KR20110105997A - 고효율 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

고효율 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 지지기판 상에 위치하는 반도체 적층 구조체를 포함한다. 반도체 적층 구조체는 p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하며, p형 화합물 반도체층이 n형 화합물 반도체층보다 지지기판 측에 가깝게 위치한다. 한편, 개구부가 p형 화합물 반도체층 및 활성층을 통해 n형 화합물 반도체층을 노출시킨다. 또한, p-전극이 p형 화합물 반도체층과 지지기판 사이에 위치하여 p형 화합물 반도체층에 오믹 콘택하고, p-전극의 일부는 반도체 적층 구조체의 외부로 노출된다. 한편, n-전극이 p-전극과 상기 지지기판 사이에 위치하고 개구부를 통해 n형 화합물 반도체층에 콘택한다. 또한, 고반사 절연층이 p-전극과 n-전극 사이에 위치하여 p-전극을 n-전극으로부터 절연시키고, 활성층에서 지지기판 측으로 향하는 광을 반사시킨다. n-전극 및 p-전극을 활성층에 대하여 n형 화합물 반도체층의 반대쪽에 배치함으로써, 전극 또는 전극 패드에 의해 발생되는 광 손실을 방지할 수 있어 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 발광 다이오드가 제공될 수 있다.

Description

고효율 발광 다이오드{HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 분리 공정을 적용하여 성장기판을 제거한 질화갈륨 계열의 고효율 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로, 발광 다이오드 구조를 제한한다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종기판 상에 질화물 반도체층과 같은 에피층들을 성장시키고, 상기 에피층들에 지지기판을 본딩한 후, 레이저 리프트 오프 기술 등을 이용하여 이종기판을 분리하여 수직형 구조의 고효율 발광 다이오드를 제조하는 기술이 개발되고 있다(예컨대, 미국등록특허공보 US6,744,071호 참조).
이러한 수직형 구조의 발광 다이오드는 성장기판 상에 n형 GaN층, 활성층 및 p형 GaN층을 차례로 형성하고, p형 GaN층 상에 p-전극 및 반사 금속층을 형성하고, 그 위에 지지기판을 본딩한 후, 사파이어 기판을 제거하고, 노출된 n형 반도체층 상에 n-전극 또는 n-전극 패드를 형성함으로써 제조된다. 지지기판은 일반적으로 도전 기판이 사용되며 따라서 n-전극과 p-전극이 서로 대향하여 배치된 수직형 구조를 갖는다.
그러나, n-전극 또는 n-전극 패드가 광 방출면인 n형 GaN층 상에 위치하므로, 활성층에서 생성된 광이 n-전극에 의해 흡수 또는 반사되어 광 추출 효율이 감소되는 문제가 있다. 또한, p형 GaN층에 오믹 콘택하면서 반사층으로 주로 사용되는 Ag는 열 공정에 의해 뭉침 현상이 발생되기 쉽고 또한 발광 다이오드를 구동하는 동안 Ag 원자의 이동(migration)이 발생하여 전류 누설이 발생하기 쉬워 안정한 오믹 금속 반사층을 형성하는 것이 곤란하다. 더욱이, Ag는 금속 물질로서 반사율을 향상시키는 데 한계가 있다.
미국등록특허공보 US6,744,071호
본 발명이 해결하려는 과제는 활성층에서 생성된 광이 전극이나 전극 패드에 의해 흡수 또는 반사되는 것을 방지할 수 있는 새로운 구조의 고효율 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 p-오믹 콘택을 형성하면서 지지기판 측으로 진행하는 광의 반사율을 향상시킨 고효율 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는, 지지기판; 상기 지지기판 상에 위치하고, p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하고, 상기 p형 화합물 반도체층이 상기 n형 화합물 반도체층보다 상기 지지기판 측에 위치하는 반도체 적층 구조체; 상기 p형 화합물 반도체층 및 상기 활성층을 통해 상기 n형 화합물 반도체층을 노출시키는 개구부; 상기 p형 화합물 반도체층과 상기 지지기판 사이에 위치하여 상기 p형 화합물 반도체층에 오믹 콘택하고, 일부가 상기 반도체 적층 구조체의 외부로 노출된 p-전극; 상기 p-전극과 상기 지지기판 사이에 위치하고 상기 개구부를 통해 상기 n형 화합물 반도체층에 콘택하는 n-전극; 상기 p-전극과 상기 n-전극 사이에 위치하여 상기 p-전극을 상기 n-전극으로부터 절연시키고, 상기 활성층에서 상기 지지기판 측으로 향하는 광을 반사시키는 고반사 절연층을 포함한다.
