KR20140074722A - 반도체 발광소자 - Google Patents

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김가람
김장현
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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 적어도 하나의 홈부가 형성된 상면을 갖는 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층; 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며, 상기 홈부의 중앙은 상기 제1 전극의 중앙과 상기 제2 전극의 중앙을 잇는 직선과 교차하여 전류분포가 개선되어 내부 광추출 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자{Semiconductor Light Emitting Device}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.
발광다이오드(Light emitting diode ; LED)와 같은 반도체 발광소자는 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 접합된 반도체의 전자와 정공이 재결합하며 발생하는 에너지를 광으로 변환하여 방출한다. 이러한 LED는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.
이와 같이, 반도체 발광소자의 용도가 넓어짐에 따라, 반도체 발광소자의 광추출 효율을 향상시키기 위한 방법이 요청되고 있다.
본 발명의 일 실시형태의 목적 중의 하나는 전류분포가 개선되어 내부 광추출 효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일측면은 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 적어도 하나의 홈부가 형성된 상면을 갖는 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층; 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며, 상기 홈부의 중앙은 상기 제1 전극의 중앙과 상기 제2 전극의 중앙을 잇는 직선과 교차하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
또한, 상기 홈부는 상기 제2 도전형 반도체층의 두께보다 얕은 깊이로 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 홈부는 복수개가 형성되며 상기 복수개의 홈부는 상기 제2 도전형 반도체층의 상면에서 보았을 때 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 중앙을 잇는 직선과 수직 방향으로 열을 이뤄 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 홈부는 서로 다른 폭을 가질 수 있다.
또한, 상기 홈부의 내면은 원형 또는 다각형의 기둥 형상의 음각패턴일 수 있다.
또한, 상기 홈부의 바닥면에는 절연층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 홈부의 내면은 반구 형상의 음각패턴이 형성될 수 있다.
또한, 상기 투명전극층은 상기 홈부에 충진되어 상기 홈부를 을 수 있다.
또한, 상기 홈부는 상기 제2 도전형 반도체층의 적어도 세 측면에서 동일한 간격을 가지는 영역을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 투명전극층은 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자는 전류분포가 개선되어 내부 광추출 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 반도체 발광소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 반도체 발광소자를 A-A'축을 따라 절개한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 의한 반도체 발광소자의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한 반도체 발광소자의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 의한 반도체 발광소자와 종래의 발광소자의 전류분포를 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 의한 반도체 발광소자와 종래의 발광소자의 전압과 조도 간의 관계를 비교한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 반도체 발광소자를 나타내는 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 반도체 발광소자를 A-A'축을 따라 절개한 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시형태에 의한 반도체 발광소자(100)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 140), 활성층(130), 투명전극층(150) 및 제1 및 제2 전극(160, 170)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 140)과 활성층(130)은, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 140)에 전원이 인가되면 활성층(130)에서 빛을 방출하는 발광구조물을 구성한다.
구체적으로, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 140)과 활성층(130)은 질화물 반도체층일 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(120)은 n형 반도체층을, 상기 제2 도전형 반도체층(140)은 p형 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 n형 반도체층 및 p형 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 사용될 수 있다. 이때, 상기 x, y 값은 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 의 범위 내로 할 수 있다.
또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
본 실시형태에서는 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 140)으로 GaN층을 사용할 수 있으며, 이때, 상기 제1 도전형 반도체층(120)으로 n-GaN을, 상기 제2 도전형 반도체층(140)으로 p-GaN을 사용할 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 140)과 활성층(130)은 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition ; MOCVD), 분자빔성장법(molecular beam epitaxy ; MBE) 및 수소 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy ; HVPE)등으로 성장될 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 하부에는 버퍼(buffer)층으로서 언도프-GaN을 더 형성할 수도 있다.
