KR100665284B1 - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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KR100665284B1
KR100665284B1 KR1020050106155A KR20050106155A KR100665284B1 KR 100665284 B1 KR100665284 B1 KR 100665284B1 KR 1020050106155 A KR1020050106155 A KR 1020050106155A KR 20050106155 A KR20050106155 A KR 20050106155A KR 100665284 B1 KR100665284 B1 KR 100665284B1
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Abstract

전류 집중이 억제된 고품질 반도체 발광 소자를 제공한다. 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는, 기판 상에 순차적으로 적층된 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층과; 상기 p형 반도체층 상에 형성된 p측 전극과; 메사 식각된 상기 n형 반도체층 일부의 상면에 형성된 n측 전극을 포함한다. 상기 n형 반도체층에는 전류 집중을 방지하기 위한 트렌치가 형성되어 있다. 상기 트렌치는, 메사 식각된 상기 n형 반도체층 일부의 상면 또는 상기 기판 하면으로부터 연장되어 상기 n형 반도체층의 깊이 일부를 통과한다.
발광 소자, LED, 전류 집중

Description

반도체 발광 소자{Semiconductor Light Emitting Device}
도 1은 종래의 일례에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 100', 200, 300: 반도체 발광 소자
101: 사파이어 기판 103: n형 질화물 반도체층
105: 활성층 107: p형 질화물 반도체층
120: p측 전극 130: n측 전극
140, 150, 160: 트렌치 145: 절연체
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 전류 확산 특성이 우수하고 동작 전압 특성 및 소자 신뢰성이 개선된 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
최근, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(간단히, 질화물 반도체라 함) 재료를 이용한 LED 등의 발광 소자가 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 광원으로 많이 사용되고 있다. 질화물 반도체는 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 화합물 반도체이다. 질화물 반도체 발광 소자는, 통상적으로 사파이어 기판 상에 성장된 n형 및 p형 질화물 반도체층들을 포함한다. 사파이어 기판은 절연체이기 때문에, p측 전극 및 n측 전극은 기판의 동일측 상에 배치된다(수평형 구조). 이러한 수평형(lateral) 구조의 질화물 반도체 발광 소자에서는, n측 전극에 인접한 메사 경계부에서 전류가 집중되는 문제가 발생한다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(50)는 사파이어 기판(11) 상에 순차 적층된 n형 GaN계 반도체층(13), 활성층(15) 및 p형 GaN계 반도체층(17)을 포함한다. p형 GaN계 반도체층(17) 상에는 p측 전극(p-metal; 20)이 배치되고, 메사 식각에 의해 노출된 n형 GaN계 반도체층(13) 일부의 상면에는 n측 전극(n-metal; 30)이 배치되어 있다. 이러한 메사 구조물을 형성하기 위해, n형 반도체층(13)이 노출될 때까지 수천 Å 정도의 깊이(M)로 메사 식각 공정을 실시한다.
서로 수평한 위치에 배치된 p측 및 n측 전극(20, 30)에 동작 전압을 인가하면, GaN계 반도체의 p-n 접합을 통하여 전류가 흐르고 활성층에서 발광이 일어난다. 그런데, 발광 소자(10)에 흐르는 전류의 경로를 도 1과 같이 A, B 및 C로 구분할 경우, A 경로를 통해 상대적으로 많은 전류가 흘러서 A 경로에 전류가 집중된다. 그 이유는, A 경로는 B 또는 C 경로보다 더 낮은 저항을 갖기 때문이다. 즉, A 경로에 있어서는 저항율이 낮은 p측 전극을 통과하는 거리가 다른 경로에 비하여 상대적으로 크고 저항율이 높은 질화물 반도체층을 통과하는 거리가 다른 경로에 비하여 상대적으로 작기 때문에, 결국 보다 낮은 저항을 갖는 A 경로로 전류의 흐름이 집중된다.
