KR100818466B1

KR100818466B1 - 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100818466B1
Application number: KR1020070014844A
Authority: KR
Inventors: 최번재; 박기열; 이상범; 명선영; 조명수
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: US20100171140A1; JP2008198998A; US9018666B2; JP2010118698A; US8847266B2; US20110297992A1; US20080191215A1

Abstract

발광된 빛의 반사 또는 흡수를 최소화하고, 발광면적은 최대로 확보하여 발광효율을 최대화하는 동시에 작은 면적의 전극으로 균일한 전류분산이 가능하여, 신뢰성이 높고 양산성이 우수한 고품질의 반도체 발광소자가 제안된다. 본 발명의 반도체 발광소자는 제1도전형 및 제2도전형 반도체층과 그 사이의 활성층을 포함하고, 각 반도체층을 전기적으로 연결시키는 제1전극층 및 제2전극부를 포함한다. 제2전극부는 전극패드부, 전극연장부, 및 전극패드부와 전극연장부를 연결하는 전극연결부를 포함한다.

반도체 발광소자, 전극패드부, 전극연장부, 전극연결부

Description

반도체 발광소자{Light emitting devices}

도 1a 및 1c는 종래의 수평형 반도체 발광소자이고, 도 1b는 종래의 수직형 반도체 발광소자의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자의 사시도이다.

도 3a 내지 도 3b는 도 2의 반도체 발광소자의 상면도이다.

도 4a 내지 도 4c는 각각 도 3b에 도시된 반도체 발광소자의 A-A', B-B', 및 C-C'에서의 단면도이다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 표면에 요철패턴이 형성된 반도체 발광소자의 발광을 나타내는 도면이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 표면에 요철패턴이 형성된 반도체 발광소자에서의 전류분산을 나타내는 도면이다.

도 6은 발광면의 전류밀도와 발광효율의 관계를 도시하는 그래프를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 반도체 발광소자 110 제1도전형 반도체층

120 활성층 130 제2도전형 반도체층

140 도전성 기판

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 발광된 빛의 반사 또는 흡수를 최소화하고, 발광면적은 최대로 확보하여 발광효율을 최대화하는 동시에 작은 면적의 전극으로 균일한 전류분산이 가능하여, 신뢰성이 높고 양산성이 우수한 고품질의 반도체 발광소자에 관한 것이다.

반도체 발광소자는 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 예를 들면, LED와 같이 다이오드를 이용하여 반도체를 접합한 형태로 전자/정공 재결합에 따른 에너지를 광으로 변환하여 방출하는 소자가 있다. 이러한 반도체 발광소자는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.

특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨계 발광다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화, 신뢰성화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.

반도체 접합 발광소자 구조는 p형 반도체 및 n형 반도체의 접합구조인 것이 일반적이다. 반도체 접합 구조에서는 양반도체의 접합영역에서 전자/정공 재결합에 따른 발광이 있을 수 있으나, 그 발광을 보다 활성화시키기 위하여 양반도체 사이에 활성층을 구비할 수도 있다. 이러한 반도체 접합 발광소자는 반도체층을 위한 전극의 위치에 따라 수직형 구조 및 수평형 구조가 있고, 수평형 구조에는 성장형(epi-up) 및 플립칩형(flip-chip)이 있다. 전술한 바와 같이 사용되는 제품의 특성상 각각 요구되는 발광소자의 구조적 특성이 중요하게 고려되게 되었다.

도 1a는 종래의 수평형 반도체 발광소자이고, 도 1b는 종래의 수직형 반도체 발광소자의 단면도이다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 도 1a 내지 도 1c에서 기판과 접촉되는 반도체층이 n형 반도체층이고, 활성층상에 형성되는 반도체층은 p형 반도체층으로 가정하여 설명하기로 한다.

먼저, 도1a를 참조하여 수평형 반도체 발광소자를 설명하기로 한다.

반도체 발광소자(1)는 부도전성 기판(13), n형 반도체층(12), 활성층(11), 및 p형 반도체층(10)을 포함한다. n형 반도체층(12)에는 n형 전극(15)이, p형 반도체층(10) 측에는 p형 전극(14)이 형성되어 있어 전압 등의 인가를 위하여 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결되어 있다.

