WO2018097649A1 - 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지 - Google Patents

반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지 Download PDF

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layer
conductive semiconductor
semiconductor layer
conductive
electron blocking
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PCT/KR2017/013531
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성연준
이용경
김민성
박수익
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엘지이노텍 주식회사
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Definitions

  • An embodiment relates to a semiconductor device and a semiconductor device package including the same.
  • a semiconductor device including a compound such as GaN, AlGaN, etc. has many advantages, such as having a wide and easy-to-adjust band gap energy, and can be used in various ways as a light emitting device, a light receiving device, and various diodes.
  • light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes using semiconductors of Group 3-5 or Group 2-6 compound semiconductors have been developed through the development of thin film growth technology and device materials.
  • Various colors such as blue and ultraviolet light can be realized, and efficient white light can be realized by using fluorescent materials or combining colors.Low power consumption, semi-permanent lifespan, and fast response speed compared to conventional light sources such as fluorescent and incandescent lamps can be realized. It has the advantages of safety, environmental friendliness.
  • a light-receiving device such as a photodetector or a solar cell
  • a group 3-5 or 2-6 compound semiconductor material of a semiconductor the development of device materials absorbs light in various wavelength ranges to generate a photocurrent.
  • light in various wavelengths can be used from gamma rays to radio wavelengths. It also has the advantages of fast response speed, safety, environmental friendliness and easy control of device materials, making it easy to use in power control or microwave circuits or communication modules.
  • the semiconductor device may replace a light emitting diode backlight, a fluorescent lamp, or an incandescent bulb, which replaces a cold cathode tube (CCFL) constituting a backlight module of an optical communication means, a backlight of a liquid crystal display (LCD) display device.
  • CCFL cold cathode tube
  • LCD liquid crystal display
  • the light emitting device that emits light in the ultraviolet wavelength region can be used for curing, medical treatment, and sterilization by curing or sterilizing.
  • the research on the ultraviolet light emitting device is active, but the ultraviolet light emitting device has a problem that the light extraction efficiency is relatively low.
  • the embodiment provides a semiconductor device having improved light extraction efficiency.
  • a semiconductor device the first conductive semiconductor layer; A second conductive semiconductor layer; An active layer disposed between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer; And an electron blocking layer disposed between the second conductive semiconductor layer and the active layer, wherein the first conductive semiconductor layer decreases in cross section toward the first direction, and the electron blocking layer toward the first direction.
  • the cross-section has an increased area, and the first direction may be a direction of the second conductive semiconductor layer from the first conductive semiconductor layer.
  • a first electrode disposed in a region where the first conductive semiconductor layer is exposed; And a second electrode disposed on the second conductive semiconductor layer.
  • It may include a substrate disposed under the first conductive semiconductor layer.
  • the electron blocking layer may include AlGaN.
  • the aluminum composition may increase.
  • An angle between a side surface of the electron blocking layer and a horizontal axis may be 55 degrees to 80 degrees, and the horizontal axis may be perpendicular to the first direction.
  • the second conductive semiconductor layer may have a region in which a cross section increases toward the first direction.
  • the light extraction efficiency is improved.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion A of FIG. 1;
  • FIG. 3 is an enlarged view of the electron blocking layer of FIG. 2,
  • FIG. 4 is a side photograph of the semiconductor device of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a view showing a side of a conventional semiconductor device
  • 6A to 6D are modifications of FIG. 2,
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 and 9 are views for explaining a configuration in which the light output is improved in accordance with the change in the number of recesses
  • FIG. 10 is a conceptual diagram of a semiconductor device package according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
  • a semiconductor device may include a substrate 120, a buffer layer 121, a first conductive semiconductor layer 111, an active layer 113, an electron blocking layer 114, and a second conductive type.
  • the semiconductor layer 112 may be included.
  • the substrate 120 may include a conductive substrate or an insulating substrate.
  • the substrate 120 may be a material or a carrier wafer suitable for growing a semiconductor material.
  • the substrate 120 may be formed of a material selected from sapphire (Al 2 O 3 ), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, and Ge, but is not limited thereto. The substrate may be removed as needed.
  • the buffer layer 121 may be disposed between the first conductive semiconductor layer 111 and the substrate 120.
  • the buffer layer 121 may mitigate lattice mismatch between the light emitting structure 110 and the substrate 120.
  • the buffer layer 121 may include any one of AlN, GaN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, and AlInN.
  • the dopant may be doped in the buffer layer 121, but is not limited thereto.
  • the buffer layer 121 may grow as a single crystal on the substrate 120, and the buffer layer 121 grown as the single crystal may improve crystallinity of the first conductive semiconductor layer 111.
  • the first conductive semiconductor layer 111 may be implemented with compound semiconductors such as group III-V and group II-VI, and may be doped with the first dopant.
  • the first conductive semiconductor layer 111 is a semiconductor material having a composition formula of Inx1Aly1Ga1-x1-y1N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1, 0 ⁇ x1 + y1 ⁇ 1), for example, GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN and the like can be selected.
  • the first dopant may be an n-type dopant such as Si, Ge, Sn, Se, or Te.
  • the first conductive semiconductor layer 111 doped with the first dopant may be an n-type semiconductor layer.
  • the active layer 113 is disposed between the first conductive semiconductor layer 111 and the second conductive semiconductor layer 112.
  • the active layer 113 is a layer where electrons (or holes) injected through the first conductive semiconductor layer 111 and holes (or electrons) injected through the second conductive semiconductor layer 112 meet each other.
  • the active layer 113 transitions to a low energy level as electrons and holes recombine, and may generate light having an ultraviolet wavelength.
  • the active layer 113 may have one of a single well structure, a multi well structure, a single quantum well structure, a multi quantum well (MQW) structure, a quantum dot structure, or a quantum line structure, and the active layer 113.
  • the structure of is not limited to this.
  • the second conductive semiconductor layer 112 is formed on the active layer 113, and may be implemented as a compound semiconductor such as a group III-V group or a group II-VI.
  • the second conductive semiconductor layer 112 may include a second semiconductor layer 112. Dopants may be doped.
  • the second conductive semiconductor layer 112 is a semiconductor material or AlInN having a composition formula of In x5 Al y2 Ga 1 -x5- y2 N (0 ⁇ x5 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1, 0 ⁇ x5 + y2 ⁇ 1). , AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP may be formed of a material selected from.
  • the second dopant is a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, or Ba
  • the second conductive semiconductor layer 112 doped with the second dopant may be a p-type semiconductor layer.
  • a blocking layer 114 may be disposed between the active layer 113 and the second conductive semiconductor layer 112.
  • the blocking layer 114 blocks the flow of electrons supplied from the first conductive semiconductor layer 111 to the second conductive semiconductor layer 112, and thus the probability of electrons and holes recombining in the active layer 113. Can increase.
  • the energy band gap of the blocking layer 114 may be larger than the energy band gap of the active layer 113 and / or the second conductive semiconductor layer 112.
  • the blocking layer 114 is a semiconductor material having a composition formula of In x1 Al y1 Ga 1 -x1- y1 N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1, 0 ⁇ x1 + y1 ⁇ 1), for example AlGaN, InGaN, InAlGaN, etc. may be selected, but is not limited thereto.
  • the first electrode 131 may be electrically connected to the first conductive semiconductor layer 111.
  • the second electrode 132 may be disposed on the second conductive semiconductor layer 112 and electrically connected to the second electrode 132.
  • the first electrode 131 and the second electrode 132 may be ohmic electrodes.
  • the first electrode 131 and the second electrode 132 are indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium zinc tin oxide (IZTO), indium aluminum zinc oxide (IZAZO), and indium gallium zinc oxide (IGZO).
  • IGTO Indium gallium tin oxide
  • AZO aluminum zinc oxide
  • ATO antimony tin oxide
  • GZO gallium zinc oxide
  • IZON IZO Nitride
  • AGZO Al-Ga ZnO
  • ZnO IrOx, RuOx , NiO, RuOx / ITO, Ni / IrOx / Au, or Ni / IrOx / Au / ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, At least one of Au and Hf may be formed, but is not limited thereto.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion A of FIG. 1
  • FIG. 3 is an enlarged view of the electron blocking layer of FIG. 2
  • FIG. 4 is a side photograph of the semiconductor device.
  • the side surface of the light emitting structure 110 may have an inclination.
  • the slope may be formed by mesa etching.
  • Mesa etching may be performed using various etching gases, but is not necessarily limited thereto.
  • the side slope ⁇ 2 of the first conductive semiconductor layer 111 may be inclined toward the positive direction toward the first direction.
