KR20130083884A - 반도체 발광소자 - Google Patents

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KR20130083884A
KR20130083884A KR1020130074801A KR20130074801A KR20130083884A KR 20130083884 A KR20130083884 A KR 20130083884A KR 1020130074801 A KR1020130074801 A KR 1020130074801A KR 20130074801 A KR20130074801 A KR 20130074801A KR 20130083884 A KR20130083884 A KR 20130083884A
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layer
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light emitting
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김종원
박은현
전수근
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주식회사 세미콘라이트
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Abstract

본 개시는 n형 전도성을 갖는 제1 반도체층, p형 전도성을 갖는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 위치하며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수의 반도체층; 제2 반도체층 위에 위치한 p측 전극; 제2 반도체층 및 활성층이 제거되어 노출된 제1 반도체층 위에 형성된 n측 투광성 전도막; 그리고 n측 투광성 전도막 위에 위치하는 n측 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 전극에 의한 광흡수 손실이 감소되어 광추출효율이 향상된 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다. 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10; 예; 사파이어 기판), 기판(10) 위에 성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(30), n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 성장되는 활성층(40), 활성층(40) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(50), p형 3족 질화물 반도체층(50) 위에 형성되는 전류확산 전도막(60), 전류확산 전도막(60) 위에 형성되는 p측 본딩패드(70), p형 3족 질화물 반도체층(50)과 활성층(40)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 형성되는 n측 본딩패드(80), 그리고 보호막(90)을 포함한다.
전류확산 전도막(60)은 p형 3족 질화물 반도체층(50) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비된다. 전류확산 전도막(60)은 p형 3족 질화물 반도체층(50)의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며, 예를 들어, ITO, ZnO 또는 Ni 및 Au를 사용하여 투광성 전도막으로 형성되거나, Ag를 사용하여 반사형 전도막으로 형성될 수 있다.
p측 본딩패드(70)과 n측 본딩패드(80)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 메탈 전극으로서, 예를 들어, 니켈, 금, 은, 크롬, 티타늄, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 알루미늄, 주석, 인듐, 탄탈륨, 구리, 코발트, 철, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 사용하여 형성될 수 있다.
보호막(90)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
반도체 발광소자의 대면적화 및 고전력 소모에 따라, 반도체 발광소자 내에서 원활한 전류확산을 위해 가지전극과 복수의 본딩패드가 도입되고 있다. 예를 들어, 도 2는 미국특허 제6,307,218호에 기재된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자가 대면적화됨에 따라 p측 본딩패드(710)과 n측 본딩패드(810) 사이에 등간격을 가지는 가지전극(910)을 구비하여 전류 확산을 개선하는 기술이 기재되어 있다.
그러나 본딩패드 및 가지전극 같은 금속재질의 전극은 두께가 두껍고, 광흡수 손실(Light Absorption Loss)이 크기 때문에 반도체 발광소자의 광추출효율을 저하하는 문제점이 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), n형 전도성을 갖는 제1 반도체층, p형 전도성을 갖는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 위치하며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수의 반도체층; 제2 반도체층 위에 위치한 p측 전극; 제2 반도체층과 활성층이 제거되어 노출된 제1 반도체층 위에 형성된 n측 투광성 전도막; 그리고 n측 투광성 전도막 위에 위치하는 n측 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국특허 제6,307,218호에 기재된 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 도 3에 도시된 A-A 선을 따라 절단한 반도체 발광소자의 단면을 나타내는 도면,
도 5는 도 3에 도시된 B-B 선을 따라 절단한 단면을 기준으로 반도체 발광소자의 제조 공정을 설명하는 도면,
도 6은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 3은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 4는 도 3의 A-A 선을 따라 절단한 단면을 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자(300)는 기판(310), 버퍼층(320), 복수의 반도체층, n측 투광성 전도막(335), n측 전극(380), p측 투광성 전도막(360) 및 p측 전극(370)을 포함한다. 복수의 반도체층은 제1 반도체층(330), 활성층(340), 제2 반도체층(350)을 포함한다. 기판(310) 위에 버퍼층(320), 제1 반도체층(330), 활성층(340) 및 제2 반도체층(350)이 형성된다. 기판(310) 위에 에피성장되는 반도체층들은 주로 유기금속기상성장법(MOCVD)에 의해 성장되며, 필요에 따라서 각 층들은 다시 세부 층들을 포함할 수 있다.
