KR20110101574A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전류 분산을 균일하게 시킴으로써 광도 및 소자의 신뢰성을 향상시키도록 한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 기판상에 순차적으로 형성된 제 1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층상에 형성되는 투명전극과, 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층상에 형성되는 제 1 전극과, 상기 투명전극상에 형성되고 상기 제 1 전극에 근접할수록 선폭이 줄어드는 제 2 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 소자의 균일한 전류확산을 위해 최적의 전극 설계를 하여 발광소자의 광 추출 효율 및 신뢰성을 개선하도록 한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 결정성장을 위한 격자정합조건을 만족하는 사파이어기판이나 SiC기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, 통상적으로 p형 및 n형 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 플래너(planar) 구조를 갖는다.
이러한 플래너 구조 질화물 발광소자는, 2개의 전극이 발광구조물 상하면에 각각 배치된 버티컬(vertical) 구조 발광소자에 비해 전류가 전체 발광영역에 균일하게 분산되지 못하므로, 발광에 가담하는 유효면적이 크지 못하고, 발광면적당 발광효율도 낮다는 문제가 있다.
특히, 조명용과 같은 고출력이 요구되는 비교적 큰 면적을 갖는 발광소자에서 이러한 전류분산문제는 보다 심각해진다.
도 1은 종래 기술에 의한 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이다.
종래 기술에 의한 질화물 반도체 발광소자는 전류분산문제를 해결하기 위해서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전체면적에 거쳐 전극 구조를 연장시키는 방안이 주로 사용된다.
즉, 기판(11)상에 형성되는 버퍼층(12)과, 상기 버퍼층(12)상에 n형 질화물 반도체층(13), 활성층(14) 및 p형 질화물 반도체층(15)이 순차적으로 적층된 질화물 반도체 발광소자(10)가 도시되어 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(15) 상에는 오믹콘택을 위한 투명전극(16)이 추가로 형성되어 있다.
상기 질화물 반도체 발광소자(10) 상면에서 상기 n형 질화물 반도체층(13)과 접속될 제 1 전극이 형성될 영역에는 메사에칭을 적용하여 n형 질화물 반도체층(13)의 상면을 노출시킨다. 상기 노출된 n형 질화물 반도체층(13)과 상기 p형 질화물 반도체층(15) 상에는 각각 제 1 및 제 2 전극(17,18)을 형성한다.
상기 제 1 및 제 2 전극(17,18)은 각각 와이어 본딩시의 콘택영역에 형성된 제 1 및 제 2 본딩패드(17a,18a)와 그로부터 연장된 제 1 및 제 2 연장전극(17b,18b)으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 및 제 2 본딩패드(17a,18a)는 대향하는 양변에 위치하고, 상기 제 1 연장전극(17b)은 상기 제 2 본딩패드(18a)를 향해 양변을 따라 연장되며, 상기 제 2 연장전극(18b)은 상기 제 1 연장전극(17b)이 양측에 일정한 간격으로 위치하도록 중심부를 따라 연장된다.
이와 같이, 제 1 및 제 2 전극(17,18)은 상기 제 1 및 제 2 연장전극(17b,18b)을 이용하여 비교적 일정한 간격으로 배열될 수 있다.
또한, 전류 확산의 측면에서 질화물 반도체층의 활성층(14) 전체에 전류 주입이 어려운 문제점을 가지고 있다.
이러한 부분을 해결하기 위해 발광소자의 전류주입을 위해 제 1, 제 2 본딩패드(17a,18a)를 형성하고 투명전극(16) 또는 n형 질화물 반도체층(13) 상에 형성된 본딩패드(17a) 한 부분에 전극을 연결하여 발광소자의 활성층(14)에 전류 주입을 효과적으로 하여 광추출 개선을 하고 있다.
