KR100696194B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물반도체를 이용하여 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 전극층, 활성층, 및 p형 전극층을 포함하는 질화물반도체 발광소자에 있어서, 상기 p형 전극층 및 상기 활성층을 통과하는 홀을 구비하는 것을 특징으로 한다.

질화물 반도체, 발광소자, 홀, 굴절, 반사

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride semiconductor light emitting device and preparing method of the same}

도 1은 통상적인 질화물 반도체 발광소자의 단면도.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도.

도 2b는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도.

도 2c는 도 2b의 A-A' 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 원리를 설명하는 모식도.

도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 질화물 반도체의 제조방법을 순차적으로 설명하는 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 기판 111 : 버퍼층

112 : n형 전극층 113 : 활성층

114 : p형 전극층 115 : 투명금속층

116 : p형 금속 접촉층 117 : n형 금속 접촉층

119 : 반사층

본 발명은 화합물 반도체에 관한 것으로 보다 상세하게는 질화물반도체를 이용하여 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

질화물계 화합물 반도체(III-Nitride 예컨데, GaN)는 직접 천이형 반도체로서 가시광선에서 자외선까지 파장 제어가 가능하며 높은 열적, 화학적 안정성, 높은 전자이동도 및 포화 전자속도, 큰 에너지 갭 등 기존의 GaAs나 InP계 화합물 반도체에 비하여 뛰어난 물성을 가지고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 가시광 영역의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)등의 광소자, 고출력 및 고주파 특성이 요구되는 차세대 무선통신 및 위성통신 시스템에 사용되는 전자소자 등 기존의 화합물 반도체로는 한계성을 가지는 분야로 응용범위가 확대되고 있다.

도 1은 통상의 질화물계 화합물 반도체를 이용한 발광소자를 도시하고 있다. 발광소자는 기본적으로 질화물 반도체를 사용한 n형 전극층(12), p형 전극층(14) 및 상기 전극층들 사이에 형성되는 활성층(13)을 포함하여 구성된다. 이 때, 활성층(13)은 InGaN, InAlGaN 등으로 구성되며, 활성층(13)에서 방출된 빛을 외부로 끌어내는 p형 전극층(14)에 따라 발광특성이 좌우된다.

그러나, 활성층과 전극층 사이의 격자 부정합 및 성장온도 차이 등으로 인하여 내부양자효율을 높이는 데 어려움이 있으며, 특히 p형 전극층의 정공농도 및 이동도를 높이는 데 한계가 있어, 고출력 발광소자를 제조하기 위하여 현재 발광소자의 외부양자효율을 높이기 위한 연구가 이루어지고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 발광소자를 특정한 구조로 형성함으로써, 활성층에서 방출되는 빛의 외부양자효율이 증대되고, 소자의 동작온도가 감소되는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 전극층, 활성층, 및 p형 전극층을 포함하는 질화물반도체 발광소자에 있어서, 상기 p형 전극층 및 상기 활성층을 통과하는 홀을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 홀은 상기 n형 전극층까지 연장되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 홀의 벽면이 기판면과 이루는 경사각(θ)은 0<θ< 90°이고, 적어도 하나 이상 구비되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 홀은 동일한 간격으로 일정하게 배열되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 홀들이 발광영역에서 차지하는 총면적은 전체 발광영역면적의 30 ~ 70% 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 홀의 저면에는 발광된 빛을 반사시키는 반사층이 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사층은 상기 활성층의 높이보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사층은 금속, 타이타늄 산화물, 및 규소산화물로 구성되는 군 에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 기판상에 n형 전극층, 활성층, 및 p형 전극층을 순차적으로 적층하는 공정을 포함하는 제 1 단계, 상기 n형 전극층에 n형 금속접촉층을 접촉시키기 위한 노출영역을 형성하는 제 2 단계, 상기 p형 전극층 및 상기 활성층을 관통하고, 상기 n형 전극층의 일정깊이까지 연장되는 홀을 형성하는 제 3 단계, 상기 홀의 저면에 반사층을 형성하는 제 4 단계, 상기 노출영역에 n형 금속 접촉층을 형성하는 제 5 단계, 상기 p형 전극층 상에 투명금속층을 형성하는 제 6 단계, 및 상기 투명금속층 상에 p형 금속 접촉층을 형성하는 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 홀은 건식식각법으로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 반사층은 상기 반사층은 스퍼터링법, E-beam 증착법, 및 원자층 증착방법(ALD)으로 구성되는 군에서 선택되는 것이 바람직하다

이하에서는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 실시예를 도 2a 내지 도 2c를 참조하면서 보다 상세히 설명한다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도이며, 도 2c는 도 2b의 A-A' 단면도이다.