각각의 전극(14, 15)을 통하여 반도체 발광소자(1)에 전압이 인가되면, n형 반도체층(12)으로부터 전자가 이동하고, p형 반도체층(10)으로부터 정공이 이동하여 전자 및 정공의 재결합을 통하여 발광이 일어난다. 반도체 발광소자(1)는 활성층(11)을 포함하고, 발광은 활성층(11)에서 발생한다. 활성층(11)에서는 반도체 발광소자(1)의 발광이 활성화되고, 빛이 발광된다. 전기적 연결을 위하여 n형 반도체층(12)에는 n형 전극이, p형 반도체층(10)에는 p형전극이 접촉저항값을 최소로 하면서 위치한다.

기판의 종류에 따라서 전극의 위치가 달라질 수 있는데, 예를 들어, 본 도면에서와 같이 기판(13)이 부도전성 기판인 사파이어 기판인 경우라면, n형 반도체층(12)의 전극은 부도전성 기판(13)상에 형성될 수 없고, n형 반도체층(12)에 형성되어야 한다.

따라서, 도 1a 참조하여 보면, n형 반도체층(12)상에 n형 전극(15)이 형성될 때, 오믹 접촉 부위의 형성을 이유로 상부의 p형 반도체층(10) 및 활성층(12)이 소모된 것을 알 수 있다. 이러한 전극형성으로 인하여 반도체 발광소자(1)의 발광면적은 감소하게 되고, 그에 따라 발광효율도 감소하게 된다.

이러한 단점을 포함한 이외의 다른 여러 단점을 극복하기 위하여, 부도전성 기판이 아닌 도전성 기판을 사용하는 반도체 발광소자가 등장하였다. 도 1b에 도시된 발광소자(2)는 수직형 반도체 발광소자로서, 도전성 기판(23)을 사용하여 기판 상에 n형 전극(25)을 형성할 수 있다. 또는, 도 1b에서는 도전성 기판(23)상에 n형 전극을 형성하였으나, 부도전성 기판을 이용하여 반도체층을 성장시킨 후 기판을 제거하고 n형 반도체층 상에 직접 n형 전극을 형성하여 수직형 발광소자를 제조할 수도 있다.

도전성 기판(23)을 사용하면, 도전성 기판(23)을 통하여 n형 반도체층(22)으로의 전압의 인가가 가능하므로 기판 자체에 전극을 형성할 수 있다. 따라서, 도 2에서와 같이 도전성 기판(23) 상에 n형 전극(25)이 형성되고, p형 반도체층(20) 상에 p형 전극(24)이 형성되어 수직구조형의 반도체 발광소자가 제조될 수 있다.

그러나, 이 경우, 특히 고출력을 위한 대면적 발광소자를 제조하는 경우, 전류분산을 위하여 전극의 기판에 대한 면적비율이 높을 것이 요구된다. 그에 따라 광추출의 제한 및 광흡수로 인한 광손실 및 발광효율이 감소되는 단점이 있었다.

발광효율을 보다 높이기 위한 형태의 수평형 발광소자가 도 1c에 도시되어 있다. 도 1c에 도시된 발광소자는 플립칩형 발광소자로서, 기판(33)이 가장 상층에 위치하고 있고, 각각의 전극(34, 35)은 도전성 기판(36)상의 전극접촉부(36, 37)와 각각 접촉하고 있다. 활성층(31)으로부터 발광되는 빛은 전극(34, 35)의 영향 없이 기판(33)을 통과하여 발광되므로 도 1a 및 도 1b에서 기술된 형태의 발광소자에서와 같은 발광효율의 감소현상은 방지할 수 있었다.