  • the (+) direction may be a direction in which the cross-sectional area is inclined narrower toward the first direction.
  • the positive direction may be a direction between the X 1 axis and the Y 1 axis with reference to the drawings.
  • the first direction (X 1 direction) may be a direction from the first conductive semiconductor layer 111 toward the second conductive semiconductor layer 112.
  • the inclination ⁇ 2 of the first conductive semiconductor layer 111 may be about 90 degrees to about 130 degrees based on the horizontal axis H 1 .
  • the horizontal axis H 1 may be a direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor structure.
  • the side slope ⁇ 2 of the first conductive semiconductor layer 111 may vary depending on the aluminum composition, the type of etching gas, and the etching time.
  • the active layer 113 may be inclined at the same angle as the first conductive semiconductor layer 111, but is not limited thereto.
  • the side slope ⁇ 3 of the second conductive semiconductor layer 112 may be the same as the side slope ⁇ 2 of the first conductive semiconductor layer 111. However, the present invention is not necessarily limited thereto, and the side slope ⁇ 3 of the second conductive semiconductor layer 112 may be larger or smaller than the side slope ⁇ 2 of the first conductive semiconductor layer 111. The difference in the slope may be due to the difference in composition of the aluminum, but is not necessarily limited thereto.
  • the current spreading property may be lowered in the light emitting structure 110.
  • the amount of light emitted to the side of the active layer 113 is increased compared to the GaN-based blue light emitting device (TM mode). This TM mode can occur mainly in ultraviolet semiconductor devices.
  • the side slope ⁇ 1 of the electron blocking layer 114 is in the first direction.
  • the negative direction may be a direction inclined such that the cross-sectional area becomes larger toward the first direction (X 1 direction).
  • the negative direction may be a direction between the X 1 and Y 2 axes with reference to the drawings.
  • the light L1 emitted almost horizontally from the active layer 113 may be partially reflected upward by the side of the electron blocking layer 114, and may be partially refracted upward. Therefore, the light extraction efficiency of the semiconductor device can be improved.
  • the inclination ⁇ 1 of the electron blocking layer 114 may be 55 degrees to 80 degrees based on the horizontal axis H 1 .
  • the horizontal axis H 1 may be a direction perpendicular to the first direction (X 1 direction).
  • the side angle of the active layer 113 may be 90 degrees to 130 degrees in the same manner as the inclination angle ⁇ 2 of the first conductive semiconductor layer 111. Therefore, the first angle ⁇ 4 formed between the side surface of the electron blocking layer 114 and the side surface of the active layer 113 may be 115 degrees to 170 degrees.
  • the ratio of the side inclination angle ⁇ 1 and the first angle ⁇ 4 of the electron blocking layer 114 may be 1: 1.43 to 1: 3.1.
  • the ratio of the side inclination angle ⁇ 1 and the first angle ⁇ 4 of the electron blocking layer 114 is smaller than 1: 1.43 or larger than 1: 3.1, it may be difficult to refract the light emitted from the active layer upward.
  • Side slope of the electron blocking layer 114 may be enabled by adjusting various growth factors.
  • the inclination may be controlled by adjusting the aluminum composition of the electron blocking layer 114.
  • the lower portion of the electron blocking layer 114 may have a higher composition of aluminum than the active layer 113, so that the film quality may be relatively poor compared to the upper portion of the electron blocking layer 114. Therefore, in the electron blocking layer 114, the lower region close to the active layer 113 may be more actively etched than the upper region. As a result, the side may be inclined in the negative direction. In contrast, side surfaces of the first conductive semiconductor layer 111, the active layer 113, and the second conductive semiconductor layer 112 may be inclined in a positive direction. Alternatively, the growth rate of the lower portion of the electron blocking layer may be increased to control the etching.
  • the inclination may be formed in the electron blocking layer 114 by adjusting the concentration of the etching gas.
  • Etch gas is Cl 2 , BCl 3 At least one of may be used.
  • an inert gas eg, Ar
  • the ratio of Cl 2 and BCl 3 is 8: 2.
  • the amount of Cl may be relatively high.
  • the inclination angle of the electron blocking layer 114 may be adjusted. At this time, the content of the total Cl may be 60% to 80% of the total amount of the total element.
  • the etching efficiency is lowered, so that the difference in etching between the upper and lower portions of the electron blocking layer 114 may be reduced.
  • the inclination angle can be greater than 80 degrees.
  • the etching efficiency is increased, so that the difference between the upper and lower portions of the electron blocking layer 114 may be too large. Therefore, the inclination angle can be smaller than 55 degrees.
  • the side slope ⁇ 1 of the electron blocking layer 114 may be controlled to be 55 degrees to 80 degrees.
  • the inclination of the electron blocking layer 114 may be adjusted using a mask pattern.
  • the inclination angle may be controlled by suppressing etching of the upper portion of the electron blocking layer using the mask pattern.
  • the inclination of the electron blocking layer 114 can be controlled in the negative direction by various methods.
  • the method of forming the side surface of the electron blocking layer inclined in the negative direction is not limited thereto. That is, various methods of forming the side surfaces of the electron blocking layer inclined in the negative direction may be selected.
  • the electron blocking layer 114 may include first to third blocking layers 114a, 114b, and 114c.
  • the first to third blocking layers 114a, 114b, and 114c form one pair, and the electron blocking layer 114 may have about 2 to 6 pairs.
  • the thickness of the electron blocking layer 114 may be about 40 nm to 100 nm, but is not limited thereto.
  • the aluminum composition of the first blocking layer 114a and the aluminum composition of the third blocking layer 114c may be the same.
  • the aluminum composition of the first and third blocking layers 114a and 114c may be 70% to 90%
  • the aluminum composition of the second blocking layer 114b may be 60% to 80%.
  • the aluminum composition of the first and third blocking layers 114a and 114c may be larger than the aluminum composition of the second blocking layer 114b.
  • the side surfaces of the electron blocking layer 114 may be inclined in a direction different from that of the first conductive semiconductor layer 111 and the second conductive semiconductor layer 112. That is, the side surfaces of the first conductive semiconductor layer 111 and the second conductive semiconductor layer 112 are inclined to become narrower toward the upper side, whereas the side of the electron blocking layer 114 is wider toward the upper side. You can see that it is inclined to lose.
  • FIG. 5 is a view illustrating a side surface of a conventional semiconductor device
  • FIGS. 6A to 6D are modified examples of FIG. 2.
  • the electron blocking layer 14 may be formed in the same direction as the inclined surfaces of the first conductive semiconductor layer 11 and the second conductive semiconductor layer 12. In this case, it can be seen that the light emitted from the active layer 113 is refracted or reflected downward. Therefore, the light extraction efficiency can be reduced.
  • the inclined surface of the second conductive semiconductor layer 112 may also be controlled in the negative direction like the electron blocking layer 114. That is, the second conductive semiconductor layer 112 may be tilted to increase in area toward the first direction X1.
  • the angle may be adjusted by controlling the aluminum composition of the lower region 112a of the second conductive semiconductor layer 112 to be larger than the aluminum composition of the upper 112b.
  • the present invention is not necessarily limited thereto, and various methods of controlling the inclination of the semiconductor layer may be applied.
  • the aluminum composition of the lower region 112a may be 40% to 60%, and the aluminum composition of the upper region 112b may be 20% to 50%.
  • the surface layer 112c may be controlled to have an aluminum composition of 1 to 10% for ohmic.
  • the light L4 entering the side of the electron blocking layer 114 and the light L5 entering the side of the second conductive semiconductor layer 112 are included in the light emitted from the active layer 113. Since light can be refracted and reflected upward, light extraction efficiency can be improved.
  • the present invention is not limited thereto, and the side surface of the electron blocking layer 114 may be variously modified. 6B, the lower region of the electron blocking layer 114 may be excessively etched to form the stepped portion 114a between the electron blocking layer 114 and the active layer 113. In this case, light extraction efficiency may be improved.
  • the side surface of the electron blocking layer 114 may have a curvature 114b.
  • the side surface of the electron blocking layer 114 may have an uneven section 114c in which the inclination changes.
  • the uneven section may occur in a superlattice structure in which the composition of aluminum is changed, but is not necessarily limited thereto.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
  • the light emitting structure 120 may include a first conductive semiconductor layer 111, an active layer 113, an electron blocking layer 114, and a second conductive semiconductor layer 112.
  • the recess 128 may penetrate the active layer 126 from the bottom of the second conductive semiconductor layer 127 to a portion of the first conductive semiconductor layer 112.
