KR20120051864A - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로 특히, 수평형 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 제1 전도성 반도체층; 상기 제1 전도성 반도체층 내에 위치하는 전류 분산층; 상기 전류 분산층 상에 위치하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하는 제2 전도성 반도체층; 상기 제1 전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 상기 제2 전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하여 구성된다.

Description

반도체 발광 소자{Semiconductor light emitting device}
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로 특히, 수평형 질화물계 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
질화 갈륨(GaN)으로 대표되는 질화물계 화합물 반도체(Nitride Compound Semiconductor)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.
이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.
따라서, 현재 질화물계 반도체는 청색/녹색 레이저 다이오드와 발광 다이오드(LED)의 제작에 기본물질로 사용되고 있다. 특히 고출력 LED는 백색 조명용 광원으로 주목받고 있어 앞으로 LED 조명의 시대를 예고하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자에 있어서 전류가 활성층 영역에 균일하게 주입되도록 하여 전류의 밀집현상을 억제할 수 있어, 효율적인 수평형 발광 소자를 구현할 수 있는 반도체 발광 소자를 제공하고자 한다.
또한, 활성층 영역의 발광 면적의 손실 없이 효율적인 수평형 대면적 발광 소자를 구현할 수 있는 반도체 발광 소자를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 제1 전도성 반도체층; 상기 제1 전도성 반도체층 내에 위치하는 전류 분산층; 상기 전류 분산층 상에 위치하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하는 제2 전도성 반도체층; 상기 제1 전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 상기 제2 전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하여 구성된다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 수평형 질화물계 반도체 발광 소자(LED)의 제작에 있어, 전류가 흐르는 경로를 자유롭게 조절할 수 있고, 발광 소자의 전류분산 효과를 극대화할 수 있다.
이러한 전류분산 효과는 전류 분산층의 적용을 통하여 구현할 수 있으며, 전류 분산층은 설계 요소에 의해 매우 다양한 구조(패턴 및 깊이)를 자유롭게 적용할 수 있어, 효과적으로 활성층 영역을 활용할 수 있도록 해주며, 궁극적으로 발광 소자의 효과적인 전류 경로 제어를 통해 광 출력을 극대화할 수 있는 것이다.
도 1은 수평형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 전극 패턴의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 3은 수평형 발광 소자의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 전류 분산층을 포함하는 발광 소자의 예를 나타내는 단면도이다.
도 7 내지 도 10은 발광 소자의 제작 과정을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1에서는 질화물계 발광 소자의 일례를 도시하고 있으며, 절연체인 사파이어 기판(10) 상에 n-형 반도체층(21), 활성층(22), 및 p-형 반도체층(23)을 포함하는 반도체 구조(20)가 위치한다.
이러한 반도체 구조(20)의 p-형 반도체층(23) 상에는 전류의 확산을 위한 투명 전극(30)이 위치하고, n-형 반도체층(21) 상에는 n-형 전극(40)이 전기적으로 연결되어 설치되며, 투명 전극(30) 상에는 p-형 전극(50)이 설치된다.
이와 같은 발광 소자는 n-형 전극(40)과 p-형 전극(50) 사이에 흐르는 전류의 흐름에 의하여 발광이 이루어지며, 도 1과 같은 수평 전류 흐름 구조를 가진다.
즉, 투명 전극(30)의 전기전도도가 충분할 경우에 전류는 두 전극(40, 50)의 최단거리인 a 경로에서 집중되어 흐르기 쉬우며, A로 표시된 영역에 전류밀도가 높아지는 반면 다른 활성층(22) 영역에서는 상대적으로 낮은 전류밀도가 이루어진다.
이와 반대로 투명 전극(30)의 두께가 얇거나 전기전도도가 낮을 경우에는 b 경로의 전류가 주로 흐르게 되어 B 영역에 전류가 집중될 수 있다.
따라서 전류가 전 활성층(22) 영역에서 균일하게 흐를 수 있도록 도 2와 같은 전극 구조를 구비할 수 있다. 즉, n-형 전극(40)에서는 세 개로 분기되는 보조 전극구조(41, 42, 43)를 가지며, p-형 전극(50)에서는 이러한 n-형 보조 전극구조(41, 42, 43) 사이에 위치하는 p-형 보조 전극구조(51, 52)를 가질 수 있다.
