KR20090028931A - 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는, 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 적층되어 형성된 발광구조물과, 상기 발광구조물을 관통하도록 상기 적층방향으로 형성된 하나 이상의 관통홀 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 전기적으로 연결되도록 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에 따르면, 발광소자를 관통하는 홀을 형성함으로써 광 추출효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

발광소자, 광추출효율, 관통홀, 홀, 전반사

Description

반도체 발광소자 {Semiconductior light emitting device}

본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광를 관통하는 홀을 형성함으로써 광 추출효율이 향상된 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 발광소자의 하나인 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p,n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역에서 발광이 가능한 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.

상기 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 성장된 n형 반도체층(12), 활성층(13), p형 반도체층(14) 및 투명전극층(15)을 갖추어 구성된 다. 상기 n형 반도체층(12)과 투명전극층(15)에는 각각 n측 및 p측 전극(16a, 16b)이 형성된다.

상기 반도체 발광소자(10)의 경우, 활성층(13)에서 발생된 광은 모두 외부로 방출될 수 있는 것이 아니며, 발광효율을 향상시키기 위해서는 전반사에 의해 발광소자 내부에 갇히는 광의 비율을 최소화할 필요가 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 발광소자의 경우, 공기/GaN 계면에 입사 시, 입사각에 따라 반사 정도가 달라진다. 이 경우, 이론적으로 입사각이 26° 이상인 경우, 활성층에서 발생된 광은 모두 내부 전반사 된다.

따라서, 당 기술 분야에서는 이러한 내부 전반사를 줄여 발광효율을 향상시킬 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 발광소자를 관통하는 홀을 형성함으로써 광 추출효율이 향상된 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,

기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 적층되어 형성된 발광구조물과, 상기 발광구조물을 관통하도록 상기 적층방향으로 형성된 하나 이상의 관통홀 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 전기적으로 연결되도록 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.

이 경우, 상기 관통홀은 상기 기판을 관통하도록 연장되어 형성된 것이 바람직하다.

또한, 실시 형태에 따라서는, 상기 기판에 형성된 관통홀은 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 그 크기가 작아질 수 있다.

또한, 상기 발광구조물에 형성된 관통홀은 상기 제1 도전형 반도체층에서 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 크기가 커지는 것이 바람직하다.

광 추출 효율 향상과 발광구조물의 형성 과정에서 홀이 메워지는 것을 방지 하기 위한 측면을 고려하였을 때, 상기 관통홀의 크기는 3 ~ 30㎛인 것이 바람직하다. 나아가, 상기 관통홀의 형상은 원형인 것이 바람직하다.

한편, 수평 구조 반도체 발광소자의 경우, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층인 것이 바람직하다.

추가적으로, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층을 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 관통홀은 상기 투명전극층을 관통하도록 연장되어 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 전극은 상기 제1 도전형 반도체층 상면 중 상기 활성층이 형성되지 않은 영역에 형성되며, 상기 제2 전극은 상기 투명전극층 상에 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태의 경우, 수직 구조 반도체 발광소자가 될 수 있으며, 이 경우, 상기 기판은 도전성 기판이며, 상기 제1 전극은 상기 도전성 기판 하면에 형성되고 상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층 상면에 형성될 수 있다.

이러한 수직 구조 반도체 발광소자의 경우, 상기 제1 도전형 반도체층은 p형 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 n형 반도체층인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 발광소자를 관통하는 홀을 형성함으로써 광 추출효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이며, 도 2b는 사시도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(20)는 사파이어 기판(21)과 상기 사파이어 기판(21) 상에 순차적으로 형성된 n형 반도체층(22), 활성층(23), p형 반도체층(24) 및 투명전극층(25)을 구비하며, 이에 더하여 n측 및 p측 전극(26a, 26b)을 구비하여 구성된다.

또한, 상기 반도체 발광소자(20)에는 광 추출 효율 향상을 위해 상기 사파이어 기판(21), n형 반도체층(22), 활성층(23), p형 반도체층(24) 및 투명전극층(25)을 관통하는 복수의 관통홀(H)이 형성된다.

이하, 상기 반도체 발광소자(20)를 구성하는 구성 요소들을 상세히 설명한 다.

상기 사파이어 기판(21)은 반도체 단결정 성장용 기판으로 제공되며, 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 격자 간 거리를 갖는다. 특히, 상기 사파이어 기판(21)의 C면의 경우 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다.

본 실시 형태의 경우, 질화물 박막이 관통홀(H)을 가지며 성장되기 위해 상기 사파이어 기판(21)에 우선적으로 홀이 형성되며, 상기 사파이어기판(21)의 홀을 따라 질화물 박막을 형성시켜 관통홀(H)을 갖는 구조를 얻을 수 있다.

이와 같이, 공정 측면에서는, 상기 사파이어 기판(21)에 홀이 형성되어 있는 것이 바람직하나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 실시 형태에 따라서는 상기 사파이어 기판(21)에 홀이 형성되지 않을 수도 있다.