이하에서는 제1 반도체층(330), 제2 반도체층(350) 및 활성층(340)이 III-V족 화합물 반도체로 형성된 경우로서, Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표현되는 3족 질화물 반도체로 형성된 경우를 예로 하여 설명한다.
기판(310)은 동종기판으로 GaN계 기판, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다.
제1 반도체층(330)과 제2 반도체층(350)은 서로 다른 도전성을 갖도록 구비된다. 본 개시에서는 제1 반도체층(330)은 n형 질화물 반도체층(330; 예를 들어, n형 GaN층)으로, 제2 반도체층(350)은 p형 질화물 반도체층(350; 예를 들어, p형 GaN층)으로 예를 들어 사용한다.
도 5는 도 3에 도시된 B-B 선을 따라 절단한 단면을 기준으로 반도체 발광소자의 제조 공정을 설명하는 도면이다.
먼저, 기판 위에 복수의 반도체층을 형성한 이후, 메사(mesa) 형태로 p형 질화물 반도체층(350) 및 활성층(340)을 식각하여, 도 5a에 도시된 것과 같이, n측 전극(380)에 대응하는 영역을 포함하여 n형 질화물 반도체층(330)의 일부를 노출한다. 여러 개의 반도체층을 제거하는 방법으로 건식식각 방법, 예를 들어 ICP(Inductively Coupled Plasma)이 사용될 수 있다.
다음으로, 스퍼터링(Sputtering)법, 전자빔 증작법(E-beam Evaporation), 열증착법(Thermal Evaporation) 등을 이용하여, 도 5b에 도시된 것과 같이, p형 질화물 반도체층(350) 위에 p측 투광성 전도막(360)과 메사식각되어 노출된 n형 질화물 반도체층(330) 위에 n측 투광성 전도막(335)을 형성한다. p측 투광성 전도막(360) 및 n측 투광성 전도막(335)은 전류 확산을 향상한다. p측 투광성 전도막(360) 및 n측 투광성 전도막(335)은 주로 ITO, ZnO 또는 Ni/Au로 형성된다.
p측 투광성 전도막(360)은 발광영역의 대부분에 형성되어 있으며, p측 투광성 전도막(360)이 너무 얇으면 전류확산에 불리하여 구동전압이 높아지며, 너무 두꺼우면 광흡수로 인해 광추출효율이 저하될 수 있다.
n측 투광성 전도막(335)으로 인해 n측 전극(380)의 폭을 n측 투광성 전도막(335)이 없는 경우보다 작게 할 수 있어서 n측 전극(380)에 의한 광흡수를 감소시킬 수 있다. 이에 대해서는 상세히 후술된다.
계속해서, 스퍼터링(Sputtering)법, 전자빔 증작법(Ebeam Evaporation), 열증착법(Thermal Evaporation) 등의 방법을 이용하여, 예를 들어 도 3 및 도 5c에 도시된 것과 같이, n측 투광성 전도막(335) 위에 n측 전극(380)과 p측 투광성 전도막(360) 위에 p측 전극(370)을 형성한다. n측 전극(380) 및 p측 전극(370)은, 예를 들어, Cr/Al/Ti/Au 을 순차로 적층하여 형성된다. 예를 들어 n측 전극(380)은 n측 본딩패드(381) 및 n측 가지전극(385)을 포함하며, p측 전극(370)은 p측 본딩패드(371) 및 p측 가지전극(375)을 포함한다.
반도체 발광소자(300)는 사이즈 증가를 위해 일측으로 길게 형성될 수 있으며, 도 3에는 대략 직사각형의 평면 형상을 갖는 반도체 발광소자(300)가 예시되어 있다. 따라서 반도체 발광소자(300)는 장변 및 단변을 가진다.
도 3에 예시된 반도체 발광소자(300)에서 n측 본딩패드(381) 및 p측 본딩패드(371)는 대향하는 단변측에 위치한다. n측 가지전극(385)은 n측 본딩패드(381)로부터 p측 본딩패드(371)를 향하여 반도체 발광소자(300)의 가운데를 따라 뻗어 있다. 2개의 p측 가지전극(375) p측 본딩패드(371)로부터 연장되어 n측 가지전극(385) 양측으로 뻗어 있다. n측 본딩패드(381), n측 가지전극(385), p측 본딩패드(371) 및 p측 가지전극(375)의 형상 및 배치는 다양하게 변경될 수 있다.
