KR20140061827A - 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조방법 - Google Patents
반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은 3족 질화물 반도체로 이루어진 기저층과, 상기 기저층의 3족 원소 극성면 상에 형성된 극성 개질층 및 상기 극성 개질층 상에 형성된 3족 질화물 반도체의 다층 구조를 구비하되, 적어도 하나의 층의 상면은 N 극성면으로 이루어진 발광적층체를 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자의 일 종인 발광 다이오드(LED)는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 3족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
이러한 질화물 반도체를 이용한 발광 다이오드가 개발된 후에, 많은 기술적 발전을 이루어져 그 활용 범위가 확대되어 일반 조명 및 전장용 광원으로 많은 연구가 되고 있다. 특히, 종래에는 질화물 발광소자는 주로 저전류/저출력의 모바일 제품에 적용되는 부품으로 사용되었으며, 최근에는 점차 그 활용범위가 고전류/고출력 분야로 확대되고 있다.
이에 따라, 반도체 발광소자의 발광 효율과 품질을 개선하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 특히, 우수한 발광 효율을 갖기 위해 내부 양자 효율이 우수한 발광소자가 개발되고 있다.
본 발명의 목적 중 하나는, 전자와 정공이 보다 효율적으로 활성층에 주입될 수 있도록 함으로써 발광 효율이 향상될 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중 다른 하나는, 이러한 반도체 발광소자를 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결 수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면은,
3족 질화물 반도체로 이루어진 기저층과, 상기 기저층의 3족 원소 극성면 상에 형성된 극성 개질층 및 상기 극성 개질층 상에 형성된 3족 질화물 반도체의 다층 구조를 구비하되, 적어도 하나의 층의 상면은 N 극성면으로 이루어진 발광적층체를 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기저층은 AlN으로 이루어진질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기저층의 상면은 Al 극성면으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 극성 개질층은 상기 기저층을 이루는 물질의 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 극성 개질층은 Al 산화물일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 극성 개질층은 상기 기저층을 이루는 물질의 질화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 발광적층체는 각각 3족 질화물 반도체로 이루어진 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 상기 극성 개질층 상에 순차적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 발광적층체 중 적어도 상기 제1 도전형 반도체층의 상면은 N 극성면으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층 각각의 상면은 N 극성면으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기저층은 상기 기저층과 다른 물질로 이루어진 기판 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기판은 사파이어로 이루어지며, 상기 기판에서 상기 기저층을 향하는 면은 Al 극성면일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기저층은 AlN으로 이루어지며, 상기 기저층과 상기 기판 사이에는 GaN으로 이루어진 다른 기저층이 존재하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기저층의 두께는 20 ~ 200㎚일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 극성 개질층의 두께는 0.3 ~ 10㎚일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은,
기판과, 상기 기판 상에 형성되며, Al 극성의 상면을 갖는 AlN으로 이루어진 기저층과, 상기 Al 극성의 상면 상에 형성되며, Al 산화물로 이루어진 극성 개질층 및 상기 극성 개질층 상에 형성되며, N 극성의 상면을 갖는 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은,
기판 상에 3족 질화물 반도체로 이루어진 기저층을 형성하는 단계와, 상기 기저층의 적어도 상면을 산화 또는 질화 처리하여 극성 개질층을 형성하는 단계 및 상기 극성 개질층 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광적층체를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 극성 개질층을 형성하는 단계는 상기 기저층의 상면을 산화시켜 1 ~ 10개의 원자층을 갖는 산화막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 극성 개질층을 형성하는 단계는 오존 가스 분위기에서 실행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의할 경우, 전자와 정공이 보다 효율적으로 활성층에 주입될 수 있도록 함으로써 발광 효율이 향상될 수 있는 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.
또한, 이러한 반도체 발광소자를 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 얻을 수 있다.
다만, 본 발명으로부터 얻을 수 있는 효과는 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결 수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2, 도 3, 도 6 및 도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정별 단면도이다.
도 4 및 도 5는 산화 처리에 의하여 기저층의 표면이 개질되는 양상을 보이기 위하여 원자간 결합 상태를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8은 각각 Ga 극성면 및 N 극성면 발광소자 내부의 각 위치에서의 밴드갭 에너지와 전류 밀도를 나타낸 것이다.
