WO2013137658A1 - 반도체 자외선 발광소자 - Google Patents

반도체 자외선 발광소자 Download PDF

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WO2013137658A1
WO2013137658A1 PCT/KR2013/002051 KR2013002051W WO2013137658A1 WO 2013137658 A1 WO2013137658 A1 WO 2013137658A1 KR 2013002051 W KR2013002051 W KR 2013002051W WO 2013137658 A1 WO2013137658 A1 WO 2013137658A1
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oxygen
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light emitting
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안상정
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An Sang Jeong
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L33/40—Materials therefor
    • H01L33/42—Transparent materials

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor ultraviolet light emitting device as a whole, and more particularly to a semiconductor ultraviolet light emitting device having improved light absorption in the device.
  • the semiconductor light emitting device refers to a semiconductor optical device that generates light through recombination of electrons and holes, for example, a group III nitride semiconductor light emitting device.
  • the group III nitride semiconductor consists of a compound of Al (x) Ga (y) In (1-x-y) N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • a GaAs-based semiconductor light emitting device used for red light emission may be mentioned.
  • FIG. 1 is a view illustrating a conventional semiconductor light emitting device (Lateral Chip), the semiconductor light emitting device is a substrate 100, a buffer layer 200 on the substrate 100, a first semiconductor layer having a first conductivity ( 300), an active layer 400 that generates light through recombination of electrons and holes, and a second semiconductor layer 500 having a second conductivity different from the first conductivity are sequentially deposited, and translucent thereon for current diffusion thereon.
  • the conductive film 600 and the electrode 700 serving as the bonding pad are formed, and the electrode 800 serving as the bonding pad is formed on the etched and exposed first semiconductor layer 300.
  • FIG. 2 is a view illustrating another example of a conventional semiconductor light emitting device (Flip Chip), in which a semiconductor light emitting device includes a substrate 100, a first semiconductor layer 300 having a first conductivity, and an electron on the substrate 100; An active layer 400 that generates light through recombination of holes, and a second semiconductor layer 500 having a second conductivity different from the first conductivity are sequentially deposited, and reflect light onto the substrate 100 thereon. An electrode film 901, an electrode film 902, and an electrode film 903 having three layers are formed, and an electrode 800 serving as a bonding pad is formed on the first semiconductor layer 300 that is etched and exposed. have.
  • a semiconductor light emitting device includes a substrate 100, a first semiconductor layer 300 having a first conductivity, and an electron on the substrate 100;
  • An active layer 400 that generates light through recombination of holes, and a second semiconductor layer 500 having a second conductivity different from the first conductivity are sequentially deposited, and reflect light onto the substrate 100 thereon.
  • the semiconductor light emitting device is a first semiconductor layer 300 having a first conductivity, the active layer for generating light through the recombination of electrons and holes 400, a second semiconductor layer 500 having a second conductivity different from the first conductivity is sequentially deposited, and a metal reflective film 910 for reflecting light to the first semiconductor layer 300 is formed.
  • the electrode 940 is formed on the support substrate 930 side. The metal reflective film 910 and the support substrate 930 are bonded by the wafer bonding layer 920.
  • a transmissive conductive film 700 is formed for ohmic contact and current diffusion, and an insulating film 911 is provided to prevent current draw to the device center or to supply current to the entire device.
  • the insulating layer 911 may be formed of a single layer or a multilayer by a silicon oxide (Si x O y ) such as SiO 2 or a titanium oxide (Ti v O w ) such as TiO 2 .
  • a rough surface 301 is formed on the first semiconductor layer 300 to scatter light, and an electrode 800 is formed thereon to function as a bonding pad.
  • a metal reflecting film 910 having a high reflectance is required, and Ag and Al may be considered as such a metal.
  • a transmissive conductive film 700 is introduced and a transmissive oxide conductive film such as indium tin oxide (ITO) as the transmissive conductive film 700.
  • ITO indium tin oxide
  • TCO Transparent Conductive Oxide
  • Ag decreases rapidly as the wavelength is shortened, and it is difficult to use Ag as a reflective film in the ultraviolet region.
  • Al should be considered, but in the case of the vertical chip type semiconductor light emitting device, unlike the Lateral chip type semiconductor light emitting device and the flip chip type semiconductor light emitting device, since a plurality of heat treatment processes are added in the manufacturing process, the oxygen of ITO Due to the oxidation of Al, the problem of light absorption by Al x O y , the opaque metal oxide thus produced, is raised. This phenomenon may be further strengthened when the insulating film 911 made of oxide is provided.