한편, 본 발명에서 채용될 수 있는 반도체 단결정 성장용 기판은 사파이어 기판(21)으로 제한되지 않으며, 단결정 성장용으로 일반적으로 사용될 수 있는 SiC, MgAl₂O₄, MgO, LiAlO₂ 및 LiGaO₂ 등으로 이루어진 기판도 채용이 가능하다.

한편, 도시하지는 않았으나, 상기 사파이어 기판(21) 상면에 버퍼층을 먼저 성장시킨 후, n형 반도체층(22)를 성장시킬 수도 있다.

발광구조물을 이루는 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)과 활성층(23)에 대하여 설명하면, 우선 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)은 질화물 반도체로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 명세서에서, '질화물 반도체'란, AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다.

즉, 상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.

상기 활성층(23)은 단일 또는 다중 양자 웰 구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다.

상기 n형 및 p형 반도체층(22, 24), 활성층(23)은 반도체 단결정의 성장 공정, 특히, 질화물 단결정 성장 공정으로서 공지된 유기금속 기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE) 및 하이브리드 기상증착법(HVPE) 등의 방법으로 성장시킬 수 있다.

상기 p형 반도체층(24) 상에 형성된 투명전극층(25)은 오믹콘택 기능을 수행하며, 광 방출 경로 상에 위치하므로, 광 투과율이 높은 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 투명전극층(25)은 ITO, ZnO, In₂O₃, SnO₂ 등으로 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 상기 반도체 발광소자(20)는 사파이어 기판(21), 발광구조물(22, 23, 24) 및 투명전극층(25)을 관통하도록 형성된 관통홀(H)을 구비한다.

상기 관통홀(H)에 의해 상기 발광소자(20)에서 광이 외부로 방출되는 외부(공기)와의 계면 면적이 증가 될 수 있으며, 이에 따라, 종래 기술에서 전반사에 의해 내부에 갇힌 광이 외부로 방출될 수 있는 기회를 더욱 많이 제공한다.

또한, 상기 관통홀(H)에 의한 외부 계면에서는 종래 경우에 비하여 광의 입사각은 보다 다양해질 수 있으므로, 이러한 요인에 의해서도 광 추출 효율 향상을 기대할 수 있다. 관통홀(H)에 의한 광 추출 효율 향상 효과는 활성층(23)에서 방출된 광의 경로 중 몇 가지를 예시한 도 4를 참조하여 더욱 자세히 이해될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 상기 사파이어 기판(21)의 홀은 미리 레이저 등으로 형성할 수 있으며, 발광구조물에 형성된 홀은 상기 사파이어 기판(21) 상에서 단결정 성장 과정을 통해 자연스럽게 형성될 수 있다. 이 경우, 단결정 성장 과정에서 측방향 성장을 통해 홀이 메워질 수도 있으므로, 상기 관통홀(H)의 크기(W)를 적절히 선택할 필요가 있다. 또한, 상기 관통홀(H)의 크기(W)가 너무 큰 경우에는 활성층(23)의 면적이 너무 작아져 발광 효율이 오히려 감소 될 수 있다.

이러한 사항들을 고려하였을 때, 상기 관통홀(H)의 크기(W)는 3 ~ 30㎛인 것이 바람직하다. 즉, 관통홀(H)의 크기(W)가 3㎛보다 작은 경우에는 측방향 성장에 의해 홀의 형성에 문제가 발생할 수 있으며, 30㎛보다 큰 경우에는 홀의 크기가 너무 커져 발광효율 저하, 발광구조의 안정성 저해 등의 문제가 발생할 수 있다. 한편, 본 실시 형태에서는 상기 관통홀(H)이 원형인 경우를 기준으로 그 바람직한 크기(W)를 설명하였으나, 원형이 아닌 다른 형상인 경우에도 상기 조건은 적용될 수 있다.

또한, 상기 관통홀(H)에 의해 활성층(23)에서 방출된 관이 외부로 방출될 수 있는 확률이 증가 될 수 있으나, 이와 동시에 활성층(23)의 면적이 감소 될 수 있다. 따라서, 상기 관통홀(H)의 크기 및 개수는 적절히 조절될 필요가 있다. 특히, 발광소자의 크기가 상대적으로 큰 경우, 예를 들어, 1000㎛ × 1000㎛ 정도의 크기를 갖는 경우에는 활성층 면적 감소 효과가 상대적으로 미미하므로, 관통홀(H)의 채용이 더욱 효과적이라 할 수 있다.

상기 관통홀(H)의 형상과 관련하여, 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 원형이 일반적으로 채용될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 다각형이나 타원 등의 형상을 갖는 관통홀(H)도 채용될 수 있다.

상기 n측 및 p측 전극(26a, 26b)은 소자의 전기적 연결을 위한 전극으로 기 능 한다. 이 경우, 상기 n측 전극 및 p측 전극(26a, 26b)은 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금으로 이루어진다. 이러한 n측 전극 및 p측 전극(26a, 26b)은 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태를 설명한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이며, 도 4는 상기 반도체 발광소자에서 광이 외부로 방출되는 경로를 도시한 것이다.