하지만, 상기 제 1 및 제 2 본딩패드(17a,18a)는 와이어본딩을 위해 상대적으로 큰 면적으로 형성되므로, 그로 인해 제 1 및 제 2 전극(17,18)의 간격을 완전히 일정하게 구현하는 것은 거의 불가능하다.
예를 들어, 도 1과 같이, 제 1 및 제 2 연장전극(17b,18b)은 서로 일정한 간격으로 배치하더라도, 상기 제 2 본딩패드(18a)는 상대적으로 큰 면적을 가지므로, 상기 제 1 연장전극(17a)과 인접한 일부영역에서 그와의 간격이 좁아진다.
따라서, 전류의 흐름은 저항이 작은 부분에 집중되므로, 제 1, 제 2 연장전극(17b,18b)으로 일정한 간격을 도모하더라도, 큰 면적의 제 1, 제 2 본딩패드(17a,18a)의 인접부분에 전류가 집중되어 균일한 전류분산을 효과적으로 실현하기 어렵다.
즉, 상기 n형 질화물 반도체층(13)과 상기 p형 질화물 반도체층(15)의 전류 주입을 위해 형성된 제 1, 제 2 본딩패드(17a,18a)의 거리가 멀어짐으로써 소자의 전기적 특성 값이 높아지게 된다.
이를 해결 하기 위해 제 1 본딩패드(17a)의 한 부분으로부터 제 1 연장전극(17b)을 만들어 거리를 좁게 설계를 하여 전류 퍼짐을 고려한 전극패턴 설계를 한다.
그러나, 전극 설계시 동일한 전극 폭을 가지는 설계에 있어 전극에 흐르는 전류의 이동경로에 대한 저항값은 동일하여 전류의 퍼짐을 개선하기에는 한계가 있다.
이를 해결하기 위한 방법으로 도 3과 같이 설계를 하고 있지만, 동일 사이즈 대비 발광층 영역이 제거됨으로써 광추출 효율에 저하되는 문제를 가지고 있다.
즉, 도 3은 도 1의 질화물 반도체 발광소자의 전기적 특성 개선을 통해 전류 퍼짐을 나타낸 평면도이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로 전류 분산을 균일하게 시킴으로써 광도 및 소자의 신뢰성을 향상시키도록 한 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자는 기판상에 순차적으로 형성된 제 1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층상에 형성되는 투명전극과, 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층상에 형성되는 제 1 전극과, 상기 투명전극상에 형성되고 상기 제 1 전극에 근접할수록 선폭이 줄어드는 제 2 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 플러스(+) 전극으로부터 연장전극의 선폭을 단계적으로 줄여주거나, 직선형태로 일정한 기울기를 가지면서 줄여 전극 패드간의 거리에 따른 전류의 흐름 영역을 다르게 함으로써 발광소자내의 전류 퍼짐을 개선하고 전기적 특성(VF)을 개선하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 발광소자내의 균일한 전류 퍼짐을 통해 특정부분의 전류집중에 의한 열화가 상대적으로 작게 하여 소자의 수명에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 전류밀도를 균일하게 하여 발광소자의 전기적 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 평면도
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도
도 3은 도 1의 질화물 반도체 발광소자의 전기적 특성 개선을 통해 전류 퍼짐을 나타낸 평면도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 평면도
도 5는 도 4의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 평면도 및 실선에 따른 단면도
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 평면도
도 8 및 도 9는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자에서 전류이동방향 및 분산형태를 설명하기 위한 평면도
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도
도 3은 도 1의 질화물 반도체 발광소자의 전기적 특성 개선을 통해 전류 퍼짐을 나타낸 평면도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 평면도
도 5는 도 4의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 평면도 및 실선에 따른 단면도
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 평면도
도 8 및 도 9는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자에서 전류이동방향 및 분산형태를 설명하기 위한 평면도
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 평면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이며, 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 평면도 및 실선에 따른 단면도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자는 도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 투명한 재질의 기판(101) 상에 형성되는 버퍼층(102)과, 상기 버퍼층(102) 상에 차례로 제 1 도전형 질화물 반도체층(103), 활성층(104) 및 제 2 도전형 질화물 반도체층(105)이 적층되어 형성되어 있고, 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층(105) 상에 오믹 콘택을 위한 투명전극(106)이 형성되어 있다.