그러나, 우수한 발광효율의 장점에도 불구하고, 발광소자내에 n형 전극 및 p형 전극을 동일평면상에 함께 배치하여 본딩하여야 하고, 본딩 후 전극접촉부(36, 37)와 전극과의 분리현상이 빈번하여 고가의 정밀한 공정장비가 요구되면서, 높은 제조비용, 낮은 생산성 및 낮은 수율과 제품신뢰성의 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 발광된 빛의 반사 또는 흡수를 최소화하고, 발광면적은 최대로 확보하여 발광효율을 최대화하는 동시에 작은 면적의 전극으로 균일한 전류분산이 가능하여, 신뢰성이 높고 양산성이 우수한 고품질의 반도체 발광소자를 제공함에 있다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 발광소자는 도전성 기판, 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층이 순서대로 적층되어 형성된 반도체 발광소자으로서, 도전성 기판 및 제1도전형 반도체층 사이에 형성된 제1전극층; 제1전극층으로부터 제2도전형 반도체층의 표면까지 연장되고, 제1전극층, 제1도전형 반도체층, 및 활성층과 전기적으로 분리되어 있는 하나 또는 그 이상의 전극패드부, 제1전극층으로부터 제2도전형 반도체층 내부까지 연장되고, 제1전극층, 제1도전형 반도체층, 및 활성층과 전기적으로 분리되어 있는 하 나 또는 그 이상의 전극연장부, 및 제1전극층과 동일층 상에 형성되되, 제1전극층과 전기적으로 분리되어 있고, 전극패드부 및 전극연장부를 연결하는 전극연결부를 포함하는 제2전극부;를 포함한다.

전극패드부는 활성층을 가로지르는 단면의 면적이 제2도전형 반도체층을 가로지르는 단면의 면적보다 작은 것이 바람직하다.

전극연장부는 복수개일 수 있는데, 복수의 전극연장부는 전극패드부와 전극연결부를 통하여 직접 연결되어 있을 수 있다. 또는, 복수의 전극연장부 중 적어도 하나의 전극연장부는 전극패드부와 연결된 전극연장부를 통하여 전극패드부와 연결되고, 나머지 전극연장부는 직접 전극패드부와 연결될 수 있다. 아울러, 전극연장부는 전극패드부와 소정거리 이격되어 형성될 수 있다.

전극연장부는 활성층에서, 활성층을 가로지르는 단면의 면적이 전극패드부가 활성층에서, 활성층을 가로지르는 단면의 면적보다 작은 것이 바람직하다.

제1전극층은 활성층으로부터 발생한 빛을 반사시키는 것이 바람직하며, 예를 들면, Ag, Al, 및 Pt 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

제1도전형 반도체층 및 상기 제2도전형 반도체층은 GaN계 화합물 반도체일 수 있고, 활성층은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)계 화합물 반도체일 수 있다.

제2도전형 반도체층은 요철패턴이 형성될 수 있고, 이러한 요철패턴은 광결정(photonic crystal) 구조일 수 있다.

도전성 기판은 금속성 기판일 수 있는데, Au, Ni, Cu, 및 W 중 어느 하나의 금속을 포함할 수 있다. 또는 도전성 기판은 반도체 기판일 수 있는데, Si, Ge, 및 GaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 도전성 기판은 도금법 또는 기판접합법을 이용하여 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자의 단면도이고, 도 3a 내지 도 3b는 도 2의 반도체 발광소자의 상면도이며, 도 4a 내지 도 4c는 각각 도 3b 에 도시된 반도체 발광소자의 A-A', B-B', 및 C-C'에서의 단면도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 도전성 기판(140), 제1도전형 반도체층(130), 활성층(120) 및 제2도전형 반도체층(110)이 순서대로 적층되어 형성된다. 특히, 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 도전성 기판(140) 및 제1도전형 반도체층(130) 사이에 형성된 제1전극층(160); 및 전극패드부(150-b), 전극연장부(150-a), 및 전극연결부(150-c)를 포함하는 제2전극부를 포함한다.

전극패드부(150-b)는 제1전극층(160)으로부터 제2도전형 반도체층(110)의 표면까지 연장되고, 제1전극층(160), 제1도전형 반도체층(130), 및 활성층(120)과 전기적으로 분리되어 있다. 전극연장부(150-a)는 제1전극층(160)으로부터 제2도전형 반도체층(110) 내부까지 연장되고, 제1전극층(160), 제1도전형 반도체층(130), 및 활성층(120)과 전기적으로 분리되어 있다. 그리고, 전극연결부(150-c)는 제1전극층과 동일층 상에 형성되나 제1전극층(160)과는 전기적으로 분리되어 있는데, 전극패드부(150-b) 및 전극연장부(150-a)를 연결하는 기능을 수행한다.