이에 따르면, 질화물 반도체 발광소자는 기판(110), 버퍼층(111), n형 전극층(112), 활성층(113), p형 전극층(114)이 순차적으로 적층되고, n형 전극층(112)의 노출영역 상에 n형 금속접촉층(117)이 구비되고, p형 전극층위에 투명금속층 (115) 및 p형 금속접촉층(116)이 순차적으로 구비된다. 또한, p형 전극층(114) 및 활성층(113)을 관통하고, n형 전극층(112)의 일정깊이까지 연장되는 홀(118)을 구비하며, 상기 홀(118)의 바닥에는 반사층(119)이 구비된다.

상기한 구성의 질화물 반도체 발광소자에서, 기판(110), 버퍼층(111), n형 전극층(112), 활성층(113), p형 전극층(114), 및 투명금속층(115)의 구조 및 재료는 본 발명에서 비제한적이고, 그 구성이 주지되어 있으므로 지면상 상세한 설명은 생략한다.

본 실시예에서 홀(118)은 p형 전극층(114)의 낮은 정공농도 및 이동도로 인하여 발생되는 발광특성의 불균일성을 감소시키기 위해 형성된다. 따라서, 홀(118)은 도 2b에서 보이고 있는 바와 같이 복수로 형성되고, 형성된 홀(118)들은 균일한 간격으로 배열되는 것이 바람직하다. 이 때, 배열되는 방식은 비제한적임을 당업자는 인식할 것이다.

상기 홀(118)들이 발광영역에서 차지하는 면적은 비제한적으로 전체 발광영역 면적의 30 ~ 70% 사이인 것이 바람직하다. 30%미만에서는 발광의 불균일성을 해소하는 효과가 작고, 70%를 초과할 경우 발광하는 유기발광층이 차지하는 면적이 작아져 발광효율이 좋지 못하기 때문이다. 이 때, 발광면적에서 홀(118)들이 차지하는 면적은 상대적으로 전극층의 사용을 감소시켜, 소자의 발열을 줄이므로, 동작온도를 낮추는 효과가 있다.

또한, 홀(118)은 상부로부터 n형 전극층(112)까지 연장되는 것이 바람직한데, 대부분의 빛이 p형 전극층(114)과 활성층(113) 사이에서 가장 많이 발생되지 만, 활성층(113)의 조건에 따라 n형 전극층(115)과 활성층(113)의 접촉부분에서 발생되므로, n형 전극층(115)까지 홀을 형성하는 것이 외부 양자효율을 좀 더 높일 수 있기 때문이다.

홀(118)은 상부에서 하부로 갈수록 직경이 작아지도록, 즉 기판면을 기준으로 홀 벽면의 경사각(θ)이 0°<θ<90°로 되도록 제작될 수 있다. 경사각은 발광소자의 파장 및 발광소자의 적층구조에서 외부로의 빛의 굴절현상을 최대화 할 수 있게 결정되는 것이 바람직한데, 이로써 외부양자효율을 증대시킬 수 있다.

홀(118)의 형상은 본 실시예에서 원형으로 도시되어 있지만 이에 제한되지 아니하며, 사각형 또는 삼각형의 형상을 가지는 것도 가능할 것이다.

또한, 홀(118) 저면에는 반사층(119)이 형성되는데, 반사층(119)의 재료는 발광파장을 반사시킬 수 있는 금속(예컨데, 금), 타이타늄 산화물, 규소 산화물이 이용될 수 있다. 이 때, 반사층(119)의 두께는 10 ~ 100nm 정도로서, 활성층(113)의 높이 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 원리를 설명하는 모식도로서 이를 참조하면서, 본 실시예에서 적용되는 홀과 반사층의 작용을 보다 상세히 설명한다.