상기 기판(101)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며, 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(102)은 상기 기판(101) 상에 제 1 도전형 질화물 반도체층(103)을 성장시키기 전에 상기 기판(101)과의 격자 정합을 향상시키기 위한 층으로, 일반적으로 AlN/GaN으로 형성되어 있다.
상기 제 1 도전형 질화물 반도체층(103)은 InXAlYGa1-X-YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층(103)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다.
상기 버퍼층(102) 상에는 언도프드 반도체층(도시되지 않음)이 형성될 수 있으며, 상기 언도프드 반도체층은 undoped GaN 등으로 구현될 수 있다. 상기 기판(101) 상에는 상기 버퍼층(102) 및 언도프드 반도체층 중 적어도 하나의 층만 존재하거나, 또는 두 층 모두가 존재하지 않을 수도 있다.
상기 활성층(104)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 도전형 질화물 반도체층(105)은 InXAlYGa1-X-YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층(105)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다.
상기 투명전극(106)은 ITO, IZO, ZnO, CTO, In2O3, SnO2, MgO, 및 CdO로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층(103)과 접속될 제 1 전극이 형성될 영역에는 메사 에칭을 적용하여 제 1 도전형 질화물 반도체층(103)의 상면이 노출되어 있다.
즉, 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층(105) 및 활성층(104)은 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층(103)의 표면이 노출되도록 메사 구조를 가지고 있다.
상기 노출된 제 1 도전형 질화물 반도체층(103)과 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층(105) 상에는 각각 제 1 및 제 2 전극(107,108)이 형성되어 있다.
또한, 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층(103) 상에 형성되는 제 1 전극(107)은 대전류 인가시, 전류를 효율적으로 분산시키기 위해 상기 제 2 전극(108)과 대응되는 부분이 볼록한 형태를 갖는 라운드 구조로 형성되어 있다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 제 1 전극(107)은 국부적인 전류 집중 현상을 최소화하기 위하여 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층(103)의 최외각변에 제 2 전극(108)과 대응되는 부분이 라운드 형태를 가지고 형성되어 전류를 효율적으로 분산시킬 수가 있다.
한편, 상기 제 1 전극(107)의 볼록한 형태와 대응되게 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층(105)은 발광 구조물의 사각형인 상면에서 오목한 형태를 가지고 형성되어 있다.
상기 제 2 전극(108)은 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층(105) 상부의 투명전극(106)상에 형성되어 있다.
상기 제 1 전극(107)은 제 1 본딩패드의 역할을 하고, 상기 제 2 전극(108)은 제 2 본딩패드(108a)와 상기 제 2 본딩패드(108a)에서 상기 제 1 전극(107) 쪽으로 연장되면서 상기 제 1 전극(107)에 가까울수록 두께가 줄어드는 연장전극(108b)이 형성되어 있다.
보다 구체적으로, 발광 구조물의 사각형인 상면에서, 상기 제 1 전극(107) 즉, 제 1 본딩패드는 대향하는 일 코너의 중심 부위에 배치되며, 상기 제 2 본딩패드(108a)는 대향하는 타 코너에 상기 제 1 본딩패드와 대응되게 배치된다.
이러한 제 1 본딩패드 및 제 2 본딩패드(108a)의 배열은 전체적으로 플립칩 본딩의 안정성을 부여할 뿐만 아니라, 서로 각 코너에 배치되므로, 전류의 균일한 분산효과를 기대할 수 있다.