그러나 이와 같은 전극 설계에 의하여 n-형 전극(40) 절대 면적이 증가할 수밖에 없으며 이는 활성층 영역 면적감소로 이어져 활성층 영역의 효율적 활용이 제한될 수도 있다.
이를 개선하기 위한 구조 중의 하나는 도 3에서와 같이, p-형 전극(50)의 하측에 절연막(60)을 패터닝하여 삽입하고, 이러한 절연막(60) 위에 투명 전극(30, 31)이 위치하도록 하는 구조가 있다.
이러한 절연막(60)에 의하여 전류의 경로는 c 경로 및 d 경로와 같이 이루어지게 되어, 전류의 흐름이 보다 확대되는 효과를 가질 수 있다. 그러나 이러한 구조에서는 절연막(60) 하측의 활성층(22) 영역이 발광에 활용되지 못할 가능성이 있다.
한편, 도 4 내지 도 6에서는 발광 소자 내에서 전류가 균일하게 흐를 수 있도록 n-형 반도체층(210) 내에 전류 분산층(600)을 구비하는 구조를 도시하고 있다. 이러한 구조는 사파이어 기판(100) 상에 n-형 반도체층(210), 활성층(220), 및 p-형 반도체층(230)을 포함하는 질화물 반도체 구조(200)가 위치한다.
이러한 반도체 구조(200)의 p-형 반도체층(230) 상에는 전류의 확산을 위한 투명 전극(300)이 위치한다. n-형 반도체층(210)은 상면 일부가 개구되어 개구부(240)가 위치하며, 이 개구부(240) 상에는 n-형 전극(400)이 n-형 반도체층(210)에 전기적으로 연결되어 위치하고, 투명 전극(300) 상에는 p-형 전극(500)이 위치한다.
투명 전극(300)은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)로 이루어질 수 있으며, ITO나 ZnO와 같은 물질이 이용될 수 있다.
질화물계 반도체 발광 소자에서 투명 전극(300)이 얇을수록 광 흡수면에서 효과적일 수 있으나 전류 분산(current spreading)의 있어서는 효과가 작을 수 있어 광 출력의 손실을 볼 수 있고, 반대로, 투명 전극(300)이 두꺼울 경우 전류 분산 측면에서는 효과가 우수할 수 있으나 투명 전극(300)에서의 광 흡수에 따른 광 출력 저하가 발생할 수 있으므로, 이를 고려하여 투명 전극(300)의 두께를 정할 수 있고, p-형 전극(500)에는 도 2에서와 같은 다양한 패턴을 형성할 수도 있다.
n-형 반도체층(210) 내부에는 절연성을 가지는 전류 분산층(600; Current Spreading Layer)이 위치하게 되는데, 이러한 전류 분산층(600)은 p-형 전극(500)과 n-형 전극(400) 사이의 전류 흐름 경로 상에 위치할 수 있다.
전류 분산층(600)은 n-형 반도체층(210) 내부에 n-형 반도체층(210)의 절연화를 통하여 이루어질 수 있다. 즉, 전류 분산층(600)은 절연화된 질화물 반도체층을 이용할 수 있다.
이와 같이 절연화된 질화물 반도체층을 이용하는 전류 분산층(600)은 n-형 도펀트와 p-형 도펀트가 혼합되어 절연화될 수 있다.
이러한 전류 분산층(600)은 개구부(240)의 n-형 전극(400)이 위치하는 면 또는 이 면이 좌우로 확장된 가상의 면(D)과 실질적으로 평행하게 위치할 수 있는데, 이 가상의 면(D)은 n-형 반도체층(210) 형성 중간에 전류 분산층(600)을 형성하는 면이 될 수 있다.
또한, 전류 분산층(600)은 n-형 전극(400)이 위치하는 가상의 면(D)과 실질적으로 접하여 위치할 수 있다.
전류 분산층(600)의 두께는 발광 소자의 구조, 절연 특성, 반도체층의 두께, 및 도핑 등의 사항이 고려되어 결정될 수 있으며, 대략 10 nm 이상의 두께를 가질 수 있고, n-형 반도체층(210) 내에 위치하므로 이 n-형 반도체층(210)의 두께보다는 얇을 수 있다.
전류 분산층(600)은 단일 개체 또는 서로 이격된 다수의 개체로 이루어질 수 있으며, 다수의 개체로 이루어지는 경우에는 일정 패턴을 이룰 수도 있고, 이러한 패턴은 p-형 전극(500)의 패턴에 대응될 수 있다.