  • a wafer bonding process by the wafer bonding layer 920 As the plurality of heat treatment processes, a wafer bonding process by the wafer bonding layer 920, a process of removing a growth substrate (not shown) and forming a rough surface 301, for separating into a single chip on the wafer A high temperature generation isolation process of etching, a passivation process of forming a light-transmissive insulating film which protects foreign material contact from the outside, and the like.
  • 1 is a view showing an example of a conventional semiconductor chip (Lateral Chip),
  • FIG. 2 is a view showing another example (flip chip) of a conventional semiconductor light emitting device
  • FIG. 3 is a view showing another example of a conventional semiconductor light emitting device (Vertical Chip)
  • FIG. 4 is a view showing an example of a semiconductor ultraviolet light emitting device according to the present disclosure.
  • the semiconductor ultraviolet light emitting device is a first semiconductor layer 300 having a first conductivity, an active layer for generating light through recombination of electrons and holes ( 400, a second semiconductor layer 500 having a second conductivity different from the first conductivity is sequentially deposited, and a metal reflective film 910 for reflecting light to the first semiconductor layer 300 is formed thereon.
  • the electrode 940 is formed on the support substrate 930 side.
  • the metal reflective film 910 and the support substrate 930 are bonded by the wafer bonding layer 920.
  • a transmissive conductive film 700 is formed for ohmic contact and current diffusion, and an insulating film 911 is provided to prevent current draw to the device center or to supply current to the entire device.
  • the insulating layer 911 may be formed of a single layer or a multilayer by silicon oxide (Si x O y ) such as SiO 2 , titanium oxide (Ti v O w ) such as TiO 2 , or the like.
  • a rough surface 301 is formed on the first semiconductor layer 300 for scattering light, and an electrode 800 that functions as a bonding pad is formed thereon.
  • the first semiconductor layer 300 is made of n-type GaN
  • the active layer 400 is made of (In x ) GaN / (In y ) GaN. It mainly has a multi-quantum well structure, and the second semiconductor layer 500 is generally made of p-type GaN.
  • the amount of In in the active layer 400 light emission of blue and ultraviolet rays is possible.
  • ultraviolet rays may implement a wavelength range of 400 nm to 360 nm (commonly referred to as UVA).
  • the first semiconductor layer 300 is made of n-type AlGaN
  • the active layer 400 is made of (Al x ) GaN / (Al y ) GaN. It mainly has a multi-quantum well structure
  • the second semiconductor layer 500 is made of p-type AlGaN.
  • UVB commonly referred to as UVB
  • UVC commonly referred to as UVC
  • the transparent conductive film 700 may be made of a transparent conductive oxide film such as ITO.
  • the metal reflective film 910 reflects light generated in the active layer 400 toward the first semiconductor layer 300, and metals such as Al, Ag, and Rh having good reflectances may be used.
  • metals such as Al, Ag, and Rh having good reflectances may be used.
  • Al is particularly suitable for reflecting short wavelengths, that is, ultraviolet rays.
  • UV and Ag reflectance of about 10% difference, in the 300nm ⁇ 200nm 250nm Ag and Al difference of more than 100%, Rh and Al more than 30% difference see.
  • the metal constituting the metal reflective film 910 forms an opaque metal oxide such as Al 2 O 3 , Ag 2 O, Cu 2 O, Rh 2 O 3 by the high temperature heat generated during the subsequent process (heat treatment process), This opaque metal oxide causes a problem in that light generated in the active layer 400 is absorbed.
  • the insulating film 911 is generally made of a light-transmitting insulating oxide film such as SiO 2 and TiO 2.
  • the insulating film 911 may be formed of a single layer, a double layer, a distributed bragg reflector (DBR), or a combination thereof.
  • DBR distributed bragg reflector
  • the support substrate 930 is for preventing the breakage of the semiconductor layers 300, 400, and 500 in a process of removing the growth substrate (not shown), which is not essential unless the breakage is not a problem.
  • the wafer bonding layer 920 is introduced for wafer bonding of the metal reflective film 910 and the support substrate 930. Such wafer bonding is a technique well known to those skilled in the art.
  • An electrode 940 is provided on the support substrate 930, and is mounted on the lead frame during packaging to supply current to the second semiconductor layer 500.
  • the electrode 800 is for supplying current to the first semiconductor layer 300.
  • the rough surface 301 serves as a scatter and is not essential.
  • a metal having a high reflectance such as Al should be used.
  • the transparent conductive film 700 and the insulating film containing oxygen thereof It causes problems with oxygen-containing structures 700 and 911 such as 911.
  • the present disclosure aims to provide a technical means for solving such a problem.