우선, 도 3을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(30)는 도 2의 경우와 마찬가지로, 사파이어 기판(31), n형 반도체층(32), 활성층(33), p형 반도체층(34), 투명전극층(35), n측 및 p측 전극(36a, 36b)을 구비하여 구성된다.

본 실시 형태의 경우, 도 2의 경우와 다른 점은 관통홀(H)의 크기가 적층방향에 따라 달라질 수 있는 것이며, 다른 구성 요소에 대한 설명은 상술한 사항으로 대체할 수 있으므로, 이하에서는 관통홀(H) 크기 변화에 대한 설명만을 다루기로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태에서 상기 관통홀(H)은 사파이어 기판(31)의 두께 방향, 즉, 발광구조물의 적층 방향을 따라 그 크기가 달라진다. 구체적으로, 사파이어 기판(31)에 형성된 홀은 상기 사파이어 기판(31)의 하면에서 n 형 반도체층(32)으로 갈수록 그 크기가 작아지며, 발광구조물에 형성된 홀은 n형 반도체층(32)에서 p형 반도체층(34)으로 갈수록 그 크기가 커진다.

사파이어 기판(31)에 홀을 형성하는 방법은 일반적으로 레이저나 기계적 방법을 사용할 수 있다. 특히, 레이저를 사용하여 홀을 형성하는 경우에는 공정의 특성상 도 3에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(31)의 두께 방향에 따라 홀의 크기가 변화될 수 있다.

또한, 상기 발광구조물에서 홀의 크기가 적층 방향을 따라 커지는 것은 상기 사파이어 기판(31)의 홀 주변에서 성장되는 발광구조물, 질화물 반도체 단결정이, 그 결정학적 구조에 따라 결정면을 형성하기 때문으로 이해될 수 있다. 즉, 우르자이트(Wurtzite) 결정구조를 갖는 GaN의 경우 성장 면(0001) 표면과 비교해서 {10-1-1} 면은 높은 스트레인 에너지를 갖고 Ga 결합(incorporation)이 감소하기 때문에 V 자 형태의 성장이 이루어지게 되는 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태의 반도체 발광소자(30)는 활성층(33)에서 방출된 광이 외부로 방출될 수 있는 경우의 수가 종래 보다 많으며, 이에 따라, 발광효율 향상을 기대할 수 있다.

즉, 관통홀(H)이 형성되어 있지 않다면, 외부와의 계면에서 반사되어 발광구조물로 돌아온 광은 재흡수 등으로 소멸 될 수 있으나, 본 실시 형태의 경우, 발광구조물로 돌아온 광은 상기 관통홀(H)에 의해 형성된 추가적인 계면에서 외부로 방출될 수 있으며, 방출되지 않더라도 재차 반사되어 다른 계면으로 방출될 수 있는 기회가 제공될 수 있는 것이다.

특히, 도 3 및 도 4에 도시된 본 실시 형태의 경우, 관통홀(H)의 크기가 변화되면서, 외부와의 계면 면적이 더욱 증가 되는 효과를 기대할 수 있다.

상술한 실시 형태에서는 반도체 발광소자의 전극 구조가 수평 구조인 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이제 제한되지 않는다. 즉, 따로 도시하지는 않았으나, 본 발명에서 채용된 상기 홀 구조는 n측 및 p측 전극이 발광 구조물의 서로 다른 방향에 형성된 수직 구조에도 채용될 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이라 할 것이다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이며, 도 2b는 사시도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이며, 도 4는 상기 반도체 발광소자에서 광이 외부로 방출되는 경로를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21: 사파이어 기판 22: n형 반도체층

23: 활성층 24: p형 반도체층

25: 투명전극층 26a, 26b: n측 및 p측 전극

H: 관통홀

Claims (12)

1. 기판;

   상기 기판 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 적층되어 형성된 발광구조물;

   상기 발광구조물을 관통하도록 상기 적층방향으로 형성된 하나 이상의 관통홀; 및

   상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 전기적으로 연결되도록 형성된 제1 및 제2 전극;

   을 포함하는 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 관통홀은 상기 기판을 관통하도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 기판에 형성된 관통홀은 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 그 크기가 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 발광구조물에 형성된 관통홀은 상기 제1 도전형 반도체층에서 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 그 크기가 커지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 관통홀의 크기는 3 ~ 30㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 관통홀의 형상은 원형인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
8. 제1항에 있어서,

   상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
9. 제8항에 있어서,

   상기 관통홀은 상기 투명전극층을 관통하도록 연장되어 형성된 것을 특징으 로 하는 반도체 발광소자.
10. 제8항에 있어서,

    상기 제1 전극은 상기 제1 도전형 반도체층 상면 중 상기 활성층이 형성되지 않은 영역에 형성되며, 상기 제2 전극은 상기 투명전극층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
11. 제1항에 있어서,

    상기 기판은 도전성 기판이며, 상기 제1 전극은 상기 도전성 기판 하면에 형성되고 상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층 상면에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
12. 제11항에 있어서,

    상기 제1 도전형 반도체층은 p형 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 n형 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.

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