KR100862453B1

KR100862453B1 - ＧａＮ 계 화합물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100862453B1
Application number: KR1020040096149A
Authority: KR
Inventors: 김현수; 조제희
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2024-11-23
Also published as: US20060108593A1; US7566910B2; JP2006148067A; KR20060057090A; JP2012109639A

Abstract

ＧａＮ 계 화합물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관해 개시한다. 개시된 반도체 발광소자는, 기판 상에 순차적으로 적층된 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층과, 상기 p형 반도체층 상에 형성된 p형 전극과, 상기 n형 반도체층 상에서 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역 상에 형성된 n형 전극과, 상기 활성층을 포함하는 상기 p형 반도체층 및 n형 반도체층의 측면에 형성된 유전층과, 상기 유전층 상에 형성된 반사층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＧａＮ 계 화합물 반도체 발광소자{GaN-based compound semiconductor light emitting device}

도 1은 본 발명에 바람직한 실시예에 따른 GaN 계 III-V 족 반도체 LED의 개략적 단면도이다.

도 2는 광의 파장 및 입사 각도에 대한 무지향성 반사(omnidirectional reflective: ODR) 콘택과 분산 브래그 반사(distributed reflective: DBR) 콘택의 반사도이다.

도 3은 GaN의 표면에 유전층 및 은을 차례로 코팅시, 유전층의 굴절률 변화에 따른 반사도 변화를 플로팅한 결과이다.

도 4는 본 발명에 따른 플립칩형 발광소자가 서브 마운트에 장착된 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

10: 기판 12: n형 GaN 층

14: 활성층 16: p형 GaN 층

20: p형 전극 30: n형 전극

40: 측벽 50: 고반사층

52: 유전층 54: 반사층

60: 서브 마운트 70: 금속 배선

80: 솔더 볼

본 발명은 III - V 족 GaN 계 화합물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 활성층을 포함하는 GaN 층의 측면에 고반사층이 형성된 플립칩형 반도체 발광소자에 관한 것이다.

반도체 발광 다이오드(light emitting diode: LED)는 광통신 등과 같은 통신 분야나 컴팩 디스크 플레이어(CDP)나 디지털 다기능 디스크 플레이어(DVDP) 등과 같은 장치에서 데이터의 전송이나 테이터의 기록 및 판독을 위한 수단으로써 널리 사용되고 있으며, 대형 옥외 전광판, LCD의 백라이트 등으로 응용범위를 넓혀가고 있다.

질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체를 이용한 발광다이오드는 소형이면서, 저소비전력의 특징을 가진다. 특히 GaN 계 화합물 반도체는 발광 강도가 높고 고휘도이므로 옥외에서의 표시 등에 적용되고 있다.

질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체를 이용한 발광다이오드의 활성영역이 300 x 300 ㎛² 인 경우, 0.06 W 의 입력전압(input-power)에서 일반적으로 구동하나, 조명을 목표로 하는 경우는 10 W의 입력전압에서 구동되어야 한다. 이를 위해서는 3000 x 3000 ㎛²급의 활성영역을 가지는 대면적 칩 설계가 필수적이다. 이러한 대면적 칩에서는 발생된 광이 측벽(side wall)에서 외부로 방출되는 손실을 줄이는 것이 중요하다.

미국특허 제6,630,689호에는 메사 월(mesa wall)에 다층의 유전체 스택을 적층함으로써 고반사 코팅층을 형성하여 발광다이오드로부터 광의 추출 효율을 향상시키는 기술을 개시하고 있다.

본 발명의 목적은 활성층으로부터 방출된 광이 활성층을 포함하는 GaN 층의 측벽으로 방출되는 것을 방지하는 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 플립칩 형 반도체 발광소자에 있어서 활성층으로부터의 광의 취출 효과를 향상시킨 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 반도체 발광소자는,

기판,

상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층,

상기 n형 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층,

상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층,

상기 p형 반도체층 상에 형성된 p형 전극,

상기 n형 반도체층 상에서 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역 상에 형성된 n 형 전극;

상기 활성층을 포함하는 p형 반도체층 및 n형 반도체층의 측면에 형성된 유전층; 및

상기 유전층 상에 형성된 반사층;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 유전층은, 굴절률이 1 ~ 2.5 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 유전층의 두께는, 상기 활성층으로부터의 광의 파장(nm)의 1/4 이다.