  • the thickness of oxygen-containing structures 700 and 911 is reduced to reduce the amount of oxygen released.
  • an inhibitory material 951 is introduced to limit the contact between oxygen generated from the oxygen-containing structures 700 and 911 and the metal reflective film 910.
  • the insulating film 911 may not be provided, and in the case of mainly used SiO 2 , the transparent conductive film 700 may be relatively stable to heat. ).
  • ITO which is mainly considered, it is usually not to have a thickness of about 100nm.
  • oxide formation by a subsequent heat treatment process is excessive, making it difficult to realize a competitive vertical chip type semiconductor ultraviolet light emitting device.
  • the present disclosure provides the thickness of the ITO to 1 nm or more which is the surface roughness (average 1 nm) of the second semiconductor layer 500 and to 5 nm or less that does not exceed 5 times thereof.
  • I want to introduce Although it is possible to form in the lower limit of 1 nm or less, it is preferable that it is 1 nm or more. Through this, compared with the related art, it is possible to significantly reduce the generation of oxygen by the transparent conductive film 700. As an upper limit, More preferably, it has a thickness of 3 nm or less. This can arithmetically reduce the generation of oxygen by tens of percent even when compared to a thickness of 5 nm.
  • the light absorption by the transparent conductive film 700 itself should also be considered. At first glance, it may be apparent that the thickness of the transparent conductive film 700 decreases the light absorption by itself, but the transparent conductive film 700 may be made of metal. Considering the role of preventing migration to the second semiconductor layer 500 and forming ohmic contact with the second semiconductor layer 500, it is easy to consider introducing a thickness of 5 nm or less. no. Even within the thickness range of 5 nm or less, the optimum thickness can be considered in relation to the wavelength of the light generated in the active layer 400.
  • the transmittance drops sharply when the thickness is shorter, so that the shorter wavelength corresponds to the shorter wavelength (passes as the wavelength becomes shorter). Absorption, etc. increase rapidly in the material) It is more preferable to have a thickness of less than 3nm. According to the present disclosure, while reducing the thickness of the transparent conductive film 700 made of the transparent conductive oxide such as ITO, the generation of oxygen is fundamentally reduced, and within the thickness of 5 nm or less, considering the relation of the thickness of the transparent conductive oxide to ultraviolet light It has come to the present disclosure.
  • the inhibitory material 951 is formed at the interface between the oxygen-containing structures 700 and 911 and the metal reflective film 910 so as to be at least partially spaced apart from the oxygen-containing structures 700 and 911 and the metal reflective film 910. If the suppression material 951 is conductive, it may be formed over the interface, and if it is an insulating material, it is formed over a portion of the interface.
  • the suppressing material 951 preferably contains no oxygen, but may be a material that contains relatively less oxygen or more stably than the oxygen-containing structures 700 and 911.
  • light-transmissive nitrides eg, AlN, Si a N b , GaN, InGaN, TiN, etc.
  • translucent and oxygen-free may be considered.
  • Inhibitors 951 eg AlN or MgF 2 preferably have a thickness of 100 nm or less.
  • Inhibitor material 952 is deposited together when the metal reflective film 910 is deposited to be positioned at the interface between the oxygen-containing structures 700 and 911 and the metal reflective film 910 and / or inside the metal reflective film 910, and the metal reflective film 910
  • Any material such as a substance capable of suppressing the formation at the interface of the opaque metal oxide formed by the combination of the metal and oxygen of) may be used. Any material may be used as long as it is combined with oxygen to form a transparent oxide. For example, In, Sn, Zn, Si, Ga, Ir, Ru, Rh, etc. are mentioned. Of course, it is also possible to use these in multiple numbers.
  • the suppressing material 952 When the amount of the suppressing material 952 is excessively large, the reflectance of the metal reflective film 910 may be rather decreased, so it is preferable to be introduced within 10% wt.
  • PVD methods such as sputtering or evaporation, are preferable. Among these, In which a compound formation enthalpy value is high is more preferable.
  • a semiconductor ultraviolet light emitting device comprising: a first semiconductor layer having a first conductivity, a second semiconductor layer having a second conductivity different from the first conductivity, and interposed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, And a plurality of semiconductor layers including an active layer generating ultraviolet rays through recombination of holes; A first electrode in electrical contact with the first semiconductor layer; A metal reflecting film electrically contacting the second semiconductor layer on the opposite side of the first semiconductor layer with respect to the active layer, reflecting light generated in the active layer to the first semiconductor layer, and having Al as a light reflecting material; And an oxygen-containing structure positioned between the second semiconductor layer and the metal reflective film, wherein the oxygen-containing structure includes a transmissive conductive oxide film having a thickness of 5 nm or less.