n-전극 및 p-전극을 활성층에 대하여 n형 화합물 반도체층의 반대쪽에 배치함으로써, 전극 또는 전극 패드에 의해 발생되는 광 손실을 방지할 수 있어 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
한편, 상기 고반사 절연층은 상기 개구부의 측벽을 덮어 상기 n-전극과 상기 p형 화합물 반도체층 및 상기 활성층을 절연시킬 수 있으며, 상기 고반사 절연층으로 입사되는 광을 반사시킬 수 있다. 따라서 발광 다이오드 내부에서 진행하는 광 경로를 단축시켜 광 손실을 감소시킬 수 있다.
상기 고반사 절연층은 분포 브래그 반사기(DBR)일 수 있다. 상기 고반사 절연층은 Si, Ti, Ta, Nb, In 및 Sn에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고반사 절연층은 SixOyNz, TixOy, TaxOy 및 NbxOy에서 선택된 적어도 두 개의 층을 교대로 적층하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 p-전극은 상기 p형 화합물 반도체층을 노출시키는 복수의 개구부들을 가질 수 있으며, 상기 고반사 절연층은 상기 복수의 개구부들을 채울 수 있다. 상기 복수의 개구부들을 채우는 고반사 절연층은 p-전극을 투과하지 않고 직접 고반사 절연층에 입사되는 광을 반사시킨다. 따라서 p-전극에 의한 광 손실을 감소시켜 반사율을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 p-전극은 바람직하게 반사 금속, 투명 금속 또는 투명 도전성 산화막일 수 있다.
나아가, p-전극 패드는 상기 노출된 p-전극 상에 형성될 수 있다. 또한, 상기 n-전극의 일부가 상기 반도체 적층 구조체 외부에 노출되고, n-전극 패드는 상기 노출된 n-전극 상에 위치할 수 있다. 따라서, 지지기판의 동일면 측에 n-전극 패드 및 p-전극 패드를 갖는 발광 다이오드가 제공된다.
한편, 본딩 금속이 상기 n-전극과 상기 지지기판 사이에 위치할 수 있다. 상기 본딩 금속이 상기 반도체 적층 구조체를 상기 지지기판에 결합시킨다.
본 발명에 따르면, 활성층에서 생성된 광이 전극이나 전극 패드에 의해 흡수 또는 반사되는 것을 방지하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 또한, p-전극과 함께 고반사 절연층을 채택함으로써 종래의 금속 반사층을 채택한 발광 다이오드에 비해 지지기판 측으로 진행하는 광의 반사율을 향상시킨 고효율 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 더욱이, 상기 고반사 절연층을 분포 브래그 반사기로 형성할 수 있어, 활성층에서 생성되는 광의 파장에 대응하여 반사율을 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 지지기판(51), 반도체 적층 구조체(30), 개구부(30a), p-전극(31), 고반사 절연층(35), n-전극(37)을 포함한다. 상기 발광 다이오드는 또한 p-전극 패드(37), n-전극 패드(39) 및 본딩 금속(41)을 포함할 수 있다.
지지기판(51)은 화합물 반도체층들을 성장시키기 위한 성장기판과 구분되며, 이미 성장된 화합물 반도체층들에 부착된 2차 기판이다. 상기 지지기판(51)은 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 절연 또는 도전 기판일 수 있다. 특히, 성장 기판으로 사파이어 기판을 사용하는 경우, 성장 기판과 동일한 열팽창계수를 갖기 때문에 지지기판을 본딩하고 성장기판을 제거할 때, 웨이퍼 휨을 방지할 수 있어 바람직하다.
