KR20130070292A - 반극성 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20130070292A
KR20130070292A KR1020110137535A KR20110137535A KR20130070292A KR 20130070292 A KR20130070292 A KR 20130070292A KR 1020110137535 A KR1020110137535 A KR 1020110137535A KR 20110137535 A KR20110137535 A KR 20110137535A KR 20130070292 A KR20130070292 A KR 20130070292A
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oxide layer
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서원철
갈대성
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서울옵토디바이스주식회사
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Abstract

반극성 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는, 기판과, 기판 상에 위치하는 질화갈륨 계열의 복수의 반도체 적층체와, 복수의 반도체 적층체와 기판 사이에 개재되어 반도체 적층체들을 기판으로부터 절연시키는 반절연층과, 반도체 적층체들을 전기적으로 연결하는 배선을 포함한다. 여기서, 각 반도체 적층체는 반극성 반도체층의 활성층을 포함한다. 이에 따라, 고전압에서 구동될 수 있으며, 발광 효율이 개선된 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

Description

반극성 발광 다이오드{SEMI-POLAR LED}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 복수의 반도체 적층체를 갖는 반극성 발광 다이오드에 관한 것이다.
질화갈륨계 화합물 반도체는 가시광 및 자외선 발광 소자나 고출력 전자 소자 등에 사용되고 있다. 질화갈륨계 화합물 반도체층은 통상 MBE, MOCVD 또는 HVPE 등의 성장 기술을 사용하여 기판 상에 성장된다.
일반적으로 질화갈륨계 화합물 반도체는 사파이어 기판과 같은 이종 기판 상에서 성장되며, 특히 C면을 성장면으로 갖는 사파이어 기판 상에 성장된다. 그러나, C축 방향으로 성장된 질화갈륨계 화합물 반도체는 자발 분극 및 압전 분극에 의한 극성을 나타내며, 따라서 전자와 정공의 재결합율이 낮아져 발광 효율 개선에 한계가 있다.
한편, a면 또는 m면으로 성장된 질화갈륨계 화합물 반도체는 비극성을 갖기 때문에, 자발 분극이나 압전 분극이 발생되지 않는다. 그러나, a면 또는 m면으로 질화갈륨계 화합물 반도체를 성장시키는 것은 해결해야할 과제가 많이 남아 있어 아직 널리 적용되지 못하고 있다.
또한, 발광 다이오드는 일반적으로 상대적으로 낮은 구동전압하에서 구동된다. 이러한 발광 다이오드를 가정용 전압과 같이 상대적으로 높은 전압을 이용하여 구동하기 위해서는 복수의 발광 다이오드를 직렬연결해야 한다. 그러나, 개별 발광 다이오드들을 인쇄회로기판 상에 실장하여 직렬연결하는 것은 과다한 공정시간이 요구되며, 장치의 크기가 커지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고전압하에서 구동될 수 있으며 발광 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, GaN 기판을 성장기판으로 사용하여 복수의 반도체 적층체를 갖는 반극성 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 질화갈륨 계열의 복수의 반도체 적층체; 상기 복수의 반도체 적층체와 상기 기판 사이에 개재되어 상기 반도체 적층체들을 상기 기판으로부터 절연시키는 반절연층; 및 상기 반도체 적층체들을 전기적으로 연결하는 배선을 포함한다. 여기사, 상기 각 반도체 적층체는 반극성 반도체층의 활성층을 포함한다.
상기 질화갈륨 계열의 반도체 적층체는 반극성 질화갈륨 기판 상에서 성장된 반도체층들을 포함할 수 있으며, 상기 반극성 질화갈륨 기판은 C면에 대해 15~85° 범위의 각도로 기울어진 주면을 갖는 미스컷 반극성 질화갈륨 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판이 상기 반극성 질화갈륨 기판일 수 있다.
상기 반절연층은 p형 불순물이 도핑된 질화갈륨계 질화물층일 수 있으며, 상기 p형 불순물은 철, 코발트, 니켈 또는 마그네슘일 수 있다.