  • a semiconductor ultraviolet light emitting element wherein the oxygen-containing structure has a transmissive conductive oxide film having a thickness of 3 nm or less.
  • a semiconductor ultraviolet light-emitting device characterized in that the suppressing material is located at the interface between the oxygen-containing structure and the metal reflective film so that the oxygen and the metal are spaced apart.
  • a semiconductor ultraviolet light-emitting device characterized in that the suppressing substance contains a light transmitting nitride.
  • a semiconductor ultraviolet light emitting device characterized in that the suppressing substance comprises a material which is bonded with the oxygen to inhibit the formation of the oxygen at the interface of the opaque metal oxide bonded with the metal.
  • a semiconductor ultraviolet light-emitting device characterized in that the suppressing substance comprises a material which is combined with the oxygen to form a transmissive oxide.
  • a semiconductor ultraviolet light emitting device wherein the second semiconductor layer is a GaN-based semiconductor.
  • a semiconductor ultraviolet light emitting element wherein the suppressing material is located at the interface between the oxygen-containing structure and the metal reflective film.
  • a semiconductor ultraviolet light emitting device characterized in that the suppressing substance is made of an oxygen-free substance.
  • a semiconductor ultraviolet light emitting element wherein the suppressing material is located inside the metal reflective film.
  • a semiconductor ultraviolet light emitting element wherein the oxygen-containing structure includes at least one of a transmissive conductive oxide film and an insulating oxide film.
  • the transparent conductive oxide film is at least one selected from the group consisting of ITO, ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 , SiO 2 , Ga 2 O 3 , IrO 2 , RuO 2 , Rh 2 O 3 , and the insulating oxide film is Si at least one selected from the group consisting of x O y and Ti v O w .
  • light absorption in the device can be reduced.

Abstract

본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 반도체 자외선 발광소자에 있어서, 활성층을 기준으로 제1 반도체층의 반대 측에서 제2 반도체층에 전기적으로 접촉되며 활성층에서 생성된 광을 제1 반도체층 측으로 반사시키고, Al을 광 반사 물질로 가지는 금속 반사막; 그리고, 제2 반도체층과 금속 반사막 사이에 위치하는 산소 함유 구조물;로서, 5nm이하의 두께를 가지는 투광성 전도 산화막을 구비하는 산소 함유 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자에 관한 것이다.

Description

반도체 자외선 발광소자
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 자외선 발광소자에 관한 것으로, 특히 소자 내 광 흡수를 개선한 반도체 자외선 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로들 수 있다.
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 반도체 발광소자의 일 예(Lateral Chip)를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에, 버퍼층(200), 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 전류 확산을 위한 투광성 전도막(600)과, 본딩 패드로 역할하는 전극(700)이 형성되어 있고, 식각되어 노출된 제1 반도체층(300) 위에 본딩 패드로 역할하는 전극(800)이 형성되어 있다.
도 2는 종래의 반도체 발광소자의 다른 예(Flip Chip)를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 기판(100) 측으로 빛을 반사시키기 위한 3층으로 된 전극막(901), 전극막(902) 및 전극막(903)이 형성되어 있고, 식각되어 노출된 제1 반도체층(300) 위에 본딩 패드로 기능하는 전극(800)이 형성되어 있다.
