WO2010095781A1 - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물 상에 병렬형 전극 구조;를 포함한다.

Description

발광소자 및 그 제조방법
실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device:LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체소자로서, 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 광원으로 이용되어 왔다.
예를 들어, Gallium Nitride(GaN) 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭을 가지고 있고, In, Al 등 타 원소들과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체층을 제조할 수 있고, 방출파장 조절이 용이하여 LED를 포함한 고출력 전자소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.
한편, 종래기술에 의하면 대면적 발광소자의 경우 350mA 이상의 고전류를 인가하게 된다. 이 경우 N형 전극패드에 인가된 전류는 N형 전극을 통하여 전류 확산을 일으켜야 하는데, 이러한 효과는 고전류 인가시 전류 확산 거동보다 P형 전극과의 최단 거리로 직진성을 가지며 전류 병목현상을 일으키는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 고전류 인가시 전류병목에 따른 에피층의 파괴, 고온 환경에서 장시간 구동시의 방열특성에 취약해지는 문제가 있다.
실시예는 원활한 전류 확산(current spreading)과 함께 전류 병목현상(밀집현상)을 해결할 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 넓은 비표면적을 갖는 절단면을 형성시킴으로써 방열특성이 우수한 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물 상에 병렬형 전극 구조;를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층을 복수의 영역으로 분리하는 제1 절연층; 상기 분리된 제1 도전형 반도체층 상에 제1 전극; 및 상기 제1 절연층 상에 상기 제1 전극을 연결하는 패드;를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계; 및 상기 발광구조물 상에 병렬형 전극 구조를 형성하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면 병렬형 전극구조를 형성시킴으로써 원활한 전류 확산(current spreading)과 함께 전류 병목현상(밀집현상)을 해결할 수 있다.
이는 발광면적에 고른 전류밀도를 구현시키므로 n-i-p 접합에 의한 활성영역이 전 영역에 걸쳐 고른 발광 세기를 발생시키기 때문에 광량의 향상 효과를 얻을 수 있다.
또한, 실시예는 넓은 비표면적을 갖는 절단면을 형성시킴으로써 방열특성이 우수하다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 평면도이며, 도 2는 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 3 내지 도 17은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정도.
도 18 및 19는 실시예에 따른 발광소자의 전류 확산의 개념도.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상(on)/위(over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)/위(over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
<실시예>
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 평면도이며, 도 2는 실시예에 따른 발광소자의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따른 단면도이다.
실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층(130), 활성층(120), 제1 도전형 반도체층(110)과, 상기 제1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2 도전형 반도체층(130)을 복수의 영역으로 분리하는 제1 절연층(150)과, 상기 분리된 제1 도전형 반도체층(110) 각각의 상면에 형성된 제1 전극(160) 및 제1 절연층(150) 상에 상기 제1 전극(160)을 연결하는 패드(170)를 포함한다.
대면적 발광소자를 제작함에 있어서 원활한 전류흐름과 전류 병목현상을 제어할 수 있는 전극 구조가 요구된다.
그런데, 수직형 GaN 발광소자의 경우, N형 전극 상의 전극패드에 인가되는 전류는 N형 전극을 통하여 발광면으로 전류가 확산되면서 발광하게 된다.
대면적 발광 소자의 경우에는 고전류를 인가하게 되며, 이 때 N형 전극 패드에는 고전류 인가에 의해 날개 전극으로의 전류 확산 거동보다 N형 전극 패드와 P형 전극 사이의 최단 거리를 가지는 이동 경로를 통하여 전류 병목 현상을 일으킨다.
실시예는 이러한 대면적 LED에서 발생하는 고전류 인가에 따른 전류 병목현상을 제어하기 위하여 각각 분리되어 형성된 GaN LED 상에 병렬형 전극구조를 형성함으로써 원활한 전류흐름(current spreading)을 유도할 수 있다. 이러한 원활한 전류 흐름을 통하여 대면적 발광소자에서 발광세기가 상대적으로 균일하게 전면적에 분포할 수 있도록 하는 구조를 가지며, 또한 전류병목에 따른 에피층의 파괴를 방지하는 효과와, 장시간 구동시에 발생하는 고온 신뢰성 부문에서 상대적으로 넓은 비표면적을 갖는 절단면(isolation)에 의한 방열 효과를 겸할 수 있다.
