KR100649767B1 - 수직구조 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
수직구조 질화물 반도체 발광소자 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 수직구조 질화물 발광소자에 관한 것으로서, 각각 광추출방향을 향해 경사진 측면과 평탄한 상면을 갖는 복수의 사다리꼴 뿔구조가 형성되도록 상면에 적어도 하나의 홈이 형성된 광투과성을 갖는 도전성 기판과, 상기 도전성 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 도전성 기판의 각 사다리꼴 뿔구조 상단면과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하는 수직구조 질화물 발광소자를 제공한다.
수직구조 질화물 발광소자(vertical nitride light emitting device), 실리콘 카바이드(SiC), 광추출효율(light extraction efficiency)
Description
도1는 본 발명의 일실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 상부평면도이다.
도3는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
21,61: 도전성 기판 22,62: 제1 도전형 질화물 반도체층
23,63: 활성층 24,64: 제2 도전형 질화물 반도체층
26: 고반사성 오믹콘택층 28,68: 제1 전극
29,69: 제2 전극 66: 광투과성 오믹콘택층
67: 고반사성 금속층
본 발명은 수직구조 질화물 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력을 위한 대면적 발광구조에 적합하도록 광추출효율이 개선된 수직구조 질화물 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 내부양자효율(internal quantum efficiedncy)과 광추출효율(light extraction efficiency, 또는 "외부양자효율"이라고도 함)에 의해 결정된다. 특히, 광추출효율은 발광소자의 광학적 인자, 즉 각 구조물의 굴절률 및/또는 계면의 평활도(flatness) 등에 의해 결정된다.
이러한 광추출효율측면에서, 질화물 발광소자는 근본적인 제한사항을 가지고 있다. 즉, 발광소자를 구성하는 반도체층 또는 기판은 외부대기나 기판에 비해 큰 굴절률(GaN: 약 2.4, 사파이어기판: 약 1.78)을 가지므로, 빛의 방출가능한 입사각범위를 결정하는 임계각이 작아지고, 그 결과, 활성층으로부터 발생된 광의 상당부분은 내부 전반사되어 실질적으로 원하지 않는 방향으로 전파되거나 전반사과정에서 손실되어 광추출효율이 낮을 수 밖에 없다.
이를 해결하기 위해서, 일본특허공개공보 제2002-368263호(공개일자: 2002. 12. 20일, 출원인: 도요타 고세이 가부시키가이샤)에서는,사파이어 기판의 하면을 거친 면으로 형성한 플립칩 질화물 발광소자를 제안하고 있다. 또한, 일본특허공개공보 1994-291368호(공개일자:1994.10.18, 출원인: 니치아 케미스트리)에서는, 반도체의 최상층(예, p형 질화물층)의 표면을 비경면하여 광추출효율을 향상시키는 방안이 개시되어 있다.
이러한 방식은 최근에 활발히 연구되고 있는 수직구조 질화물 발광소자에서도 유용하게 채용될 수 있다. 예를 들어, 광출사면으로 제공되는 면에 요철을 형성함으로써 광추출효율을 개선시킬 수 있으나, 이러한 요철형성면적이 매우 제한적이며, 광추출효율의 증가도 원하는 높은 수준에 미치지 못한다. 특히, 조명용 발광소자에서는 출력효율이 중요하지만, 대면적(예, 1000㎛ ×1000㎛)에서 균일한 전류분산을 위해서 형성되는 IDT구조와 같이 다양한 형태의 전극형성면적을 제외하면, 실질적으로 요철이 구현되는 면적은 매우 제한적이므로, 충분한 광추출효율의 개선효과를 기대하기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 광추출효율을 획기적으로 향상시키기 위해서, 전도성 기판의 광추출면의 면적이 실질적으로 확장될 수 있도록 다수의 경사면을 제공하는 홈구조가 형성된 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,
각각 광추출방향을 향해 경사진 측면과 평탄한 상면을 갖는 복수의 사다리꼴 뿔구조가 형성되도록 상면에 적어도 하나의 홈이 형성된 광투과성을 갖는 도전성 기판과, 상기 도전성 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 도전성 기판의 각 사다리꼴 뿔구조 상단면과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하는 수직구조 질화물 발광소자를 제공한다.
