KR20110084645A

KR20110084645A - 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR20110084645A
Application number: KR1020100004302A
Authority: KR
Inventors: 김태훈; 허원구; 김기범; 최승우; 신영철
Original assignee: 삼성엘이디 주식회사
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2011-07-26

Abstract

반도체 발광소자가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물; 상기 발광구조물 상에 형성되며, 출광면에 요철이 구비된 투명전극; 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결되는 n형 및 p형 전극; 및 상기 투명전극과 상기 n형 및 p형 전극을 보호하도록 구비되는 페시베이션층;을 포함할 수 있다.

Description

반도체 발광소자{Semiconductor Light Emitting Device}

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체층을 구성하는 물질과 공기 또는 봉합물질(encapsulating materials)과의 굴절률 차이에 따른 전반사 발생을 억제하여 광출력 손실을 줄이고, 광투과 효율을 최대화할 수 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

근래에 반도체 발광소자, 예를 들면 발광 다이오드는 녹색, 청색 및 자외 영역까지의 광을 생성할 수 있으며 지속적인 기술 발전으로 인해 그 휘도가 비약적으로 향상됨에 따라 총천연색 전광판, 조명장치 등의 분야에도 확대 적용되고 있다. 특히, GaN를 비롯한 질화물을 이용한 질화물 반도체는 그 우수한 물리, 화학적 특성에 기인하여 현재 광전재료 및 전자소자의 핵심 소재로 각광 받고 있다.

이러한 질화계 백색 발광 다이오드에 있어서 가장 이슈가 되고 있는 문제중 하나는 낮은 발광 효율이다. 이러한 발광 효율은 빛의 생성 효율과 소자 밖으로 빛이 추출되는 효율 그리고 형광체에 의해 빛이 증폭되는 효율에 의해 결정되며, 현재 가장 문제가 되는 부분은 소자 밖으로 빛이 추출되는 효율이 낮다는 것이다.

소자 밖으로 빛이 추출되는데 있어 가장 큰 장애는 전반사(total internal reflection)로, 소자 레이어 경계면에서 굴절률의 차이에 기인하여 생성된 빛의 일부(대략 20%)만이 계면 밖으로 빠져나갈 수 있으며, 임계각 이상의 각도로 입사하는 빛은 다시 소자 내부로 반사된다.

이처럼 경계면에서 전반사되어 소자 밖으로 빠져나가지 못한 빛은 소자 내부에서 열로 전환되어 소멸되며, 결과적으로 소자에서 발생하는 열 발생량을 증가시키고, 발광 효율을 저하시키며, 소자의 수명을 단축시키는 문제점을 발생시킨다.

본 발명의 목적은 광추출 효율이 우수하도록 고안된 구조를 갖는 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물; 상기 발광구조물 상에 형성되며, 출광면에 요철이 구비된 투명전극; 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결되는 n형 및 p형 전극; 및 상기 투명전극과 상기 n형 및 p형 전극을 보호하도록 구비되는 페시베이션층;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 투명전극은 광 진행방향으로 굴절률 분포가 점차 감소되는 요철 구조로 형성된 가변식-굴절률층(gradual refractive index layer)이 출광면에 구비될 수 있다.

또한, 상기 투명전극이 상기 가변식-굴절률층의 요철 구조를 가지기 위한 다음의 조건식(zero's diffraction 조건)을 만족시킬 수 있다.

(조건식)

여기서,

Λ: 주기(period), λ: 파장, n_s: 가변식-굴절률층 구조를 통해 빛이 투과되어지는 방향의 물질의 굴절률, n_i: 가변식-굴절률층 구조를 통해 빛이 입사되어지는 방향의 물질의 굴절률, max(n_s, n_i): 가변식-굴절률층 구조를 이루는 구조에서의 굴절률이 높은 물질의 굴절률, θ_max: n_i에서 n_s로 빛이 입사될 때 발생하는 빛의 탈출원뿔각도(escape cone angle)이다.

또한, 상기 요철은 단면 형상이 삼각형 구조 또는 사다리꼴 구조를 가지는 콘 상태로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 요철은 상기 투명전극의 출광면을 따라서 선단 사이의 간격이 일정하게 규칙적으로 배열될 수 있다.

또한, 상기 요철은 서로 상이한 크기의 단면을 가지며, 상기 투명전극의 출광면을 따라서 불규칙하게 배열될 수 있다.