  • the first conductive semiconductor layer 111 may be divided into an upper region 111a and a lower region 111b. At this time, the inclination angle of the lower region 111b may be controlled in the minus direction. As described above, the negative direction may be a direction in which the area increases toward the first direction (X 1 direction).
  • the above-described method may be applied to the method of controlling the inclination angle.
  • the inclination angle may be controlled by controlling the aluminum concentration or the film quality of the first conductive semiconductor layer 111, or a separate mask may be used.
  • the inclination of the side may be applied to all of the structure of Figure 6a, 6b, 6c.
  • the light emitted toward the side from the active layer 113 of the vertical ultraviolet semiconductor device may be refracted or reflected upward by the lower region 111b of the first conductive semiconductor layer 111. Therefore, light extraction efficiency can be improved.
  • the surface layer of the second conductive semiconductor layer 112 in contact with the second electrode 132 has an aluminum composition of 1% to 10%, ohmic connection may be easy.
  • the surface layer of the second conductive semiconductor layer 112 has a thickness greater than 1 nm and smaller than 30 nm, the amount of light absorption may be small.
  • the first conductive layer 165 may extend into the recess 128 to be electrically connected to the first conductive semiconductor layer 112.
  • the first electrode 142 may be an ohmic electrode.
  • the second conductive layer 150 may be disposed under the second conductive semiconductor layer 112 and electrically connected to the second conductive layer 150. One region of the second conductive layer 150 may be exposed and may be electrically connected to the second electrode pad 166.
  • the second electrode 246 may be disposed between the second conductive layer 150 and the second conductive semiconductor layer 112 and electrically connected thereto. Since the surface layer of the second conductive semiconductor layer 112 has a relatively low composition of aluminum, ohmic connection may be facilitated.
  • the first conductive layer 165 and the second conductive layer 150 may be formed of a transparent conductive oxide (TCO).
  • Transparent conductive oxide films include ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), AZO (Aluminum Zinc Oxide), AGZO (Aluminum Gallium Zinc Oxide), IZTO (Indium Zinc Tin Oxide), IAZO (Indium Aluminum Zinc Oxide), IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide), IGTO (Indium Gallium Tin Oxide), ATO (Antimony Tin Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), IZON (IZO Nitride), ZnO, IrOx, RuOx and NiO.
  • the first conductive layer 165 and the second conductive layer 150 may include an opaque metal such as Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf, or the like.
  • the first conductive layer 165 may be formed of one or a plurality of layers in which a transparent conductive oxide film and an opaque metal are mixed, but are not limited thereto.
  • the second electrode pad 166 may be disposed in one corner region of the semiconductor device.
  • the second electrode pad 166 may have a recessed portion and a convex portion at an upper surface thereof because the center portion thereof is recessed. Wires (not shown) may be bonded to the recesses of the upper surface. Therefore, the adhesive area is widened, and the second electrode pad 166 and the wire may be more firmly bonded.
  • the second electrode pad 166 may function to reflect light, the closer the light emitting structure 120 is to the second electrode pad 166, the light extraction efficiency may be improved.
  • the height of the convex portion of the second electrode pad 166 may be higher than that of the active layer 113. Accordingly, the second electrode pad 166 may reflect light emitted in the horizontal direction of the device from the active layer 113 to the top to improve light extraction efficiency and to control the direction angle.
  • the first insulating layer 131 may be partially opened under the second electrode pad 166 to electrically connect the second conductive layer 150 and the second electrode.
  • the passivation layer 180 may be formed on the top and side surfaces of the light emitting structure 120. The passivation layer 180 may contact the first insulating layer 131 in a region adjacent to the second electrode or under the second electrode.
  • a width of a portion where the first insulating layer 131 is opened so that the second electrode pad 166 contacts the second conductive layer 150 may be, for example, about 40 ⁇ m to about 90 ⁇ m. If the thickness is smaller than 40 ⁇ m, the operating voltage may be increased. If the thickness is larger than 90 ⁇ m, it may be difficult to secure a process margin for not exposing the second conductive layer 150 to the outside. When the second conductive layer 150 is exposed to the outer region of the second electrode, reliability of the device may be degraded. Therefore, preferably, the width may be 60% to 95% of the total width of the second electrode pad 166.
  • the first insulating layer 131 may electrically insulate the first electrode 142 from the active layer 113 and the second conductive semiconductor layer 112. In addition, the first insulating layer 131 may electrically insulate the second conductive layer 150 from the first conductive layer 165.
  • the first insulating layer 131 may be formed by selecting at least one selected from the group consisting of SiO 2 , SixOy, Si 3 N 4 , Si x N y , SiO x N y , Al 2 O 3 , TiO 2 , AlN, and the like. However, it is not limited thereto.
  • the first insulating layer 131 may be formed in a single layer or multiple layers.
  • the first insulating layer 131 may be a distributed Bragg reflector (DBR) having a multilayer structure including silver Si oxide or a Ti compound.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the present invention is not limited thereto, and the first insulating layer 131 may include various reflective structures.
  • light extraction efficiency may be improved by reflecting upward light emitted from the active layer toward the side surface. As described later, in the ultraviolet semiconductor device, as the number of recesses 128 increases, light extraction efficiency may be more effective.
  • the second conductive layer 150 may cover the second electrode. Accordingly, the second electrode pad 166, the second conductive layer 150, and the second electrode may form one electrical channel.
  • the second conductive layer 150 completely surrounds the second electrode and may be in contact with the side surface and the top surface of the first insulating layer 131.
  • the second conductive layer 150 is made of a material having good adhesion to the first insulating layer 131, and at least one material selected from the group consisting of materials such as Cr, Al, Ti, Ni, Au, and the like. It may be made of an alloy, it may be made of a single layer or a plurality of layers.
  • the second conductive layer 150 When the second conductive layer 150 is in contact with the side surface and the top surface of the first insulating layer 131, the thermal and electrical reliability of the second electrode can be improved. In addition, it may have a reflection function to reflect the light emitted between the first insulating layer 131 and the second electrode to the top.
  • the second conductive layer 150 may also be disposed between the first insulating layer 131 and the second electrode at a second separation distance, which is a region where the second conductive semiconductor layer is exposed.
  • the second conductive layer 150 may contact the side and top surfaces of the second electrode and the side and top surfaces of the first insulating layer 131 at the second separation distance.
  • a region in which the Schottky junction is formed by contacting the second conductive layer 150 and the second conductive semiconductor layer within the second separation distance may be disposed, and current distribution may be facilitated by forming the Schottky junction.
  • the second insulating layer 132 may electrically insulate the second electrode 246 and the second conductive layer 150 from the first conductive layer 165.
  • the first conductive layer 165 may be electrically connected to the first electrode 142 through the second insulating layer 132.
  • the first conductive layer 165 and the bonding layer 160 may be disposed along the shape of the bottom surface and the recess 128 of the light emitting structure 120.
  • the first conductive layer 165 may be made of a material having excellent reflectance.
  • the first conductive layer 165 may include aluminum.
  • the light emitting efficiency may be improved by reflecting light emitted from the active layer upward.
  • the bonding layer 160 may comprise a conductive material.
  • the bonding layer 160 may include a material selected from the group consisting of gold, tin, indium, aluminum, silicon, silver, nickel, and copper, or an alloy thereof.
  • the substrate 170 may be made of a conductive material.
  • the substrate 170 may include a metal or a semiconductor material.
  • the substrate 170 may be a metal having excellent electrical conductivity and / or thermal conductivity. In this case, heat generated during the operation of the semiconductor device may be quickly released to the outside.
  • the substrate 170 may include a material selected from the group consisting of silicon, molybdenum, silicon, tungsten, copper, and aluminum, or an alloy thereof.
  • Unevenness may be formed on an upper surface of the light emitting structure 120. Such unevenness may improve extraction efficiency of light emitted from the light emitting structure 120.
  • the unevenness may have a different average height according to the ultraviolet wavelength, and in the case of UV-C, the light extraction efficiency may be improved when the UV-C has a height of about 300 nm to 800 nm and an average of about 500 nm to 600 nm.
  • FIG 8 and 9 are views for explaining a configuration in which the light output is improved according to the change in the number of recesses.
  • the current spreading property may be lowered in the light emitting structure 120.
  • the amount of light emitted to the side of the active layer is increased compared to the GaN-based blue light emitting device (TM mode).
  • TM mode may occur in an ultraviolet semiconductor device.
  • the GaN semiconductor emitting the wavelength band of the ultraviolet region may form the first electrode by forming a larger number of recesses 128 than the GaN semiconductor emitting blue for current diffusion.