도전성 기판(140)은 금속성 기판이거나 반도체 기판일 수 있다. 도전성 기판(140)이 금속인 경우, Au, Ni, Cu, 및 W 중 어느 하나의 금속으로 구성될 수 있다. 또한, 도전성 기판(140)이 반도체 기판인 경우, Si, Ge, 및 GaAs 중 어느 하나 의 반도체 기판일 수 있다. 도전성 기판을 반도체 발광소자에 형성하는 방법으로는 도금씨드층을 형성하여 기판을 형성하는 도금법이나, 도전성 기판(140)을 별도로 준비하여 Au, Au-Sn, 또는 Pb-Sr과 같은 도전성 접착제를 이용하여 접합시키는 기판접합법이 이용될 수 있다.

각각의 반도체층(130, 110)은, 예를 들면, GaN계반도체, ZnO계반도체, GaAs계반도체, GaP계반도체, 및 GaAsP계반도체와 같은 무기반도체로 구성될 수 있다. 반도체층의 형성은 예를 들면, 분자선 에피택시(Molecular beam epitaxy, MBE)방법을 이용하여 수행될 수 있다. 이외에도, 반도체층들은 III-V 족 반도체, II-VI 족 반도체, 및 Si로 구성된 군으로부터 적절히 선택되어 구현될 수 있다.

활성층(120)은 발광을 활성화시키는 층으로서, 제1도전형 반도체층(130) 및 제2도전형 반도체층(110)의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 이용하여 형성한다. 예를 들어 제1도전형 반도체층(130) 및 제2도전형 반도체층(110)이 GaN계 화합물 반도체인 경우, GaN의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 InAlGaN계 화합물 반도체를 이용하여 활성층(120)을 형성할 수 있다. 즉, 활성층(120)은 In_xAl_yGa_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)일 수 있다.

이때, 활성층(120)의 특성상, 불순물은 도핑되지 않는 것이 바람직하며, 구 성물질의 몰비를 조절하여 발광하는 빛의 파장을 조절할 수도 있다. 따라서, 반도체 발광소자(100)는 활성층(120)의 특성에 따라 적외선, 가시광선, 및 자외선 중 어느 하나의 빛을 발광할 수 있다.

활성층(120)에 따라 반도체 발광소자(100)의 전체 에너지 밴드 다이어그램에는 에너지 우물 구조가 나타나게 되고, 각각의 반도체층(130, 110)으로부터의 전자 및 정공은 이동하다 에너지 우물 구조 갇히게 되고, 발광이 더욱 효율적으로 발생하게 된다.

제1전극층(160)은 제1도전형 반도체층(130)을 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결하는 전극이다. 제1전극층(160)은 금속으로 구성될 수 있다. 제1전극층(160)은 예를 들면, n형 전극으로는 Ti를, p형 전극으로는 Pd 또는 Au로 구성될 수 있다.

제1전극층(160)은 활성층으로부터 발생한 빛을 반사시키는 것이 바람직하다. 반사된 빛은 발광면으로 향하게 되고, 반도체 발광소자의 발광효율이 증가된다. 활성층으로부터 발생한 빛을 반사시키기 위하여 제1전극층(160)은 가시광선영역에서 백색계열인 금속인 것이 바람직한데, 예를 들면, Ag, Al, 및 Pt 중 어느 하나일 수 있다. 제1전극층(160)에 대하여는, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 이하 더 설명하기로 한다.

제2전극부(150)는 제2도전형 반도체층(110)을 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결하는 전극이다. 제2전극부(150)는 금속으로 구성될 수 있다. 제2전극부(150)는 예를 들면, n형 전극으로는 Ti를, p형 전극으로는 Pd 또는 Au로 구성될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 제2전극부(150)는 전극패드부(150-b), 전극연장부(150-a), 및 전극연결부(150-c)를 포함한다.

도 3a를 참조하면, 제2도전형 반도체층(110)상에 표면에는 전극패드부(150-b)가 형성되어 있고, 점선으로 표시된 복수의 전극연장부(150-a)는 제2도전형 반도체층(110)의 내부에 위치하고 있음이 나타나 있다.

