KR20190054461A - 반도체 소자 - Google Patents

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KR20190054461A KR1020170150720A KR20170150720A KR20190054461A KR 20190054461 A KR20190054461 A KR 20190054461A KR 1020170150720 A KR1020170150720 A KR 1020170150720A KR 20170150720 A KR20170150720 A KR 20170150720A KR 20190054461 A KR20190054461 A KR 20190054461A
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Abstract

실시 예는, 복수 개의 발광부를 포함하는 반도체 구조물; 상기 복수 개의 발광부 상에 배치되는 절연층; 및 상기 복수 개의 발광부를 전기적으로 연결하는 연결전극을 포함하고, 상기 복수 개의 발광부는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하고, 상기 반도체 구조물은 상기 복수 개의 발광부의 측면에 형성된 절연영역을 포함하고, 상기 절연층은 상기 절연영역 상에 배치되는 반도체 소자를 개시한다.

Description

반도체 소자{SEMICONDUCTOR DEVICE}
실시 예는 신뢰성이 개선된 반도체 소자에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점이 있기 때문에 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용되고 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 반도체 소자는 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다. 또한, 반도체 소자는 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
최근에는 발광 구조물을 복수 개로 구획하여 고전력(High votage)에서 구동 가능한 반도체 소자에 대한 연구가 진행되고 있다.
실시 예는 신뢰성이 향상된 반도체 소자를 제공할 수 있다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 특정에 따른 반도체 소자는, 복수 개의 발광부를 포함하는 반도체 구조물; 상기 복수 개의 발광부 상에 배치되는 절연층; 및 상기 복수 개의 발광부를 전기적으로 연결하는 연결전극을 포함하고, 상기 복수 개의 발광부는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하고, 상기 반도체 구조물은 상기 복수 개의 발광부의 측면에 형성된 절연영역을 포함하고, 상기 절연층은 상기 절연영역 상에 배치된다.
상기 절연 영역은 이온(ion)이 주입되어 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 발광부는 서로 이웃하게 배치된 제1 발광부와 제2 발광부를 포함하고, 상기 연결전극은 상기 제1 발광부의 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 발광부의 제2 도전형 반도체층을 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 복수 개의 발광부 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제1 패드; 및 상기 복수 개의 발광부 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제2 패드를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 반도체 소자는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하는 반도체 구조물; 상기 반도체 구조물 상에 배치되는 절연층; 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1전극; 및 상기 제2 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극을 포함하고, 상기 반도체 구조물은 상면 및 복수 개의 측면을 포함하고, 상기 반도체 구조물의 상면과 상기 복수 개의 측면의 면적비는 1:0.4 내지 1:0.9이고, 상기 반도체 구조물은 측면에 형성되는 절연영역을 포함하고, 상기 절연층은 상기 절연영역상에 배치된다.
상기 절연영역은 이온(ion) 주입에 의해 형성될 수 있다.
상기 반도체 구조물의 상면은 상기 제1전극이 배치되는 제1상부면, 상기 제2전극이 배치되는 제2상부면, 및 상기 제1상부면과 상기 제2상부면 사이에 배치되는 경사면을 포함하고, 상기 절연영역은 상기 제1상부면, 제2상부면, 및 경사면의 적어도 일부 영역에 배치될 수 있다.
상기 반도체 구조물의 바닥면에서 상기 제2상부면까지의 높이와 상기 반도체 구조물의 바닥면에서 상기 제1상부면까지의 높이의 차는 0보다 크고 2㎛보다 작을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 반도체 소자는, 일면에 배치되는 제1패드 및 제2패드를 포함하는 반도체 소자; 및 상기 반도체 소자의 타면과 측면 상에 배치되는 파장 변환층을 포함하고, 상기 반도체 소자는 상기 제1 패드와 전기적으로 연결되는 제1 도전형 반도체층, 상기 제2 패드와 전기적으로 연결되는 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하는 반도체 구조물을 포함하고, 상기 반도체 구조물은 측면에 배치된 제1 절연영역을 포함한다.