  • the effective light emitting area P2 when the composition of Al increases, current dispersion characteristics may deteriorate. Therefore, the current is distributed only to the neighboring points in each of the first electrodes, the current density can be sharply lowered at a long distance. Therefore, the effective light emitting area P2 can be narrowed.
  • the effective emission area P2 may be defined as an area up to a boundary point having a current density of 40% or less based on the current density at a point adjacent to the first electrode having the highest current density.
  • the effective light emitting region P2 may be adjusted according to the level of the injection current and the composition of Al in the range of 5 ⁇ m to 40 ⁇ m from the center of the recess 128.
  • the low current density region P3 between the neighboring first electrodes has a low current density and hardly contributes to light emission. Therefore, in the exemplary embodiment, the light output may be improved by further disposing the first electrode in the low current density region P3 having a low current density.
  • the current dispersion characteristics are relatively excellent, it is desirable to minimize the area of the recess 128 and the first electrode. This is because the larger the area of the recess 128 and the first electrode, the smaller the area of the active layer.
  • the Al composition is high and the current diffusion characteristics are relatively low, it may be desirable to reduce the low current density region P3 by increasing the number of first electrodes even at the expense of the area of the active layer.
  • the recesses 128 when the number of the recesses 128 is 48, the recesses 128 may not be disposed in a straight line in the horizontal and vertical directions, but may be disposed in a zigzag manner. In this case, the area of the low current density region P3 is further narrowed so that most active layers can participate in light emission.
  • the number of the recesses 128 is 70 to 110, the current may be more efficiently distributed, thereby lowering the operating voltage and improving the light output.
  • the semiconductor device emitting UV-C when the number of the recesses 128 is less than 70, the electrical and optical properties may be degraded.
  • the number of the recesses 128 is more than 110, the electrical and optical properties may be improved, but the volume of the light emitting layer is reduced, thereby the optical characteristics. This can be degraded.
  • the first area where the plurality of first electrodes contact the first conductive semiconductor layer 122 may be about 7.4% or more and 20% or less, or about 10% or more and 20% or less of the maximum horizontal cross-sectional area of the light emitting structure 120.
  • the first area may be the sum of the areas where each first electrode contacts the first conductive semiconductor layer 122.
  • the light output may not be sufficient due to insufficient current spreading characteristics. If the first area of the plurality of first electrodes is less than 20%, the area of the active layer and the second electrode may be excessively reduced, thereby operating voltage. There is a problem that this rises and the light output decreases.
  • the total area of the plurality of recesses 128 may be 13% or more and 30% or less of the horizontal maximum cross-sectional area of the light emitting structure 120. If the total area of the recess 128 does not satisfy the above condition, it is difficult to control the total area of the first electrode to not less than 7.4% and not more than 20%. In addition, there is a problem that the operating voltage rises and the light output decreases.
  • the second area where the second electrode contacts the second conductive semiconductor layer 126 may be 35% or more and 70% or less of the horizontal maximum cross-sectional area of the light emitting structure 120.
  • the second area may be a total area where the second electrode contacts the second conductive semiconductor layer 126.
  • the second area is less than 35%, the area of the second electrode may be excessively small, resulting in an increase in operating voltage and inferior injection efficiency. If the second area exceeds 70%, there is a problem that the first area cannot be effectively expanded, so that the electron injection efficiency is lowered.
  • the first area and the second area have an inverse relationship. That is, when the number of recesses is increased to increase the number of first electrodes, the area of the second electrode is reduced. In order to increase the light output, the dispersion characteristics of electrons and holes must be balanced. Therefore, it is important to determine an appropriate ratio between the first area and the second area.
  • the ratio (first area: second area) of the first area where the plurality of first electrodes contact the first conductive semiconductor layer and the second area where the second electrode contacts the second conductive semiconductor layer is 1: 3. To 1:10.
  • the area ratio When the area ratio is larger than 1:10, the first area may be relatively small, which may deteriorate the current dispersion characteristic. In addition, when the area ratio is smaller than 1: 3, there is a problem that the second area is relatively small.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram of a semiconductor device package according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor device is composed of a package and can be used for curing resins, resists, SODs, or SOGs. Alternatively, the semiconductor device may be used for medical treatment or sterilization of an air cleaner or water purifier.
  • a semiconductor device package may be disposed in a body 2 having a groove 3, a semiconductor device 1 disposed in the body 2, and disposed in the body 2 to be electrically connected to the semiconductor device 1. It may include a pair of lead frames (5a, 5b) to be connected.
  • the semiconductor device 1 may include all of the above configurations.
  • the body 2 may include a material or a coating layer that reflects ultraviolet light.
  • the body 2 may be formed by stacking a plurality of layers 2a, 2b, 2c, and 2d.
  • the plurality of layers 2a, 2b, 2c, and 2d may be the same material or may include different materials.
  • the groove 3 may be wider as it is farther from the semiconductor device, and a step 3a may be formed on the inclined surface.
  • the light transmitting layer 4 may cover the groove 3.
  • the light transmitting layer 4 may be made of glass, but is not limited thereto.
  • the light transmitting layer 4 is not particularly limited as long as it is a material that can effectively transmit ultraviolet light.
  • the inside of the groove 3 may be an empty space.
  • the semiconductor device may be used as a light source of an illumination system, or may be used as a light source of an image display device or a light source of an illumination device. That is, the semiconductor device may be applied to various electronic devices disposed in a case to provide light. For example, when the semiconductor device and the RGB phosphor are mixed and used, white light having excellent color rendering (CRI) may be realized.
  • CRI color rendering
  • the above-described semiconductor device may be configured as a light emitting device package and used as a light source of an illumination system.
  • the semiconductor device may be used as a light source or a light source of an image display device.
  • a backlight unit of an image display device When used as a backlight unit of an image display device, it can be used as an edge type backlight unit or a direct type backlight unit, when used as a light source of a lighting device can be used as a luminaire or bulb type, and also used as a light source of a mobile terminal. It may be.
  • the light emitting element includes a laser diode in addition to the light emitting diode described above.
  • the laser diode may include the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer having the above-described structure.
  • an electric-luminescence phenomenon is used in which light is emitted when an electric current flows.
  • a laser diode may emit light having a specific wavelength (monochromatic beam) in the same direction with the same phase by using a phenomenon called stimulated emission and a constructive interference phenomenon. Due to this, it can be used for optical communication, medical equipment and semiconductor processing equipment.
  • a photodetector may be a photodetector, which is a type of transducer that detects light and converts its intensity into an electrical signal.
  • Such photodetectors include photovoltaic cells (silicon, selenium), photoelectric devices (cadmium sulfide, cadmium selenide), photodiodes (e.g. PD having peak wavelength in visible blind or true blind spectral regions) Transistors, optoelectronic multipliers, phototubes (vacuum, gas encapsulation), infrared (Infra-Red) detectors, and the like, but embodiments are not limited thereto.
  • a semiconductor device such as a photodetector may generally be manufactured using a direct bandgap semiconductor having excellent light conversion efficiency.
  • the photodetector has various structures, and the most common structures include a pin photodetector using a pn junction, a Schottky photodetector using a Schottky junction, a metal semiconductor metal (MSM) photodetector, and the like. have.
  • MSM metal semiconductor metal
  • a photodiode may include a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer having the above-described structure, and have a pn junction or pin structure.
  • the photodiode operates by applying a reverse bias or zero bias. When light is incident on the photodiode, electrons and holes are generated and current flows. In this case, the magnitude of the current may be approximately proportional to the intensity of light incident on the photodiode.
  • Photovoltaic cells or solar cells are a type of photodiodes that can convert light into electrical current.
  • the solar cell may include the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer having the above-described structure similarly to the light emitting device.
  • a general diode using a p-n junction it may be used as a rectifier of an electronic circuit, it may be applied to an ultra-high frequency circuit and an oscillation circuit.
  • the semiconductor device described above is not necessarily implemented as a semiconductor and may further include a metal material in some cases.
  • a semiconductor device such as a light receiving device may be implemented using at least one of Ag, Al, Au, In, Ga, N, Zn, Se, P, or As, and may be implemented by a p-type or n-type dopant. It may also be implemented using a doped semiconductor material or an intrinsic semiconductor material.

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Abstract

실시 예는, 제1도전형 반도체층; 제2도전형 반도체층; 상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및 상기 제2도전형 반도체층과 활성층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하고, 상기 제1도전형 반도체층은 제1방향으로 갈수록 단면이 감소하고, 상기 전자 차단층은 상기 제1방향으로 갈수록 단면이 증가하는 영역을 갖고, 상기 제1방향은 상기 제1도전형 반도체층에서 제2도전형 반도체층 방향인 반도체 소자를 개시한다.