도 3은 종래의 반도체 발광소자의 또 다른 예(Vertical Chip)를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500)이 순차로 증착되어 있으며, 여기에 제1 반도체층(300)으로 빛을 반사시키기 위한 금속 반사막(910)이 형성되어 있고, 지지 기판(930) 측에 전극(940)이 형성되어 있다. 금속 반사막(910)과 지지 기판(930)은 웨이퍼 본딩층(920)에 의해 결합된다. 오믹 접촉과 전류 확산을 위해 투광성 전도막(700)이 형성되는 한편, 소자 중심으로의 전류 쏠림 방지 내지는 소자 전체로의 전류 공급을 위해 절연막(911)이 구비되어 있다. 절연막(911)은 SiO2와 같은 실리콘옥사이드(SixOy) TiO2와 같은 티탄옥사이드(TivOw) 등에 의해 단층 또는 복층으로 구성될 수 있다. 제1 반도체층(300)에는 빛의 산란을 위해 거친 표면(301)이 형성되어 있고, 그 위에 본딩 패드로 기능하는 전극(800)이 형성되어 있다. 이러한 수직 칩형 반도체 발광소자의 경우에, 높은 반사율을 가지는 금속 반사막(910)이 요구되며, 이러한 금속으로 Ag 및 Al을 고려할 수 있다. 그러나 Ag과 Al은 제2 반도체층(500)과 오믹 접촉을 형성하기 어려우므로, 투광성 전도막(700)이 도입되며, 투광성 전도막(700)으로서 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투광성 산화 전도막(TCO; Transparent Conductive Oxide)이 고려되고 있다. 그러나 Ag는 파장이 짧아질수록 반사도가 급격히 나빠지며, 자외선 영역으로 가면 반사막으로 사용하기 어렵다. 따라서 Al을 고려해야 하지만, 수직 칩형 반도체 발광소자의 경우에, 래트럴 칩(Lateral Chip)형 반도체 발광소자 및 플립 칩형 반도체 발광소자와 달리, 제조 공정상에서 복수의 열처리 공정이 추가되므로, ITO의 산소로 인한 Al의 산화, 이렇게 생성된 불투명 금속 산화물인 AlxOy에 의한 광 흡수 문제가 제기된다. 이러한 현상은 산화물로 된 절연막(911)이 구비되면 더 강화될 수 있다. 위 복수의 열처리 공정으로서, 웨이퍼 본딩층(920)에 의한 웨이퍼 본딩 공정, 성장 기판(미도시)을 제거하고 거친 표면(301)을 형성하는 공정, 웨이퍼 상에서 단일 칩(single chip)으로 분리하기 위한 식각(etch)의 고온 발생 아이솔레션(isolation) 공정, 외부로부터 이물질 접촉을 보호하는 투광성 절연막 형성하는 패시베이션(passivation) 공정 등을 들 수 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), 반도체 자외선 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 자외선을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 반도체층; 제1 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 전극; 활성층을 기준으로 제1 반도체층의 반대 측에서 제2 반도체층에 전기적으로 접촉되며 활성층에서 생성된 광을 제1 반도체층 측으로 반사시키고, Al을 광 반사 물질로 가지는 금속 반사막; 그리고, 제2 반도체층과 금속 반사막 사이에 위치하는 산소 함유 구조물;로서, 5nm이하의 두께를 가지는 투광성 전도 산화막을 구비하는 산소 함유 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자(Lateral Chip)의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 종래의 반도체 발광소자의 다른 예(Flip Chip)를 나타내는 도면,
도 3은 종래의 반도체 발광소자의 또 다른 예(Vertical Chip)를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 반도체 자외선 발광소자의 일 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 4는 본 개시에 따른 반도체 자외선 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 자외선 발광소자는 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500)이 순차로 증착되어 있으며, 여기에 제1 반도체층(300)으로 빛을 반사시키기 위한 금속 반사막(910)이 형성되어 있고, 지지 기판(930) 측에 전극(940)이 형성되어 있다. 금속 반사막(910)과 지지 기판(930)은 웨이퍼 본딩층(920)에 의해 결합된다. 오믹 접촉과 전류 확산을 위해 투광성 전도막(700)이 형성되는 한편, 소자 중심으로의 전류 쏠림 방지 내지는 소자 전체로의 전류 공급을 위해 절연막(911)이 구비되어 있다. 절연막(911)은 SiO2와 같은 실리콘옥사이드(SixOy), TiO2와 같은 티탄옥사이드(TivOw) 등에 의해 단층 또는 복층으로 구성될 수 있다. 제1 반도체층(300)에는 빛의 산란을 위해 거친 표면(301)이 형성되어 있고, 그 위에 본딩 패드로 기능하는 전극(800)이 형성되어 있다.
청색 및 자외선의 발광이 가능한 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 하면, 제1 반도체층(300)은 n형 GaN으로 이루어지고, 활성층(400)은 (Inx)GaN/(Iny)GaN으로 된 다중양자우물 구조를 주로 가지며, 제2 반도체층(500)은 p형 GaN으로 이루어지는 것이 일반적이다. 활성층(400)의 In의 양을 조절함으로써, 청색 및 자외선의 발광이 가능하다. 활성층(400)의 In의 양(x,y)을 조절함으로써 자외선은 400nm~360nm 파장 대역(통상 UVA 지칭)을 구현할 수 있다.
자외선의 발광이 가능한 3족 질화물 반도체 발광소자의 또다른 예로서, 제1 반도체층(300)은 n형 AlGaN으로 이루어지고, 활성층(400)은 (Alx)GaN/(Aly)GaN으로 된 다중양자우물 구조를 주로 가지며, 제2 반도체층(500)은 p형 AlGaN으로 이루어진다. 활성층(400)의 Al의 양(x, y)을 조절함으로써, 자외선의 발광이 가능하다. 자외선은 그 파장 대역에 따라 360nm~280nm(통상 UVB 지칭), 280nm~200nm(통상 UVC 지칭)로 나누어 볼 수 있다.