본 발명에 따르면 패시베이션 층과 접하는 투명전극층의 출광면에 요철을 구비함으로써 투명전극층에서 패시베이션층까지 굴절률을 점진적으로 변화시켜 굴절률 차이에 의한 전반사의 발생을 최소화하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 A영역을 확대한 것으로 가변식-굴절률층을 구비하는 투명전극층과 패시베이션층 사이의 계면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 가변식 굴절률층과 패시베이션층 사이의 굴절률이 점진적으로 감소되는 요철 구조에서의 광의 경로를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 2의 가변식-굴절률층을 이루는 요철 구조의 다양한 실시예를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자에 관한 사항을 도면을 참조하여 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 A영역을 확대한 것으로 가변식-굴절률층을 구비하는 투명전극층과 패시베이션층 사이의 계면을 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2의 가변식 굴절률층과 패시베이션층 사이의 굴절률이 점진적으로 감소되는 요철 구조에서의 광의 경로를 예시적으로 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 발광소자는 기판(10) 상에 발광구조물(20)이 형성된 구조이며, 여기서 발광구조물(20)은 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(21), 활성층(22) 및 제2 도전형 반도체층(23)을 구비한다. 메사 식각된 제1 도전형 반도체층(21) 상에는 n형 전극(41)이 형성되며, 제2 도전형 반도체층(23) 상에는 p형 전극(42)이 형성되는데, 전류 확산의 향상을 위해 제2 도전형 반도체층(23)과 p형 전극(42) 사이에는 투명전극층(30)이 개재된다. 그리고, 투명전극층(30)과 n형 및 p형 전극(41,42)을 보호하도록 페시베이션층(50)이 상부에 구비된다.

기판(10)은 질화물 반도체층의 성장을 위해 제공되는 성장용 기판으로서 사파이어 기판을 사용할 수 있다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 격자간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 특징이 있다. 이 경우, C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 하지만, 본 실시예에서 기판(10)은 사파이어 기판으로 제한되는 것은 아니며, 사파이어 기판 대신 Si, ZnO, GaAs, MgAl₂O₄, MgO, LiAlO₂, LiGaO₂, GaN 등의 물질로 이루어진 기판도 사용 가능하다.

한편, 상기 기판(10)상에는 미도시된 버퍼층이 구비될 수 있으며, 이러한 버퍼층은 상기 기판(10)과 n형 질화물 반도체층(21) 사이의 격자부정합을 완화하기 위해 제공되는 층으로 AlN 또는 GaN을 포함하는 저온핵성장층일 수 있다.

상기 기판(10)상에 형성되는 제1 및 제2 도전형 반도체층(21,23)은 각각 n형 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 따라서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 본 실시예의 경우, 제1 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

제1 도전형 반도체층(21)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로 GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 그리고, 제1 도전형 반도체층(21)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(21)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE) 또는 하이브리드 기상증착법(Hybride Vapor Phase Epitaxy : HVPE)과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 기판(10) 상에 성장시킴으로써 형성될 수 있다.

제1 도전형 반도체층(21)상에 형성되는 활성층(22)은 전자와 정공이 재결합하여 빛을 발광하기 위한 층으로서, 통상 InGaN층을 양자우물층으로 하고, (Al)GaN층을 양자장벽층(barrier layer)으로 하여 서로 교대로 배치시켜 형성된 다중양자우물구조(MQW)를 가진다. 청색 발광다이오드에서는 InGaN/GaN 등의 다중양자우물구조, 자외선 발광다이오드에서는 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN 및 InGaN/AlGaN 등의 다중양자우물구조가 사용되고 있다. 이러한 활성층(22)의 효율 향상에 대해서는, In 또는 Al의 조성비율을 변화시킴으로써 빛의 파장을 조절하거나, 활성층(22) 내의 양자우물층의 깊이, 활성층의 수, 두께 등을 변화시킴으로써 발광다이오드의 내부 양자 효율을 향상시키고 있다. 상기 활성층(22)은 상기 제1 도전형 반도체층(21)과 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 제1 도전형 반도체층(21) 상에 형성될 수 있다.

제2 도전형 반도체층(23)은 제1 도전형 반도체층(21)과 마찬가지로, Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로는 GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 이러한 제2 도전형 반도체층(23)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 있다. 제2 도전형 반도체층(23)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 활성층(22) 상에 성장시킴으로써 형성될 수 있다.

제1 도전형 반도체층(21)과 제2 도전형 반도체층(23) 상에는 전류의 공급을 위한 n형 전극(41)과 p형 전극(42)이 각각 형성되어 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(21,23)과 각각 전기적으로 연결된다. 이에 따라 n형 전극(41)과 p형 전극(42)을 통해 전류를 공급함으로써 광을 방출할 수 있다. 그리고, 제2 도전형 반도체층(23)과 p형 전극(42) 사이에는 투명전극층(30)이 개재될 수 있다.