Description

반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지
실시 예는 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 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.
특히, 자외선 파장 영역의 광을 방출하는 발광소자는 경화작용이나 살균 작용을 하여 경화용, 의료용, 및 살균용으로 사용될 수 있다.
최근 자외선 발광소자에 대한 연구가 활발하나, 아직까지 자외선 발광소자는 광 추출 효율이 상대적으로 떨어지는 문제가 있다.
실시 예는 광 추출 효율이 향상된 반도체 소자를 제공한다.
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 실시 예에 따른 반도체 소자는, 제1도전형 반도체층; 제2도전형 반도체층; 상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및 상기 제2도전형 반도체층과 활성층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하고, 상기 제1도전형 반도체층은 제1방향으로 갈수록 단면이 감소하고, 상기 전자 차단층은 상기 제1방향으로 갈수록 단면이 증가하는 영역을 갖고, 상기 제1방향은 상기 제1도전형 반도체층에서 제2도전형 반도체층 방향일 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층이 노출된 영역에 배치되는 제1전극; 및 상기 제2도전형 반도체층상에 배치되는 제2전극을 포함할 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층의 하부에 배치되는 기판을 포함할 수 있다.
상기 전자 차단층은 AlGaN을 포함할 수 있다.
상기 전자 차단층은 상기 활성층에 가까워질수록 알루미늄 조성이 높아질 수 있다.
상기 전자 차단층의 측면이 수평축과 이루는 각도는 55도 내지 80도이고, 상기 수평축은 상기 제1방향과 수직할 수 있다.
상기 제2도전형 반도체층은 상기 제1방향으로 갈수록 단면이 증가하는 영역을 가질 수 있다.
실시 예에 따르면, 광 추출 효율이 향상된다.
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 소자의 개념도이고,
도 2는 도 1의 A 부분 확대도이고,
도 3은 도 2의 전자 차단층의 확대도이고,
도 4는 도 1의 반도체 소자의 측면 사진이고,
도 5는 종래 반도체 소자의 측면을 보여주는 도면이고,
도 6a 내지 도 6d는 도 2의 변형예이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고,
도 8 및 도 9는 리세스의 개수 변화에 따라 광 출력이 향상되는 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이다.
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 소자의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 실시 예에 따른 반도체 소자는 기판(120), 버퍼층(121), 제1도전형 반도체층(111), 활성층(113), 전자 차단층(114), 및 제2도전형 반도체층(112)을 포함할 수 있다.
기판(120)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 기판(120)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼일 수 있다. 기판(120)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 중 선택된 물질로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 필요에 따라 기판은 제거될 수도 있다.
제1도전형 반도체층(111)과 기판(120) 사이에는 버퍼층(121)이 배치될 수 있다. 버퍼층(121)은 발광 구조물(110)과 기판(120)의 격자 부정합을 완화할 수 있다.
버퍼층(121)은 AlN, GaN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층(121)에는 도펀트가 도핑될 수도 있으나, 이에 한정하지 않는다.
버퍼층(121)은 기판(120) 상에 단결정으로 성장할 수 있으며, 단결정으로 성장한 버퍼층(121)은 제1도전형 반도체층(111)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
제1도전형 반도체층(111)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1도전형 반도체층(111)은 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 그리고, 제1도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1도펀트가 n형 도펀트인 경우, 제1도펀트가 도핑된 제1도전형 반도체층(111)은 n형 반도체층일 수 있다.
활성층(113)은 제1도전형 반도체층(111)과 제2도전형 반도체층(112) 사이에 배치된다. 활성층(113)은 제1도전형 반도체층(111)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2도전형 반도체층(112)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(113)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 자외선 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(113)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(113)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
제2도전형 반도체층(112)은 활성층(113) 상에 형성되며, Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2도전형 반도체층(112)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2도전형 반도체층(112)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. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2도전형 반도체층(112)은 p형 반도체층일 수 있다.
활성층(113)과 제2도전형 반도체층(112) 사이에는 차단층(114)이 배치될 수 있다. 차단층(114)은 제1도전형 반도체층(111)에서 공급된 전자가 제2도전형 반도체층(112)으로 빠져나가는 흐름을 차단하여, 활성층(113) 내에서 전자와 정공이 재결합할 확률을 높일 수 있다. 차단층(114)의 에너지 밴드갭은 활성층(113) 및/또는 제2도전형 반도체층(112)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
차단층(114)은 Inx1Aly1Ga1 -x1- y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
제1전극(131)은 제1도전형 반도체층(111)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2전극(132)은 제2도전형 반도체층(112)상에 배치되어 전기적으로 연결될 수 있다.
제1전극(131)과 제2전극(132)은 오믹전극일 수 있다. 제1전극(131)과 제2전극(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), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
도 2는 도 1의 A 부분 확대도이고, 도 3은 도 2의 전자 차단층의 확대도이고, 도 4는 반도체 소자의 측면 사진이다.
도 2를 참조하면, 발광구조물(110)의 측면은 경사를 가질 수 있다. 경사는 메사 식각에 의해 형성될 수 있다. 메사 식각은 다양한 식각 가스를 이용하여 수행될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제1도전형 반도체층(111)의 측면 경사(θ2)는 제1방향으로 갈수록 (+) 방향으로 기울어질 수 있다. 여기서 (+) 방향이란 제1방향으로 갈수록 단면적이 좁아지게 경사지는 방향일 수 있다. (+) 방향은 도면을 기준으로 X1축과 Y1축 사이의 방향일 수 있다. 제1방향(X1방향)은 제1도전형 반도체층(111)에서 제2도전형 반도체층(112)을 향하는 방향일 수 있다.
수평축(H1)을 기준으로 제1도전형 반도체층(111)의 측면 경사(θ2)는 90도 내지 130도일 수 있다. 수평축(H1)은 반도체 구조물의 두께 방향과 수직한 방향일 수 있다. 제1도전형 반도체층(111)의 측면 경사(θ2)는 알루미늄 조성, 식각 가스의 종류, 및 식각 시간 등에 따라 달라질 수 있다. 활성층(113)은 제1도전형 반도체층(111)과 동일한 각도로 경사질 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제2도전형 반도체층(112)의 측면 경사(θ3)는 제1도전형 반도체층(111)의 측면 경사(θ2)와 동일할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 제2도전형 반도체층(112)의 측면 경사(θ3)는 제1도전형 반도체층(111)의 측면 경사(θ2)보다 클 수도 있고 작을 수도 있다. 경사의 차이는 알루미늄의 조성 차이에 기인할 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.
발광구조물(110)은 알루미늄 조성이 높아지면, 발광구조물(110)내에서 전류 확산 특성이 저하될 수 있다. 또한, 활성층(113)은 GaN 기반의 청색 발광 소자에 비하여 측면으로 방출하는 광량이 증가하게 된다(TM 모드). 이러한 TM모드는 자외선 반도체 소자에서 주로 발생할 수 있다.
제1도전형 반도체층(111)의 측면 경사(θ2) 및 제2도전형 반도체층(112)의 측면 경사(θ3)와는 다르게 전자 차단층(114)의 측면 경사(θ1)는 제1방향으로 갈수록 (-)방향으로 기울어질 수 있다. (-) 방향이란 제1방향(X1방향)으로 갈수록 단면적이 커지도록 경사지는 방향일 수 있다. (-) 방향은 도면을 기준으로 X1축과 Y2축 사이의 방향일 수 있다.
활성층(113)에서 거의 수평하게 출사된 광(L1)은 전자 차단층(114)의 측면에 의해 일부(L2)는 상향 반사되고, 일부(L3)는 상향 굴절될 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
수평축(H1)을 기준으로 전자 차단층(114)의 측면 경사(θ1)는 55도 내지 80도일 수 있다. 각도가 55보다 작거나 80도보다 큰 경우에는 활성층(113)에서 출사된 광을 대부분 상향 굴절(또는 반사)시키기 어려울 수 있다. 또한, 이후 패시베이션(Passivation) 공정을 수행하기 어려울 수 있다. 수평축(H1)은 제1방향(X1방향)과 수직한 방향일 수 있다.
활성층(113)의 측면 각도는 전술한 바와 같이 제1도전형 반도체층(111)의 경사 각도(θ2)와 동일하게 90도 내지 130도일 수 있다. 따라서, 전자 차단층(114)의 측면과 활성층(113)의 측면이 이루는 제1각도(θ4)는 115도 내지 170도일 수 있다. 이때, 전자 차단층(114)의 측면 경사 각도(θ1)와 제1각도(θ4)의 비는 1:1.43 내지 1:3.1일 수 있다. 전자 차단층(114)의 측면 경사 각도(θ1)와 제1각도(θ4)의 비가 1:1.43 보다 작거나 1:3.1 보다 큰 경우에는 활성층에서 출사되는 광을 상향 굴절시키기 어려울 수 있다.