상기 반도체 구조물은 상기 제1 패드와 제2 패드 사이에 배치되는 제2 절연영역을 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 반도체 구조물의 측면에 절연영역이 형성되므로 측면 쇼트를 방지함으로써 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 반도체 구조물의 측면에 절연영역을 형성하여 측면의 결함을 제거할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 구조물의 개념도이고,
도 2는 복수 개의 반도체 구조물이 전기적으로 연결된 상태를 보여주는 도면이고,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이고,
도 6은 도 5의 반도체 구조물의 사시도이고,
도 7은 도 6의 반도체 구조물의 평면도이고,
도 8은 도 5의 변형예이고,
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고,
도 10은 도 9의 변형예이고,
도 11은 도 9의 반도체 구조물을 보여주는 도면이다.
본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 구조물의 개념도이고, 도 2는 복수 개의 반도체 구조물이 전기적으로 연결된 상태를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시 예에 따른 반도체 구조물(120)은 측면에 절연영역(125)이 형성될 수 있다. 절연영역(125)은 이온을 주입하여 형성할 수 있다. 이온 주입 방식(Ion Implantation)은 특별히 한정되지 않는다. 예시적으로, 질소(N), 산소(O), 및 아르곤(Ar)과 같은 이온을 반도체 구조물(120)의 측면에 주입하여 형성할 수 있다.
절연영역(125)은 반도체 구조물(120)의 측면을 따라 연속적으로 형성될 수 있다. 따라서, 절연영역(125)은 반도체 구조물(120)의 측면을 따라 연속 형성된 층을 형성할 수 있다. 이러한 절연영역(125)에 의하면 반도체 구조물(120)의 측면에 형성된 결함(defect)을 제거할 수 있다. 따라서, 소자의 신뢰성을 개선할 수 있다.
절연층(141)은 절연영역(125) 상에 배치될 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 반도체 구조물(120)의 내측과 외측에 2중으로 절연층이 배치되는 효과를 가질 수 있다. 따라서, 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
반도체 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(121), 제2 도전형 반도체층(123), 및 제1 도전형 반도체층(121)과 제2 도전형 반도체층(123)의 사이에 배치되는 활성층(122)을 포함할 수 있다. 따라서, 절연영역(125)은 제1 도전형 반도체층(121)의 측면, 활성층(122)의 측면, 및 제2 도전형 반도체층(123)의 측면에 각각 형성될 수 있다.
반도체 구조물(120)은 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 화학 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(121)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(121)에 제1 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 제1 도펀트가 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트인 경우, 제1 도전형 반도체층(121)은 n형 질화물 반도체층일 수 있다.
활성층(122)은 제1 도전형 반도체층(121) 상에 배치될 수 있다. 또한, 활성층(122)은 제1 도전형 반도체층(121)과 제2 도전형 반도체층(123) 사이에 배치될 수 있다.
활성층(122)은 제1 도전형 반도체층(121)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2 도전형 반도체층(123)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(122)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(122)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 활성층(122)의 구조는 이에 한정하지 않는다. 활성층(122)은 가시광 파장대의 광을 생성할 수 있다.
예시적으로 활성층(122)은 청색, 녹색, 및 적색 중 어느 하나의 파장대의 광을 출력할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 활성층(122)은 자외선 파장대의 광 또는 적외선 파장대의 광을 생성할 수도 있다.
제2 도전형 반도체층(123)은 활성층(122) 상에 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(123)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(123)에 제2 도펀트가 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(123)은 Inx5Aly2Ga1 -x5- y2N (0≤x5≤1, 0≤y2≤1, 0≤x5+y2≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제2 도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2 도펀트가 도핑된 제2 도전형 반도체층(123)은 p형 반도체층일 수 있다.