반도체 적층 구조체(30)는 지지기판(51) 상에 위치하며, p형 화합물 반도체층(27), 활성층(25) 및 n형 화합물 반도체층(23)을 포함한다. 여기서, 상기 반도체 적층 구조체(30)는 일반적인 수직형 발광 다이오드와 유사하게 p형 화합물 반도체층(27)이 n형 화합물 반도체층(23)에 비해 지지기판(51) 측에 가깝게 위치한다. 반도체 적층 구조체(30)는 지지기판(51)의 일부 영역 상에 위치할 수 있다.
n형 화합물 반도체층(23), 활성층(25) 및 p형 화합물 반도체층(27)은 III-N 계열의 화합물 반도체, 예컨대 (Al, Ga, In)N 반도체로 형성될 수 있다. n형 화합물 반도체층(23) 및 p형 화합물 반도체층(27)은 각각 단일층 또는 다중층일 수 있다. 예를 들어, n형 화합물 반도체층(23) 및/또는 p형 화합물 반도체층(27)은 콘택층과 클래드층을 포함할 수 있으며, 또한 초격자층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 활성층(25)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조일 수 있다. 저항이 상대적으로 작은 n형 화합물 반도체층(23)이 지지기판(51)의 반대쪽에 위치함으로써 n형 화합물 반도체층(23)의 상부면에 거칠어진 면(R)을 형성하는 것이 용이하며, 거칠어진 면(R)은 활성층(25)에서 생성된 광의 추출 효율을 향상시킨다.
개구부(들)(30a)는 p형 화합물 반도체층(27) 및 활성층(25)을 통해 n형 화합물 반도체층(23)을 노출시킨다. 개구부(30a)는 홀, 그루브, 또는 트렌치로 형성될 수 있으며, 복수개 형성될 수 있다. 예컨대, 개구부(30a)는 홀로 형성되고, 복수개의 홀들이 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
p-전극(31)은 p형 화합물 반도체층(27)과 지지기판(51) 사이에 위치하며, p형 화합물 반도체층(27)에 오믹 콘택한다. p-전극(31)은 p형 화합물 반도체층(27)을 노출시키는 복수의 개구부들을 갖도록 소정의 패턴으로 형성될 수 있다. 도면상에서, p-전극(31)이 서로 떨어져 있는 것으로 도시되어 있으나, p-전극은 서로 연결되어 있으며, 예컨대, 메쉬 형상으로 형성될 수 있다. 또한, p-전극(31)은 Ni/Au와 같은 투명 금속, 예컨대 ITO, ZnO 등과 같은 투명 도전성 산화막, 또는 반사 금속으로 형성될 수 있다. 상기 p-전극(31)의 일부는 반도체 적층 구조체(30)의 외부로 노출된다.
한편, n-전극(35)이 p-전극(31)과 지지기판(51) 사이에 위치하며, 개구부(30a)를 통해 n형 화합물 반도체층(23)에 콘택한다. n-전극(35)은 n형 화합물 반도체층(23)에 오믹 콘택할 수 있다. n-전극(35)의 일부는 반도체 적층 구조체(30)의 외부로 노출될 수 있다.
한편, 고반사 절연층(33)이 n-전극(35)을 p-전극(31)으로부터 절연시킨다. 고반사 절연층(33)은 Al이나 Ag보다 반사율이 높은 절연층으로 형성되며, 예컨대 Si, Ti, Ta, Nb, In 및 Sn에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 고반사 절연층(33)은 SixOyNz, TixOy, TaxOy 및 NbxOy에서 선택된 적어도 두 개의 층을 교대로 적층하여 형성될 수 있으며, 분포 브래그 반사기(DBR)일 수 있다. 분포 브래그 반사기는 교대로 적층되는 고굴절률층과 저굴절률 층의 광학 두께를 조절하여 특정 파장의 광에 대한 반사율을 극대화할 수 있다. 따라서, 활성층(25)에서 생성되는 광의 파장에 따라 반사율이 최적화된 분포 브래그 반사기를 형성함으로써, 예컨대 자외선, 가시광선 또는 적외선에 대한 높은 반사율을 갖는 고반사 절연층(33)을 형성할 수 있다.