전자 차단층(114)의 측면 경사는 다양한 성장 인자를 조절하여 가능해질 수 있다. 예시적으로 전자 차단층(114)의 알루미늄 조성을 조절하여 경사를 제어할 수 있다.
알루미늄의 조성 차이가 급격하게 커지면 막질이 불량하게 되고, 막질이 불량할수록 상대적으로 식각이 더 잘 일어날 수 있다. 전자 차단층(114)의 하부는 활성층(113)에 비해 알루미늄의 조성이 급격히 증가하여 상대적으로 전자 차단층(114)의 상부에 비해 막질이 불량해질 수 있다. 따라서, 전자 차단층(114)은 활성층(113)과 가까운 하부 영역이 상부 영역에 비해 식각이 활발하게 일어날 수 있다. 그 결과, 측면이 (-)방향으로 기울어질 수 있다. 이에 반해, 제1도전형 반도체층(111), 활성층(113), 및 제2도전형 반도체층(112)의 측면은 (+)방향으로 기울어질 수 있다. 또는 전자 차단층 하부의 성장 속도를 높여 식각에 유리하도록 제어할 수도 있다.
또 다른 방법으로 식각 가스의 농도를 조절하여 전자 차단층(114)에 경사를 형성할 수도 있다. 식각 가스는 Cl2, BCl3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이때, 불활성 기체(예: Ar)을 더 추가할 수도 있다.
Cl2와 BCl3의 비를 8:2 내지 6:4로 제어하면 Cl의 양이 상대적으로 많아질 수 있다. Cl의 비율이 상기 범위 내로 조절되면 전자 차단층(114)의 경사 각도를 조절할 수 있다. 이때, 전체 Cl의 함량은 전체 원소의 총량의 60% 내지 80%일 수 있다.
Cl의 함량이 60%보다 작은 경우 식각 효율이 낮아져 전자 차단층(114)의 상부와 하부의 식각 차이가 줄어들 수 있다. 따라서, 경사 각도가 80도 보다 커질 수 있다. 또한, 함량이 80%보다 커지는 경우 식각 효율이 높아져 전자 차단층(114)의 상부와 하부의 식각 차이가 너무 커질 수 있다. 따라서, 경사 각도가 55도보다 작아질 수 있다. 막질의 변화와 식각 가스의 조절에 의해 전자 차단층(114)의 측면 경사(θ1)는 55도 내지 80도로 제어될 수 있다.
추가적으로, 마스크 패턴을 이용하여 전자 차단층(114)의 경사를 조절할 수도 있다. 마스크 패턴을 이용하여 전자 차단층의 상부의 식각은 억제함으로써 경사 각도를 제어할 수도 있다.
이와 같이 다양한 방법에 의해 전자 차단층(114)의 경사를 (-) 방향으로 제어할 수 있다. 그러나, 전자 차단층의 측면을 (-) 방향으로 경사지게 형성하는 방법은 이에 한정되지 않는다. 즉, 전자 차단층의 측면을 (-) 방향으로 경사지게 형성할 수 있는 다양한 방법이 모두 선택될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전자 차단층(114)은 제1 내지 제3 차단층(114a, 114b, 114c)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3차단층(114a, 114b, 114c)이 1 페어(pair)를 형성하고, 전자 차단층(114)은 약 2 내지 6페어를 가질 수 있다. 전자 차단층(114)의 두께는 약 40nm 내지 100nm일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제1차단층(114a)의 알루미늄 조성과 제3차단층(114c)의 알루미늄 조성은 동일할 수 있다. 예시적으로 제1, 제3차단층(114a, 114c)의 알루미늄 조성 70% 내지 90%일 수 있고, 제2차단층(114b)의 알루미늄 조성은 60% 내지 80%일 수 있다. 제1, 제3차단층(114a, 114c)의 알루미늄 조성은 제2차단층(114b)의 알루미늄 조성보다 클 수 있다.
도 4를 참고하면, 전자 차단층(114)의 측면은 경사 방향이 제1도전형 반도체층(111) 및 제2도전형 반도체층(112)의 경사 방향과 다른 방향인 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1도전형 반도체층(111) 및 제2도전형 반도체층(112)의 측면은 상부로 갈수록 폭이 좁아지도록 경사진데 반해, 전자 차단층(114)의 측면은 상부로 갈수록 폭이 넓어지도록 경사진 것을 확인할 수 있다.
도 5는 종래 반도체 소자의 측면을 보여주는 도면이고, 도 6a 내지 도 6d는 도 2의 변형예이다.
도 5를 참조하면, 종래 발광구조물의 경우 전자 차단층(14)이 제1도전형 반도체층(11) 및 제2도전형 반도체층(12)의 경사면과 동일한 방향으로 형성될 수 있다. 이 경우 활성층(113)에서 출사한 광은 하부로 굴절 또는 반사됨을 알 수 있다. 따라서, 광 추출 효율이 감소할 수 있다.
도 6a를 참조하면, 제2도전형 반도체층(112)의 경사면도 전자 차단층(114)과 같이 (-) 방향으로 제어할 수도 있다. 즉, 제2도전형 반도체층(112)은 제1방향(X1)으로 갈수록 면적이 증가하도록 기울어질 수 있다.
이때, 제2도전형 반도체층(112)의 하부 영역(112a)만 (-) 방향으로 제어될 수도 있다. 예시적으로, 제2도전형 반도체층(112)의 하부 영역(112a)의 알루미늄 조성을 상부(112b)의 알루미늄 조성보다 크게 제어하여 각도를 조절할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 반도체층의 경사를 제어하는 다양한 방법이 모두 적용될 수 있다.
예시적으로, 하부 영역(112a)의 알루미늄 조성은 40% 내지 60%일 수 있고, 상부 영역(112b)의 알루미늄 조성은 20% 내지 50%일 수 있다. 표면층(112c)은 오믹을 위해 알루미늄 조성이 1 내지 10%로 제어될 수 있다.
실시 예에 따르면, 활성층(113)에서 출사된 광 중에서 전자 차단층(114)의 측면으로 진입한 광(L4), 및 제2도전형 반도체층(112)의 측면으로 진입한 광(L5)은 상부를 향해 굴절 및 반사될 수 있으므로 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 전자 차단층(114)의 측면은 다양하게 변형될 수 있다. 예시적으로 도 6b와 같이 전자 차단층(114)은 하부 영역이 과도하게 식각되어 전자 차단층(114)과 활성층(113) 사이에 단턱부(114a)를 형성할 수도 있다. 이 경우 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
또한, 도 6c와 같이 전자 차단층(114)의 측면은 곡률(114b)을 가질 수도 있다. 또한, 도 6d와 같이 전자 차단층(114)의 측면은 기울기가 변화하는 요철 구간(114c)을 가질 수도 있다. 이러한 요철 구간은 알루미늄의 조성이 변화하는 초격자 구조에서 발생할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이다.
발광구조물(120)은 제1도전형 반도체층(111), 활성층(113), 전자 차단층(114), 및 제2도전형 반도체층(112)을 포함할 수 있다. 리세스(128)는 제2도전형 반도체층(127)의 저면에서 활성층(126)을 관통하여 제1도전형 반도체층(112)의 일부 영역까지 배치될 수 있다.
실시 예에 따르면, 제1도전형 반도체층(111)은 상부 영역(111a)과 하부 영역(111b)으로 구분될 수 있다. 이때, 하부 영역(111b)의 경사 각도를 (-) 방향으로 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이 (-) 방향은 제1방향(X1 방향)으로 갈수록 면적이 증가하는 방향일 수 있다.
경사 각도를 제어하는 방법은 전술한 방법이 모두 적용될 수 있다. 예시적으로, 제1도전형 반도체층(111)의 알루미늄 농도 또는 막질을 제어하여 경사 각도를 제어할 수도 있고, 별도의 마스크를 이용할 수도 있다. 또한, 측면의 경사는 도 6a, 6b, 6c의 구조가 모두 적용될 수 있다.
실시 예에 따르면, 수직형 자외선 반도체 소자의 활성층(113)에서 측면을 향해 출사된 광은 제1도전형 반도체층(111)의 하부 영역(111b)에 의해 상측으로 굴절 또는 반사될 수 있다. 따라서, 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
제2전극(132)과 접촉하는 제2도전형 반도체층(112)의 표면층은 알루미늄의 조성이 1% 내지 10%이므로 오믹 연결이 용이할 수 있다. 또한, 제2도전형 반도체층(112)의 표면층은 두께가 1nm보다 크고 30nm보다 작으므로 광 흡수량이 적을 수 있다.