일반적인 LED의 전극구조는 날개 전극과 패드 전극이 일치된 구조를 갖으며, 분리된 경우에도 그 방식이 직렬형이기 때문에 고전류 인가시 패드 전극 주위로의 전류 병목 현상이 발생한다.
고전류 인가에 따른 전류 병목현상으로부터 에피층(Epi layer)의 파괴, 전류 확산이 원활하지 않음으로 인한 발광면 간의 발광 세기 차이 발생, 그리고 장시간 구동 시의 고온 신뢰성 저하 등의 문제가 발생한다.
실시예에 따른 병렬형 전극구조는 도 18 및 도 19와 같이 패드전극(170)이 제1 절연층(150) 상에 위치하고 제1 전극(160)이 발광면 상에 배치되는 구조로서, 패드전극(170)에 인가된 전류는 제1 절연층(150) 상에 형성된 패드전극을 통하여 사분된 발광면의 제1 전극(160)으로 병렬로 접촉을 형성한다.
병렬로 접촉된 패드와 제1 전극(160)은 각 사분된 발광면에서 동일한 전류 밀도(C)를 가지며 분포하게 되고, 이에 따른 고른 발광세기를 가지는 발광면을 구현할 수 있다.
또한, 기존의 LED 구조와 비교하여 상대적으로 넓은 비표면적을 가지는 절단면을 갖기 때문에 장시간 구동에 따른 고온 신뢰성 부문에서 방열 설계적 장점을 구비하였으므로 BLU 등의 응용에서 우수한 특성을 기대할 수 있다.
LED의 대면적화가 이루어지고 있는 가운데, 고전류 인가 방식의 LED 구동은 전극 구조의 개선을 필수적으로 요구한다. 따라서 실시예와 같은 병렬형 전극 구조 방식은 향후 LED의 대면적화에 대비한 전극 구조 개발이라 할 수 있다.
위의 병렬형 전극은 수직형 LED 뿐만 아니라 수평형 LED로의 적용이 가능하며, 또한 N-전극에만 국한되지 않으며, P-전극으로의 응용 또한 가능하다.
이하, 도 3 내지 도 17을 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다.
먼저, 제1 기판(미도시)을 준비한다. 상기 제1 기판은 사파이어(Al2O3) 단결정 기판, SiC 기판 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 기판에 대해 습식세척을 실시하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
이후, 도 3 및 도 4와 같이 상기 제1 기판 상에 제1 도전형 반도체층(110)을 형성한다. 이때, 도 3 및 도 4에서 제1 기판은 미도시 상태이며, 제1 기판이 도면의 상측에 존재하는 것을 기준으로 설명한다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
이때, 실시예는 상기 제1 기판 상에 언도프트(undoped) 반도체층(미도시)을 형성하고, 상기 언도프트(undoped) 반도체층 상에 제1 도전형 반도체층(110)을 형성할 수 있다. 예를 들어, undoped GaN층을 제1 기판 상에 형성할 수 있다.
이후, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 활성층(120)을 형성한다. 상기 활성층(120)은 제1 도전형 반도체층(110)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 정공이 만나 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 활성층(120)은 에너지 밴드가 서로 다른 질화물 반도체 박막층을 교대로 한 번 혹은 여러 번 적층하여 이루어지는 양자우물구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(120)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 InGaN/GaN 구조를 갖는 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 상기 활성층(120) 상에 제2 도전형 반도체층(130)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(130)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 P형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 제2 도전형 반도체층(130) 상에 제2 전극층(140)을 형성할 수 있다. 상기 제2 전극층(140)은 오믹층(142), 반사층(미도시), 결합층(미도시), 또는 제2 기판(144)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 전극층(140)은 오믹층(142)을 포함할 수 있으며, 정공주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 오믹층(142)은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
또한, 상기 제2 전극층(140)이 반사층을 포함하는 경우 Al, Ag, 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
또한, 상기 제2 전극층(140)이 결합층을 포함하는 경우 상기 반사층이 결합층의 기능을 하거나, 니켈(Ni), 금(Au) 등을 이용하여 결합층을 형성할 수 있다.
