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KR20110077363A - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

3족 질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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KR20110077363A
KR20110077363A KR1020090133917A KR20090133917A KR20110077363A KR 20110077363 A KR20110077363 A KR 20110077363A KR 1020090133917 A KR1020090133917 A KR 1020090133917A KR 20090133917 A KR20090133917 A KR 20090133917A KR 20110077363 A KR20110077363 A KR 20110077363A
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electrode
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정영록
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Abstract

본 개시는 제1 전도성을 지니는 제1 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 제2 반도체층 위의 적어도 일부에서 반도체층과 접하도록 형성되는 절연체; 절연체의 상부에 형성되는 제1 전극; 그리고, 절연체와 제1 전극 사이에서 절연체의 적어도 일부를 덮도록 형성되며 제2 반도체층과 전기적으로 연결되는 투광성 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
반도체, 발광소자, 전극, 외부양자효율, 광흡수, 광추출효율, 절연체, 이산화규소, 식각

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시는 전체적으로 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 발광소자 외부로의 광추출효율을 높일 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 3족 질화물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 이루어진 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(300), n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(500), p형 3족 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 3족 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 3족 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/154454호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 기재되어 있다. 바람 직하게는 n형 3족 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않는 GaN층이 성장되며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 3족 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
n형 3족 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 기재되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 3족 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 3족 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 3족 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 3족 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도 록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 3족 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 3족 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 3족 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 기재되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 기재되어 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
한편, n형 3족 질화물 반도체층(300)이나 p형 3족 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 3족 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
도 2 내지 도 4는 미국특허공개 US2006/0192247호에 기재된 발광소자의 예들 을 나타내는 도면으로서, 도 2는 발광소자 내부(A)에서 발생한 빛이 발광소자 외부로 빠져나오지 못하고 소멸되는 것을 나타내고, 도 3은 발광소자 측면에 경사면(120)이 형성되어, 발광소자 내부(A)에서 발생한 빛이 발광소자 외부로 빠져나오는 것을 나타낸다. 도 4는 발광소자의 평면도로서 발광소자 내부(A)에서 발생한 빛이 p측 전극(101)과 n측 전극(103)에 입사되면 대부분 흡수되므로 광추출효율은 개선의 여지가 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 제1 전도성을 지니는 제1 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층; 제2 반도체층 위의 적어도 일부에서 반도체층과 접하도록 형성되는 절연체; 절연체의 상부에 형성되는 제1 전극; 그리고, 절연체와 제1 전극 사이에서 절연체의 적어도 일부를 덮도록 형성되며 제2 반도체층과 전기적으로 연결되는 투광성 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타낸 도면으로서, 반도체 발광소자는 기판(10), 버퍼층(11), 제1 3족 질화물 반도체층(12), 활성층(13), 제2 3족 질화물 반도체층(14), 절연체(15), 투광성 전극(16), 제1 전극(17) 및 제2 전극(18)을 포함한다.
기판(10)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다.
제1 3족 질화물 반도체층(12), 제2 3족 질화물 반도체층(14) 및 활성층(13)은 III-V족 화합물 반도체로 구비될 수 있으며, 이하에서는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표현되는 3족 질화물 반도체로 구비되는 경우를 예로 하여 설명한다.
제1 3족 질화물 반도체층(12)과 제2 3족 질화물 반도체층(14)은 서로 다른 도전성을 갖도록 구비된다. 본 개시에서는 제1 3족 질화물 반도체층(12)은 p형 반도체층, 제2 3족 질화물 반도체층(14)은 n형 반도체층으로 형성한다.
절연체(15)는 각각 제1, 제2 3족 질화물 반도체층(12, 14)보다 굴절률이 낮은 물질로 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어 이산화규소(SiO2)로 형성될 수 있다.
이하 절연체(15)의 형성과정에 대해서 기술한다. 먼저 Mesa 영역이 ICP (Inductively Coupled Plasma)로 식각된 칩의 웨이퍼 전면에 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 SiO2를 증착한다. SiO2 형성온도는 470℃로 설정하였고 가스 주입량은 SiH4 25sccm과 O2 40sccm으로 설정하였다. SiO2는 포토 공정을 통하여 전극이 형성될 영역에 증착되고 다른 영역의 SiO2는 BOE(Buffered Oxide Etchant)로 습식식각을 통해 제거된다.
이후, 제2 3족 질화물 반도체층(14) 및 절연체(15)를 덮도록 투광성 전극(16)을 적층한 후, 절연체(15)가 형성된 부분의 위에 제1 전극(17)을 형성한다. 상기와 같이 절연체(15)를 덮도록 형성된 투광성 전극(16)에 의하여 제1 전극(17)에 공급된 전류가 제2 3족 질화물 반도체층(14)에 원활하게 확산된다.
또한 절연체(15)의 폭이 과도하게 넓으면 활성층에서 생성되어 입사된 빛이 필요이상으로 기판 쪽으로 재반사되고, 폭이 좁으면 제1 전극(17)으로 입사하는 빛을 효과적으로 반사하지 못하게 되므로 절연체(15)의 폭은 제1 전극(17)의 폭과 같거나 약간 넓게 형성하는 것이 바람직하다. 상기 과정을 통해 형성된 반도체 발광소자는 활성층에서 형성된 빛이 전극 측으로 입사된 경우 절연체인 SiO2에 의하여 전극에 흡수되지 않고 기판쪽으로 재반사되므로 광추출효율이 향상된다.
그리고 본 실시예에서 절연체(18)를 제1 반도체층(12) 위에도 형성할 경우, 제1 반도체층(12)은 n형 반도체층으로 제2 패드(19)에 공급된 전류가 전기 전도성이 좋은 제1 반도체층(12)을 통해 원활히 확산되므로, 도 5에 도시된 바와 같이 투 광성 전극을 형성하지 않고 제2 패드(19)가 절연체(18)를 덮어서 제1 반도체층(12)에 전기적으로 접촉되도록 형성하면 된다.
도 6은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타낸 도면으로서, 절연체(20)를 식각되어 mesa형태로 노출된 반도체층의 측면과 측면에 인접한 제1 반도체층 및 제2 반도체층에 형성한다. 절연체(20)인 SiO2의 형성방법은 상기와 동일하므로 그 설명을 생략한다. 종래 반도체 발광소자에서 투광성 전극인 ITO를 웨이퍼 전면에 증착한 후, 습식식각을 통해 p형 반도체층을 제외한 부분의 ITO를 제거하는데 이때 제거되지 않은 ITO 파티클이 mesa영역에 잔류하게 되면 VR, IR에 영향을 주게 되므로 이를 방지하기 위해 mesa영역에 SiO2를 형성한 후 ITO를 증착한다. ITO를 습식식각한 후에 mesa영역의 SiO2는 잔류되거나 제거되어도 무방하다.
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 니어 필드 이미지(near field image)이다. 좌, 우측에 인가되는 전류는 동일하나 우측의 사진은 전극의 하부에 절연체가 형성된 발광소자의 추출효율을 나타낸 사진으로 좌측에 비해 높은 추출 효율을 보이고 있음을 알 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1)절연체의 폭은 전극의 폭과 같거나 넓은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(2)제1 반도체층 위의 적어도 일부에서 반도체층과 접하도록 형성되는 절연체; 그리고, 절연체를 덮도록 형성되며 제1 반도체층과 전기적으로 접하도록 형성 되는 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(3)제1 전극 및 제2 전극은 Cr/Ni/Au 중의 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(4)제1 반도체층이 노출되도록 복수개의 반도체층의 적어도 일부가 메사(MESA) 형태로 식각되고 투광성 전극의 형성 전에 메사 측면에 절연체가 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
(5)절연체는 SiO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자의 광추출효율이 향상된다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국공개특허공보 제2006-0192247에 기재된 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 미국공개특허공보 제2006-0192247에 기재된 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 4는 미국공개특허공보 제2006-0192247에 기재된 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 개시에 따른 반도체 발광조사의 일 예를 나타내는 도면,
도 6는 본 개시에 따른 반도체 발광조사의 다른 예를 나타내는 도면,
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 니어 필드 이미지(near field image).