도 9는 Ga 극성면 및 N 극성면 발광소자에서 전압에 따른 전류밀도를 시뮬레이션 하여 비교한 그래프이다.
도 10은 Ga 극성면 및 N 극성면 발광소자에서 전류밀도에 따른 내부양자효율을 시뮬레이션하여 비교한 그래프이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다.
도 18은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다.
도 2, 도 3, 도 6 및 도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정별 단면도이다.
도 4 및 도 5는 산화 처리에 의하여 기저층의 표면이 개질되는 양상을 보이기 위하여 원자간 결합 상태를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8은 각각 Ga 극성면 및 N 극성면 발광소자 내부의 각 위치에서의 밴드갭 에너지와 전류 밀도를 나타낸 것이다.
도 9는 Ga 극성면 및 N 극성면 발광소자에서 전압에 따른 전류밀도를 시뮬레이션 하여 비교한 그래프이다.
도 10은 Ga 극성면 및 N 극성면 발광소자에서 전류밀도에 따른 내부양자효율을 시뮬레이션하여 비교한 그래프이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다.
도 18은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서 개별적인 실시 형태는 서로 합쳐진 형태로 제공될 수 있음은 평균적인 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1을 함께 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(101) 상에 배치된 발광구조, 즉, 제1 도전형 반도체층(104), 활성층(105) 및 제2 도전형 반도체층(106)을 포함하는 발광적층체(S)를 구비하며, 기판(101)과 발광적층체(S) 사이에는 기저층(102)과 극성 개질층(103)이 형성되어 있다. 또한, 제2 도전형 반도체층(106) 상에 형성된 오믹전극층(107)을 포함하며, 제1 도전형 반도체층(104) 및 오믹전극층(107)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극(108a, 108b)이 형성된다. 다만, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
기판(101)은 반도체 성장용 기판으로 제공되며, 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등과 같이 절연성, 도전성, 반도체 물질을 이용할 수 있으다. 이 경우, 질화물 반도체 성장용 기판으로 널리 이용되는 사파이어의 경우, 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 후술할 바와 같이, 사파이어 등의 기판(101) 상에 질화물 반도체, 예컨대, GaN을 성장시킬 경우, 기판(101)을 향하는 면은 N 극성면이 되고 이와 마주하는 면(즉, GaN 상면)은 Ga 극성면이 되는데 본 실시 형태에서는 극성 개질층(103)을 통하여 N 극성면에 발광적층체(S)가 형성될 수 있도록 하였다. 한편, 기판(101)으로 사용하기에 적합한 다른 물질로는 Si 기판을 들 수 있으며, 대구경화에 보다 적합하고 상대적으로 가격이 낮은 Si 기판을 사용하여 양산성이 향상될 수 있다. Si 기판을 이용하는 경우, 기판(101) 상에 AlxGa1 - xN과 같은 물질로 이루어진 핵생성층을 형성한 후 그 위에 원하는 구조의 질화물 반도체를 성장할 수 있을 것이다.
기판(101) 상에 형성된 기저층(102)은 3족 질화물 반도체로 이루어지며, 버퍼층으로 기능하여 그 위에 성장되는 반도체층의 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 나아가, 본 실시 형태의 경우, 기저층(102)은 그 위에 형성된 극성 개질층(103)에 의하여 표면의 극성이 발광 효율 향상에 보다 적합한 형태로 개질될 수 있다. 구체적으로, 기판(101) 상에 정상적으로 성장된 기저층(102)의 경우, 상면은 3족 원소의 극성면으로 이루어지게 되며, 이는 기저층(102) 상면의 최외곽이 상기 3족 원소로 이루어지는 것(혹은 질소보다 더 많은 수가 존재하는 것)을 의미한다. 예컨대, 기저층(102)이 AlN으로 이루어진 경우, 기저층(102)의 상면(A)은 Al 극성면이 된다. Al 극성면 상에 3족 질화물 반도체를 계속 성장하면 성장된 반도체층의 상면 역시 3족 원소 극성면이 되는데 후술할 바와 같이, 3족 원소 극성면의 경우, 발광 효율이 우수한 발광적층체를 형성하는데 적합성이 떨어질 수 있다.