또한, 제2 전극층(140)은 제2 기판(144)을 포함할 수 있다. 만약, 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 50㎛ 이상으로 충분히 두꺼운 경우에는 제2 기판을 형성하는 공정은 생략될 수 있다. 상기 제2 기판(144)은 효율적으로 정공을 주입할 수 있도록 전기 전도성이 우수한 금속, 금속합금, 혹은 전도성 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판(144)은 구리(Cu), 구리합금(Cu Alloy) 또는 Si, Mo, SiGe 등일 수 있다. 상기 제2 기판(144)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 공융금속을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.
이후, 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 노출되도록 상기 제1 기판을 제거한다. 상기 제1 기판을 제거하는 방법은 고출력의 레이저를 이용하여 제1 기판을 분리하거나 화학적 식각 방법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판은 물리적으로 갈아냄으로써 제거할 수도 있다. 상기 제1 기판의 제거는 제1 도전형 반도체층(110)을 노출시킨다.
이하 도 5 내지 도 12를 참조하여 LED 칩을 복수의 영역으로 분리하는 제1 절연층(150)을 형성하는 공정을 설명한다.
우선, 도 5 및 도 6과 같이 상기 제1 도전형 반도체층 상에 제1 패턴(310)을 형성한다. 예를 들어, 감광막 또는 절연막으로 트렌치가 형성될 영역을 노출하는 제1 패턴(310)을 형성할 수 있다. 이때, 도 3과 같이 상기 제1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2 도전형 반도체층(130), 상기 제2 전극층(140)의 외곽부가 미리 일부 제거되어있을 수 있다. 한편, 상기 제1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2 도전형 반도체층(130), 상기 제2 전극층(140)의 외곽부의 제거는 도 7에서의 트렌치(T) 형성공정과 함께 진행될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2 도전형 반도체층(130), 상기 제2 전극층(140)의 외곽부가 일부 제거됨에 따라 이후 진행되는 제2 절연층(152)과의 결합을 견고히 할 수 있다. 도 3에서 제2 전극층(140) 중 오믹층(142)의 외곽부 일부가 제거되는 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 7 및 도 8과 같이 상기 제1 패턴(310)을 식각 마스크로 하여 상기 제1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2 도전형 반도체층(130)을 일부 식각하여 트렌치(T)를 형성한다. 예를 들어, 건식 또는 습식시각에 의해 트렌치(T)을 형성할 수 있다. 상기 트렌치(T)는 도 8과 같이 위이 십자가 형태일 수 있으나 이에 한정되지 않으며 다양한 형태로 상기 LED 칩을 복수의 영역으로 분리할 수 있다. 실시예에서 상기 트렌치(T)는 상기 제2 도전형 반도체층(130)까지 식각하여 형성될 수 있으며, 상기 제2 전극층(140)이 일부 식각될 수도 있다.
다음으로, 도 9 및 도 10과 같이 상기 제1 패턴(310)을 제거한다. 예를 들어, 애슁(ashing), 습식식각 등의 방법으로 상기 제1 패턴(310)을 제거할 수 있다.
다음으로, 도 11 및 도 12와 같이 상기 트렌치(T)을 메우는 제1 절연층(150)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 산화막 또는 질화막 등의 절연막으로 트렌치(T)를 메우는 제1 절연층(150)을 형성할 수 있다. 도 11은 도 12의 I-I'선을 따른 단면도이다.
이때, 실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2 도전형 반도체층(130) 외곽부를 감싸는 제2 절연층(152)을 상기 제1 절연층(150)과 함께 형성할 수 있다. 예를 들어, 산화막 또는 질화막 등의 절연막으로 상기 제1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2 도전형 반도체층(130) 외곽부를 감싸는 패시베이션층을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 13 및 도 14와 같이 상기 분리된 제1 도전형 반도체층(110) 위에 제1 전극(160)을 각각 형성한다. 도 13은 도 14의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따른 단면도이다.