도 2를 참조하면, 반도체 구조물(120)은 소정 간격(127)으로 이격된 복수 개의 발광부(10a, 10b)을 포함하고, 복수 개의 발광부(10a, 10b)는 연결전극(180)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
연결전극(180)은 제1발광부(10a)의 제1 도전형 반도체층(121)과 제2발광부(10b)의 제2 도전형 반도체층(123)을 전기적으로 연결할 수 있다. 따라서, 제1발광부(10a)와 제2발광부(10b)는 직렬로 연결될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 연결전극(180)에 의해 제1발광부(10a)의 제1 도전형 반도체층(121)과 제2발광부(10b)의 제1 도전형 반도체층(121)이 전기적으로 연결되어 병렬 구조를 형성할 수도 있다.
이때, 반도체 구조물(120)을 복수 개의 발광부(10a, 10b)로 구획한 후, 측면에 이온 주입을 하여 절연영역(125)을 각각 형성할 수 있다. 따라서, 반사전극(170)의 Ag 성분이 마이그레이션(migration)되어 복수 개의 발광부(10a, 10b)의 측면에서 쇼트가 발생하는 문제를 개선할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 반도체 소자는 복수 개의 발광부(10a, 10b)를 갖는 반도체 구조물(120), 복수 개의 발광부(10a, 10b)를 전기적으로 연결하는 연결전극(180), 복수 개의 발광부(10a, 10b) 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제1 패드(191), 복수 개의 발광부(10a, 10b) 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제2 패드(192)를 포함할 수 있다.
반도체 구조물(120)은 제1발광부(10a)와 제2발광부(10b)를 포함할 수 있다. 그러나, 발광부의 개수는 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 발광부의 개수는 5개일 수도 있고 7개일 수도 있다. 발광부는 독립적으로 활성층(122)을 갖는 영역으로 정의할 수 있다.
제1 전극(131)과 제2 전극(132)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
반사전극(170)은 제2 전극(132) 상에 배치될 수 있다. 반사전극(170)은 활성층(122)으로 출사된 광을 기판(1)을 향해 반사할 수 있다.
반사전극(170)은 In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, 및 WTi 중에서 선택된 금속을 포함할 수 있으며, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있고, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며 이에 한정하지 않는다. 일 예로 반사전극(170)은 Ag를 포함할 수 있다.
제1 절연층(141a)을 형성하는 과정에서 반사전극(170)의 Ag 성분이 마이그레이션되어 측면에서 쇼트가 발생할 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 반도체 구조물(120)은 복수 개의 발광부(10a, 10b)로 구획한 후 측면에 이온을 주입을 하여 절연영역(125)을 형성할 수 있다. 따라서, Ag 성분의 마이그레이션에 의한 쇼트를 방지할 수 있다.
연결전극(180)은 제1발광부(10a)와 제2발광부(10b)를 전기적으로 연결할 수 있다. 발광부의 개수에 따라 연결전극(180)의 종류 및 형상은 달라질 수 있다. 제1 전극(131)은 연결전극(180)과 동시에 형성될 수 있다. 예시적으로 제1 전극(131)과 연결전극(180)은 Cr/Ni/Au/Ti 구조를 가질 수 있다.
제1 절연층(141a)은 반도체 구조물(120)과 연결전극(180) 사이에 배치될 수 있다. 제2 절연층(141b)은 연결전극(180)과 제1, 제2 패드(191, 192) 사이에 배치될 수 있다. 제1 절연층(141a)과 제2 절연층(141b)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 등으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되어 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
제1 절연층(141a)과 제2 절연층(141b)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 예시적으로 제1 절연층(141a)과 제2 절연층(141b)은 Ag, Si 산화물이나 Ti 화합물을 포함하는 다층 구조의 DBR(distributed Bragg reflector) 일 수도 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하지 않고 제1 절연층(141a)은 다양한 반사 구조를 포함할 수 있다.
제1 절연층(141a)이 반사기능을 수행하는 경우, 활성층(122)에서 방출되는 광을 반사시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 별도의 반사층을 더 구비할 수도 있다.