상기 활성층(140)은 가시광(약 350㎚∼680㎚ 파장범위)을 발광하기 위한 층일 수 있으며, 단일 또는 다중 양자 우물(multiple quantum well ; MQW )구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성될 수 있다. 상기 활성층(130)은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조 또는 단일양자우물구조로　이루어질 수 있다. 다중양자우물구조로 형성될 경우, 예를 들어 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로서　형성되어 소정의 밴드 갭을 가질 수 있다. 이와 같은 양자 우물에 의해 전자 및 정공이 재결합되어 발광한다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 140)과 활성층(130)은 기판(110) 상에 에피텍셜 성장시킨 반도체층일 수 있으며, 상기 기판(110)으로는 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘(Si), MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 또는 GaN 중의 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 본 실시형태에서는 사파이어 기판을 사용할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 홈부(141)는 상기 홈부(141)의 중앙이 상기 제2 도전형 반도체층(140)의 상면에서 보았을 때, 상기 제1 전극(160)의 중앙과 상기 제2 전극(170)의 중앙을 잇는 직선(A-A')과 교차하도록 형성할 수 있다. 이때, 상기 홈부(140)는 상기 제2 도전형 반도체층(140)의 적어도 세 측면에서 동일한 간격을 가지는 영역을 포함하도록 형성하여, 제2 도전형 반도체층(140)의 상면에서 보았을 때, 제2 도전형 반도체층(140)의 중앙 영역에 홈부(141)가 형성되게 할 수도 있다.
이때, 상기 홈부(141)는 상기 제2 도전형 반도체층(140)의 두께보다 얕은 깊이로 형성하여, 상기 제2 도전형 반도체층(140)의 상부에 형성된 투명전극층(150)이 상기 활성층(130)에 직접 접하게 되는 것을 방지하도록 할 수 있다.
상기 홈부(141)의 내면은 원형 또는 다각형과 같은 다양한 형상의 기둥 형상의 음각패턴을 갖도록 형성할 수 있으며, 상기 기둥 형상의 바닥면에 절연층을 더 형성하여, 전류가 상기 홈부(141)의 바닥면에 집중되는 것을 방지할 수도 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 반구 형상의 음각패턴을 가진 홈부(341)가 형성되게 할 수도 있다.
상기 홈부(141)는 다양한 물리적, 화학적 식각법에 의해 식각할 수 있다. 예를 들어, 상기 홈부(141)가 형성될 부분의 p-GaN을 RIE 또는, ICP/RIE(inductive coupled plasma/reactive ion etching) 건식식각 방법, BOE (bufferoxide echant) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 식각할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(140) 상에는 투명전극층(150)이 형성된다. 상기 투명전극층(150)은 투명 전도성 산화물 또는 질화물 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 상기 홈부(141)에 충진되어, 상기 홈부(141)를 덮도록 형성할 수 있다.
상기 투명전극층(130)의 형성물질로는, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있다.
이와 같은 구성의 반도체 발광소자(100)는, 상기 제1 전극(160)과 제2 전극(170) 사이에 소정의 전압이 인가되면, 상기 제1 도전형 반도체층(121)과 제2 도전형 반도체층(123)으로부터 각각 전자(electrons)과 정공(holes)이 상기 활성층(122)으로 주입되어 재결합되며, 이로써 활성층(122)으로부터 광이 생성될 수 있다.
종래의 반도체 발광소자의 경우, 전류 분포의 뷸균형으로 인해 발광효율이 감소되는 문제점이 발생하게 되는데, 도 5를 참조하여 이에 대해 구체적으로 설명한다.
종래의 반도체 발광소자(LED1)의 경우, 제2 전극의 하부 영역(10㎛)과 메사면 영역(85㎛)을 따라 전류가 집중되는 분포를 보이는데, 이는 저항값이 작은 영역을 따라 흐르려는 전류의 특성 때문이다. 제2 전극의 하부 영역(10㎛)은 정공이 주입되는 영역이므로, 이에 대응하여 전류가 집중되는 분포를 보이며, 메사면 영역(850㎛)은 제1 도전형 반도체층에서 투명전극층에 도달하는 최단 경로이므로 저항값이 상대적으로 낮기 때문이다. 따라서, 종래의 반도체 발광소자(LED1)는 제2 전극의 하부 영역과 메사면 영역에 전류가 집중되어 활성층의 일부만 발광하게 된다.