예를 들어, 실시예에서 상기 제1 전극(160)은 상기 제1 도전형 반도체층(110)과 넓은 범위에서 접촉을 하되 빛이 나가는 것을 덜 가리기 위한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(160)은 격자형태로 형성될 수 있다. 또는 상기 제1 전극(160)은 상기 분리된 제1 도전형 반도체층(110) 위에 날개형태(wing type)로 각각 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 15, 도 16, 도 17과 같이 상기 제1 절연층(150) 상에 상기 제1 전극(160)을 연결하는 패드(170)를 형성한다. 도 15는 도 16의 Ⅱ-Ⅱ'을 따른 단면도이며, 도 17는 도 16의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따른 단면도이다.
실시예에 따른 병렬형 전극구조는 도 18 및 도 19와 같이 패드(170)가 제1 절연층(150) 상에 위치하고 제1 전극(160)이 발광면 상에 배치되는 구조로서, 패드(170)에 인가된 전류는 제1 절연층(150) 상에 형성된 패드를 통하여 사분된 발광면의 제1 전극(160)으로 병렬형 접촉을 형성한다. 실시예에서 상기 패드(170)는 발광구조물 상면의 중앙에 형성됨으로써 분리된 발광면에서 동일한 전류 밀도(C)를 가질 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 병렬형 접촉된 패드(170)과 전극(160)은 각 사분된 발광면에서 동일한 전류 밀도(C)를 가지며 분포하게 되고, 이에 따른 고른 발광세기를 가지는 발광면을 구현할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자에 의하면 병렬형 전극구조를 형성시킴으로써 원활한 전류 확산(current spreading)과 함께 전류 병목현상(밀집현상)을 해결할 수 있다.
이는 발광면적에 고른 전류밀도를 구현시키므로 n-i-p 접합에 의한 활성영역이 전 영역에 걸쳐 고른 발광 세기를 발생시키기 때문에 광량의 향상 효과를 얻을 수 있다.
또한, 실시예는 넓은 비표면적을 갖는 절단면을 형성시킴으로써 방열특성이 우수하다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법은 기존의 LED 구조와 비교하여 상대적으로 넓은 비표면적을 가지는 절단면을 갖기 때문에 장시간 구동에 따른 고온 신뢰성 부문에서 방열 설계적 장점을 구비하였으므로 BLU 등의 응용에서 우수한 특성을 기대할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 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 (15)

  1. 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및
    상기 발광구조물 상에 병렬형 전극 구조;를 포함하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 병렬형 전극 구조는 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성되는 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층을 복수의 영역으로 분리하는 제1 절연층을 포함하는 발광소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 분리된 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 제1 전극을 포함하는 발광소자.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 분리된 제1 도전형 반도체층 상에 각각 분리되어 형성된 제1 전극을 포함하는 발광소자.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 절연층 상에 형성된 패드를 포함하는 발광소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 패드는 상기 발광구조물 중앙에 형성되어 상기 제1 전극을 연결하는 발광소자.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 분리된 제1 도전형 반도체층 상에 날개형태(wing type) 또는 격자형태로 형성되는 발광소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층의 외곽을 감싸는 제2 절연층을 포함하는 발광소자.
  10. 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물;
    상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층을 복수의 영역으로 분리하는 제1 절연층;
    상기 분리된 제1 도전형 반도체층 상에 제1 전극; 및
    상기 제1 절연층 상에 상기 제1 전극을 연결하는 패드;를 포함하는 발광소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 분리된 제1 도전형 반도체층 상에 날개형태(wing type) 또는 격자형태로 형성되는 발광소자.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층의 외곽이 일부 제거된 발광소자.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층의 외곽을 감싸는 제2 절연층을 포함하는 발광소자.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 패드는 상기 발광구조물의 중앙에 형성되어 상기 제1 전극을 연결하는 발광소자.
  15. 제2 도전형 반도체층, 활성층, 제1 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계; 및
    상기 발광구조물 상에 병렬형 전극 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
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