도 3b는 도 3a에 나타난 제2도전형 반도체층(110)의 상면을 A-A', B-B', 및 C-C'로 절단한 것이 나타나 있다. A-A'는 전극연장부(150-a)만을 포함하는 단면을 B-B'는 전극패드부(150-b) 및 전극연장부(150-a)를 포함하는 단면을, 그리고, C-C'는 전극연장부(150-a) 및 전극패드부(150-b)를 포함하지 않는 단면을 취하기 위하여 선택되었다.

도 4a 내지 도 4c는 각각 도 3b에 도시된 반도체 발광소자의 A-A', B-B', 및 C-C'에서의 단면도이다. 이하, 도 2, 도 3a, 도 3b, 도 4a내지 도4c를 참조하여 설명하기로 한다.

도 4a에서, 전극연장부(150-a)는 제1전극층(160)으로부터 제2도전형 반도체층(110) 내부까지 연장된다. 전극연장부(150-a)는 제1도전형 반도체층(130) 및 활성층(120)을 통과하여 제2도전형 반도체층(110)까지 연장되고, 적어도 제2도전형 반도체층(110)의 일부까지 연장되나, 전극패드부(150-b)와 같이 제2도전형 반도체층(110)의 표면까지 연장될 필요는 없다. 전극연장부(150-a)는 제2도전형 반도체층(110)에 전류를 분산시키기 위한 것이기 때문이다.

전극연장부(150-a)는 제2도전형 반도체층(110)에 전류를 분산시키기 위한 것이므로 소정면적을 가져야 한다. 그러나, 전극패드부(150-b)와 같이 전기적 연결을 위한 것이 아니므로 제2도전형 반도체층(110)상에 전류가 균일하게 분포될 수 있는 가능한 적은 면적으로 소정개수 형성되는 것이 바람직하다. 전극연장부(150-a)가 너무 적은 개수로 형성되면 전류분산이 어려워져 전기적 특성이 악화될 수 있고, 너무 많은 개수로 형성되면 형성을 위한 공정의 어려움 및 활성층의 감소로 인한 발광면적의 감소가 초래되므로 이러한 조건을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 따라서, 전극연장부(150-a)는 가능한 한 적은 면적을 차지하면서 전류분산이 효과적인 형상으로 구현된다.

전극연장부(150-a)는 전류분산을 위하여 복수개인 것이 바람직하다. 또한, 전극연장부(150-a)는 원통형의 형상일 수 있는데, 그 면적은 전극패드부(150-b)의 면적보다 작은 것이 바람직하다. 그리고 전극패드부(150-b)와 소정거리 이격되어 형성되는 것이 바람직한데, 후술하는 전극연결부(150-c)에 의하여 제1전극층(160)상에서 서로 연결될 수 있으므로 소정거리 이격되어 균일한 전류분산을 유도하여야 하기 때문이다.

전극연장부(150-a)는 제1전극층(160)으로부터 제2도전형 반도체층(110) 내부까지 형성되는데, 제2도전형 반도체층의 전류분산을 위한 것이므로 다른 층과는 전기적으로 분리될 필요가 있다. 따라서, 제1전극층(160), 제1도전형 반도체층(130), 및 활성층(120)과 전기적으로 분리되는 것이 바람직하다. 전기적 분리는 유전체와 같은 절연물질을 이용하여 수행할 수 있다.

도 4b에서, 전극패드부(150-b)는 제1전극층(160)으로부터 제2도전형 반도체층(110)의 표면까지 연장된다. 전극패드부(150-b)는 제1전극층(160)에서부터 시작하여, 제1도전형 반도체층(130), 활성층(120) 및 제2도전형 반도체층(110)을 통과하여 제2도전형 반도체층(110)의 표면까지 연장된다. 전극패드부(150-b)는 특히 제2전극부(150)의 외부전원(미도시)과의 연결을 위한 것이므로, 제2전극부(150)는 적어도 하나의 전극패드부(150-b)를 구비하는 것이 바람직하다.