극성 개질층(103)은 기저층(102)의 표면 상태에 변화를 주어 그 위에 성장되는 3족 질화물 반도체의 상면이 N 극성면이 될 수 있도록 한다. 이를 위하여, 극성 개질층(103)은 기저층(102)의 적어도 상면을 산화 처리하여 형성된 것일 수 있으며, 이러한 극성 개질층(103) 상에 3족 질화물 반도체, 예컨대, GaN을 성장할 경우, N보다 Ga 원자가 O 원자와 먼저 결합하여 하부에는 Ga 극성면이 형성되고 이와 마주하는 상면에는 N 극성면이 형성된다. 구체적으로, 기저층(102)이 AlN으로 이루어진 경우, 기저층(102) 상면은 Al2O3로 이루어진 산화막이 형성되어 표면이 개질된다. 이 경우, 기저층(102)은 AlN이 아닌 다른 3족 질화물 반도체, 예컨대, GaN, AlGaN 등으로 이루어질 수 있으며, 다만, 다른 원소에 비하여 Al이 산화에 유리한 측면을 고려할 때 AlN이 바람직하게 채용될 수 있다. 따라서, 실시 형태에 따라 기저층(102)과 기판(101) 사이에는 GaN으로 이루어진 다른 기저층이 존재하지 않을 수 있을 것이다. 기저층(102) 표면이 산화에 의하여 개질되는 원리는 공정과 관련하여 더욱 자세히 설명한다. 한편, 기저층(102) 3족 원소 극성면을 개질하기 위한 방법으로 산화 처리만 이용될 수 있는 것은 아니며, 기저층(102)의 표면을 질화 처리하여 N 극성면을 직접 형성할 수도 있을 것이다.
이와 같은 방식으로 개질된 표면에 형성된 발광적층체(S)의 경우, 활성층(105)에서의 양자효율 혹은 캐리어의 재결합효율이 우수해질 수 있고 구동 전압은 저감될 수 있어 소자의 활용 면에서 유리하다. 3족 질화물 반도체의 다층 구조를 구비하는 발광적층체(S)를 보다 자세히 설명하면, 제1 및 제2 도전형 반도체층(104, 106)은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체로 이루어질 수 있으며, 다만, 이에 제한되는 것은 아니고 반대로 각각 p형 및 n형 반도체층이 될 수도 있을 것이다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(104, 106)은 3족 질화물 반도체, 예컨대, AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(104, 106) 사이에 배치된 활성층(105)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN 구조가 사용될 수 있다. 한편, 발광적층체를 구성하는 제1 및 제2 도전형 반도체층(104, 106)과 활성층(105)은 유기 금속 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy, 'HVPE'), 분자선 에피탁시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 등과 같이 당 기술 분야에서 공지된 공정을 이용하여 성장될 수 있다.
상술한 바와 같이, 극성 개질층(103) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(104)의 상면(B)은 N 극성면이 될 수 있으며, 마찬가지로 활성층(105) 및 제2 도전형 반도체층(106)의 상면도 N 극성면이 될 수 있다. 이와 같이 N 극성면에 근거한 발광적층체는 발광 효율이 우수하며 낮은 동작 전압을 갖는데, 후술할 바와 같이, 누설 전류가 감소되고 활성층(105)에서의 캐리어 구속 효과 등이 향상되기 때문이다.
오믹전극층(107)은 제2 도전형 반도체층(106)과 전기적으로 오믹 특성을 보이는 물질로 이루어질 수 있으며, 투명 전극용 물질 중 광 투과율이 높으면서도 오믹컨택 성능이 상대적으로 우수한 ITO, CIO, ZnO 등과 같은 투명 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 이와 달리 오믹전극층(107)은 광 반사성 물질, 예를 들어, 고반사성 금속으로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 소자(100)는 제1 및 제2 전극(108a, 108b)이 패키지의 리드 프레임 등을 향하여 실장되는 소위, 플립칩 구조로 이용될 수 있다. 오믹전극층(107)은 스퍼터링이나 다양한 형태의 증착 방식 등을 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 오믹전극층(107)은 본 실시 형태에서 반드시 필요한 요소는 아니며, 경우에 따라서는 제외될 수도 있을 것이다.