고반사 절연층(33)은 p-전극(31)에 형성된 개구부들을 채울 수 있으며, 따라서 고반사 절연층(33)의 일부는 p형 화합물 반도체층(27)에 직접 접촉할 수 있다. 고반사 절연층(33)은 또한 개구부(30a)의 측벽을 덮을 수 있다. 따라서 개구부(30a)에 노출된 p형 화합물 반도체층(27)의 측벽 및 활성층(25)의 측벽이 개구부(30a)를 통해 n형 화합물 반도체층(23)에 접촉하는 n-전극(35)과 단락되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 상기 고반사 절연층(33)에 의해 반도체 적층 구조체(30) 내부에서 진행하는 광을 반사시킬 수 있으며, 따라서 반도체 적층 구조체(30) 내부에서 광 경로를 단축시켜 광 손실을 감소시킬 수 있다. 특히, 개구부(30a) 내의 고반사 절연층(33)에 의해 광 추출을 향상시키기 위해, 상기 개구부(30a)의 폭이 n형 화합물 반도체층(23)으로 갈수록 좁아지게 형성될 수 있다.
한편, 반도체 적층 구조체(30)의 외부에 노출된 p-전극(31) 및 n-전극(35) 상에 각각 p-전극 패드(37) 및 n-전극 패드(39)가 위치할 수 있다. 이에 따라, 지지기판(51)의 동일면측에 p-전극 패드(37) 및 n-전극 패드(39)가 형성된 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
본딩 금속(41)은 지지기판(51)과 n-전극(35) 사이에 위치할 수 있다. 본딩 금속(41)은 Au-Sn으로 형성될 수 있으며, 공융(eutectic) 본딩에 의해 지지기판(51)을 반도체 적층 구조체(30)에 접착시킨다.
본 실시예에 따르면, Al이나 Ag에 비해 공정 안정성이 우수하고 반사율이 높은 고반사 절연층(33)을 채택하여 지지기판(51) 측으로 진행하는 광의 반사율을 높임으로써 광 추출 효율이 높은 고효율 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 또한, n형 화합물 반도체층(23)의 광 추출면에 형성되던 n-전극 및/또는 n-전극 패드를 n형 화합물 반도체층(23) 아래쪽에 배치함으로써, 일단 생성된 광이 다시 흡수 또는 반사에 의해 손실될 것을 방지할 수 있어 광 효율을 개선할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 고효율 발광 다이오드의 제조방법에 대해 간략하게 설명한다.
우선, 사파이어와 같은 성장기판(도시하지 않음) 상에 n형 화합물 반도체층(23), 활성층(25) 및 p형 화합물 반도체층(27)을 포함하는 에피층들을 성장시킨다. 이어서, 상기 p형 화합물 반도체층(27) 및 활성층(25)을 식각하여 n형 화합물 반도체층(23)을 노출시키는 개구부(30a)를 형성한다. 그 후, p형 화합물 반도체층(23) 상에 p-전극(31)을 형성한다. p-전극(31)은 메쉬 형상과 같이 p형 화합물 반도체층(23)을 노출시키는 복수의 개구부들을 가질 수 있다. 상기 p-전극(31) 상에 고반사 절연층(33)이 형성된다. 고반사 절연층(33)은 p-전극(31)을 덮고, p-전극(31)에 형성된 복수의 개구부들을 채울 수 있다. 또한, 고반사 절연층(33)은 개구부(30a) 내의 측벽을 덮을 수 있다. 상기 개구부(30a)의 바닥면, 즉 n형 화합물 반도체층(23)에 형성된 고반사 절연층(33)은 제거된다.