전극패드부(150-b)는 제1전극층(160)으로부터 제2도전형 반도체층(110)의 표면까지 연장되어 있다. 전극패드부(150-b)는 제2도전형 반도체층(110)의 표면에서 외부전원과 전기적으로 연결되어 전극연장부에 전류를 공급하게 되므로 제1전극층(160), 제1도전형 반도체층(130), 및 활성층(120)과 전기적으로 분리되는 것이 바람직하다. 전기적 분리는 유전체와 같은 절연물질을 이용하여 절연층을 형성하여 수행할 수 있다.

전극패드부(150-b)는 전극연장부(150-a)에 전류를 공급하는 기능을 수행하나, 이외에도 제2도전형 반도체층(110)과 전기적으로 분리되지 않아 직접 전류를 분산시킬 수 있다. 전극패드부(150-b)는 전극연장부(150-a)에 전류를 공급하는 기능과 제2도전형 반도체층(110)에 전류를 분산시키는 기능 중 요구되는 기능을 고려하여 제2도전형 반도체층(110)과 적절히 전기적으로 분리시킬 수 있다.

전극패드부(150-b)는 특히, 활성층(120)에서의 단면의 면적이 제2도전형 반도체층(110)의 표면에서의 단면의 면적보다 작은 것이 바람직한데, 이는 활성층(120)을 보다 최대한 확보하여 발광효율을 증가시키기 위해서이다. 그러나, 제2도전형 반도체층(110)의 표면에서는 외부전원(미도시)과의 연결을 위하여 소정면적을 가질 필요가 있다.

전극패드부(150-b)는 반도체 발광소자(100)의 중앙에 위치할 수 있는데, 이 경우 전극연장부(150-a)는 가능한한 전극패드부(150-b)와 소정거리 이격되어 골고루 분산되어 위치하는 것이 바람직하다. 도 3a를 참조하면, 전극패드부(150-b)와 전극연장부(150-a)가 제2도전형 반도체층(110)상에 골고루 분산되어 위치하여 전류 분산을 최적화하고 있다. 도 3a에서는 전극패드부(150-b)가 1개이고, 전극연장부(150-a)가 12개인 경우를 상정하여 도시하였으나, 각각의 개수는 전기적 연결 상황(예를 들면, 외부전원의 위치) 및 제2도전형 반도체층(110)의 두께 등과 같은 전류분산 상황을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

전극연장부(150-a)가 복수개인 경우, 전극패드부(150-b)와 복수개의 전극연장부(150-a) 모두는 직접적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 반도체 발광소자(100) 중심부에 전극 패드부(150-2)가 형성되고, 전극연장부(150-a)가 그 둘레에 위치하고 전극연결부(150-c)는 방사형으로 전극패드부(150-b) 및 전극연장부(150-a)를 직접 연결시킬 수 있다.

또는 복수의 전극연장부(150-a) 중 몇몇의 전극연장부(150-a)는 전극패드부(150-b)에 직접 연결되어 있고, 나머지 전극연장부(150-a)는 전극패드부(150-b)에 직접 연결된 전극연장부(150-a)와 연결되어 전극패드부(150-b)와는 간접적으로 연결될 수 있다. 이 경우에는 더욱 많은 수의 전극연장부(150-a)를 형성할 수 있어서, 전류분산의 효율화를 향상시키게 된다.

도 4a내지 도 4c에서, 전극연결부(150-c)는 제1전극층(160) 상에 형성되어 전극패드부(150-b) 및 전극연장부(150-a)를 연결한다. 따라서, 제2전극부(150)의 상당부분이 빛을 발광하는 활성층(120)의 빛의 진행방향의 반대쪽 후면에 위치하게 되어 발광효율을 증가시키게 된다. 특히, 도 4c에서, 전극연결부(150-c)만이 제1전극층(160)상에 위치하여 제2전극부(150)가 제1도전형 반도체층(130), 활성층(120), 및 제2도전형 반도체층(110)상에 위치하지 않는 상태를 나타낸다. 따라서, 도 4c와 같은 경우, 전극패드부(150-b) 및 전극연장부(150-a)가 발광에 영향을 미치지 않아 발광효율이 높이지는 영역이 된다. 도 4c에는 특히 도시되어 있지 않으나 제1전극층(160)은 도전성 기판(140)과 접촉되어 외부전원(미도시)과 연결될 수 있다.