투광성 전도막(700)은 ITO와 같은 투광성 전도 산화막으로 이루어질 수 있다.
금속 반사막(910)은 활성층(400)에서 생성된 광을 제1 반도체층(300) 측으로 반사시키며, 반사율이 좋은 Al, Ag, Rh과 같은 금속이 사용될 수 있다. 청색에서는 Ag의 반사율이 높지만, 짧은 파장의 광으로 갈수록 Ag의 반사율이 급격히 나빠지므로, 짧은 파장, 즉 자외선을 반사하는 경우에 Al이 특히 적합하다. 400nm~300nm 대역인 350nm 파장의 자외선에서 Ag과 Al의 반사율이 대략 10%의 차이를 보이며, 300nm~200nm 대역인 250nm에서 Ag과 Al이 100%이상의 차이를, Rh과 Al이 30%이상의 차이를 보인다. 그러나 금속 반사막(910)을 구성하는 금속은 후행 공정시 발생되는 고온의 열에 의해(열처리 공정) Al2O3, Ag2O, Cu2O, Rh2O3와 같은 불투명 금속 산화물을 형성하며, 이 불투명 금속 산화물에 의해 활성층(400)에서 발생한 빛이 흡수되는 문제점을 야기한다.
절연막(911)은 SiO2 및 TiO2와 같은 투광성 절연 산화막으로 이루어지는 것이 일반적이며, 단층, 복층, DBR(Distributed Bragg Reflector) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있고, 필수적인 것은 아니지만, 구비되는 것이 일반적이다.
지지 기판(930)은 이후 있을 성장 기판(미도시)의 제거 공정에서 반도체층(300,400,500)의 깨짐을 방지하기 위한 것으로, 깨짐이 문제되지 않는다면 필수적인 것은 아니다.
웨이퍼 본딩층(920)은 금속 반사막(910)과 지지 기판(930)의 웨이퍼 본딩을 위해 도입되어 있다. 이러한 웨이퍼 본딩은 당업자게 잘 알려져 있는 기술이다.
전극(940)이 지지 기판(930)에 구비되어 있으며, 패키징시 리드 프레임에 장착되어 제2 반도체층(500)으로 전류를 공급하는 역할을 한다.
전극(800)은 제1 반도체층(300)으로 전류를 공급하기 위한 것이다.
거친 표면(301)은 스캐터로 역할하며, 필수적인 것은 아니다.
자외선에 대한 반사율을 높이기 위해, Al과 같은 반사율이 높은 금속이 사용되어야 하지만, 통상 60℃이상의 열처리 공정이 뒤따르는 수직 칩형 반도체 발광소자에 있어서는, 이들이 산소를 함유하는 투광성 전도막(700) 및 절연막(911)과 같은 산소 함유 구조물(700,911)과 문제를 야기한다.
본 개시는 이러한 문제점을 해소하기 위한 기술적 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다. 첫째로, 산소 함유 구조물(700,911)의 두께를 줄여 배출되는 산소의 양을 감소시키는 것이다. 둘째로, 산소 함유 구조물(700,911)로부터 발생되는 산소와 금속 반사막(910)의 접촉을 제한하는 억제 물질(951)을 도입하는 것이다. 세째로, 산소 함유 구조물(700,911)로부터 발생되는 산소와 자신이 결합함으로써 금속 반사막(910)의 금속과 산소가 결합된 불투명 금속 산화물의 형성을 억제하는 억제 물질(952)을 도입하는 것이다.