이와 같이 전류가 특정 경로(가장 짧은 거리로 질화물 반도체층을 통과하는 A 경로)에 집중되면, 활성층을 전체적으로 균일하게 이용하지 못하게 되므로 동작 전압의 상승과 휘도 감소를 초래하게 된다. 또한, 특정 부위에서 전류가 집중되면, 그 부위에서 열이 특히 많이 발생하게 되고 소자의 ESD(Electrostatic Discharge; 정전기 방전) 특성도 악화된다. 이에 따라 소자 신뢰성이 약화된다. 2개 전극이 기판의 동일측 상에 배치되어 있는 한, 이러한 전류 집중 현상은 질화물 반도체(GaN계) 발광 소자 뿐만 아니라 다른 화합물 반도체(예컨대, AlGaAs계 또는 AlGaInP계 반도체) 발광 소자에서도 문제가 될 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 특정 경로 또는 부위에서의 전류 집중 현상이 억제되고 전류 확산 특성이 우수한 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는, 기판 상에 순차적으로 적층된 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층과; 상기 p형 반도체층 상에 형성된 p측 전극과; 메사 식각된 상기 n형 반도체층 일부의 상면에 형성된 n측 전극을 포함한다. 상기 n형 반도체층에는 전류 집중을 방지하기 위한 트렌치가 형성되어 있다. 상기 트렌치는, 메사 식각된 상기 n형 반도체층 일부의 상면 또는 상기 기판 하면으로부터 연장되어 상기 n형 반도체층의 깊이 일부를 통과한다.
바람직하게는, 상기 트렌치가 상기 n형 반도체층을 통과하는 깊이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/2 이하이다. 더 바람직하게는, 상기 트렌치가 상기 n형 반도체층을 통과하는 깊이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/6 내지 1/2이다.
본 발명에 따르면, 상기 트렌치 내에는 절연체가 충진될 수도 있다. 예를 들 어, 상기 트렌치 내에는 절연성 수지 또는 산화막이 충진될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 트렌치는 상기 p측 전극과 상기 n측 전극 사이에 위치하며, 메사 식각된 상기 n형 반도체층 일부의 상면으로부터 아래로 연장될 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 상기 트렌치의 깊이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/2 이하이며, 더 바람직하게는 1/6 내지 1/2이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 트렌치는 상기 기판 하면으로부터 위로 연장될 수 있다. 이 경우, 상기 트렌치는 메사 식각된 영역의 상기 n형 반도체층 부분으로 연장될 수 있다. 이와 달리, 상기 트렌치는 메사 식각되지 않은 영역의 상기 n형 반도체층 부분으로 연장될 수 있다. 이와 같이 트렌치가 상기 기판 하면으로부터 위로 연장된 경우, 상기 트렌치의 깊이와 상기 기판 두께의 차이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/2 이하이며, 더 바람직하게는 1/6 내지 1/2이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층은 질화물 반도체 물질로 이루어진다. 이 경우, 상기 p측 전극은 투명 전극 또는 반사 전극일 수 있다. 또한, 상기 기판은 사파이어 기판일 수 있다.
본 발명에 따르면, n형 반도체층의 깊이 일부를 통과하는 상기 트렌치를 구비함으로써, 전류 집중 현상을 방지하고 전류를 보다 균일하게 확산시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 발광 효율 및 휘도가 향상되고, 동작 전압 특성이 개선되며, 소자의 신뢰성이 높아진다.
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 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
전술한 바와 같이, 특히 수평형 구조를 갖는 질화물 반도체 발광 소자에서 전류 집중으로 인한 문제가 많이 발생하기 때문에, 본 발명은 질화물 반도체 발광 소자에 용이하게 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 적용 범위가 질화물 반도체 발광 소자에 한정되는 것은 아니며, 다른 화합물 반도체 재료를 사용하는 수평형 발광 소자를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 반도체 발광 소자(100)는, 사파이어 기판(101) 상에 순차적 으로 적층된 n형 질화물 반도체층(103), 활성층(105) 및 p형 질화물 반도체층(107)을 포함한다. p형 질화물 반도체층(107) 상에는 p측 전극(120)이 형성되어 있다. p측 전극(120)은 투명 전극 또는 반사 전극일 수 있다. 예컨대, 광출사면측이 p측 전극(120) 위쪽일 경우에는, p측 전극(120)은 투명 전극이 된다. 광출사면측이 기판(101)의 아래쪽일 경우에는, p측 전극(120)은 반사 전극이 된다. 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(103) 일부 상면에는 n측 전극(130)이 형성되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, n형 반도체층(103)에는 전류 집중을 방지하기 위한 트렌치(140)가 형성되어 있다. 이 트렌치(140)는 p측 전극(120)과 n측 전극(130) 사이에 위치한다. 또한, 트렌치(140)는 메사 식각된 n형 반도체층 일부의 상면으로부터 아래로 연장되어 n형 반도체층(103)의 깊이 일부를 통과한다. 트렌치(140)는 n형 반도체층(103)을 완전히 관통하지 않는다는 점에 유의한다. 바람직하게는, 이 트렌치(140)의 깊이(t)는 상기 메사 식각된 영역에서의 n형 반도체층의 두께(L)의 1/2이하이며, 더 바람직하게는 1/6 내지 1/2이다.