그리고, 전극연결부(150-c)는 제1전극층(160)과 전기적으로 분리되어 있다. 제1전극층(160)과 제2전극부(150)는 서로 반대극성을 나타내는 전극들이어서, 외부전원을 제1도전형 반도체층(130) 및 제2도전형 반도체층(110)에 각각 공급하므로 양 전극은 반드시 전기적으로 분리되어야 한다. 전기적 분리는 유전체와 같은 절연물질을 이용하여 수행할 수 있다.

도 4b에서 전극패드부(150-b)가 제2도전형 반도체층(110)의 표면에 위치함으로써, 수직형 반도체 발광소자의 특성을 나타낼 수 있고, 도4c에서는 전극연결부(150-c)가 제1전극층(160)과 같은 평면에 위치하므로 수평형 반도체 발광소자의 특성을 나타낼 수 있다. 따라서 반도체 발광소자(100)는 수평형 및 수직형을 통합한 형태의 구조를 나타내게 된다.

도 4a내지 도 4c에서, 제2도전형 반도체층은 n형 반도체층이고, 제2전극부는 n형 전극부일 수 있다. 이 경우, 제1도전형 반도체층(130)은 p형 반도체층이고, 제1전극층(160)은 p형 전극일 수 있다. 전극패드부(150-b), 전극연장부(150-a) 및 전극연결부(150-c)는 서로 연결되어 있는 제2전극부(150)인데, 제2전극부(150)가 n형 전극인 경우, 절연물질을 이용하여 절연부(170)를 형성하여 p형 전극인 제1전극층(160)과 전기적으로 분리될 수 있다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 표면에 요철패턴(180)이 형성된 반도체 발광소자의 발광을 나타내는 도면이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 표면에 요철패턴(180)이 형성된 반도체 발광소자에서의 전류분산을 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 반도체 발광소자(100)는 발광된 빛의 진행방향의 최외곽 표면이 제2도전형 반도체층(110)으로 구성되어 있다. 따라서, 포토리소그래피 방법과 같은 공지의 방법을 이용하여 표면에 요철 패턴을 형성하는 것이 용이하다. 이 경우, 활성층(120)으로부터 발광된 빛은 제2도전형 반도체층(110)의 표면에 형성된 요철패턴(180)을 통과하여 추출되고 요철패턴(180)에 의해 광추출효율이 증가된다.

요철패턴(180)은 광결정(photonic crystal) 구조일 수 있다. 광결정은 굴절률이 서로 다른 매질이 결정처럼 규칙적으로 배열된 것을 나타내는데, 이러한 광결정은 빛의 파장의 배수의 길이 단위의 빛 조절이 가능하여 광추출효과를 더욱 높일 수 있다. 광결정 구조는 제2도전형 반도체층(110)을 형성하고 제2전극부(150)까지 제조한 후에, 소정의 적절한 공정을 통하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다.

제2도전형 반도체층(110)에 요철패턴(180)이 형성되어 있다고 하여도 전류분산에는 영향이 없다. 도 5b를 참조하면, 전극연장부(150-a)에서의 전류분산은 요철패턴(180)에 영향을 받지 않기 때문이다. 각각의 전극연장부(150-a)는 요철패턴 아래에서 전류를 분산시키고 요철패턴은 발광된 빛을 추출하여 발광효율이 높아지게 된다.

도 6은 발광면의 전류밀도와 발광효율의 관계를 도시하는 그래프를 나타내는 도면이다. 그래프에서 전류밀도가 약 10A/cm²이상인 경우, 전류밀도가 작은 경우에는 발광효율이 높고, 전류밀도가 큰 경우에는 발광효율이 낮은 경향을 나타낸다.

이러한 수치를 이하의 표1에 나타내었다.