제1 패드(191)는 제2 절연층(141b)을 관통하여 제2발광부(10b)의 제1 도전형 반도체층(121)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 패드(192)는 제2 절연층(141b)을 관통하여 제1발광부(10a)의 제2 도전형 반도체층(123)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 패드(191)와 제2 패드(192)는 Ti, Ni, Cu, Cr, Au 등의 금속을 포함할 수 있다. 예시적으로 제1 패드(191)와 제2 패드(192)는 Ti/Ni/Ti/Ni/Cu/Ni/Cr/Ni/Au로 구성된 멀티층을 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이고, 도 6은 도 5의 반도체 구조물의 사시도이고, 도 7은 도 6의 반도체 구조물의 평면도이고, 도 8은 도 5의 변형예이다.
본 실시 예에 따른 반도체 소자는 마이크로 사이즈 또는 나노 사이즈의 반도체 소자를 포함할 수 있다. 여기서, 소형의 반도체 소자는 반도체 소자의 구조적 크기를 지칭할 수 있다.
소형 반도체 소자는 사이즈가 1㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 예시적으로 반도체 소자는 사이즈는 30㎛ 내지 60㎛일 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 실시예의 기술적 특징 또는 양상은 더 작은 크기의 스케일로 반도체 소자에 적용될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예에 따른 반도체 소자는 반도체 구조물(120), 제1 전극(131), 제2 전극(132) 및 절연층(141)을 포함할 수 있다.
제1 전극(131)은 제1 도전형 반도체층(121) 상에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 도전형 반도체층(121)은 식각에 의해 일부가 노출될 수 있다. 그리고 제1 전극(131)은 식각에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(121) 상에 배치될 수 있다.
제1 전극(131)은 제1 도전형 반도체층(121)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(132)은 제2 도전형 반도체층(123) 상에 배치될 수 있다. 제2 전극(132)은 제2 도전형 반도체층(123)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극(131)과 제2 전극(132)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다. 예시적으로 제1 전극(131)과 제2 전극(132)은 ITO(indium tin oxide)일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제1 전극(131)과 제2 전극(132)의 두께는 40㎚ 내지 70㎚일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 제1 전극(131)과 제2 전극(132)의 두께는 서로 상이할 수도 있고, 서로 다른 조성을 가질 수 있다.
절연층(141)은 반도체 구조물(120)의 상부면과 측면 상에 배치될 수 있다. 절연층(141)은 제1 전극(131)의 일부를 노출시키는 제1홀(H1), 및 제2 전극(132)의 일부를 노출시키는 제2홀(H2)을 포함할 수 있다.
절연층(141)은 반도체 구조물(120)을 전기적으로 절연할 수 있다. 절연층(141)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정하지 않는다.
실시 예에 따른 반도체 구조물(120)의 상부면(S11, S12, S13)은 제1 전극(131)이 배치되는 제1상부면(S11), 제2 전극(132)이 배치되는 제2상부면(S12), 및 제1상부면(S11)과 제2상부면(S12) 사이에 배치되는 경사면(S13)을 포함할 수 있다.
제1상부면(S11)은 제1 도전형 반도체층(121)이 노출되는 면으로 정의할 수 있고, 제2상부면(S12)은 제2 도전형 반도체층(123)의 상면으로 정의할 수 있다. 또한, 경사면(S13)은 메사 식각에 의해 제1상부면(S11)과 제2상부면(S12) 사이에 배치되는 경사 영역으로 정의할 수 있다. 즉, 경사면(S13)은 메사 식각에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(122), 및 제2 도전형 반도체층(123)의 측면에 의해 정의될 수 있다.
반도체 구조물(120)은 측면에 이온을 주입하여 절연영역(125)을 포함할 수 있다. 따라서, 측면에 형성된 결함(defect)을 제거할 수 있다. 이때, 절연영역(125)은 제1상부면(S11), 제2상부면(S12), 및 경사면(S13)의 일부 영역에 형성될 수 있다.
경사면(S13)이 가상의 수평면과 이루는 제1각도(θ2)는 20°내지 50°일 수 있다. 제1각도(θ2)가 20°보다 작은 경우에는 제2상부면(S12)의 면적이 줄어들어 광 출력이 저하될 수 있다. 또한, 제1각도(θ2)가 50°보다 커지는 경우에는 경사 각도가 높아져 외부 충격에 의한 파손 위험이 커질 수 있다.