산소 함유 구조물(700,911)의 두께 내지는 부피를 감소시키는데 있어서, 절연막(911)은 구비되지 않을 수 있을 뿐만 아니라, 주로 사용되는 SiO2의 경우에, 열에 대해 상대적으로 안정된 물질이므로, 투광성 전도막(700)을 위주로 연구하였다. 주로 고려되는 ITO의 경우에, 통상 100nm 정도의 두께를 가지지 것이 일반적이다. 그러나 이렇게 두꺼운 ITO-Al 조합으로는 후속하는 열처리 공정에 의한 산화물 형성이 과도하여, 경쟁력 있는 수직 칩형 반도체 자외선 발광소자를 구현하기가 어렵다. ITO 두께의 관점에서만 본 개시를 고려하면, 본 개시는 ITO의 두께를 제2 반도체층(500)의 표면 거칠기(평균 1nm)인 1nm 이상으로 그리고 이것의 5배를 초과하지 않는 5nm이하의 두께로 도입하고자 한다. 하한인 1nm 이하로 형성하는 것도 가능하지만, 1nm이상인 것이 바람직하다. 이를 통해, 종래와 비교할 때, 투광성 전도막(700)에 의한 산소 발생을 현저히 줄일 수 있게 된다. 상한으로서 더욱 바람직하게는, 3nm 이하의 두께를 가진다. 이를 통해 5nm의 두께와 비교하더라도 산술적으로 수십%의 산소 발생을 줄일 수 있게 된다. 투광성 전도막(700) 자체에 의한 광 흡수도 고려해야 하는데, 일견 두께를 얇게 하면 그 자체에 의한 광 흡수가 감소하는 것은 자명해 보이지만, 투광성 전도막(700)은 금속 방지막(911)의 금속이 제2 반도체층(500)으로 마이그레이션(migration)하는 것을 방지하는 역할을 하는 것과 함께, 제2 반도체층(500)과 오믹 접촉 형성해야 하는 것을 고려하면, 5nm이하의 두께를 도입을 고려하는 것이 쉬운 일은 아니다. 5nm이하의 두께 범위 내에 있어서도, 활성층(400)에서 생성되는 광의 파장과의 관계에서 최적의 두께를 고려해 볼 수 있는데, 파장이 긴 경우(400nm 이상)에, 5nm이하의 두께 범위내에서 두께에 따라 투과율에 큰 차이가 없지만, 파장이 짧은 경우(UV; 400nm이하의 파장)에, 파장이 짧아질수록 두께가 두꺼운 경우에 투과율이 급격히 떨어지므로, 짧은 파장에 대응하기 위하여(파장이 짧아짐에 따라 통과 물질에 흡수 등이 급격히 증가) 3nm이하의 두께를 가지는 것이 더욱 바람직하다. 본 개시에 의하면 ITO와 같은 투광성 전도 산화물로 된 투광성 전도막(700)의 두께를 줄여 산소의 발생을 근원적으로 줄이는 한편, 5nm이하의 두께 내에 있어서, 자외선에 대한 투광성 전도 산화물의 두께 관계를 고려하여 본 개시에 이르게 되었다.
억제 물질(951)은 산소 함유 구조물(700,911)과 금속 반사막(910)의 경계면에 형성되어, 산소 함유 구조물(700,911)과 금속 반사막(910) 사이에서 적어도 일부가 이격되어 서로 차단되도록 한다. 억제 물질(951)이 도통가능하다면 경계면 전체에 형성될 수 있으며, 절연성 물질이라면 경계면 일부에 형성된다. 억제 물질(951)은 산소를 함유하지 않는 것이 바람직하지만, 산소를 산소 함유 구조물(700,911)보다 상대적으로 적게 함유하거나, 더 안정적으로 함유할 수 있는 물질이라도 좋다. 억제 물질(951)로서, 투광성이며 산소를 함유하지 않은 투광성 질화물(예: AlN, SiaNb, GaN, InGaN, TiN 등)을 고려할 수 있다. 또한 투광성 불화물(예: ZnS, CaF2, MgF2 등) 등을 사용하는 것도 가능하다. 이들은 투광성 물질로서 한번 형성하고 나면 열화학적 분해가 산화물에 비해서 일어날 가능성이 적다. 이들은 포토리쏘그라피(photolithography) 공정과 이베이퍼레이션(evaporation), 스퍼터링 등의 PVD법 등을 통해 형성가능하다. 억제 물질(951; 예: AlN 또는 MgF2)은 바람직하게는 100nm 이하의 두께를 가진다.