발광면적(cm²)	전류밀도(A/cm²)	발광효율(lm/W)	향상율(%)
0.0056	62.5	46.9	100
0.0070	50.0	51.5	110
0.0075	46.7	52.9	113
0.0080	43.8	54.1	115

발광면적이 높을수록 발광효율이 높아지나, 발광면적을 확보하기 위하여는 분포된 전극의 면적이 감소되어야 하므로 발광면의 전류밀도는 감소하는 경향을 나타낸다. 그러나 이러한 발광면에서의 전류밀도의 감소는 반도체 발광소자의 전기적 특성을 해칠 수 있다는 문제점이 있다.

그러나, 이러한 문제점은 본 발명에서의 전극연장부를 이용한 전류분산의 확보를 통하여 해소가 가능하다. 따라서, 전류밀도가 감소하여 발생할 수 있는 전기적 특성상의 문제점은 발광표면까지 형성되지 않고 그 내부에 형성되어 전류분산을 담당하는 전극연장부를 형성시키는 방법을 통하여 극복될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 원하는 전류분산정도를 획득하면서 최대의 발광면적을 확보하여 바람직한 발광효율을 얻을 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 발광방향에 위치하는 반도체층의 전극부를 발광면상에 모두 형성하지 않고, 그 일부를 제외하고는 활성층 아래에 형성하므로써, 발광된 빛이 전극부에 의하여 반사되거나 또는 흡수되는 현상을 방지할 수 있고, 발광면적 또한 최대로 확보할 수 있어 발광을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

이외에도 전극부를 전류분산을 원활히 할 수 있도록 하나 또는 그 이상의 전극패드부 및 전극연장부를 구비하여 작은 면적의 전극으로 균일한 전류분산이 가능한 효과가 있다.

또한, 전극패드부가 반도체 발광소자의 상면에 위치하여 다이 본딩 시 정렬이 불필요하고, 와이어 본딩도 용이하여 우수한 양산성을 나타내는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 신뢰성이 높고 양산성이 우수한 고품질의 반도체 발광소자를 구현할 수 있다.

Claims

도전성 기판, 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층이 순서대로 적층되어 형성된 반도체 발광소자로서,

상기 도전성 기판 및 상기 제1도전형 반도체층 사이에 형성된 제1전극층; 및

상기 제1전극층으로부터 상기 제2도전형 반도체층의 표면까지 연장되고, 상기 제1전극층, 상기 제1도전형 반도체층 및 상기 활성층과 전기적으로 분리되어 있는 하나 또는 그 이상의 전극패드부,

상기 제1전극층으로부터 상기 제2도전형 반도체층 내부까지 연장되고, 상기 제1전극층, 상기 제1도전형 반도체층, 및 상기 활성층과 전기적으로 분리되어 있는 하나 또는 그 이상의 전극연장부, 및

상기 제1전극층과 동일층 상에 형성되되, 상기 제1전극층과 전기적으로 분리되어 있고, 상기 전극패드부 및 상기 전극연장부를 연결하는 전극연결부를 포함하는 제2전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 전극패드부는 상기 활성층을 가로지르는 단면의 면적이 상기 제2도전형 반도체층을 가로지르는 단면의 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 전극연장부는 복수개인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 복수의 전극연장부는 상기 전극패드부와 상기 전극연결부를 통하여 직접 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 복수의 전극연장부 중 적어도 하나의 전극연장부는 상기 전극패드부와 연결된 전극연장부를 통하여 상기 전극패드부와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 전극연장부는 상기 전극패드부와 소정거리 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 전극연장부의 상기 활성층을 가로지르는 단면의 면적은 상기 전극패드부의 상기 활성층을 가로지르는 단면의 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서,

상기 제1전극층은 상기 활성층으로부터 발생한 빛을 반사시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제 8항에 있어서,

상기 제1전극층은 Ag, Al, 및 Pt 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1도전형 반도체층 및 상기 제2도전형 반도체층은 GaN계 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 활성층은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)계 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제2도전형 반도체층은 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제2도전형 반도체층은 광결정(photonic crystal) 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 도전성 기판은 금속성 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제14항에 있어서,

상기 금속성 기판은 Au, Ni, Cu, 및 W 중 어느 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 도전성 기판은 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제16항에 있어서,

상기 반도체 기판은 Si, Ge, 및 GaAs 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 도전성 기판은 도금법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 도전성 기판은 기판접합법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.