제1도전층(165)은 리세스(128) 내로 연장되어 제1도전형 반도체층(112)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1전극(142)는 오믹 전극일 수 있다.
제2도전층(150)은 제2도전형 반도체층(112)의 하부에 배치되어 전기적으로 연결될 수 있다. 제2도전층(150)은 일 영역이 노출되어 제2전극패드(166)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제2전극(246)은 제2도전층(150)과 제2도전형 반도체층(112) 사이에 배치되어 전기적으로 연결될 수 있다. 제2도전형 반도체층(112)의 표면층은 알루미늄의 조성이 상대적으로 낮으므로 오믹 연결이 용이할 수 있다.
제1도전층(165)과 제2도전층(150)은 투명 전도성 산화막(Tranparent Conductive Oxide; TCO)으로 형성될 수 있다. 투명 전도성 산화막은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Aluminum Zinc Oxide), AGZO(Aluminum Gallium Zinc Oxide), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide), IAZO(Indium Aluminum Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IGTO(Indium Gallium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), IZON(IZO Nitride), ZnO, IrOx, RuOx 및 NiO 등에서 선택될 수 있다.
제1도전층(165)과 제2도전층(150)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 등과 같은 불투명 금속을 포함할 수도 있다. 또한, 제1도전층(165)은 투명 전도성 산화막과 불투명 금속이 혼합된 하나 또는 복수 개의 층으로 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
반도체 소자의 일측 모서리 영역에는 제2전극패드(166)가 배치될 수 있다. 제2전극패드(166)는 중앙 부분이 함몰되어 상면이 오목부와 볼록부를 가질 수 있다. 상면의 오목부에는 와이어(미도시)가 본딩될 수 있다. 따라서, 접착 면적이 넓어져 제2전극패드(166)와 와이어가 더 견고히 본딩될 수 있다.
제2전극패드(166)는 광을 반사하는 작용을 할 수 있으므로, 제2전극패드(166)는 발광구조물(120)과 가까울수록 광 추출효율이 향상될 수 있다.
제2전극패드(166)의 볼록부의 높이는 활성층(113)보다 높을 수 있다. 따라서 제2전극패드(166)는 활성층(113)에서 소자의 수평방향으로 방출되는 광을 상부로 반사하여 광 추출효율을 향상시키고, 지향각을 제어할 수 있다.
제2전극패드(166)의 하부에서 제1절연층(131)이 일부 오픈되어 제2도전층(150)과 제2전극이 전기적으로 연결될 수 있다. 패시베이션층(180)은 발광구조물(120)의 상부면과 측면에 형성될 수 있다. 패시베이션층(180)은 제2전극과 인접한 영역이나 제2전극의 하부에서 제1절연층(131)과 접촉할 수 있다.
제1절연층(131)이 오픈되어 제2전극패드(166)이 제2도전층(150)과 접촉하는 부분의 폭은 예를 들면 40㎛ 내지 90㎛일 수 있다. 40㎛보다 작으면 동작 전압이 상승하는 문제가 있고, 90㎛보다 크면 제2도전층(150)을 외부로 노출시키지 않기 위한 공정 마진 확보가 어려울 수 있다. 제2도전층(150)이 제2전극의 바깥 영역으로 노출되면, 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 따라서, 바람직하게 폭은 제2전극패드(166)의 전체 폭의 60% 내지 95%일 수 있다.
제1절연층(131)은 제1전극(142)을 활성층(113) 및 제2도전형 반도체층(112)과 전기적으로 절연시킬 수 있다. 또한, 제1절연층(131)은 제2도전층(150)을 제1도전층(165)과 전기적으로 절연시킬 수 있다.
제1절연층(131)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 등으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되어 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 제1절연층(131)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 예시적으로 제1절연층(131)은 은 Si 산화물이나 Ti 화합물을 포함하는 다층 구조의 DBR(distributed Bragg reflector) 일 수도 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하지 않고 제1절연층(131)은 다양한 반사 구조를 포함할 수 있다.
제1절연층(131)이 절연기능을 수행하는 경우, 활성층에서 측면을 향해 방출되는 광을 상향 반사시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 후술하는 바와 같이 자외선 반도체 소자에서는 리세스(128)의 개수가 많아질수록 광 추출 효율은 더 효과적일 수 있다.
제2도전층(150)은 제2전극을 덮을 수 있다. 따라서, 제2전극패드(166)와, 제2도전층(150), 및 제2전극은 하나의 전기적 채널을 형성할 수 있다.
제2도전층(150)은 제2전극을 완전히 감싸며 제1절연층(131)의 측면과 상면에 접할 수 있다. 제2도전층(150)은 제1절연층(131)과의 접착력이 좋은 물질로 이루어지며, Cr, Al, Ti, Ni, Au 등의 물질로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 단일층 혹은 복수의 층으로 이루어질 수 있다.
제2도전층(150)이 제1절연층(131)의 측면과 상면과 접하는 경우, 제2전극의 열적, 전기적 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, 제1절연층(131)과 제2전극 사이로 방출되는 광을 상부로 반사하는 반사 기능을 가질 수 있다.
제2도전층(150)은 제1절연층(131)과 제2전극 사이에 제2도전형 반도체층이 노출되는 영역인 제2이격거리에도 배치될 수 있다. 제2도전층(150)은 제2이격 거리에서 제2전극의 측면과 상면 및 제1절연층(131)의 측면과 상면에 접할 수 있다.
또한, 제2 이격 거리 내에서 제2도전층(150)과 제2도전형 반도체층이 접하여 쇼트키 접합이 형성되는 영역이 배치될 수 있으며, 쇼트키 접합을 형성함으로써 전류 분산이 용이해질 수 있다.
제2절연층(132)은 제2전극(246), 제2도전층(150)을 제1도전층(165)과 전기적으로 절연시킬 수 있다. 제1도전층(165)은 제2절연층(132)을 관통하여 제1전극(142)과 전기적으로 연결될 수 있다.
발광구조물(120)의 하부면과 리세스(128)의 형상을 따라 제1도전층(165)과 접합층(160)이 배치될 수 있다. 제1도전층(165)은 반사율이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 예시적으로 제1도전층(165)은 알루미늄을 포함할 수 있다. 제1도전층(165)이 알루미늄을 포함하는 경우, 활성층에서 방출되는 광을 상부로 반사하는 역할을 하여 광 추출 효율을 향상할 수 있다.
접합층(160)은 도전성 재료를 포함할 수 있다. 예시적으로 접합층(160)은 금, 주석, 인듐, 알루미늄, 실리콘, 은, 니켈, 및 구리로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
기판(170)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예시적으로 기판(170)은 금속 또는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 기판(170)은 전기 전도도 및/또는 열 전도도가 우수한 금속일 수 있다. 이 경우 반도체 소자 동작시 발생하는 열을 신속이 외부로 방출할 수 있다.
기판(170)은 실리콘, 몰리브덴, 실리콘, 텅스텐, 구리 및 알루미늄으로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
발광구조물(120)의 상면에는 요철이 형성될 수 있다. 이러한 요철은 발광구조물(120)에서 출사되는 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 요철은 자외선 파장에 따라 평균 높이가 다를 수 있으며, UV-C의 경우 300 nm 내지 800 nm 정도의 높이를 갖고, 평균 500nm 내지 600nm 정도의 높이를 가질 때 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
도 8 및 도 9는 리세스의 개수 변화에 따라 광 출력이 향상되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
발광구조물(120)은 Al 조성이 높아지면, 발광구조물(120) 내에서 전류 확산 특성이 저하될 수 있다. 또한, 활성층은 GaN 기반의 청색 발광 소자에 비하여 측면으로 방출하는 광량이 증가하게 된다(TM 모드). 이러한 TM모드는 자외선 반도체 소자에서 발생할 수 있다.
실시 예에 따르면, 자외선 영역의 파장대를 발광하는 GaN 반도체는 전류 확산을 위해 청색 발광하는 GaN 반도체에 비해 상대적으로 많은 개수의 리세스(128)를 형성하여 제1전극을 배치할 수 있다.