반도체 발광소자(300)에서 전극에 의한 광흡수량을 감소하여 반도체 발광소자(300)의 외부 양자효율을 향상할 수 있다. 본 개시에서는 n형 질화물 반도체층(330) 위에 n측 투광성 전도막(335)을 형성하여 전류확산을 위한 면적이 충분히 확보된다. 따라서 n측 투광성 전도막(335)이 없는 경우에 비하여 n측 전극(380)의 면적을 감소하여도 n측 전극(380)과 n형 질화물 반도체층(330) 간의 전류확산에 저해되지 않는다. 따라서 n측 가지전극(385) 및 n측 본딩패드(381)의 폭을 감소하여 n측 전극(380)에 의한 광흡수량을 줄여서 반도체 발광소자로부터 나오는 광량이 증가된다. 특히 n측 가지전극(385)은 발광영역을 가로지르게 배치되는 경우가 많으므로 n측 가지전극(385)의 폭을 감소하면 광흡수 손실을 효과적으로 줄일 수 있다.
한편, n측 투광성 전도막(335)과 n형 질화물 반도체층(330) 간의 접촉저항은 반도체 발광소자(300)의 동작전압의 상승 문제와 관련된다. n측 투광성 전도막(335)과 n형 질화물 반도체층(330) 간의 접촉저항은 n측 전극(380)과 n형 질화물 반도체층(330) 간의 접촉저항 보다 높을 수 있지만, n형 질화물 반도체층(330)의 도핑농도를 높게 하여 동작전압의 상승 문제를 해소할 수 있다. 바람직하게는, n형 질화물 반도체층(330)의 도핑 농도를 1ⅹ1019/cm3이상으로 함으로써 n측 투광성 전도막(335)으로 인한 동작전압의 상승이 문제되지 않을 정도로 조절된다.
도 3 내지 도 5에서 설명된 반도체 발광소자에 의하면, n측 전극(380)의 면적을 감소하여 광흡수 손실이 줄어든다.
도 6은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자(500)는 n측 투광성 전도막(535)에 복수의 개구(537)가 형성된 것과, 개구(537)를 통해 n형 질화물 반도체층(530)과 n측 전극(580)이 접하는 것을 제외하고는 도 3 내지 도 5에서 설명된 반도체 발광소자(300)와 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명은 생략한다.
n측 투광성 전도막(535) 형성시 개구(537)가 형성되도록 패터닝된다. 개구(537)는 n측 본딩패드(581) 및 n측 가지전극(585)을 따라 섬 형태로 배열되어 있다. 개구(537)를 통해 n측 전극(580)과 n형 질화물 반도체층(530)이 접하므로 n측 전극(580)의 필링(peeling)이 감소된다.
p측 투광성 전도막(560)에도 개구를 형성하여 p측 전극(570)의 필링을 감소할 수 있다.
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자(600)는 n형 질화물 반도체층(630)이 고농도 도핑층과 언도핑(undoped)층 또는 저농도 도핑층이 반복 적층된 구성을 가지는 것을 제외하고는 도 3 내지 도 5에서 설명된 반도체 발광소자(300)와 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명은 생략한다.
n형 질화물 반도체층(630)을 단일층으로 1ⅹ1019/cm3 이상 도핑하면 결정성이 저하되어 실재 발광소자로 사용되기에는 문제점이 있을 수 있다. 이를 해소하기 위해 도 6에 도시된 것과 같이, 1ⅹ1019/cm3 이상의 고농도 도핑층과 언도핑층 또는 저도핑층을 반복 적층하여 n형 질화물 반도체층(630)을 구성하면 결정성 저하를 방지하면서 n측 투광성 전도막(635)으로 인한 동작전압 상승이 문제되지 않도록 조절된다.
예를 들어, 5ⅹ1019/cm3의 도핑 농도(Si 소스로 DTBSi를 9.5sccm 공급)와 60A의 두께를 가지는 n형 GaN층(630a)과 100A의 두께를 가지는 un-GaN층(630b)을 반복 적층하여 대략 2um 두께의 n형 질화물 반도체층(630)을 성장시킨다.(이는 Si 소스의 공급 시간을 조절함으로써 이루어질 수 있다. 예를 들어, Si 소스를 15초간 공급한 후, 25초간 공급 중단한다.) 이 적층 구조를 형성하기에 앞서, 사파이어 기판 위에 버퍼층과, 2um 두께의 un-GaN을 미리 성장시킨다. 버퍼층은 전술한 방법들이 사용될 있으며, 저온 AlInGaN계 물질을 사용할 수 있다.