상기 기판은 투광재료이며, 바람직하게는 사파이어로 제조된다.

상기 유전층은, 실리콘 산화물, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미늄 옥사이드, 리디움 플로라이드, 칼슘 플로라이드, 마그네슘 플로라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이다.

상기 반사층은 Ag, Al, Au, Pt, Ru, Ir 으로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이다.

상기 n형 반도체층, 활성층, 및 p형 반도체층은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ 족 질화물계 화합물인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화합물 반도체 발광다이오드를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 발광소자는 투명기판(10) 상에 제1 화합물 반도체층(12)을 구비한다. 제1 화합물 반도체층(12)은 n형 III-V족 화합물 반도체층, 예를 들면 n-GaN층인 것이 바람직하나, 다른 화합물 반도체층일 수 있다. 제1 화합물 반도체층(12)은 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)으로 구분할 수 있다. 제1 영역(R1) 상에 p형 및 n형 캐리어의 재결합에 의해서 광, 예컨대 청색광 또는 자외선이 이 방출되는 활성층(14)이 적층되어 있다. 활성층(14) 상에 제2 화합물 반도체층(16)이 적층되어 있다. 제2 화합물 반도체층(16)은 p형 III-V족 화합물 반도체층, 예를 들면 p-GaN층인 것이 바람직하나, 다른 화합물 반도체층일 수 있다. 상기 제1 화합물 반도체층(16) 상의 제2 영역(R2) 상에는 n형 전극(30)이 형성되어 있다.

제2 화합물 반도체층(16) 상에는 p형 전극(20)이 형성되어 있다. 상기 p형 전극(20)은 은(Ag) 또는 은 합금을 포함할 수 있다.

한편, p형 GaN 층(16), 활성층(14) 및 n형 GaN 층(12)의 측벽(40)은 기판(10)과 소정의 각도, 예컨대 35 ~ 55 °를 이룬다. 상기 측벽 상에는 고반사층(50)이 형성된다. 고반사층은 상기 측벽(40) 상에 형성된 유전층(52)과, 상기 유전층(52) 상의 반사막(54)을 구비한다. 상기 반사막(54)는 금속층으로 형성되며, 상기 p형 전극(20) 또는 n형 전극(30) 중 어느 하나와는 연결되어도 되지만, 두 전극(20, 30)을 연결하지 않는다.

상기 투명기판(10)은, 사파이어로 형성되는 것이 바람직하다.

도 2는 IEEE Electron device letters vol. 24, No. 10, October 2003 에 개시된 광의 파장 및 입사 각도에 대한 무지향성 반사(omnidirectional reflective: ODR) 콘택과 분산 브래그 반사(Distributed Bragg Reflector: DBR) 콘택의 반사도이다. ODR 콘택의 경우, 파장과 각도에 관계없이 90% 이상의 고 반사도를 보여주나, 미국특허 제6,630,689호의 유전층 스택과 같은 DBR의 경우 고 반사도를 보여주는 파장과 각도가 한정된 것을 보여준다. 이러한 사실로 볼 때 ODR 콘택을 발광다이오드의 측벽에 코팅시 고반사도를 가진 발광다이오드의 구현이 가능해진다.

도 3은 GaN의 표면에 유전층 및 은을 차례로 코팅시, 유전층의 굴절률 변화에 따른 반사도 변화를 플로팅한 결과이다. 반사도는 식 1로 구하였다.

[식 1]

여기서, n_s 는 GaN 굴절률인 2.5, n_m은 Ag의 굴절률 0.173, k_m은 금속 흡착 상수(metal absorption coefficient) 로서 0.95, n_d는 유전층의 굴절률으로서 0.1 ~ 4 로 변한다.