또한, 투명 산화층이 상기 각 반도체 적층체 상에 위치할 수 있다. 상기 투명 산화층은 요철 패턴을 가질 수 있다. 또한, 상기 투명 산화층은 ITO 또는 ZnO일 수 있다. 나아가, 상기 배선은 상기 반도체 적층체들을 직렬 연결하되, 그 일 단부는 상기 투명 산화층에 접속될 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 발광 다이오드는, 상기 반절연층과 상기 각각의 반도체 적층 구조체 사이에 위치하는 하부 투명 산화층을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 투명 산화층은 상기 반도체 적층 구조체 외부로 노출된 접속부를 갖고, 상기 배선의 일 단부는 상기 접속부에 접속될 수 있다.
또한, 상기 발광 다이오드는 상기 기판 하부에 위치하는 반사층을 더 포함할 수 있으며, 나아가, 상기 반사층 하부에 본딩 금속이 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 단일의 기판 상에 반극성 반도체층의 활성층을 포함하는 복수의 반도체 적층체를 갖는 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 따라서, 복수의 반도체 적층체를 직렬 연결하여 고전압하에서 구동할 수 있으며, 분극을 완화 또는 제거할 수 있어 발광 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드가 제공될 수 있다. 나아가, 반도체 적층체는 미스컷 GaN 기판을 사용함으로써 반극성 GaN 기판 상에서 용이하게 성장될 수 있다.
도 1은 미스컷 질화갈륨 기판을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5 내지 도 9는 도 4의 발광 다이오드를 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부한 도면들을 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, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에서 성장 기판을 사용될 수 있는 미스컷 질화갈륨 기판을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 기판(21)은 주면이 C축에 대해 15~85° 경사진 반극성면을 갖는 질화갈륨 기판이다. 또한, 상기 기판(21)은 상기 주면에 대해 일 방향으로 경사진 미스컷 표면(21a)을 갖는다.
미스컷 표면(21a)을 형성함으로써 킹크(kink)가 형성된다. 킹크는 질화갈륨 계열의 반도체층 성장시 핵 생성 사이트를 제공하여 반도체층이 쉽게 성장될 수 있게 한다. 상기 미스컷 표면(21a)은 특별히 한정되지 않으며, c면일 수도 있다.
상기 기판(21)의 주면은 예컨대, (20-21, (20-2-1), (10-11), (10-1-1), (11-22), (11-2-2), (30-31), (30-3-1) 등의 반극성면 또는 이들의 패밀리일 수 있다.
상기 기판(21) 상에 질화갈륨 계열의 반도체층을 성장시킴으로써 상기 기판(21)과 같은 반극성면을 갖는 반도체층들을 성장시킬 수 있다. 특히, 자발분극 뿐만 아니라 압전 분극이 극성 반도체층에 비해 상대적으로 작기 때문에 발광 효율을 높일 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1의 반극성 기판(21)을 이용하여 복수의 반도체 적층체를 갖는 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
우선 도 2를 참조하면, 상기 기판(21) 상에 버퍼층(23), 반절연층(25), 제1 도전형 반도체층(27), 활성층(29) 및 제2 도전형 반도체층(31)을 차례로 형성한다. 이들 층들은 모두 MBE 또는 MOCVD 기술을 사용하여 기판(21) 상에서 성장될 수 있다.
버퍼층(23), 반절연층(25), 제1 도전형 반도체층(27), 활성층(29) 및 제2 도전형 반도체층(31)은 반극성 기판(21) 상에서 성장됨에 따라, 반극성 반도체층으로 성장되며, 따라서 극성 반도체층에 비해 분극이 상대적으로 작게 된다.
상기 버퍼층(23)은 기판(21) 상에서 성장되는 에피층의 스트레인을 완화하여 결정성을 향상시키기 위해 형성된다. 상기 버퍼층(23)은 기판(21)과 동일한 조성의 질화갈륨층일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 나아가, 상기 버퍼층(23)은 p형 불순물, 예컨대, 철, 코발트, 니켈 또는 마그네슘 등이 도핑되어 비저항이 상대적으로 높은 반절연층으로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(23)은 생략될 수도 있다.