도 8을 참고하면, Al의 조성이 높아지면 전류 분산 특성이 악화될 수 있다. 따라서, 각각의 제1전극에 인근지점에만 전류가 분산되며, 거리가 먼 지점에서는 전류밀도가 급격히 낮아질 수 있다. 따라서, 유효 발광 영역(P2)이 좁아질 수 있다. 유효 발광 영역(P2)은 전류 밀도가 가장 높은 제1전극의 인근 지점에서의 전류 밀도를 기준으로 전류 밀도가 40%이하인 경계지점까지의 영역으로 정의할 수 있다. 예를 들어, 유효 발광 영역(P2)은 리세스(128)의 중심으로부터 5㎛ 내지 40㎛의 범위에서 주입 전류의 레벨, Al의 조성에 따라 조절될 수 있다.
특히, 이웃한 제1전극 사이인 저전류밀도영역(P3)은 전류밀도가 낮아서 발광에 거의 기여하지 못한다. 따라서, 실시 예는 전류밀도가 낮은 저전류밀도영역(P3)에 제1전극을 더 배치하여 광 출력을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 GaN 반도체층의 경우 상대적으로 전류 분산 특성이 우수하므로 리세스(128) 및 제1전극의 면적을 최소화하는 것이 바람직하다. 리세스(128)와 제1전극의 면적이 커질수록 활성층의 면적이 작아지기 때문이다. 그러나, 실시 예의 경우 Al의 조성이 높아 전류 확산 특성이 상대적으로 떨어지므로 활성층의 면적을 희생하더라도 제1전극의 개수를 증가시켜 저전류밀도영역(P3)을 줄이는 것이 바람직할 수 있다.
도 9를 참고하면, 리세스(128)의 개수가 48개인 경우에는 리세스(128)가 가로 세로 방향으로 일직선으로 배치되지 못하고, 지그재그로 배치될 수 있다. 이 경우 저전류밀도영역(P3)의 면적은 더욱 좁아져 대부분의 활성층이 발광에 참여할 수 있다. 리세스(128)의 개수가 70개 내지 110개가 되는 경우 전류가 더 효율적으로 분산되어 동작 전압이 더 낮아지고 광 출력은 향상될 수 있다. UV-C를 발광하는 반도체 소자에서는 리세스(128)의 개수가 70개보다 적을 경우 전기적 광학적 특성이 저하될 수 있고, 110개보다 많을 경우 전기적 특성은 향상될 수 있지만 발광층의 부피가 줄어들어 광학적 특성이 저하될 수 있다.
복수 개의 제1전극이 제1도전형 반도체층(122)과 접촉하는 제1면적은 발광구조물(120)의 수평방향 최대 단면적의 7.4% 이상 20% 이하, 또는 10% 이상 20%이하일 수 있다. 제1면적은 각각의 제1전극이 제1도전형 반도체층(122)과 접촉하는 면적의 합일 수 있다.
복수 개의 제1전극의 제1면적이 7.4% 미만인 경우에는 충분한 전류 확산 특성을 가질 수 없어 광 출력이 감소하며, 20%를 초과하는 경우에는 활성층 및 제2전극의 면적이 과도하게 감소하여 동작 전압이 상승하고 광 출력이 감소하는 문제가 있다.
또한, 복수 개의 리세스(128)의 총면적은 발광구조물(120)의 수평방향 최대 단면적의 13% 이상 30% 이하일 수 있다. 리세스(128)의 총면적이 상기 조건을 만족하기 못하면 제1전극의 총면적을 7.4% 이상 20% 이하로 제어하기 어렵다. 또한, 동작 전압이 상승하고 광 출력이 감소하는 문제가 있다.
제2전극이 제2도전형 반도체층(126)과 접촉하는 제2면적은 발광구조물(120)의 수평방향 최대 단면적의 35% 이상 70% 이하일 수 있다. 제2면적은 제2전극이 제2도전형 반도체층(126)과 접촉하는 총면적일 수 있다.
제2면적이 35% 미만인 경우에는 제2전극의 면적이 과도하게 작아져 동작 전압이 상승하고, 홀의 주입 효율이 떨어지는 문제가 있다. 제2면적이 70%를 초과하는 경우에는 제1면적을 효과적으로 넓힐 수 없어 전자의 주입 효율이 떨어지는 문제가 있다.
제1면적과 제2면적은 반비례 관계를 갖는다. 즉, 제1전극의 개수를 늘리기 위해서 리세스의 개수를 늘리는 경우 제2전극의 면적이 감소하게 된다. 광 출력을 높이기 위해서는 전자와 홀의 분산 특성이 균형을 이루어야 한다. 따라서, 제1면적과 제2면적의 적정한 비율을 정하는 것이 중요하다.
복수 개의 제1전극이 제1도전형 반도체층에 접촉하는 제1면적과 제2전극이 제2도전형 반도체층에 접촉하는 제2면적의 비(제1면적: 제2면적)는 1:3 내지 1:10일 수 있다.
면적비가 1:10보다 커지는 경우에는 제1면적이 상대적으로 작아 전류 분산 특성이 악화될 수 있다. 또한, 면적비가 1:3보다 작아지는 경우 상대적으로 제2면적이 작아지는 문제가 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이다.
반도체 소자는 패키지로 구성되어, 수지(resin)나 레지스트(resist)나 SOD 또는 SOG의 경화용으로 사용될 수 있다. 또는, 반도체 소자는 치료용 의료용으로 사용되거나 공기 청정기나 정수기 등의 살균에 사용될 수도 있다.
도 10을 참고하면, 반도체 소자 패키지는 홈(3)이 형성된 몸체(2), 몸체(2)에 배치되는 반도체 소자(1), 및 몸체(2)에 배치되어 반도체 소자(1)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드 프레임(5a, 5b)을 포함할 수 있다. 반도체 소자(1)는 전술한 구성을 모두 포함할 수 있다.
몸체(2)는 자외선 광을 반사하는 재질 또는 코팅층을 포함할 수 있다. 몸체(2)는 복수의 층(2a, 2b, 2c, 2d)을 적층하여 형성할 수 있다. 복수의 층(2a, 2b, 2c, 2d)은 동일한 재질일 수도 있고 상이한 재질을 포함할 수도 있다.
홈(3)은 반도체 소자에서 멀어질수록 넓어지게 형성되고, 경사면에는 단차(3a)가 형성될 수 있다.
투광층(4)은 홈(3)을 덮을 수 있다. 투광층(4)은 글라스 재질일 있으나, 반드시 이에 한정하지 않는다. 투광층(4)은 자외선 광을 유효하게 투과할 수 있는 재질이면 특별히 제한하지 않는다. 홈(3)의 내부는 빈 공간일 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 제1도전형 반도체층과 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 그리고, p-형의 제1 도전형 반도체와 n-형의 제2 도전형 반도체를 접합시킨 뒤 전류를 흘러주었을 때 빛이 방출되는 electro-l㎛inescence(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), 광 출력전 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 제2도전형 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 제2도전형 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 실시예를 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, 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 (10)

  1. 제1도전형 반도체층;
    제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및
    상기 제2도전형 반도체층과 활성층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하고,
    상기 제1도전형 반도체층은 제1방향으로 갈수록 단면이 감소하고,
    상기 전자 차단층은 상기 제1방향으로 갈수록 단면이 증가하는 영역을 갖고,
    상기 제1방향은 상기 제1도전형 반도체층에서 제2도전형 반도체층 방향인 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자 차단층은 상기 활성층에 가까운 영역이 상기 제2도전형 반도체층에 가까운 영역보다 알루미늄 조성이 높은 반도체 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성층 및 전자 차단층은 AlGaN을 포함하는 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 구조물은 상기 전자 차단층의 측면이 식각되어 상기 활성층이 노출되는 단턱부를 포함하는 반도체 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전자 차단층의 측면은 곡선을 갖는 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자 차단층의 측면은 돌기부를 갖는 반도체 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전자 차단층은 제1차단층 내지 제3차단층을 포함하고, 상기 제1, 제3차단층은 상기 제2차단층 보다 알루미늄 조성이 높은 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자 차단층의 측면이 수평축과 이루는 각도는 55도 내지 80도이고,
    상기 수평축은 상기 제1방향과 수직한 반도체 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전형 반도체층은 상기 제1방향으로 갈수록 면적이 증가하는 영역을 갖는 반도체 소자.
  10. 하우징;
    상기 하우징 내에 배치되는 반도체 소자를 포함하고,
    상기 반도체 소자는,
    제1도전형 반도체층;
    제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및
    상기 제2도전형 반도체층과 활성층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하고,
    상기 제1도전형 반도체층은 제1방향으로 갈수록 단면이 감소하고,
    상기 전자 차단층은 상기 제1방향으로 갈수록 단면이 증가하는 영역을 갖고,
    상기 제1방향은 상기 제1도전형 반도체층에서 제2도전형 반도체층 방향인 반도체 소자 패키지.
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