제1 및 제2 전극(108a, 108b)은 당 기술 분야에서 공지된 전기전도성 물질, 예컨대, Ag, Al, Ni, Cr 등의 물질 중 하나 이상을 증착하거나 스퍼터링하는 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 구조의 경우, 제1 도전형 반도체층(104) 및 오믹전극층(107)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극(108a, 108b)이 형성되어 있으나 이러한 전극(108a, 108b) 형성 방식은 일 예일 뿐이며, 제1 도전형 반도체층(104), 활성층(105) 및 제2 도전형 반도체층(106)을 구비하는 발광적층체의 다양한 위치에 전극이 형성될 수 있을 것이다.
이하, 도 2 내지 11을 참조하여 상술한 구조 또는 이와 유사한 발광소자를 제조하는 방법과 이에 의하여 얻어진 소자가 갖는 우수한 효과 등을 설명한다. 상술한 기술적 사상, 특히 N 극성면으로 표면 개질을 하여 얻을 수 있는 유익한 효과는 이하에서 구체적으로 설명될 수 있을 것이다.
우선, 도 2에 도시된 것과 같이, 기판(101) 상에 기저층(102)을 형성한다. 기판(101)은 상기에서 언급한 물질로 이루어진 반도체 성장용 기판, 예컨대, 사파이어, Si 등의 기판을 이용할 수 있다. 기저층(102)은 상술한 바와 같이 3족 질화물 반도체, 예컨대, AlN와 같은 Al을 함유하는 질화물로 이루어질 수 있다. 기저층(102)은 스퍼터나 MOCVD 장비 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 버퍼로서의 기능 등을 고려하여 약 20 ~ 200㎚의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
다음으로, 도 3에 도시된 것과 같이, 기저층(102) 상에 극성 개질층(103)을 형성한다. 상술한 바와 같이, 극성 개질층(103)은 기저층(102)의 표면을 산화 또는 질화 처리하여 얻어질 수 있다. 예컨대, 기저층(102)을 산화 처리할 경우, 기저층(102)을 오존(O3) 가스에 노출시켜 약 0.3 ~ 10㎚ 혹은 1 ~ 10개의 원자층을 갖는 산화막을 형성할 수 있다. 이는 표면 개질 효과와 더불어 전기적 특성의 저하가 크지 않은 범위를 고려한 것이다. 한편, 기저층(102)을 질화 처리할 경우, N2 가스 분위기에서 열처리(예컨대, 약 950℃에서 30초간)하는 방식을 이용할 수 있다.
도 4 및 도 5는 산화 처리에 의하여 기저층의 표면이 개질되는 양상을 보이기 위하여 원자간 결합 상태를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 4의 경우, 사파이어 기판(Al2O3)에 기저층(AlN)을 형성한 후 표면의 개질 없이 GaN을 형성한 예로서, 기저층의 상면은 Al 극성면이 되고, 그 위에 성장된 GaN은 상면이 Ga 극성면이 되는 것을 볼 수 있다. 이와 비교하여 도 5의 경우, 기저층의 상면을 산화 처리함으로써 산화막이 형성되며 그 위에 형성된 GaN의 경우, 하면은 Ga 극성면이 되고 상면은 N 극성면이 된다. 이러한 N 극성면 상에 성장된 3족 질화물 반도체의 경우, 마찬가지로 상면이 N 극성면이 될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 것과 같이, 극성 개질층(103) 상에 성장된 제1 도전형 반도체층(104)의 상면, 즉, 활성층(105)을 향하는 면은 N 극성면이 되며, 마찬가지로, 활성층(105)의 상면, 즉, 제2 도전형 반도체층(106)을 향하는 면은 N 극성면이 될 수 있다.
