)는 도 3에서와 같이 5 내지 10 마이크로미터의 지름을 갖도록 형성하였으나 제1 개구부(21) 및 제2 개구부(18)의 형태, 크기가 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 25℃의 상온에서 6×10-6torr의 압력으로 Cr, Ni, Au층들을 순차적으로 적층하는데 본딩 패드(15)는 제2 개구부(18)보다 작은 크기(예: 100 마이크로미터)로 형성하고 본딩 패드(15)와 투광성 전극(16)은 도 5에 나타난 바와 같이 브릿지 형상으로 형성된 제3 전극(19)에 의해서 전기적으로 연결된다. 제3 전극(19)은 복수개 형성될 수 있으며, 전류의 원활한 공급을 위하여 방사형으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 본 실시예에서 본딩 패드(15), 제1 전극(17) 및 제3 전극(19)은 동시에 형성되는데 별도의 공정을 통해 형성될 수도 있다.
본딩 패드(15)의 외곽 테두리가 투광성 전극(16)과 접촉되어 형성되는 경우, 와이어 본딩 시, 또는 본딩 후 투광성 전극(16)과 접촉력이 약하여 본딩 패드(15)의 외곽 테두리 부분이 떨어지면서 필링(peeling)의 시발점(trigger)이 되며, 이로 인해 본딩 패드(15)와 투광성 전극(16)이 전반적으로 분리되어 필링을 유발할 수 있으나 상기와 같이 본딩 패드(15) 및 투광성 전극(16)이 격리되어 형성되고 제3 전극(19)에 의해 전기적으로 연결됨으로써 본딩 패드(15)가 제2 3족 질화물 반도체층(14)과 접촉되는 면적이 증가하여 접착력이 향상되므로 이러한 현상을 개선할 수 있다.
도 7은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타낸 도면으로서, 제2 3족 질화물 반도체층(14) 위에 제1 개구부(21)가 직사각형의 형상으로 형성되고 제1 전극(17)이 본딩 패드(15)로부터 제2 전극(20)을 향해 뻗어있는 형태로 제1 개구부(21)의 일부를 메우도록 형성되어 있다. 제1 개구부(21)가 전류의 흐름(화살표 방향)에 대해 장벽을 형성함으로써 소자의 가운데로 전류가 집중되는 현상을 방지하여 전체적인 전류확산을 원활히 할 수 있게 된다.
상기 실시예는 본 개시의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태가 모두 본 개시의 보호범위에 속함은 당연하다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 제1 전도성을 지니는 제1 3족 질화물 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 3족 질화물 반도체층, 그리고 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 복수개의 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 본딩 패드; 제2 3족 질화물 반도체층 상에 형성되며 제2 반도체층이 노출되도록 복수개의 개구부를 구비하는 투광성 전극; 복수개의 개구부의 적어도 일부를 메우도록 형성되는 제1 전극;그리고, 제1 3족 질화물 반도체층 상에 형성되는 제2 전극;을 포함하고 본딩 패드 및 제1 전극은 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(2) 본딩 패드는 투광성 전극의 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(3) 본딩 패드 및 투광성 전극을 전기적으로 연결하는 제3 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(4) 제1 전극은 본딩 패드로부터 제2 전극을 향해 뻗어있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(5) 제1 전극은 복수개의 개구부를 전부 메우도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 본딩 패드가 와이어 본딩 시 발광소자로부터 떨어져 나가는 것을 개선하여 수율을 향상시킬 수 있다.
본 개시에 따른 다른 반도체 발광소자에 의하면, 본딩 패드의 견고한 접착이 가능하며, 발광소자에 전류가 원활하게 공급될 수 있다.
Claims (6)
- 제1 전도성을 지니는 제1 3족 질화물 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 3족 질화물 반도체층, 그리고 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 위치하며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층;
복수개의 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 본딩 패드;
제2 3족 질화물 반도체층 상에 형성되며 제2 반도체층이 노출되도록 복수개의 개구부를 구비하는 투광성 전극;
복수개의 개구부의 적어도 일부를 메우도록 형성되는 제1 전극; 그리고,
제1 3족 질화물 반도체층 상에 형성되는 제2 전극;을 포함하고
본딩 패드 및 제1 전극은 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
본딩 패드는 투광성 전극의 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
본딩 패드 및 투광성 전극을 전기적으로 연결하는 제3 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
제1 전극은 본딩 패드로부터 제2 전극을 향해 뻗어있는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
제1 전극은 복수개의 개구부를 전부 메우도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
본딩 패드는 투광성 전극의 위에 형성되고,
본딩 패드 및 투광성 전극을 전기적으로 연결하는 제2 전극;을 포함하며,
제1 전극은 본딩 패드로부터 제2 전극을 향해 뻗어있으며,
제1 전극은 복수개의 개구부를 전부 메우도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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