Claims (7)

  1. 제1 전도성을 지니는 제1 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;
    제2 반도체층 위의 적어도 일부에서 반도체층과 접하도록 형성되는 제1 절연체;
    제1 절연체의 상부에 형성되는 제1 전극; 그리고,
    제1 절연체와 제1 전극 사이에서 제1 절연체의 적어도 일부를 덮도록 형성되며 제2 반도체층과 전기적으로 연결되는 투광성 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 절연체의 폭은 제1 전극의 폭과 같거나 넓은 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1 반도체층 위의 적어도 일부에서 반도체층과 접하도록 형성되는 제2 절연체; 그리고,
    제2 절연체를 덮도록 형성되며 제1 반도체층과 전기적으로 접하도록 형성되 는 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    제1 전극 및 제2 전극은 Cr/Ni/Au 중의 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1 반도체층이 노출되도록 복수개의 반도체층의 적어도 일부가 메사(MESA) 형태로 식각되고 투광성 전극의 형성 전에 메사 측면에 절연체가 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    절연체는 SiO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제1 전도성을 지니는 제1 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 반도체층, 그리고 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 위치하며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 반도체층;
    제2 반도체층 위의 적어도 일부에서 반도체층과 접하도록 형성되는 제1 절연체;
    제1 절연체의 상부에 형성되는 제1 전극;
    제1 절연체와 제1 전극 사이에서 제1 절연체의 적어도 일부를 덮도록 형성되며 제2 반도체층과 전기적으로 연결되는 투광성 전극;
    제1 반도체층 위의 적어도 일부에서 반도체층과 접하도록 형성되는 제2 절연체; 그리고,
    제2 절연체를 덮도록 형성되며 제1 반도체층과 전기적으로 접하도록 형성되는 제2 전극;을 포함하고,
    제1 절연체의 폭은 제1 전극의 폭과 같거나 넓게 형성되며,
    제1 전극 및 제2 전극은 Cr/Ni/Au 중의 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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