Ga 극성면 상에 성장된 발광소자와 N 극성면 상에 성장된 발광소자의 성능을 도 7 내지 10을 참조하여 비교하면, 우선, 도 7 및 도 8은 각각 Ga 극성면 및 N 극성면 발광소자 내부의 각 위치에서의 밴드갭 에너지와 전류 밀도를 나타낸 것이다. 다만, 시뮬레이션의 간소화를 위하여 N-GaN과 P-GaN 사이에 InGaN 활성층이 배치된 LED 구조를 사용하였으나, 실제 구조는 각 층의 조성이 변경되거나 다른 층이 추가 도입될 수 있을 것이다. 도 7의 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이, Ga 극성면 발광소자의 경우, 압전 분극 효과에 의하여 활성층 주변에서 밴드갭 에너지의 왜곡이 발생하며, 이에 의하여, 전자를 차단하는 제2 도전형 반도체층(P-GaN)의 장벽 높이가 낮아지므로 누설 전류의 발생이 약 1.4A/㎠ 수준으로서 비교적 크다. 또한, 제1 도전형 반도체층(N-GaN)과 활성층의 계면에는 전자에 대한 장벽이 발생하며, 마찬가지로, 제2 도전형 반도체층(P-GaN)과 활성층의 계면에는 정공에 대한 장벽이 발생하여 캐리어가 활성층으로 주입되는 효율이 낮아질 수 있다.
이와 비교하여, 도 8의 시뮬레이션 결과를 보면, N 극성면 발광소자에서는 전자에 대한 제2 도전형 반도체층의 장벽이 비교적 크며, 누설 전류의 크기가 0.3A/㎠ 수준으로 대폭 저감된 것을 볼 수 있다. 또한, 캐리어의 활성층 주입을 방해하는 장벽이 거의 존재하지 않기 때문에 도 9의 전압에 따른 전류밀도 그래프를 통하여 설명될 수 있듯이, 동일 전류밀도를 얻기 위한 전압도 N 극성면 발광소자에서 더 낮았으며, 이에 의해 소자의 구동 전압을 낮출 수 있다. 나아가, 도 10의 그래프는 전류밀도에 따른 내부양자효율을 시뮬레이션한 것인데, 전반적으로 N 극성면 발광소자의 내부양자효율이 Ga 극성면 발광소자보다 우수한 것을 확인할 수 있으며, 이는 상술한 바와 같이, 활성층에 주입되는 전자와 정공의 양이 증가되었기 때문으로 이해될 수 있을 것이다.
이와 같이, 본 실시 형태에 제안하는 극성 변환형 발광소자의 경우, N 극성면을 이용하여 발광적층체를 성장할 수 있으며 이에 따라 발광 효율의 향상 및 구동 전압의 저감 등의 효과를 기대할 수 있다. 특히, 기저층을 도입하여 이를 산화 또는 질화 처리하여 극성을 개질함으로써 N 극성면 소자를 용이하게 얻을 수 있다.
한편, 극성 개질층(103) 상에 발광적층체(S)를 형성한 후에는 오믹전극층(107)을 형성하는 단계, 발광적층체(S)를 적절히 식각하는 단계, 제1 및 제2 전극(108a, 108b)을 형성하는 단계 등을 실행하여 도 1에 도시된 형태의 발광소자를 얻을 수 있다. 다만, N 극성면 발광소자는 도 1의 형태가 아닌 다른 형태로 다양하게 변형될 수 있다. 도 11 내지 13은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
우선, 도 11에 도시된 반도체 발광소자(200)는 도전성 기판(208) 상에 반사금속층(207) 및 발광적층체가 형성되며, 상기 발광적층체는 제1 도전형 반도체층(204), 활성층(205) 및 제2 도전형 반도체층(206)을 구비하는 구조로서, 도 1의 실시 형태에 존재하던 기판(100), 기저층(102) 및 극성 개질층(103)은 제거된 것이며, 이에 의해 노출된 앞선 제1 도전형 반도체층(204)의 3족 원소 극성면, 예컨대, Ga 극성면에 제1 전극(209)이 형성된다. 일반적으로 제1 도전형 반도체층(204)과 제1 전극(209) 사이의 오믹 특성은 N 극성면에서 보다 3족 원소 극성면이 더 유리할 수 있으므로 전기적 특성의 향상을 기대할 수 있다. 기판(100), 기저층(102) 및 극성 개질층(103)은 당업계에서 공지된 리프트 오프 공정이나 식각 공정 등을 이용하여 제거될 수 있다.