억제 물질(952)은 금속 반사막(910)의 증착시에 함께 증착되어 산소 함유 구조물(700,911)과 금속 반사막(910)의 경계면 및/또는 금속 반사막(910) 내부에 위치하게 되며, 금속 반사막(910)의 금속과 산소가 결합되어 형성되는 불투명 금속 산화물의 경계면에서의 형성을 억제할 수 있는 물질이라는 어떠한 물질도 좋다. 또한 산소와 결합되어 투명 산화물을 형성하는 물질이라면 어떠한 물질이어도 좋다. 예를 들어, In, Sn, Zn, Si, Ga, Ir, Ru, Rh 등을 들 수 있다. 물론 이들을 복수로 사용하는 것도 가능하다. 이들은 산소와 결합되어, In2O3, SnO2, ZnO, IrO2, RuO2, Rh2O3, ITO와 같은 투광성 산화물을 형성한다. 억제 물질(952)이 지나치게 많아지면, 금속 반사막(910)의 반사율이 오히려 떨어질 수 있으므로, 10%wt 내에서 도입되는 것이 바람직하다. 형성 방법으로는 스퍼터링(sputtering) 또는 이베이퍼레이션(evaporation) 등의 PVD 방식이 바람직하다. 이들 중에서 화합물 형성 엔탈피 값이 높은 In 등이 더욱 바람직하다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 자외선 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 자외선을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 반도체층; 제1 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 전극; 활성층을 기준으로 제1 반도체층의 반대 측에서 제2 반도체층에 전기적으로 접촉되며 활성층에서 생성된 광을 제1 반도체층 측으로 반사시키고, Al을 광 반사 물질로 가지는 금속 반사막; 그리고, 제2 반도체층과 금속 반사막 사이에 위치하는 산소 함유 구조물;로서, 5nm이하의 두께를 가지는 투광성 전도 산화막을 구비하는 산소 함유 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(2) 산소 함유 구조물이 3nm이하의 두께를 가지는 투광성 전도 산화막을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(3) 투광성 전도 산화막은 ITO인 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(4) 산소 함유 구조물과 금속 반사막의 경계면, 및 금속 반사막 내부 중의 적어도 하나에 형성되어 상기 산소와 상기 금속의 결합을 억제하는 억제 물질(a barrier substance);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(5) 억제 물질은 상기 산소와 상기 금속이 이격되어 차단되도록 산소 함유 구조물과 금속 반사막의 경계면에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(6) 억제 물질은 투광성 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(7) 억제 물질은 상기 산소와 결합되어, 상기 산소가 상기 금속과 결합된 불투명 금속 산화물의 경계면에서의 형성을 억제하는 물질(material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(8) 억제 물질은 상기 산소와 결합되어, 투광성 산화물을 형성하는 물질(material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(9) 제2 반도체층은 GaN계 반도체인 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(10) 억제 물질은 산소 함유 구조물과 금속 반사막의 경계면에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(11) 억제 물질은 산소 비함유 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(12) 억제 물질은 금속 반사막 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(13) 산소 함유 구조물은 투광성 전도 산화막 및 절연성 산화막 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
(14) 투광성 전도 산화막은 ITO, ZnO, In2O3, SnO2, SiO2, Ga2O3, IrO2, RuO2, Rh2O3로 된 그룹에서 선택된 적어도 하나이며, 절연성 산화막은 SixOy, TivOw로 그룹에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 하나의 반도체 자외선 발광소자에 의하면, 소자 내 광 흡수를 줄일 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 반도체 자외선 발광소자에 있어서,
    제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 자외선을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 반도체층;
    제1 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 전극;
    활성층을 기준으로 제1 반도체층의 반대 측에서 제2 반도체층에 전기적으로 접촉되며 활성층에서 생성된 광을 제1 반도체층 측으로 반사시키고, Al을 광 반사 물질로 가지는 금속 반사막; 그리고,
    제2 반도체층과 금속 반사막 사이에 위치하는 산소 함유 구조물;로서, 5nm이하의 두께를 가지는 투광성 전도 산화막을 구비하는 산소 함유 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    산소 함유 구조물이 3nm이하의 두께를 가지는 투광성 전도 산화막을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    투광성 전도 산화막은 ITO인 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    투광성 전도 산화막은 ITO인 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    산소 함유 구조물과 금속 반사막의 경계면, 및 금속 반사막 내부 중의 적어도 하나에 형성되어 상기 산소와 상기 금속의 결합을 억제하는 억제 물질(a barrier substance);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    억제 물질은 상기 산소와 상기 금속이 이격되어 차단되도록 산소 함유 구조물과 금속 반사막의 경계면에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  7. 청구항 5에 있어서,
    억제 물질은 투광성 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  8. 청구항 5에 있어서,
    억제 물질은 상기 산소와 결합되어, 상기 산소가 상기 금속과 결합된 불투명 금속 산화물의 경계면에서의 형성을 억제하는 물질(material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  9. 청구항 5에 있어서,
    억제 물질은 상기 산소와 결합되어, 투광성 산화물을 형성하는 물질(material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
  10. 청구항 4에 있어서,
    산소 함유 구조물과 금속 반사막의 경계면, 및 금속 반사막 내부 중의 적어도 하나에 형성되어 상기 산소와 상기 금속의 결합을 억제하는 억제 물질(a barrier substance);을 더 포함하고,
    제2 반도체층은 GaN계 반도체인 것을 특징으로 하는 반도체 자외선 발광소자.
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