바람직하게, 상기 도전성 기판의 각 사다리꼴 뿔구조의 상단면 또는 측면에 형성되며, 상기 도전성 기판의 구성물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절률층을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 도전성 기판의 각 사다리꼴 뿔구조의 상단면 또는 측면에 광추출효율을 개선하기 위한 다수의 요철이 형성된다.
본 발명에 채용된 상기 복수의 사다리꼴 뿔구조를 형성하기 위한 복수의 홈구조는 일정한 형태의 블레이드에 의한 쏘잉공정에 의해 실현될 수 있으므로, 동일한 깊이를 가지며, 각각 직선으로 형성될 수 있다. 이에 한정되지 않으나, 결과적으로, 상기 복수의 사다리꼴 뿔구조의 상단면은 삼각형 또는 사각형구조일 수 있 다.
바람직하게, 상기 광투과성을 갖는 전도성 기판은, GaN, SiC, Si, GaAs 및 SiGe로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도1는 본 발명의 일실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자(20)는 도전성 기판(21)과 상기 도전성 기판(21)에 형성된 제1 도전형 질화물층(22), 활성층(23) 및 제2 도전형 질화물층(24)을 포함한다.
상기 도전성 기판(21)은 전기적 전도성을 가질 뿐만 아니라, 광투과성을 갖는 물질로 이루어지며, 상기 활성층(23)으로부터 발생되는 광이 방출되는 방향으로 위치한다. 이러한 도전성 기판(21)으로는 GaN, SiC, Si, GaAs 또는 SiGe로 이루어진 기판일 수 있다.
상기 제2 도전형 질화물층(24)과 접촉저항을 낮추기 위해서 오믹콘택층(26)이 형성된다. 상기 오믹콘택층(26)은 상기 도전성 기판(21)방향으로 광이 향할 수 있도록 70% 이상의 반사율을 갖는 고반사성 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 고반사성 오믹콘택층(26)은 Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있으며, 바람직하게 Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al 또는 Ni/Ag/Pt로 형성될 수 있다.
상기 고반사성 오믹콘택층(26) 상에는 Ti-W와 같은 금속배리어층(미도시)이 추가될 수 있다. 예를 들어, 상기 고반사성 오믹콘택층(26)이 Ag와 같은 이동성 큰 물질을 포함하는 경우에는 상기 고반사성 오믹콘택층(26)의 상면과 측면까지 둘러싸도록 형성된 금속배리어층이 추가될 수 있다. 또한, 상기 도전성 기판(21) 및 상기 오믹콘택층(26)에는 각각 제1 및 제2 본딩전극(28,29)이 형성된다.
본 실시형태에서는, 상기 도전성 기판(21)의 상부구조는 복수의 홈(H)에 의해 복수의 사다리꼴 뿔구조로 형성된다. 상기 복수의 사다리꼴 뿔구조는 각각 본딩전극(28)이 형성된 상단면(21a)과 광추출방향을 향해 경사진 측면(21b)을 갖는다.
이로써, 상기 도전성 기판(21)에서 광방출이 가능한 면적은 상기 복수의 사다리꼴 뿔구조의 경사진 측면(21b)의 면적만큼 증가될 수 있으며, 그에 따라 발광소자(20)의 광추출효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 구조는 도전성 기판(21)에 대한 간단한 쏘잉(sawing)공정으로 실현될 수 있다. 이 때에 사용되는 다이아몬드 휠 등의 블레이드 형상에 따라 상기 홈의 형상(즉, 사다리꼴 뿔구조의 측면 경사각)을 정의할 수 있으며, 쏘잉의 속도 등 공정요건을 조절하여 적절한 홈을 구현할 수 있다.