반사금속층(207)은 제2 도전형 반도체층(206)과 전기적으로 오믹 특성을 보이는 물질로서, 나아가, 활성층(205)에서 방출된 빛을 반사할 수 있도록 높은 반사율을 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 기능을 고려하여 반사금속층(207)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함하여 1층 혹은 다층 구조로 형성할 수 있다. 또한, 반사금속층(207)은 금속 원소의 확산을 방지하는 베리어층을 구비할 수도 있다.
도전성 기판(208)은 외부 전원과 연결되어 제2 도전형 반도체층(206)에 전기 신호를 인가하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 도전성 기판(208)은 반도체 성장에 이용된 기판을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 발광적층체를 지지하는 지지체의 역할을 수행하며, Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, Si 기판에 Al이 도핑된 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 도전성 기판(208)은 도금, 스퍼터링, 증착 등의 공정으로 반사금속층(207)에 형성할 수 있으며, 이와 달리, 미리 제조된 도전성 기판(208)을 반사금속층(207)에 AuSn와 같은 공융 금속 또는 도전성 폴리머 등으로 이루어진 접합층을 매개로 하여 접합시킬 수도 있다.
도 12에 도시된 반도체 발광소자(200`)는 도 11의 변형 예에 해당하며, 앞선 실시 예와 달리 기저층(202)과 극성 개질층(203)을 일부 잔존시킨 것을 특징으로 한다. 이 경우, 도 12에 도시된 것과 같이, 전기 저항이 상대적으로 높은 기저층(202)과 극성 개질층(203)에 직접 전극을 형성하기보다는 이들을 일부 제거하여 노출된 제1 도전형 반도체층(204)에 제1 전극(209)을 형성하였다.
도 13에 도시된 반도체 발광소자(300)의 경우, 도 11의 실시 예와 비교하여 전극의 연결 방식 면에서 차이가 있다. 구체적으로, 제1 도전형 반도체층(304)은 활성층(305), 제2 도전형 반도체층(306) 및 반사금속층(307) 등을 관통하는 도전성 비아(V)에 의하여 도전성 기판(308)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 전기적 절연을 위하여 도전성 비아(V) 등의 주변에는 절연층(310)이 개재될 수 있다. 또한, 제2 도전형 반도체층(306)에 전기 신호를 인가하기 위하여, 반사금속층(307)의 표면 일부가 노출되도록 발광적층체의 일부가 제거될 수 있으며, 노출된 반사금속층(307)에 제2 전극(309)이 형성될 수 있다. 물론 앞선 실시 형태와 마찬가지로 활성층(305) 및 제2 도전형 반도체층(306)은 제1 도전형 반도체층(304)의 N 극성면 상에 형성되어 있다. 본 실시 형태와 같은 전기 연결 방식에 의할 경우, 제1 도전형 반도체층(304) 표면에 전극이 형성되지 아니하므로 광 추출 효율이 향상될 수 있으며, 복수 개의 도전성 비아(V)를 통하여 제1 도전형 반도체층(304)에 전류가 주입되므로 전류의 효과적인 확산에 유리할 수 있다.