상기 n형 전극(41)은 상기 제1 도전형 반도체층(21) 상에 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 상기 n형 전극(41)은 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 제1 도전형 반도체층(21) 상에 형성될 수 있다.

상기 p형 전극(42)은 상기 투명전극층(30) 상에 형성된다. 상기 p형 전극(42)은 와이어 본딩을 통해 리드 상에 탑재될 최외곽 전극층으로서, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금을 재료로 하여 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.

상기 투명전극층(30)은 제2 도전형 반도체층(23)의 상면의 거의 전 영역에 형성되는 것이 바람직하며, 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 제2 도전형 반도체층(23)과의 접촉저항을 낮추는데 적절하면서 동시에 상기 활성층(22)에서 생성되는 광이 상부로 방출되기 위해 양호한 투광성을 갖는 물질로 형성될 것이 요구된다.

일반적으로 상기 투명전극층(30)은 접촉저항은 비교적 높으나 양호한 투광성을 확보하기 위해 인듐-주석계 산화물(ITO), 인듐 산화물(IO), 주석계 산화물(SnO₂), 아연계 산화물(ZnO) 및 인듐-아연계 산화물(IZO)로 구성된 그룹으로부터 선택된 산화물로 이루어진 적어도 한 개의 층으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 투명전극층(30)은 동작 전압의 감소 및 빛의 외부 방출 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 투명전극층(30)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD) 및 전자빔 증발법(E-beam evaporator)과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 공정에 의해 형성될 수 있으며, 오믹콘택의 특성을 향상시키기 위해서 약 400℃ 내지 900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.

메사 식각된 제1 도전형 반도체층(21)과 투명전극층(30)의 상부에는 패시베이션층(50)이 증착을 통해 구비될 수 있다. 특히 패시베이션층(50)은 투명전극층(30) 위에서 벌크 리키지(bulk leakage) 불량을 적게 하기 위한 것으로 SiO₂, SiN_x, 에폭시 등으로 이루어질 수 있다.

한편, 기존에 고휘도 발광다이오드의 제작을 위해 소자구조의 최적화를 위한 가장 중요한 문제점 중 하나는 빛이 제 2 도전형 반도체층(23)에서 나와 투명전극층(30)을 통과하여 반도체 외부로 방출되는데 있어 투명전극층(굴절률 2.0)(30)과 투명전극층 상에 구비되는 패시베이션층(굴절률 1.46)(50) 사이의 계면에서 굴절률 차이에 의해 전반사되어 반도체 외부로 빠져나가지 못하고 재료 내에 갇히게 된다. 이러한 전반사되는 빛은 대부분 재료 및 기판물질 등에 흡수되어 소자 외부로 빠져 나오지 못하고 소멸되기 때문에 소자의 실제 외부 방출 효율이 저하된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 패시베이션층(50)과 접하는 투명전극층(30)의 출광면에 패터닝된 요철 구조(31)를 형성하며, 이에 따라 임계각을 증가시킴으로써 소자 내부에서 생성된 빛을 외부로 방출시키는 효과를 극대화하도록 할 수 있다.

특히, 본 실시예의 경우 상기 투명전극층(30)은 광 진행방향으로 굴절률 분포가 점차 감소되는 요철 구조로 형성된 가변식-굴절률층(gradual refractive index layer)구조가 출광면에 구비되는 것이 특징이다.

가변식-굴절률층 구조는 표면에 zero's deffraction law를 만족하는 미세 구조가 형성됨으로써 Bruggeman Effective Medium Theory에 의하여 굴절률을 연속적으로 변화시켜 빛의 반사를 억제하도록 하는 구조를 가리킨다. 미세 구조가 기재 표면의 법선 방향(O)으로 신장하고, 또한 미세 구조가 선단을 향해 가늘어짐으로써 계면에서의 전반사율을 대폭 저하시키며, 임계각의 증가로 인하여 광 추출 효율을 극대화 시킬 수 있다.

그리고, 상기 투명전극층(30)이 가변식-굴절률층의 요철 구조를 가지기 위해서는 다음의 조건식(zero's diffraction 조건)을 만족시키는 것이 필요하다.