본 발명에서 사다리꼴 뿔구조를 형성하기 위해서 채용된 홈(H)의 폭과 깊이는 도전성 기판(21)의 두께 및 면적과 원하는 사다리꼴 뿔구조에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 1000㎛×1000㎛의 면적과 150 ㎛의 두께를 갖는 도전성 기판을 사용하는 경우, 상기 홈의 폭(g)은 4개의 사다리꼴 뿔을 형성하기 위한 4분할 방식으로 실시할 때에 약 50∼300㎛범위로 형성할 수 있으며, 상기 홈의 깊이(d)는 50∼150㎛범위로 형성할 수 있다.
이와 같이, 광방출면이 증가되도록 복수의 사다리꼴 뿔구조를 형성하기 위한 홈은 일정한 형태의 블레이드에 의한 쏘잉공정에 의해 실현될 수 있다. 따라서, 상기 홈은 쏘잉방향에 따라 거의 직선 형태로 형성되며, 그에 따라서, 상기 복수의 사다리꼴 뿔구조의 상단면은 삼각형 또는 사각형구조 혹은 그 외의 다각형 구조가 될 수 있다.
이러한 다양한 설계에 따라, 직방형인 도전성 기판 상에 형성가능한 사다리꼴 뿔구조의 예가 도2a 내지 도2c에 도시되어 있다. 도2a 내지 도2c는 도전성 기판의 광방출면, 즉 사다리꼴 뿔구조를 상부에서 본 도면이다.
도2a에 도시된 바와 같이, 사각형인 도전성 기판(31) 상면에는 2개의 홈이 대각선 방향으로 형성된다. 이로써, 도전성 기판(31)의 상부구조는 상단면(31a)이 삼각형인 4개의 사다리꼴 뿔구조를 가질 수 있으며, 상기 사다리꼴 뿔구조의 상단 면(31a)에는 각각 본딩전극(38)이 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 홈에 의해 형성된 사다리꼴 뿔구조의 경사진 측면(31b)은 추가적인 광방출면으로서 작용하여 광추출효율을 크게 향상시킬 수 있다.
다른 예로서, 도2b를 참조하면, 도2a와 유사한 사각형인 도전성 기판(41) 상면에는 2개의 홈이 대향하는 변 중앙을 연결하도록 형성된다. 이러한 홈구조는, 도전성 기판(41)의 상부구조를 상단면(41a)이 사각형인 4개의 사다리꼴 뿔구조로 제공한다. 상기 각 뿔구조의 상단면(41a)에는 본딩전극(48)이 형성된다. 상기 사다리꼴 뿔구조의 경사진 측면(41b)은 도2a에 비해 기하학적으로 더 증가되므로, 광방출효과를 보다 크게 향상시킬 수 있다.
도2c를 참조하면, 직사각형인 도전성 기판(51)의 상면에 3개의 홈은 동일한 간격을 갖도록 세로 방향으로 나란히 형성된다. 이러한 홈구조는, 도전성 기판(51)의 상부구조를 상단면(51a)이 직사각형인 4개의 사다리꼴 뿔구조로 제공한다. 상기 사다리꼴 뿔구조의 상단면(51a)은 본딩전극(58a)과 그로부터 연장된 전극지(58b)로 이루어진 전극(58)이 형성된다. 또한, 상기 사다리꼴 뿔구조의 경사진 측면(51b)은 상단면(51a)과 함께 광방출면으로 작용하여 광추출효율을 증가시킨다.
본 발명과 같이, 도전성 기판의 광방출면적이 증가되도록, 경사진 측면을 갖는 사다리꼴 뿔구조를 형성하는 방안은 대면적을 갖는 고출력 발광소자에서 보다 유익하게 채용될 수 있다. 또한, 본 발명은 증가된 광방출면에 광추출을 향상시킬 수 있는 공지의 수단을 채용함으로써 추가적인 광추출효율의 증가를 기대할 수 있다.
이러한 광방출면의 개선방안으로는, 대표적으로 도전성 기판의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 층을 도포하는 방안과, 요철을 형성하는 방안이 고려될 수 있다. 도3에는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자가 도시되어 있다. 여기서는 본 발명의 방식에 따라 증가된 도전성 기판의 광방출면에 추가적인 화학적 에칭공정을 통해 요철을 형성한 형태가 예시되어 있다.