상기 반절연층(25)은 그 위에 형성되는 제1 도전형 반도체층(27)과 기판(21)을 절연시키기 위해 형성되며, 질화갈륨 계열의 질화물층으로 형성될 수 있다. 상기 반절연층(25)은 성장시 또는 성장 후 철, 코발트, 니켈 또는 마그네슘 등의 p형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(23)이 반절연층으로 형성된 경우, 상기 반절연층(25)은 생략될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(27)은 예컨대 n형 불순물이 도핑된 질화갈륨층으로 성장될 수 있으며, 밴드갭이 서로 다른 질화갈륨계 층들, 예컨대 질화갈륨층과 인듐질화갈륨층을 서로 적층하여 형성된 초격자층을 포함할 수 있다.
한편, 활성층(29)은 전자와 정공이 재결합할 수 있도록 상대적으로 좁은 밴드갭을 갖는 우물층을 포함하며, 단일 양자우물구조 또는 다중 양자우물구조를 가질 수 있다.
한편, 상긴 제2 도전형 반도체층(31)은 예컨대 p형 불순물이 도핑된 질화갈륨층으로 성장될 수 있으며, 나아가 전자 블록층을 포함할 수도 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(31), 활성층(29) 및 제1 도전형 반도체층(29)을 패터닝하여 서로 이격된 복수의 반도체 적층체를 형성한다. 이때, 상기 반절연층(25) 또한 도시한 바와 같이 서로 이격되도록 패터닝될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 반절연층(25)은 서로 연속적일 수도 있다. 나아가, 도 3에서 버퍼층(23)은 연속적인 것으로 도시하였으나, 버퍼층(23) 또한 서로 이격되도록 패터닝될 수 있다.
절연층(33)이 상기 반도체 적층체들을 덮는다. 절연층(33)은 예컨대 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 절연층(33)은 배선(37)에 의해 제1 도전형 반도체층(27)과 제2 도전형 반도체층(31)이 단락되는 것을 방지하기 위해 형성된다. 한편, 상기 절연층(33)은 제1 도전형 반도체층(27) 및 제2 도전형 반도체층(31)을 노출시키는 개구부를 갖는다.
상기 각 반도체 적층체 상에 투명 산화층(35)이 형성된다. 투명 산화층(35)은 절연층(33)의 개구부를 통해 노출된 제2 도전형 반도체층(31)에 접속할 수 있다. 여기서, 절연층(33)이 형성된 후에 투명 산화층(35)이 형성된 것으로 설명하지만, 투명 산화층(35)이 형성된 후에 절연층(33)이 형성될 수도 있다.
상기 투명 산화층(35)은 전류 분산을 위해 형성된다. 또한, 상기 투명 산화층(35)은 상부 표면에 요철 패턴(35a)을 가질 수 있다. 전류 분산 및 요철 패턴(35a)을 형성하기 위해 투명 산화층(35)의 전체 두께는 약 1um 이상일 수 있으며, 요부의 두께가 0.5um 이상일 수 있다.
상기 투명 산환층(35)은 ITO 또는 ZnO로 형성될 수 있다. 예컨대, 1차로 투명 산화층의 일부를 형성한 후, 리프트 오프 공정에 의해 철부를 형성함으로써, 요철 패턴을 갖는 투명 산화층(35)을 형성할 수 있다.
상기 요철 패턴(35a)을 갖는 투명 산화층(35)은 활성층(39)에서 생성된 광의 추출 효율을 향상시켜 발광 다이오드의 발광 효율을 개선한다.
한편, 배선(37)은 반도체 적층체들을 서로 전기적으로 연결한다. 도시한 바와 같이, 상기 배선(37)은 일 단부가 하나의 반도체 적층체의 투명 산화층(35)에 접속되고, 타 단부가 다른 하나의 반도체 적층체의 제1 도전형 반도체층(27)에 접속될 수 있다. 이에 따라, 상기 배선들(37)에 의해 복수의 반도체 적층체들이 직렬 연결될 수 있다.