이러한 전류분산효과를 보다 향상시키기 위해서, 상기 제 2 본딩패드(1 08a)에서 연장되는 연장전극(108b)은 상기 발광 구조물의 중심을 향해 상기 제 1 본딩패드에 가까울수록 두께가 줄어든 형태로 형성된다.
상기와 같이 구성된 연장전극(108b)의 구조와 배열은 코너에 위치한 제 1 본딩패드 및 제 2 본딩패드(108a)로부터 제공되는 전류를 내부면적에서 균일하게 공급하여 유효발광면적을 확장시키면서 전체 면적에서 균일한 발광효율을 얻을 수 있다.
상기 제 1 전극(107)은 마이너스(-) 전극이고, 상기 제 2 전극(108)은 플러스(+) 전극을 각각 나타내고 있다.
한편, 상기 제 2 전극(108)의 연장전극(108b)은 상기 제 1 전극(107)에 근접할 수록 단계적으로 두께가 줄어든 형태를 가지고 있지만, 이에 한정하지 않고 상기 제 1 전극(107)에 가까울수록 직선 형태를 가지면서 그 두께가 줄어들게 형성할 수도 있다.
즉, 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 평면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자는 도 7에 도시한 바와 같이, 제 1 실시예와 동일한 구조를 가지면서 제 2 전극(108)의 연장전극(108b)이 상기 제 1 전극(107)에 가까울수록 직선 형태를 가지면서 그 두께가 줄어들게 형성할 수도 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자에서 전류이동방향 및 분산형태를 설명하기 위한 평면도이다.
본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자는 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 제 2 전극(108)의 제 2 본딩패드(108a)로부터 연장되는 연장전극(108b)의 선폭을 제 1 전극(107)에 근접할수록 단계적으로 줄여주거나, 직선형태로 일정한 기울기를 가지면서 줄여주는 방법을 적용하여 전극 패드간의 거리에 따른 전류의 흐름 영역을 다르게 하여 소자내의 전류퍼짐을 개선하고 전기적 특성(VF)을 개선하여 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범상에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라, 특허 청구의 범상에 의하여 정해져야 한다.
101 : 기판 102 : 버퍼층
103 : 제 1 도전형 질화물 반도체층 104 : 활성층
105 : 제 2 도전형 질화물 반도체층 106 : 투명전극
107 : 제 1 전극 108 : 제 2 전극
103 : 제 1 도전형 질화물 반도체층 104 : 활성층
105 : 제 2 도전형 질화물 반도체층 106 : 투명전극
107 : 제 1 전극 108 : 제 2 전극
Claims (7)
- 기판상에 순차적으로 형성된 제 1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 질화물 반도체층과,
상기 제 2 도전형 질화물 반도체층상에 형성되는 투명전극과,
상기 제 1 도전형 질화물 반도체층상에 형성되는 제 1 전극과,
상기 투명전극상에 형성되고 상기 제 1 전극에 근접할수록 선폭이 줄어드는 제 2 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극은 본딩패드와 상기 본딩패드에 연장되는 연장전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 2 항에 있어서, 상기 연장전극은 상기 제 1 전극에 근접할수록 선폭이 줄어드는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 3 항에 있어서, 상기 연장전극은 단계적으로 선폭이 줄어드는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 3 항에 있어서, 상기 연장전극은 직선형태를 가지면서 일정한 기울기를 가지면서 줄어드는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 도전형 질화물 반도체층 및 활성층은 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층의 표면이 노출되도록 메사 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 상기 제 2 전극에 대응되는 면이 볼록한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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| CN112117358A (zh) * | 2020-09-22 | 2020-12-22 | 宁波天炬光电科技有限公司 | 单芯片大功率led芯片结构 |
-
2010
- 2010-03-09 KR KR1020100020662A patent/KR20110101574A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
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| CN112117358A (zh) * | 2020-09-22 | 2020-12-22 | 宁波天炬光电科技有限公司 | 单芯片大功率led芯片结构 |
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