반도체 구조물(120)의 측면이 수평면과 이루는 제2각도(θ1)는 70°내지 90°일 수 있다. 제2각도(θ1)가 70°보다 작은 경우 제2상부면(S12)의 면적이 줄어들어 광 출력이 저하될 수 있다.
제2상부면(S12)은 식각된 두께만큼 제1상부면(S11)보다 높아질 수 있다. 즉, 식각이 깊어질수록 제1상부면(S11)과 제2상부면(S12)의 높이 차(d3)는 커질 수 있다.
제1상부면(S11)과 제2상부면(S12)의 높이 차(d3)가 2 ㎛보다 큰 경우, 전사 과정에서 칩의 수평이 틀어질 수 있다. 즉, 단차가 커질수록 칩은 수평을 유지하기 어려워질 수 있다. 전사 과정은 칩을 성장 기판에서 다른 기판으로 옮기는 작업을 의미할 수 있다.
반도체 구조물(120)의 바닥면(B1)에서 제2상부면(S12)까지의 제1최소높이(d1)와 반도체 구조물(120)의 바닥면(B1)에서 제1상부면(S11)까지의 제2최소높이(d2)의 비(d1:d2)는 1:0.6 내지 1:0.95일 수 있다.
높이의 비(d1:d2)가 1:0.6 보다 작은 경우 단차가 커져 전사 공정시 불량률이 높아질 수 있으며, 높이의 비가 1:0.95보다 작은 경우 메사 식각 깊이가 낮아져 부분적으로 제1 도전형 반도체층(121)이 노출되지 않을 수 있다.
반도체 구조물(120)의 바닥면에서 제2상부면(S12)까지의 제1최소높이(d1)는 5㎛ 내지 8㎛일 수 있다. 즉, 제1최소높이(d1)는 반도체 구조물(120)의 전체 두께일 수 있다. 반도체 구조물(120)의 바닥면에서 제1상부면(S11)까지의 제2최소높이(d2)는 3.0㎛ 내지 7.6㎛일 수 있다.
이때, 제1최소높이(d1)와 제2최소높이(d2)의 차(d3)는 350㎚이상 2.0㎛이하일 수 있다. 높이차(d3)가 2.0㎛ 보다 큰 경우 반도체 소자의 전사시 틀어짐이 발생하여 원하는 위치에 반도체 소자를 전사하기 어려운 문제가 있다. 또한, 높이차(d3)가 350nm보다 작은 경우 부분적으로 제1 도전형 반도체층(121)이 노출되지 않을 수 있다.
제1최소높이(d1)와 제2최소높이(d2)의 차(d3)가 1.0㎛ 이하인 경우, 반도체 구조물(120)의 상면이 거의 평탄해져 전사가 더욱 용이해지고 크랙 발생이 억제될 수 있다. 예시적으로, 제1최소높이(d1)와 제2최소높이(d2)의 차(d3)는 0.6㎛±0.2㎛일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 6을 참조하면, 실시 예에 따른 반도체 구조물(120)의 4개의 측면(S21, S22, S23, S24)은 모두 동일한 각도로 기울어질 수 있다. 즉, 반도체 구조물(120)의 4개의 측면(S21, S22, S23, S24)의 제2각도(θ1)는 70°내지 90°일 수 있다.
이때, 경사면(S13)의 측면도 반도체 구조물(120)의 측면을 형성하므로 경사면(S13)의 폭은 제1상부면(S11)에서 제2상부면(S12)으로 갈수록 좁아질 수 있다(W4>W3).