이어서, 상기 고반사 절연층(33) 상에 n-전극(35)이 형성된다. n-전극은 개구부(30a)를 통해 n형 화합물 반도체층(23)에 전기적으로 접속된다.
그 후, 상기 n-전극(35) 상에 본딩을 위한 금속층이 형성되고, 지지기판(51) 상에 또한 본딩을 위한 금속층이 형성되고, 이들 금속층을 서로 본딩한다. 이에 따라, 상기 본딩을 위한 금속층들에 의해 본딩 금속(41)이 형성되고, 지지기판(51)이 화합물 반도체층들(23, 25, 27)에 본딩된다.
그 후, 레이저 리프트 오프 기술 등을 사용하여 성장기판을 제거하고, n형 화합물 반도체층(23)을 노출시킨다. 그 후, 상기 화합물 반도체층들(23, 25, 27)의 일부를 제거하여 p-전극(31)의 일부를 노출시키고, 또한 n-전극(35)을 노출시킨다.
상기 노출된 p-전극(31) 및 n-전극(35) 상에 각각 n-전극 패드(37) 및 p-전극 패드(39)를 형성하고 개별 발광 다이오드 칩으로 분할하여 발광 다이오드가 완성된다.
23: n형 화합물 반도체층, 25: 활성층,
27: p형 화합물 반도체층, 30: 반도체 적층 구조체,
30a: 개구부, 31: p-전극,
33: 고반사 절연층, 35: n-전극,
37: p-전극 패드, 39: n-전극 패드,
41: 본딩 금속, 51: 지지기판

Claims (10)

  1. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 위치하고, p형 화합물 반도체층, 활성층 및 n형 화합물 반도체층을 포함하고, 상기 p형 화합물 반도체층이 상기 n형 화합물 반도체층보다 상기 지지기판 측에 위치하는 반도체 적층 구조체;
    상기 p형 화합물 반도체층 및 상기 활성층을 통해 상기 n형 화합물 반도체층을 노출시키는 개구부;
    상기 p형 화합물 반도체층과 상기 지지기판 사이에 위치하여 상기 p형 화합물 반도체층에 오믹 콘택하고, 일부가 상기 반도체 적층 구조체의 외부로 노출된 p-전극;
    상기 p-전극과 상기 지지기판 사이에 위치하고 상기 개구부를 통해 상기 n형 화합물 반도체층에 콘택하는 n-전극;
    상기 p-전극과 상기 n-전극 사이에 위치하여 상기 p-전극을 상기 n-전극으로부터 절연시키고, 상기 활성층에서 상기 지지기판 측으로 향하는 광을 반사시키는 고반사 절연층을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고반사 절연층은 상기 개구부의 측벽을 덮어 상기 n-전극과 상기 p형 화합물 반도체층 및 상기 활성층을 절연시키고, 상기 고반사 절연층으로 입사되는 광을 반사시키는 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고반사 절연층은 분포 브래그 반사기인 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고반사 절연층은 SixOyNz, TixOy, TaxOy 및 NbxOy에서 선택된 적어도 두 개의 층을 교대로 적층하여 형성된 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고반사 절연층은 Si, Ti, Ta, Nb, In 및 Sn에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 발광 다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 p-전극은 상기 p형 화합물 반도체층을 노출시키는 복수의 개구부들을 갖고,
    상기 고반사 절연층은 상기 복수의 개구부들을 채우는 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 노출된 p-전극 상에 p-전극 패드를 더 포함하는 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    n-전극 패드들 더 포함하되,
    상기 n-전극의 일부가 상기 반도체 적층 구조체 외부에 노출되고,
    상기 n-전극 패드는 상기 노출된 n-전극 상에 위치하는 발광 다이오드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 n-전극과 상기 지지기판 사이에 위치하는 본딩 금속을 더 포함하는 발광 다이오드.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 p-전극은 투명 도전성 산화막인 발광 다이오드.
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