그러나, 제2 전극의 하부는 전극에 의해 광발산이 억제되게 되며, 메사면 영역에서는 전방으로 방출되지 못하고 메사면을 통하여 측면으로 방출되는 광이 증가하기 되므로, 전반적으로 광추출효율이 낮아지게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시형태에서는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해, 활성층의 중앙 영역에 좀 더 좀 더 많은 전류가 공급될 수 있도록, 제2 도전형 반도체층(140)의 중앙 영역에 홈부(141)를 형성하였다. 이와 같이, 제2 도전형 반도체층(140)의 중앙 영역에 홈부(141)를 형성하면, 제2 도전형 반도체층(140)의 두께가 감소하게 되어 상대적으로 낮은 저항값을 가지게 된다.
이와 같이, 제2 도전형 반도체층(140)에 홈부(141)를 형성하면, 도 5의 LED2에서 볼 수 있는 바와 같이, 전류의 분포가 종래의 발광소자(LED1)에 비해 중앙 영역(30㎛)에 집중되는 것을 볼 수 있으며, 전반적인 전류값도 상승한 것을 볼 수 있다.
따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 종래의 발광소자(LED1)에 비해, 인가전압에 대한 조도값이 전영역에 걸쳐 약 30% 이상 향상된 것을 볼 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(120, 130)에는 제1 및 제2 전극(160, 170)이 형성되어 접속될 수 있다. 상기 제1 전극(160) 및 제2 전극(170)은 Au, Al, Ag와 같은 금속물질 또는 투명 전도성 물질일 수 있으며, 2층 이상의 다층구조일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 의한 반도체 발광소자로서, 홈부(241)를 복수개 형성한 경우이다. 상기 복수개의 홈부(241)는, 제2 도전형 반도체층(240)의 상면에서 보았을 때 상기 제1 전극(260)과 상기 제2 전극(270)의 중앙을 잇는 직선(A-A')과 수직 방향(B-B')으로 열을 이뤄 배치되도록 할 수 있다.
이와 같이, 수직 방향(A-A')로 열을 이루도록 배치할 경우, 전류가 더욱 균등하게 분포되는 효과가 있다. 또한, 상기 복수개의 홈부(241)는 중앙 영역에서 측면으로 갈수록 점점 폭이 감소하게 형성할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100, 200. 300: 반도체 발광소자
110, 310: 기판
120, 320: 제1 도전형 반도체층
130, 330: 활성층
140, 240, 340: 제2 도전형 반도체층
141, 241, 341: 홈부
150: 투명전극층
160, 260: 제1 전극
170, 270: 제2 전극

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되며, 적어도 하나의 홈부가 형성된 상면을 갖는 제2 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층; 및
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며,
    상기 홈부의 중앙은 제2 도전형 반도체층의 상면에서 보았을 때 상기 제1 전극의 중앙과 상기 제2 전극의 중앙을 잇는 직선과 교차하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홈부는 상기 제2 도전형 반도체층의 두께보다 얕은 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈부는 복수개가 형성되며 상기 복수개의 홈부는 상기 제2 도전형 반도체층의 상면에서 보았을 때 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 중앙을 잇는 직선과 수직 방향으로 열을 이뤄 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 홈부는 서로 다른 폭을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홈부의 내면은 원형 또는 다각형의 기둥 형상의 음각패턴인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 홈부의 바닥면에는 절연층이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 홈부의 내면은 반구 형상의 음각패턴인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 투명전극층은 상기 홈부에 충진되어 상기 홈부를 덮는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 홈부는 상기 제2 도전형 반도체층의 적어도 세 측면에서 동일한 간격을 가지는 영역을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 투명전극층은 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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