도 7을 참조하면, 실시 예에 따른 반도체 소자는 평면상에서 제1측면(S21)과 제2측면(S22)이 장측면이고 제3측면(S23)과 제4측면(S24)이 단측면을 형성할 수 있다. 즉, 실시 예에 따른 반도체 소자는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 제1측면의 폭 (W1)은 30㎛ 내지 60㎛의 길이를 가질 수 있고, 제3측면(S23)의 폭(W2)은 8㎛ 내지 35㎛의 길이를 가질 수 있다. 예시적으로 제1측면의 폭(W1)은 45㎛±5㎛의 길이를 가질 수 있고, 제3측면(S23)의 폭(W2)은 21㎛±5㎛의 길이를 가질 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
실시 예에 따른 반도체 소자는 상면과 측면의 면적비가 1:0.4 내지 1:0.9일 수 있다. 전술한 바와 같이 실시 예에 따른 반도체 소자는 장측면과 단측면이 각각 50㎛이하인 마이크로 사이즈이므로 상대적으로 측면의 면적비가 큰 특징이 있다. 따라서, 마이크로 사이즈의 발광소자는 측면의 결함은 신뢰성에 큰 영향을 미칠 수 있다.
실시 예에 따른 반도체 소자는 측면에 이온을 주입하여 절연영역(125)을 형성함으로써 측면의 결함을 제거할 수 있다. 또한, 절연영역(125)은 투광층의 역할을 하므로 광 추출 효율은 저하시키지 않을 수 있다.
도 8을 참조하면, 실시 예에 따른 절연층(141)은 반도체 구조물(120)의 측면 하부를 노출시킬 수 있다. 실시 예에 따른 반도체 구조물(120)은 측면에 요철패턴(Q11)이 형성되므로 절연층(141)의 접합력이 상대적으로 낮아질 수 있다. 따라서, 절연층(141)이 반도체 구조물(120)의 측면을 완전히 덮지 못하고 일부가 떨어져 나갈 수 있다.
또는, 실시 예에 따른 반도체 소자는 성장 기판과 분리되는 과정에서 절연층(141)의 일부가 떨어져 나갈 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 절연층(141)의 끝단면은 절연층(141)이 끊어지면서 형성된 불규칙한 요철 패턴(141-1)을 가질 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고, 도 10은 도 9의 변형예이고, 도 11은 도 9의 반도체 구조물을 보여주는 도면이다.
일면에 배치되는 복수 개의 전극 패드를 포함하는 반도체 소자(100), 및 반도체 소자(100)의 상면(102)에 배치되는 파장변환층(200)을 포함한다. 발광체 소자는 칩 스케일 패키지(CSP, Chip Scale Package)일 수 있다.
반도체 소자는 자외선 파장대의 광 또는 청색 파장대의 광을 방출할 수 있다. 반도체 소자는 하면(101)에 복수 개의 전극패드가 배치된 플립칩(Flip chip)일 수 있다.
파장변환층(200)은 반도체 소자의 상면(102) 및/또는 측면(103)을 커버할 수 있다. 파장변환층(200)은 고분자 수지로 제작될 수 있다. 고분자 수지는 광 투과성 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지, 요소 수지, 및 아크릴 수지 중 어느 하나 이상일 수 있다. 일 예로, 고분자 수지는 실리콘 수지일 수 있다.
파장변환층(200)에 분산된 파장변환입자는 반도체 소자에서 방출된 광을 흡수하여 백색광으로 변환할 수 있다. 예를 들면, 파장변환입자는 형광체, QD(Quantum Dot) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
형광체는 YAG계, TAG계, Silicate계, Sulfide계 또는 Nitride계 중 어느 하나의 형광물질이 포함될 수 있으나, 실시 예는 형광체의 종류에 특별히 제한되지 않는다. 반도체 소자가 UV LED인 경우 형광체는 청색 형광체, 녹색 형광체, 및 적색 형광체가 선택될 수 있다. 반도체 소자가 청색 LED인 경우 형광체는 녹색 형광체 및 적색 형광체가 선택되거나, 황색 형광체(YAG)가 선택될 수 있다.