또한, 상기 기판(21) 하부에 반사층(41)이 형성될 수 있으며, 상기 반사층(41) 하부에 본딩 금속(43)이 형성될 수 있다. 상기 반사층(41)은 금속 반사층일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 분포 브래그 반사기일 수 있다. 상기 본딩 금속(43)은 AuSn 또는 Sn으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 반극성 질화갈륨 기판(21) 상에 반도체층들을 성장시킴으로써 반극성 질화갈륨계열의 활성층을 갖는 복수의 반도체 적층체들을 제공할 수 있다. 나아가, 이들 반도체 적층체들을 반절연층(25)을 이용하여 기판(21)으로부터 절연시킴으로써 반도체 적층체들을 직렬 연결할 수 있어 고전압에서 구동되는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는, 도 3을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나, 배선(37)의 일 단부가 제1 도전형 반도체층(25)에 접속되는 대신, 하부 투명 산화층(55)에 접속되는 것에 차이가 있다. 즉, 각 반도체 적층체와 반절연층(25) 사이에 하부 투명 산화층(55)이 위치하며, 상기 하부 투명 산화층(55)은 반도체 적층체 외부로 노출된 접속부(55a)를 갖는다. 상기 배선(37)은 일 단부가 하나의 반도체 적층체의 (상부) 투명 산화층(35)에 접속하고, 타 단부가 다른 하나의 반도체 적층체의 하부 투명 산화층(55)의 접속부(55a)에 접속된다.
상기 하부 투명 산화층(55)은 상기 상부 투명 산화층(35)과 동일한 재질의 산화층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 상부 투명 산화층(35)과 다른 재질의 산화층으로 형성될 수도 있다. 상기 투명 산화층(55)은 반절연층(25) 및/또는 버퍼층(23)에 의해 기판(21)으로부터 절연된다.
한편, 상기 반도체 적층체, 특히 상기 제1 도전형 반도체층(35)은 상기 반절연층(25)으로부터 성장된 층으로 상기 반절연층(25)과 연결되어 있다.
덧붙여, 상기 하부 투명 산화층(55)은 다양한 형상으로 패터닝될 수 있으며, 이에 대해서는 도 7을 참조하여 뒤에서 상세히 설명한다.
한편 본 실시예에 따르면, 제1 도전형 반도체층(27)의 상부면이 노출될 필요가 없다. 따라서, 제2 도전형 반도체층(31), 활성층(29) 및 제1 도전형 반도체층(33)을 연속적으로 식각할 수 있으며, 따라서 앞의 실시예의 발광 다이오드 제조 방법에 비해 반도체 적층체 형성 공정을 단순화할 수 있다.
도 5 내지 도 9는 도 4의 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
우선, 도 5를 참조하면, 우선, C면에 대해 15~85° 범위의 각도로 기울어진 주면을 갖는 미스컷 반극성 질화갈륨 기판(21)이 준비된다. 상기 기판(21)은 도 1을 참조하여 설명한 기판(21)과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 기판(21) 상에 버퍼층(23) 및/또는 반절연층(25)이 성장된다. 상기 버퍼층(23) 및 반절연층(25)은 도 2를 참조하여 설명한 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 상기 반절연층(25) 상에 하부 투명 산화층(55)이 형성된다. 상기 하부 투명 산화층(55)은 복수의 반도체 적층체의 위치에 대응하도록 형성된다. 상기 하부 투명 산화층(55)은 예컨대 ZnO로 형성될 수 있다.
상기 하부 투명 산화층(55)은 다양한 형상으로 패터닝될 수 있다. 예컨대, 도 7(a)에 도시한 바와 같이, 상기 하부 투명 산화층(55)은 접속부(55a)를 가지며, 또한, 복수의 관통홀들(55b)을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 관통홀들(55b)은 반절연층(25)(반절연층(25)이 생략된 경우, 버퍼층(23))을 노출시키며, 하부 투명 산화층(55) 위에 형성되는 반도체 적층체는 관통홀들(55b)을 통해 반절연층(25)에 연결된다. 또는, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 하부 투명 산화층(65)은 접속부(65a)를 가지며, 또한, 복수의 홈들을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 홈들은 반절연층(25)(반절연층(25)이 생략된 경우, 버퍼층(23))을 노출시킨다. 이때, 하부 투명 산화층(65) 위에 형성되는 반도체 적층체는 홈들을 통해 반절연층(25)에 연결된다. 이와 달리, 도 7(c)에 도시한 바와 같이, 하부 투명 산화층(75)은 복수의 아일랜드들로 형성될 수 있다. 접속부(75a)는 아일랜드를 포함하도록 형성되며, 상기 아일랜드들은 그 위에 형성된 반도체층(예컨대, 제1 도전형 반도체층(27))에 의해 전기적으로 연결된다.