도3에 도시된 수직구조 질화물 반도체 발광소자(60)는, 도1과 유사하게 도전성 기판(61)과 상기 도전성 기판(61)에 형성된 제1 도전형 질화물층(62), 활성층(63) 및 제2 도전형 질화물층(64)을 포함한다. 상기 도전성 기판(61)은 GaN, SiC, Si, GaAs 또는 SiGe로 이루어진 광투과성을 갖는 전도성 기판일 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 제2 도전형 질화물층(64)과 접촉저항을 낮추기 위해서 광투과성을 갖는 오믹콘택층(66)이 형성된다. 상기 광투과성 오믹콘택층(66)은 Ni/Au 또는 ITO와 같은 광투과성 전도성 산화물로 이루어질 수 있다. 상기 광투과성 오믹콘택층(66) 상에는 도전성 기판(61) 방향으로 보다 많은 광을 추출시키기 위해서, Ag 또는 Al과 같은 고반사성 금속층(67)이 추가 형성된다. 또한, 상기 도전성 기판(61) 및 상기 고반사성 금속층(67)에는 각각 제1 및 제2 본딩전극(68,69) 이 형성된다.
본 실시형태에서는, 상기 도전성 기판(61)의 상부구조는 도1과 유사하게 복수의 홈(H)에 의해 복수의 사다리꼴 뿔구조로 형성된다. 상기 활성층(63)으로부터 생성된 광은 상기 복수의 사다리꼴 뿔구조의 상단면(61a)뿐만 아니라 경사진 측면(61b)을 통해 효과적으로 추출될 수 있다.
또한, 상기 복수의 사다리꼴 뿔구조의 상단면(61a)과 측면(61b)에는 화학적 에칭과 같은 수단에 의해 다수의 요철(P)이 형성된다. 이러한 요철(P)은 그 표면(61a,61b)에 도달한 광을 보다 효과적으로 추출시킬 수 있는 역할을 한다. 본 실시형태에 채용된 요철(P)구조는 도전성 기판(61) 표면에 대한 습식에칭공정을 통해 얻어진 형태를 도시하였으나, 이와 달리 추가적인 절연층을 형성한 후에 그 절연층의 표면을 가공처리함으로써 유사한 요철면을 형성할 수도 있다.
이러한 요철구조의 형성가능한 면적은 앞서 설명한 바와 같이, 증가된 광방출면인 사다리꼴 뿔구조의 경사진 측면(61b)에도 형성될 수 있으므로, 광추출효율의 향상에 크게 기여할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 도전성 기판의 광추출면에 복수의 홈구조를 형성하여 측면이 경사진 복수의 사다리꼴 뿔구조를 형성함으로써 광방출면을 실질적으로 확장시킬 수 있다. 추가적으로, 증가된 광방출면, 즉 사다리꼴 뿔의 상단면과 측면에 요철을 형성함으로써 광추출효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
Claims (6)
- 각각 광추출방향을 향해 경사진 측면을 갖는 복수의 사다리꼴 뿔구조가 형성되도록 광추출면을 따라 적어도 하나의 홈이 형성된, 광투과성을 갖는 도전성 기판;상기 도전성 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층;상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층; 및상기 도전성 기판의 각 사다리꼴 뿔구조 상단면과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하는 수직구조 질화물 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 도전성 기판의 각 사다리꼴 뿔구조의 상단면 또는 측면에 형성되며, 상기 도전성 기판의 구성물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절률층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 도전성 기판의 각 사다리꼴 뿔구조의 상단면 또는 측면에 광추출효율을 개선하기 위한 다수의 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 복수의 사다리꼴 뿔구조를 구분하는 홈은 동일한 깊이를 가지며, 복수의 직선구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 발광소자.
- 제4항에 있어서,상기 복수의 사다리꼴 뿔구조의 상단면은 삼각형 또는 사각형구조인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 광투과성을 갖는 전도성 기판은, GaN, SiC, Si, GaAs 및 SiGe로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 발광소자.
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