도 3에서 보면, 유전층의 굴절률이 낮을수록 ODR 의 반사도가 증가한다. 유전층의 굴절률이 1 일 때 최대 반사도는 94 % 가 되며, 유전층이 SiO₂인 경우, 유전층의 굴절률 1.5에서 반사도는 90 % 가 된다. 유전층의 굴절률이 2.5 인 경우, 즉 GaN 굴절률과 동일한 경우, GaN 층 상에 Ag 층이 형성된 경우가 되며, 반사도는 84 % 수준이다. 따라서, 유전층의 굴절률이 2.5 이상으로 되는 경우 유전층이 개재된 ODR의 반사도 향상이 없어지며, 실질적으로 굴절률이 1 이하인 유전층은 얻을 수 없으므로 ODR 의 유전층의 굴절률은 1 ~ 2.5 범위 내에 존재하며, 반사도 향상에 기여할 수 있다.

또한, 상기 유전층의 두께는, 상기 ODR 콘택을 형성하기 위해서 상기 활성층으로부터의 광의 파장(nm)의 1/4 이다.

상기 유전층은, 실리콘 산화물, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미늄 옥사이드, 리디움 플로라이드, 칼슘 플로라이드, 마그네슘 플로라이드일 수 있다.

상기 반사층은 Ag, Al, Au, Pt, Ru, Ir 으로 형성될 수 있다.

또한, 발광된 광은 상기 기판을 투과할 수 있도록 투광재료, 예컨대 사파이어로 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 플립칩형 발광소자가 서브 마운트에 장착된 단면도이다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 서브 마운트(60) 상에 본 발명에 따른 발광소자가 장착되어 있다. 서브 마운트(60) 상에는 전기 배선(70)이 형성되어 있으며, 이 전기배선은 솔더 볼(80)을 통해서 p형 전극(20) 및 n형 전극(30)과 전기적으로 연결된다.

상기 p형 전극(20) 및 n형 전극(30)에 광방출에 필요한 임계 전압 이상의 전압이 인가되면 활성층(14)로부터 광이 방출된다. 활성층(14)로부터 방출된 광의 일부(L1)는 하부로 방출되어서 p형 전극(20)에서 반사되어서 상부로 진행되며, 일부(L2)는 상부로 방출되어서 투명기판(10)을 통과한다. 또한, 활성층(14)으로부터 측 벽(40)으로 향한 광(L3)은 반사막(50)에 의해서 반사되어서 유효하게 기판(10)을 통과하게 된다.

본 발명에 따른 발광소자는 발광영역의 측면에 ODR 구조의 고반사층이 형성되므로 광추출 효율이 증가한다. 이러한 발광소자는 칩 사이즈가 크면서도 저전력을 사용하고 광파워가 큰 발광소자에 유용하게 적용될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims

기판,

상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층,

상기 n형 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층,

상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층,

상기 p형 반도체층 상에 형성된 p형 전극,

상기 n형 반도체층 상에서 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역 상에 형성된 n형 전극;

상기 활성층을 포함하는 p형 반도체층 및 n형 반도체층의 측면에 형성된 유전층; 및

상기 유전층 상에 형성된 반사층;을 구비하고,

상기 유전층은, 굴절률이 1 ~ 2.5 인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 유전층은, 실리콘 산화물, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미늄 옥사이드, 리디움 플로라이드, 칼슘 플로라이드, 마그네슘 플로라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
기판,

상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층,

상기 n형 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층,

상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층,

상기 p형 반도체층 상에 형성된 p형 전극,

상기 n형 반도체층 상에서 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역 상에 형성된 n형 전극;

상기 활성층을 포함하는 p형 반도체층 및 n형 반도체층의 측면에 형성된 유전층; 및

상기 유전층 상에 형성된 반사층;을 구비하고,

상기 유전층의 두께는, 상기 활성층으로부터의 광의 파장(nm)의 1/4 인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 기판은 투광재료인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제 5 항에 있어서,

상기 기판은 사파이어로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 반사층은 Ag, Al, Au, Pt, Ru, Ir 으로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 n형 반도체층, 활성층, 및 p형 반도체층은 GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ 족 질화물계 화합물인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.