도 7(a) 내지 도 7(c)에 상기 하부 투명 산화층(55)의 몇몇 예들을 도시하였지만, 하부 투명 산화층(55)은 이들에 한정되는 것은 아니며, 그 위에 성장될 반도체층이 반절연층(25)의 결정면을 따라 성장되는 한 다양하게 변형될 수 있다
도 8을 참조하면, 상기 하부 투명 산화층(55) 상에 제1 도전형 반도체층(27), 활성층(29) 및 제2 도전형 반도체층(31)을 포함하는 에피층들이 성장된다. 상기 제1 도전형 반도체층(27)은 상기 반절연층(25) 상에서 성장을 시작하여 상기 하부 투명 산화층(55)을 덮는다. 그 후, 상기 제1 도전형 반도체층(27) 상에 상기 활성층(29) 및 제2 도전형 반도체층(31)이 연속적으로 성장될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(31), 활성층(29) 및 제1 도전형 반도체층(27)을 패터닝하여 서로 이격된 복수의 반도체 적층체들을 형성한다. 여기서, 하부 투명 산화층(55)의 일부(접속부)는 상기 각 반도체 적층체의 외부로 노출된다. 또한, 상기 복수의 반도체 적층체들은 반절연층(25)에 의해 서로 전기적으로 이격된다.
그 후, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 절연층(33), 투명 산화층(35) 및 배선(37)을 형성하고, 기판(21) 하부에 반사층(41) 및 본딩 금속(43)을 형성함으로써 도 4의 발광 다이오드가 제조될 수 있다.

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 질화갈륨 계열의 복수의 반도체 적층체;
    상기 복수의 반도체 적층체와 상기 기판 사이에 개재되어 상기 반도체 적층체들을 상기 기판으로부터 절연시키는 반절연층; 및
    상기 반도체 적층체들을 전기적으로 연결하는 배선을 포함하되,
    상기 각 반도체 적층체는 반극성 반도체층의 활성층을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질화갈륨 계열의 반도체 적층체는 반극성 질화갈륨 기판 상에서 성장된 반도체층들을 포함하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반극성 질화갈륨 기판은 C면에 대해 15~85° 범위의 각도로 기울어진 주면을 갖는 미스컷 반극성 질화갈륨 기판인 발광 다이오드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기판은 상기 반극성 질화갈륨 기판인 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반절연층은 p형 불순물이 도핑된 질화갈륨계 질화물층인 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 p형 불순물은 철, 코발트, 니켈 및 마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 반도체 적층체 상에 위치하는 투명 산화층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 투명 산화층은 요철 패턴을 갖는 발광 다이오드.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 투명 산화층은 ITO 또는 ZnO인 발광 다이오드.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 배선은 상기 반도체 적층체들을 직렬 연결하되, 그 일 단부는 상기 투명 산화층에 접속된 발광 다이오드.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 반절연층과 상기 각각의 반도체 적층 구조체 사이에 위치하는 하부 투명 산화층을 더 포함하되,
    상기 하부 투명 산화층은 상기 반도체 적층 구조체 외부로 노출된 접속부를 갖고,
    상기 배선의 일 단부는 상기 접속부에 접속된 발광 다이오드.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 각각의 하부 투명 산화층은 복수의 관통홀들을 갖고,
    상기 반도체 적층체는 상기 관통홀들을 통해 상기 반절연층에 연결된 발광 다이오드.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 각각의 하부 투명 산화층은 복수의 홈들을 갖고,
    상기 반도체 적층체는 상기 홈들을 통해 상기 반절연층에 연결된 발광 다이오드.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 각각의 하부 투명 산화층은 복수의 아일랜드들로 형성되고, 상기 반도체 적층체는 상기 아일랜드들 사이의 영역들을 통해 상기 반절연층에 연결된 발광 다이오드.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 하부에 위치하는 반사층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 반사층 하부에 위치하는 본딩 금속을 더 포함하는 발광 다이오드.
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