반도체 소자(100)는 솔더(5)에 의해 회로기판(2)에 실장될 수 있다. 이때, 솔더(5)과 과도하게 충전된 경우 반도체 소자의 측면으로 솔더가 도포될 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 측면으로 쇼트가 발생할 수도 있다. 특히, 파장변환층(200)이 반도체 소자의 상면에만 배치되고 측면에 배치되지 않은 경우 이러한 위험은 더 커질 수 있다. 따라서, 반도체 소자는 측면에 제1 절연영역(125)이 형성되어 측면의 쇼트 위험을 개선할 수 있다. 또한, 도 10과 같이 제1 패드(191)와 제2 패드(192) 사이에도 제2 절연영역(125a)이 형성될 수 있다. 제1 절연영역(125)과 제2 절연영역(125a)은 이온 주입에 의해 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 반도체 구조물(120)의 측면에 절연영역(125)이 형성되므로 솔더가 반도체 소자의 측면에 배치되어도 쇼트 위험을 차단할 수 있는 장점이 있다.
제1 패드(191)는 제1 도전형 반도체층(121)과 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로 제1 패드(191)는 관통홀(H)을 통해 제1 도전형 반도체층(121)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 패드(192)는 제2 도전형 반도체층(123)과 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로 제2 패드(192)는 절연층(141)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(123)과 전기적으로 연결될 수 있다.
반도체 소자는 조명 시스템의 광원으로 사용되거나, 영상표시장치의 광원이나 조명장치의 광원으로 사용될 수 있다. 즉, 반도체 소자는 케이스에 배치되어 광을 제공하는 다양한 전자 디바이스에 적용될 수 있다. 예시적으로, 반도체 소자와 RGB 형광체를 혼합하여 사용하는 경우 연색성(CRI)이 우수한 백색광을 구현할 수 있다.
상술한 반도체 소자는 발광소자 패키지로 구성되어, 조명 시스템의 광원으로 사용될 수 있는데, 예를 들어 영상표시장치의 광원이나 조명 장치 등의 광원으로 사용될 수 있다.
영상표시장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때 에지 타입의 백라이트 유닛으로 사용되거나 직하 타입의 백라이트 유닛으로 사용될 수 있고, 조명 장치의 광원으로 사용될 때 등기구나 벌브 타입으로 사용될 수도 있으며, 또한 이동 단말기의 광원으로 사용될 수도 있다.
발광 소자는 상술한 발광 다이오드 외에 레이저 다이오드가 있다.
레이저 다이오드는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 그리고, p-형의 제1 도전형 반도체와 n-형의 제2 도전형 반도체를 접합시킨 뒤 전류를 흘러주었을 때 빛이 방출되는 electro-luminescence(전계발광) 현상을 이용하나, 방출되는 광의 방향성과 위상에서 차이점이 있다. 즉, 레이저 다이오드는 여기 방출(stimulated emission)이라는 현상과 보강간섭 현상 등을 이용하여 하나의 특정한 파장(단색광, monochromatic beam)을 가지는 빛이 동일한 위상을 가지고 동일한 방향으로 방출될 수 있으며, 이러한 특성으로 인하여 광통신이나 의료용 장비 및 반도체 공정 장비 등에 사용될 수 있다.
수광 소자로는 빛을 검출하여 그 강도를 전기 신호로 변환하는 일종의 트랜스듀서인 광 검출기(photodetector)를 예로 들 수 있다. 이러한 광 검출기로서, 광전지(실리콘, 셀렌), 광도전 소자(황화 카드뮴, 셀렌화 카드뮴), 포토 다이오드(예를 들어, visible blind spectral region이나 true blind spectral region에서 피크 파장을 갖는 PD), 포토 트랜지스터, 광전자 증배관, 광전관(진공, 가스 봉입), IR(Infra-Red) 검출기 등이 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 광검출기와 같은 반도체 소자는 일반적으로 광변환 효율이 우수한 직접 천이 반도체(direct bandgap semiconductor)를 이용하여 제작될 수 있다. 또는, 광검출기는 구조가 다양하여 가장 일반적인 구조로는 p-n 접합을 이용하는 pin형 광검출기와, 쇼트키접합(Schottky junction)을 이용하는 쇼트키형 광검출기와, MSM(Metal Semiconductor Metal)형 광검출기 등이 있다.