한편, 상술한 발광소자 또는 상술한 제조방법을 이용하여 얻어진 발광소자의 경우, 다양한 분야에서 이용될 수 있다. 즉, 이러한 조광 장치는 다양한 형태의 패키지로 또한, 패키지 형태 또는 발광소자 자체로서 기판 등에 실장되어 액정표시장치 등의 디스플레이 장치에 이용되는 백라이트 유닛이나 램프, 평판 조명 등의 실내 조명 또는 가로등, 간판, 표지판 등의 실외 조명 장치로 사용될 수 있다. 나아가, 다양한 교통수단용 조명 장치, 예컨대, 자동차, 선박, 항공기 등에 이용될 수 있으며, TV, 냉장고 등의 가전 제품이나 의료기기 등에도 널리 이용될 수 있을 것이다. 이하에서는 이러한 사용 예 중 일부를 설명한다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다. 도 14의 패키지(1000)는 반도체 발광소자(1001), 패키지 본체(1002) 및 한 쌍의 리드 프레임(1003)을 구비하며, 반도체 발광소자(1001)는 리드 프레임(1003)에 실장되어 와이어(W)를 통하여 리드 프레임(1003)과 전기적으로 연결될 수 있다. 물론, 반도체 발광소자(1001)는 리드 프레임(1003) 아닌 다른 영역, 예컨대, 패키지 본체(1002)에 실장될 수도 있을 것이다. 패키지 본체(1002)는 도 14에 도시된 것과 같이, 빛의 반사 효율이 향상되도록 컵 형상을 가질 수 있으며, 이러한 반사컵에는 반도체 발광소자(1001)와 와이어(W) 등을 봉지하도록 투광성 물질이 채워질 수 있다. 반도체 발광소자(1001)는 앞서 설명한 바와 같이 N 극성면을 이용한 발광적층체를 구비하는 형태, 예컨대, 도 1에 도시된 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 반도체 발광소자(1001)는 다른 실시 형태에서 설명한 구조를 가질 수도 있으며, 반도체 발광소자(1001)의 전극 형태와 실장 방식 등에 따라 와이어(W)는 1개 필요하거나 필요하지 않을 수도 있다.
도 15의 패키지(2000)는 리드 프레임(2003) 상에 반도체 발광소자(2001)가 배치되고 와이어(W)에 의하여 전기적 도통이 형성되는 점에서는 앞선 패키지 구조와 유사하며, 방열에 유리하도록 리드 프레임(2003)의 하면이 외부로 노출되어 있는 점과 반도체 발광소자(2001), 와이어(W), 리드 프레임(2003)을 봉지하는 투광성 본체(2002)에 의하여 패키지(2000)의 형상이 유지되는 점에서 차이가 있다. 반도체 발광소자(2001)는 앞서 설명한 것과 같이 구조를 구비할 수 있으며, 도 15에서는 와이어(W)가 1개 이용된 형태를 기준으로 하였으나 와이어(W)의 개수는 반도체 발광소자(2001)의 전극 형태와 실장 방식 등에 따라 바뀔 수 있을 것이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다. 도 16을 참조하면, 백라이트 유닛(3000)은 기판(3002) 상에 광원(3001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(3003)를 구비한다. 광원(3001)은 앞서 설명한 구조 또는 이와 유사한 구조를 갖는 발광소자 패키지를 이용할 수 있으며, 또한, 반도체 발광소자를 직접 기판(3002)에 실장(소위 COB 타입)하여 이용할 수도 있다. 도 16의 백라이트 유닛(3000)에서 광원(3001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 빛을 방사하는 것과 달리, 도 17에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(4000)은 기판(4002) 위에 실장된 광원(4001)이 측 방향으로 빛을 방사하며, 이렇게 방시된 빛은 도광판(4003)에 입사되어 면광원의 형태로 전환될 수 있다. 도광판(4003)을 거친 빛은 상부로 방출되며, 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 도광판(4003)의 하면에는 반사층(4004)이 배치될 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다. 도 18의 분해사시도를 참조하면, 조명장치(5000)는 일 예로서 벌브형 램프로 도시되어 있으며, 발광모듈(5003)과 구동부(5008)와 외부접속부(5010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(5006, 5009)과 커버부(5007)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다. 발광모듈(5003)은 상술된 반도체 발광소자(5001)와 그 발광소자(5001)가 탑재된 회로기판(5002)을 가질 수 있다. 본 실시형태에서는, 1개의 반도체 발광소자(5001)가 회로기판(5002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다. 또한, 반도체 발광소자(5001)가 직접 회로기판(5002)에 실장되지 않고, 패키지 형태로 제조된 후에 실장될 수도 있다.