상기한 예에서와 같이, n형 GaN층(630a)이 1x1019/cm3 이상의 높은 도핑 농도를 가지더라도 un-GaN층(630b)의 두께를 일정 이상으로 형성함으로써, 결정성의 훼손 없이 고농도의 n형 질화물 반도체층(630)을 형성할 수 있다. 또한 도핑된 n형 GaN층(630a)(도핑 농도 5ⅹ1019/cm3)보다 세배나 두꺼운 un-GaN층(630b)을 적층하더라도, n형 질화물 반도체층(630)은 전체로서 1.25ⅹ1019/cm3 정도의 도핑 농도를 가지면서도 결정성을 유지할 수 있다.
이와 같이 n형 질화물 반도체층(630)을 형성하면 n측 투광성 전도막(635)으로 인한 동작전압 상승의 문제를 해소하면서, n측 투광성 전도막(635)로 인해 n측 전극(680)의 면적을 감소하여 광흡수 손실을 감소시킬 수 있다.
이하, 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) n측 투광성 전도막은 ITO 또는 ZnO를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(2) 제1 반도체층은 1ⅹ1019/cm3 이상의 도핑 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(3) 제1 반도체층은 1ⅹ1019/cm3이상의 도핑 농도를 가지는 고농도 도핑층; 그리고 고농도 도핑층과 교대로 반복 적층된 언도핑(undoped)층 또는 저도핑(low doped)층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(4) n측 전극은 n측 투광성 전도막 위에서 뻗은 가지전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(5) n측 투광성 전도막은 개구를 구비하며, 가지전극은 n측 투광성 전도막 및 개구로 노출된 제1 반도체층에 접하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(6) 제1 반도체층 및 제2 반도체층은 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표현되는 3족 질화물 반도체로 형성되며, 제1 반도체층은 1х1019/㎤이상의 도핑 농도를 가지는 GaN층; 그리고 GaN층과 교대로 반복 적층된 un-GaN층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(7) n측 전극은 n측 투광성 전도막 위에서 뻗은 가지전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 반도체 발광소자에 의하면, n측 전극에 의한 광흡수가 줄어 외부양자효율이 향상된다.
300 : 반도체 발광소자 330 : n형 질화물 반도체층
335 : n측 투광성 전도막 340 : 활성층
350 : p형 질화물 반도체층 360 : p측 투광성 전도막
370 : n측 전극 371 : n측 본딩패드
375 : n측 가지전극 380 : p측 전극
381 : p측 본딩패드 385 : p측 가지전극

Claims (8)

  1. n형 전도성을 갖는 제1 반도체층, p형 전도성을 갖는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층의 사이에 위치하며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 복수의 반도체층;
    제2 반도체층 위에 위치하는 p측 전극;
    제2 반도체층 및 활성층이 식각되어 노출된 제1 반도체층 위에 형성된 n측 투광성 전도막; 그리고
    n측 투광성 전도막 위에 위치하는 n측 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    n측 투광성 전도막은 ITO 또는 ZnO를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1 반도체층은 1ⅹ1019/cm3 이상의 도핑 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제1 반도체층은
    1ⅹ1019/cm3이상의 도핑 농도를 가지는 고농도 도핑층; 그리고
    고농도 도핑층과 교대로 반복 적층된 언도핑(undoped)층 또는 저도핑(low doped)층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    n측 전극은 n측 투광성 전도막 위에서 뻗은 가지전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    n측 투광성 전도막은 개구를 구비하며, 가지전극은 n측 투광성 전도막 및 개구로 노출된 제1 반도체층에 접하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 청구항 2에 있어서,
    제1 반도체층 및 제2 반도체층은 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표현되는 3족 질화물 반도체로 형성되며, 제1 반도체층은
    1х1019/㎤이상의 도핑 농도를 가지는 GaN층; 그리고
    GaN층과 교대로 반복 적층된 un-GaN층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    n측 전극은 n측 투광성 전도막 위에서 뻗은 가지전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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