도 4에서는 전류 분산층(600)이 n-형 전극(400)과 근접하여 위치한 예를 나타내고 있다. 즉, 단일 개체의 전류 분산층(610)이 n-형 전극(400)과 p-형 전극(500) 사이에 이루어질 수 있는 전류 흐름의 최단 경로 상에 위치한 예를 나타내고 있다.
이러한 전류 분산층(610)은 활성층(220)의 하측에 위치하여, 전류 흐름이 최단 경로에 국한되어 흐르지 않고 그 외의 영역에서 균일하게 분산되어 흐를 수 있도록 할 수 있다.
이 경우를 위에서 설명한 예와 비교하여 보면, 투명 전극(300)의 전기전도도가 충분할 경우에 이와 같은 전류 분산층(610)의 위치가 적합할 수 있다.
이때, 전류의 경로는 예로서, e, f, 및 g와 같이 표시된 경로로 흐를 수 있다. 이와 같이, 전류의 경로는 최단 경로에 국한되지 않고 그 외의 영역으로 분산되어 흐를 수 있음을 알 수 있다.
도 5에서는 전류 분산층(600)이 p-형 전극(500)과 근접하여 위치한 예를 나타내고 있다. 즉, 단일 개체의 전류 분산층(620)이 n-형 전극(400)과 p-형 전극(500) 사이에 이루어질 수 있는 전류 흐름의 먼 경로 상에 위치한 예를 나타내고 있다.
이러한 전류 분산층(620)은 활성층(220)의 하측 및 p-형 전극(500)의 하측에 위치하여, 전류 흐름이 p-형 전극(500)의 하측을 통하여 n-형 전극(400)에 이르는 경로에 국한되어 흐르지 않고 그 외의 영역에서 균일하게 분산되어 흐를 수 있도록 할 수 있다.
이 경우를 위에서 설명한 예와 비교하여 보면, 투명 전극(300)이 얇거나 전기전도도가 낮을 경우에 이와 같은 전류 분산층(620)의 위치가 적합할 수 있다.
이때, 전류의 경로는 예로서, h, i, 및 j와 같이 표시된 경로로 흐를 수 있다. 이와 같이, 전류의 경로는 p-형 전극(500)의 하측을 통하여 n-형 전극(400)에 이르는 경로에 국한되어 흐르지 않고 그 외의 영역으로 분산되어 흐름 수 있음을 알 수 있다.
도 6에서는 전류 분산층(600)이 가상의 면(D) 상에서 패턴을 이루어 위치한 예를 나타내고 있다. 즉, 다수의 개체(630, 640, 650, 660)의 전류 분산층(600)이 n-형 전극(400)이 위치하는 면(D) 상에 접하여 위치한 예를 나타내고 있다.
이러한 전류 분산층(600)의 패턴은 투명 전극(300) 상부의 p-형 전극(500)의 금속 패턴을 고려하여 형성할 수 있는데, 도 6은 그에 따라 다양한 형태의 전류 분산층(600)을 제작한 경우를 나타내고 있다.
도시하는 바와 같이, 이러한 전류 분산층(600)은 활성층(220)의 하측에 위치하며, 서로 이격된 다수의 개체(630, 640, 650, 660)로 이루어지고, 이러한 다수의 개체는 일정 패턴을 이룰 수 있다.
이러한 패턴의 일례로서, 발광 소자의 상면에서 보았을 경우에, 도 2에서 도시하는 전극 패턴과 유사한 패턴을 이룰 수 있다. 또한, 다수의 개체(630, 640, 650, 660)는 n-형 전극(400)에 가까울수록 면적이 더 커질 수 있다. 경우에 따라 n-형 전극(400)에 가까울수록 면적이 더 작아질 수도 있음은 물론이다.
이와 같은 다수의 개체가 패턴을 이루는 전류 분산층(600)을 이용하는 경우에는 전류의 흐름이 다수의 개체가 서로 이격된 부분에서 균일하게 분산되어 흐를 수 있도록 할 수 있다.
즉, 전류의 경로는 예로서, k, l, 및 m과 같이 표시된 경로로 흐를 수 있다. 이와 같이, 전류의 경로는 p-형 전극(500)의 하측을 통하여 n-형 반도체층(210) 방향으로 균일하게 퍼져서 n-형 전극(400)에 이르는 경로로 분산되어 흐름 수 있음을 알 수 있다.