또한, 조명장치(500)에서, 발광모듈(5003)은 열방출부로 작용하는 외부 하우징(5006)을 포함할 수 있으며, 외부 하우징(5006)은 발광모듈(5003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(5004)을 포함할 수 있다. 또한, 조명장치(5000)는 발광모듈(5003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 갖는 커버부(5007)를 포함할 수 있다. 구동부(5008)는 내부 하우징(5009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(5010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다. 또한, 구동부(5008)는 발광모듈(5003)의 반도체 발광소자(5001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(5008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다. 도 19를 참조하면, 차량용 라이트 등으로 이용되는 헤드 램프(6000)는 광원(6001), 반사부(6005), 렌즈 커버부(6004)를 포함하며, 렌즈 커버부(6004)는 중공형의 가이드(6003) 및 렌즈(6002)를 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램드(6000)는 광원(60001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(6012)를 더 포함할 수 있으며, 방열부(6012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트싱크(6010)와 냉각팬(6011)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(6000)는 방열부(6012) 및 반사부(6005)를 고정시켜 지지하는 하우징(6009)을 더 포함할 수 있으며, 하우징(6009)은 일면에 방열부(6012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(6008)을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(6009)은 상기 일면과 일체로 연결되어 직각방향으로 절곡되는 타면에 반사부(6005)가 광원(6001)의 상부측에 위치하도록 고정시키는 전방홀(6007)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 반사부(6005)에 의하여 전방측은 개방되며, 개방된 전방이 전방홀(6007)과 대응되도록 반사부(6005)가 하우징(6009)에 고정되어 반사부(6005)를 통해 반사된 빛이 전방홀(6007)을 통과하여 외부로 출사될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
101: 기판 102: 기저층
103: 극성 개질층 104: 제1 도전형 반도체층
105: 활성층 106: 제2 도전형 반도체층
107: 오믹전극층 108a, 108b: 제1 및 제2 전극
103: 극성 개질층 104: 제1 도전형 반도체층
105: 활성층 106: 제2 도전형 반도체층
107: 오믹전극층 108a, 108b: 제1 및 제2 전극
Claims (19)
- 3족 질화물 반도체로 이루어진 기저층;
상기 기저층의 3족 원소 극성면 상에 형성된 극성 개질층; 및
상기 극성 개질층 상에 형성된 3족 질화물 반도체의 다층 구조를 구비하되, 적어도 하나의 층의 상면은 N 극성면으로 이루어진 발광적층체;
를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기저층은 AlN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제2항에 있어서,
상기 기저층의 상면은 Al 극성면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 극성 개질층은 상기 기저층을 이루는 물질의 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제4항에 있어서,
상기 극성 개질층은 Al 산화물인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 극성 개질층은 상기 기저층을 이루는 물질의 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 발광적층체는 각각 3족 질화물 반도체로 이루어진 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 상기 극성 개질층 상에 순차적으로 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제8항에 있어서,
상기 발광적층체 중 적어도 상기 제1 도전형 반도체층의 상면은 N 극성면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층 각각의 상면은 N 극성면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기저층은 상기 기저층과 다른 물질로 이루어진 기판 상에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제11항에 있어서,
상기 기판은 사파이어로 이루어지며, 상기 기판에서 상기 기저층을 향하는 면은 Al 극성면인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제11항에 있어서,
상기 기저층은 AlN으로 이루어지며, 상기 기저층과 상기 기판 사이에는 GaN으로 이루어진 다른 기저층이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기저층의 두께는 20 ~ 200㎚인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 극성 개질층의 두께는 0.3 ~ 10㎚인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 기판;
상기 기판 상에 형성되며, Al 극성의 상면을 갖는 AlN으로 이루어진 기저층;
상기 Al 극성의 상면 상에 형성되며, Al 산화물로 이루어진 극성 개질층; 및
상기 극성 개질층 상에 형성되며, N 극성의 상면을 갖는 질화물 반도체층;
을 포함하는 반도체 발광소자.
- 기판 상에 3족 질화물 반도체로 이루어진 기저층을 형성하는 단계;
상기 기저층의 적어도 상면을 산화 또는 질화 처리하여 극성 개질층을 형성하는 단계; 및
상기 극성 개질층 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광적층체를 형성하는 단계;
를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제17항에 있어서,
상기 극성 개질층을 형성하는 단계는 상기 기저층의 상면을 산화시켜 1 ~ 10개의 원자층을 갖는 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 극성 개질층을 형성하는 단계는 오존 가스 분위기에서 실행되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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