상기 전류 집중 방지용 트렌치(140)는 예를 들어 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) 등의 건식 식각 공정을 통해 형성할 수 있다. 즉, 메사 식각에 의해 n형 반도체층의 일부를 노출시킨 후, ICP-RIE를 이용하여 메사 식각된 n형 반도체층에 도 2에 도시된 바와 같은 트렌치(140)를 형성할 수 있다. 건식 식각 외에도 예를 들어 레이저 가공을 통해 상기 트렌치(140)를 형성할 수도 있다.
이와 같이 n형 반도체층(103)에 트렌치(140)를 형성함으로써, n측 전극(130)에 인접한 p측 전극(120)의 가장자리부로부터 질화물 반도체층으로 주입되는 전류의 경로(A 경로)는 길어진다. 즉, 트렌치(140)는, 트렌치(140) 부위와 교차되는 전류 경로(예컨대, 도 1에 도시된 A 경로)를 차단시켜, 발광 소자 동작시의 전류 경로를 전체적으로 길게 만든다. 이에 따라, A 경로의 길이와 B 또는 C 등의 다른 경로의 길이의 차이는 줄어들게 된다. 질화물 반도체층을 통과하는 A, B 및 C 경로의 길이 간의 편차가 줄어들게 되므로, 결과적으로 전류는 일부 영역에 집중되지 않고 소자 전체적으로 분산된다. 즉, 상기 트렌치(140)로 인해 보다 증대된 전류 확산 특성을 얻게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 3의 질화물 반도체 발광 소자(100')는, 전류 집중 방지용 트렌치(140) 내에 절연체(145)가 충진되어 있다는 점을 제외하고는 전술한 실시형태의 발광 소자(100)와 마찬가지이다. 이와 같이 트렌치(140) 내에 절연체(145)를 충진함으로써, 원하지 않는 회로 단락 현상이나 누설 전류(leakage current)를 방지할 수 있다. 트렌치(140) 내에 충진되는 절연체(145)는 예를 들어 절연성 수지 또는 산화막일 수 있다.
도 3의 실시형태에 따르면, 상기 트렌치(140) 또는 상기 트렌치(140) 내의 절연체(145)는, 전류 집중을 야기하는 짧은 전류 경로(도 1에 도시된 A 경로 참조)를 차단시킨다. 따라서, 이 실시형태에서도, 전류 경로의 전류 집중이 억제되고 전류 확산 특성이 향상된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 소자이다. 도 4의 반도체 발광 소자(200)에서는, 전류 집중 방지용 트렌치(150)가 사파이어 기판(101)의 하면으로부터 위로 연장되어 있다. 특히, 트렌치(150)는 메사 식각된 영역의 n형 질화물 반도체층(103) 부분으로 연장되어 그 영역의 n형 질화물 반도체층(103)의 일부 깊이 통과한다.
이 실시형태에서도 상기 트렌치(150)는 n형 질화물 반도체층(103)을 완전히 관통하지 않는다는 것에 유의한다. 트렌치(150)가 n형 반도체층(103)을 통과하는 깊이(t')는, 메사 식각된 영역에서의 n형 반도체층의 두께(L)의 1/2 이하이고, 더 바람직하게는 1/6 내지 1/2이다. 본 실시형태에서 트렌치(150)가 n형 반도체층(103)을 통과하는 깊이(t')는 트렌치(150)의 전체 깊이에서 사파이어 기판(101)의 두께를 뺀 값과 같다. 따라서, 바람직하게는, 트렌치(150)의 깊이와 사파이어 기판(101)의 두께의 차이는 메사 식각 영역에서의 n형 반도체층(103) 두께의 1/2 이하가 되고, 더 바람직하게는 1/6 내지 1/2이다.