(조건식)

여기서, Λ는 주기(period), λ는 파장, n_s는 가변식-굴절률층 구조를 통해 빛이 투과되어지는 방향의 물질의 굴절률, n_i는 가변식-굴절률층 구조를 통해 빛이 입사되어지는 방향의 물질의 굴절률, max(n_s, n_i)는 가변식-굴절률층 구조를 이루는 구조에서의 굴절률이 높은 물질의 굴절률, θ_max는 n_i에서 n_s로 빛이 입사될 때 발생하는 빛의 탈출원뿔각도(escape cone angle)이다.

따라서, 도면에서와 같이 투명전극층(30)과 패시베이션층(50)의 계면에서 zero's diffraction law를 만족시키는 미세 구조의 요철(31)이 형상화되면 소자에서 유효 굴절률(effective refractive index)을 효과적으로 변화시킬 수 있다.

도 3은 가변식-굴절률층의 요철 구조를 예시한 것으로 상기 도 3에서는 4개의 상이한 굴절률층을 통해 출광면 방향으로 굴절률이 점차 감소하는 구조로 형성되어 있다. 상기와 같이 빛이 방출되는 방향으로 투명전극층(30)에서 패시베이션층(50)까지 굴절률을 점진적으로 감소시키는 경우 패시베이션층(50)과의 굴절률 차이가 없어 계면에서 발생하는 전반사율을 대폭 저하시키고, 임계각의 증가로 도시한 예시적인 광경로와 같이 빛의 추출이 보다 용이하게 되어 광추출 향상에 기여하게 된다.

이러한 가변식-굴절률층을 구비하는 투명전극층(30)은 각각 TiO₂, GaP, SiNy, ZrO₂, ITO, Al₂O₃, MgO, SiO₂, CaF₂ 및 MgF₂로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.

그리고, 가변식-굴절률층을 이루는 미세 구조, 즉 요철(31)은 출광면으로부터 광 진행방향으로 굴절률이 점진적으로 작아지도록 구성된다. 따라서, 도면에서와 는이 요철(31)은 단면 형상이 삼각형 구조 또는 사다리꼴 구조를 가지는 콘 상태로 이루어지는 것이 바람직하며, 도 4a에서처럼 상기 투명전극층(30)의 출광면을 따라서 그 선단 사이의 간격이 일정하게 규칙적으로 배열되도록 형성될 수 있다. 또한, 도 4b 및 도 4c에서 처럼 상기 요철(31)은 서로 상이한 크기의 단면을 가지며, 상기 투명전극층(30)의 출광면을 따라서 불규칙하게 배열되도록 형성될 수도 있다. 그리고, 도 4d에서처럼 사다리꼴 형상으로 형성될 수도 있다.

미세 패턴의 요철 구조는 경사증착방법(oblique deposition method), 임프린트, 홀로그램 리소그래피, i-line photography, KrF photography, ArF photography 등을 통해서 형성될 수 있다.

10....... 기판 20....... 발광구조물
21....... 제1 도전형 반도체층 22....... 활성층
23....... 제2 도전형 반도체층 30....... 투명전극층
41....... n형 전극 42....... p형 전극
50....... 페시베이션층

Claims

기판;
상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물;
상기 발광구조물 상에 형성되며, 출광면에 요철이 구비된 투명전극;
상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결되는 n형 및 p형 전극; 및
상기 투명전극과 상기 n형 및 p형 전극을 보호하도록 구비되는 페시베이션층;
을 포함하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 투명전극은 광 진행방향으로 굴절률 분포가 점차 감소되는 요철 구조로 형성된 가변식-굴절률층(gradual refractive index layer)이 출광면에 구비된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,
상기 투명전극이 상기 가변식-굴절률층의 요철 구조를 가지기 위한 다음의 조건식(zero's diffraction 조건)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(조건식)

여기서,
Λ: 주기(period)
λ: 파장
n_s: 가변식-굴절률층 구조를 통해 빛이 투과되어지는 방향의 물질의 굴절률
n_i: 가변식-굴절률층 구조를 통해 빛이 입사되어지는 방향의 물질의 굴절률
max(n_s, n_i): 가변식-굴절률층 구조를 이루는 구조에서의 굴절률이 높은 물질의 굴절률
θ_max: n_i에서 n_s로 빛이 입사될 때 발생하는 빛의 탈출원뿔각도(escape cone angle)
제2항에 있어서,
상기 요철은 단면 형상이 삼각형 구조 또는 사다리꼴 구조를 가지는 콘 상태로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,
상기 요철은 상기 투명전극의 출광면을 따라서 선단 사이의 간격이 일정하게 규칙적으로 배열된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,
상기 요철은 서로 상이한 크기의 단면을 가지며, 상기 투명전극의 출광면을 따라서 불규칙하게 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.