포토 다이오드(Photodiode)는 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있고, pn접합 또는 pin 구조로 이루어진다. 포토 다이오드는 역바이어스 혹은 제로바이어스를 가하여 동작하게 되며, 광이 포토 다이오드에 입사되면 전자와 정공이 생성되어 전류가 흐른다. 이때 전류의 크기는 포토 다이오드에 입사되는 광의 강도에 거의 비례할 수 있다.
광전지 또는 태양 전지(solar cell)는 포토 다이오드의 일종으로, 광을 전류로 변환할 수 있다. 태양 전지는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, p-n 접합을 이용한 일반적인 다이오드의 정류 특성을 통하여 전자 회로의 정류기로 이용될 수도 있으며, 초고주파 회로에 적용되어 발진 회로 등에 적용될 수 있다.
또한, 상술한 반도체 소자는 반드시 반도체로만 구현되지 않으며 경우에 따라 금속 물질을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수광 소자와 같은 반도체 소자는 Ag, Al, Au, In, Ga, N, Zn, Se, P, 또는 As 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있으며, p형이나 n형 도펀트에 의해 도핑된 반도체 물질이나 진성 반도체 물질을 이용하여 구현될 수도 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수 개의 발광부를 포함하는 반도체 구조물;
    상기 복수 개의 발광부 상에 배치되는 절연층; 및
    상기 복수 개의 발광부를 전기적으로 연결하는 연결전극을 포함하고,
    상기 복수 개의 발광부는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하고,
    상기 반도체 구조물은 상기 복수 개의 발광부의 측면에 형성된 절연영역을 포함하고,
    상기 절연층은 상기 절연영역 상에 배치되는 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 영역은 이온(ion)이 주입되어 형성되는 반도체 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 발광부는 서로 이웃하게 배치된 제1 발광부와 제2 발광부를 포함하고,
    상기 연결전극은 상기 제1 발광부의 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 발광부의 제2 도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 발광부 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제1 패드; 및
    상기 복수 개의 발광부 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제2 패드를 포함하는 반도체 소자.
  5. 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하는 반도체 구조물;
    상기 반도체 구조물 상에 배치되는 절연층;
    상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1전극; 및
    상기 제2 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극을 포함하고,
    상기 반도체 구조물은 상면 및 복수 개의 측면을 포함하고,
    상기 반도체 구조물의 상면과 상기 복수 개의 측면의 면적비는 1:0.4 내지 1:0.9이고,
    상기 반도체 구조물은 측면에 형성되는 절연영역을 포함하고,
    상기 절연층은 상기 절연영역상에 배치되는 반도체 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연영역은 이온(ion) 주입에 의해 형성되는 반도체 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 반도체 구조물의 상면은 상기 제1전극이 배치되는 제1상부면, 상기 제2전극이 배치되는 제2상부면, 및 상기 제1상부면과 상기 제2상부면 사이에 배치되는 경사면을 포함하고,
    상기 절연영역은 상기 제1상부면, 제2상부면, 및 경사면의 적어도 일부 영역에 배치되는 반도체 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반도체 구조물의 바닥면에서 상기 제2상부면까지의 높이와 상기 반도체 구조물의 바닥면에서 상기 제1상부면까지의 높이의 차는 0보다 크고 2㎛보다 작은 반도체 소자.
  9. 일면에 배치되는 제1패드 및 제2패드를 포함하는 반도체 소자; 및
    상기 반도체 소자의 타면과 측면 상에 배치되는 파장 변환층을 포함하고,
    상기 반도체 소자는 상기 제1 패드와 전기적으로 연결되는 제1 도전형 반도체층, 상기 제2 패드와 전기적으로 연결되는 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하는 반도체 구조물을 포함하고,
    상기 반도체 구조물은 측면에 배치된 제1 절연영역을 포함하는 반도체 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반도체 구조물은 상기 제1 패드와 제2 패드 사이에 배치되는 제2 절연영역을 포함하는 반도체 소자.
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