이와 같이 사파이어 기판(101)의 하면으로부터 n형 반도체층(103)의 일부 깊이까지 연장된 트렌치(150)를 형성함으로써, 질화물 반도체층을 통과하는 B 경로 및 C 경로가 짧아지게 된다. 이에 따라, A 경로의 길이와 B 또는 C 등의 다른 전류 경로의 길이의 차이는 줄어들게 된다. 질화물 반도체층을 통과하는 A, B 및 C 경로의 길이 간의 편차가 줄어들게 되므로, 결과적으로 동작 시 전류는 A 경로와 같은 일부 영역에 집중되지 않고 소자 전체적으로 분산된다. 즉, 상기 트렌치(150)로 인해 보다 증대된 전류 확산 특성을 얻게 된다.
도 5에 도시된 질화물 반도체 발광 소자(300)는 도 4의 발광 소자(200)의 변형례에 해당한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(101) 하면으로부터 연장된 전류 집중 방지용 트렌치(160)는 메사 식각되지 않은 영역의 n형 반도체층(103) 부분으로 연장될 수 있다. 이 경우에도, 트렌치(160)는 n형 반도체층(103)을 완전히 관통하지 않는다. 대신에, 트렌치(160)가 n형 반도체층(103)을 통과하는 깊이, 즉 트렌치(160) 전체 깊이와 사파이어 기판(101) 두께의 차이(t')는 메사 식각된 영역의 n형 반도체층(103) 두께(L)의 1/2 이하가 되며, 더 바람직하게는, 1/6 내지 1/2가 된다.
도 5의 실시형태에서도, 트렌치(160)로 인하여, B 및 C 경로가 짧아지게 되고, 이에 따라, A, B 및 C 경로 간의 편차가 줄어든다. 결국, 질화물 반도체층을 통과하는 전류 경로의 길이 간의 편차가 줄어들게 되므로, 동작 시 전류는 일부 영 역에 집중되지 않고 소자 전체적으로 분산된다. 즉, 상기 트렌치(160)로 인해 보다 증대된 전류 확산 특성을 얻게 된다. 도 4 및 도 5의 실시형태에서도, 회로 단락이나 누설 전류를 방지하기 위해 트렌치(150, 160) 내에 절연성 수지 등의 절연체를 충진할 수도 있다.
전술한 실시형태들에서는 사파이어 기판을 갖는 질화물 반도체 발광 소자에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 예컨대, AlGaAs계 반도체 발광 소자 또는 AlGaInP계 반도체 발광 소자 등 다른 화합물 반도체 발광 소자에도 적용될 수 있다.
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 자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 반도체층을 통과하는 전류 경로들 간의 편차를 감소시키는 트렌치를 구비함으로써, 전류 집중 현상을 방지하고 전류를 보다 균일하게 확산시킨다. 이에 따라 전체적인 전류 경로의 면적이 증가되어 전체 저항이 낮아지고 동작 전압이 감소된다. 또한, 균일한 전류 흐름으로 인해 활 성층에서 전자-정공 재결합 면적이 증가되어 발광 효율과 휘도가 증가하게 된다. 나아가 전류 분산 효과로 인하여 ESD 특성 또는 열특성 등이 개선됨으로써, 소자 신뢰성이 높아진다.

Claims (13)

  1. 기판 상에 순차적으로 적층된 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층;
    상기 p형 반도체층 상에 형성된 p측 전극; 및
    메사 식각된 상기 n형 반도체층 일부의 상면에 형성된 n측 전극을 포함하고,
    상기 n형 반도체층에는 전류 집중을 방지하기 위한 트렌치가 형성되어 있고,
    상기 트렌치는, 메사 식각된 상기 n형 반도체층 일부의 상면 또는 상기 기판 하면으로부터 연장되어 상기 n형 반도체층의 깊이 일부를 통과하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치가 상기 n형 반도체층을 통과하는 깊이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치가 상기 n형 반도체층을 통과하는 깊이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/6 내지 1/2인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치 내에는 절연체가 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 p측 전극과 상기 n측 전극 사이에 위치하며, 메사 식각된 상기 n형 반도체층 일부의 상면으로부터 아래로 연장된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/6 내지 1/2인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 기판 하면으로부터 위로 연장된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 트렌치는 메사 식각된 영역의 상기 n형 반도체층 부분으로 연장된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 트렌치는 메사 식각되지 않은 영역의 상기 n형 반도체층 부분으로 연장된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이와 상기 기판 두께의 차이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이와 상기 기판 두께의 차이는, 상기 메사 식각된 영역에서의 상기 n형 반도체층의 두께의 1/6 내지 1/2 인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층은 질화물 반도체로 이루지고 상 기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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