이와 같은 패턴의 설계는 소자의 크기 및 반도체 박막 구조의 설계 변수를 고려하여 다양한 형태로 자유롭게 제작될 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 10을 참고하여 발광 소자의 제조방법을 설명하면 아래와 같다.
먼저, 도 7에서와 같이, 사파이어 기판(100) 상에 n-형 반도체층(210)을 성장시킨다. 이와 같이 n-형 반도체층(210)을 일정 두께로 형성한 후에, 도 8에서와 같이, n-형 반도체층(210)의 상면의 일부 영역에 전류 분산층(600)으로 이용될 절연층을 형성한다.
상술한 바와 같이, 이 전류 분산층(600)은 패턴을 이룰 수 있으며, 서로 이격된 다수의 개체(630, 640, 650, 660)로 이루어질 수 있다.
절연층의 제작은 이온주입 공정을 통하여 이루어지며, 이러한 절연층이 형성될 영역에 이온주입 마스크 패터닝을 하여 p-형 도펀트를 주입하거나, 또는 자제 이온주입 패터닝을 통하여 p-형 도펀트를 주입할 수 있다.
따라서 n-형 캐리어와 p-형 캐리어의 보상(compensation)을 유도하여 전류 분산층(600)을 이용될 절연층을 일정 깊이 형성하게 된다.
이후에는 열처리를 통하여 이온주입에 의하여 손상된 결정성을 회복시켜주게 되는데, 900 ℃이상의 온도에서 열처리를 할 수 있다. 보다 구체적으로, 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위에서 열처리 공정이 적용될 수 있다.
다음에는 도 9에서와 같이, 열처리된 면에 n-형 반도체층(210)을 더 성장시킨 후에 활성층(220) 및 p-형 반도체층(230)을 성장하여 질화물계 발광 소자를 위한 반도체 구조(200)를 형성하게 된다.
이후, n-형 전극(400)을 형성하기 위하여 메사 식각을 통하여 n-형 반도체층(210)이 드러나도록 개구부(240)를 형성하게 되고, 이 개구부에 n-형 전극(400)을 제작하고, p-형 반도체층(230) 상에는 투명 전극(300)과 p-형 전극(500)을 형성하게 된다.
이상과 같은 발광 소자는 수평형 질화물계 반도체 발광 소자(LED)의 제작에 있어 이온주입법(ion implantation)을 이용하여 일부 영역을 절연화 함으로써 전류가 흐르는 경로를 자유롭게 조절할 수 있다.
그리하여 궁극적으로 발광 소자의 전류분산 효과를 극대화할 수 있고, 수평형 발광 소자의 균일한 광 분포를 통하여 광 출력을 향상시킬 수 있다.
결국, 이러한 전류 분산층의 적용은 설계 요소에 의해 매우 다양한 구조(패턴 및 깊이)를 자유롭게 적용할 수 있어, 효과적으로 활성층 영역을 활용할 수 있도록 해주며, 발광 소자의 효과적인 전류 경로 제어를 통해 광 출력을 극대화할 수 있는 것이다.
100: 기판 200: 반도체 구조
210: n-형 반도체층 220: 활성층
230: p-형 반도체층 300: 투명 전극
400: n-형 전극 500: p-형 전극
600: 전류 분산층

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 제1 전도성 반도체층;
    상기 제1 전도성 반도체층 내에 위치하는 전류 분산층;
    상기 전류 분산층 상에 위치하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하는 제2 전도성 반도체층;
    상기 제1 전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
    상기 제2 전도성 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층은, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류 흐름 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층은, 상기 제1 전극이 위치하는 면에 근접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층은, 절연화된 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 절연성 반도체층은, n-형 도펀트 및 p-형 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층은, 서로 이격된 다수의 개체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 다수의 개체는, 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 전극은 패턴을 가지며, 상기 전류 분산층의 패턴은 상기 제2 전극의 패턴에 대응되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  9. 제6항에 있어서, 상기 다수의 개체는, 상기 제1전극에 가까워질수록 면적이 커지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층의 면적은, 상기 활성층의 면적보다 좁은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층은, 상기 제1 전극과 근접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층은, 상기 제2 전극과 근접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층은, 상기 제1 전극이 위치하는 면과 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은, 상기 제1 전도성 반도체층의 상측면이 개구된 개구부에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  15. 제1항에 있어서, 상기 전류 분산층의 두께는 10 nm 이상이고 상기 제1 전도성 반도체층의 두께 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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