활성층(113)에서 발광된 빛은 전(全)방향으로 전파되고, 그 중 수평으로 전파된 빛은 굴절율이 다른 홀측으로 진입하게 되어 진행방향을 전환하게 되며, 다시 반사층에서 반사되어 상부로 향하게 되고, 또한, 활성층(113)의 저면으로 비스듬하게 전파된 빛은 n 형전극층(112)에 의해 반사되어 굴절율이 다른 홀 내부으로 진입 하게 되어 상부로 향하게 되어 발광효율이 상승된다.

이하에서는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도 4a 내지 도 4f를 참조하면서 보다 상세히 설명한다.

도 4a는 기판 상에 n형 전극층(112), 활성층(113), 및 p형 전극층(114)을 순차적으로 적층하는 단계로, 기판재료로는 사파이어가 이용될 수 있으며, n형 질화물반도체로 n형 전극층(112)을 형성하고, n형 전극층(112) 상에 InGaN등의 활성층(113)을 형성하고, 활성층(113) 상에 p형 질화물 반도체로 p형 전극층(114)을 형성한다. 각 층은 각종 공지된 여러 증착법을 사용하여 형성될 수 있다.

도 4b는 n형 전극층(112)에 전원을 인가하는 n형 금속접촉층(117)을 접촉시키기 위한 노출영역을 형성하는 단계를 도시한다.

도 4c는 p형 전극층(114) 및 활성층(113)을 관통하고, 상기 n형 전극층(112)까지 연장되는 홀(118)을 형성하는 단계로서, 홀(118)은 바람직하게 건식식각법을 이용하며, 경사각은 식각조건 및 식각패턴을 고려하여 형성될 수 있다.

도 4d는 상기 홀의 저면에 반사층을 형성하는 단계를 도시한다. 반사층(119)은 금속(예컨데, 금), 타이타늄산화물, 규소산화물을 스퍼터링법, E-beam 증착법등을 사용하여 형성한다.

도 4e는 p형 전극층(114) 상에 투명금속층(115)을 형성하는 단계로서, 투명금속층은 홀(118)상부에는 형성되지 않는다. 또한, 도 4f는 투명금속층(115)상에 p형 금속접촉층(116)을 형성하는 단계를 도시한다.

본 발명은 상기 실시예를 기준으로 주로 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범 위를 벗어나지 않고 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어 질 수 있다. 예컨데, 홀의 형상의 변경, 반사층의 두께, 재료등의 한정등이 용이하게 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 P형 전극층을 관통하는 홀을 구비함으로써 발광의 불균일성을 감소시켜 대면적 소자의 제조를 가능하게 하는 효과가 있다. 또한, 발광면적에서 금속전극이 차지하는 면적을 감소시킴으로써, 동작온도를 낮출 수 있는 효과가 있고, 발광된 빛이 굴절 및 반사됨으로써, 외부 양자효율이 증대되는 효과가 있다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 청구범위에서 정해지는 것으로서, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

Claims (12)

1. 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 전극층, 활성층, 및 p형 전극층을 포함하는 질화물반도체 발광소자에 있어서,

   상기 p형 전극층 및 상기 활성층을 통과하는 홀을 구비하는 질화물반도체 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀은 상기 n형 전극층까지 연장되는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀의 벽면이 기판면과 이루는 경사각(θ)은 0<θ< 90°인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀은 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀은 동일한 간격으로 일정하게 배열되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀들이 발광영역에서 차지하는 총면적은 전체 발광영역면적의 30 ~ 70% 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀의 저면에는 발광된 빛을 반사시키는 반사층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 반사층은 상기 활성층의 높이보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 반사층은 금속, 타이타늄 산화물, 및 규소산화물로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
10. 기판상에 n형 전극층, 활성층, 및 p형 전극층을 순차적으로 적층하는 공정을 포함하는 제 1 단계,

    상기 n형 전극층에 n형 금속접촉층을 접촉시키기 위한 노출영역을 형성하는 제 2 단계,

    상기 p형 전극층 및 상기 활성층을 관통하고, 상기 n형 전극층의 일정깊이까지 연장되는 홀을 형성하는 제 3 단계,

    상기 홀의 저면에 반사층을 형성하는 제 4 단계,

    상기 노출영역에 n형 금속 접촉층을 형성하는 제 5 단계,

    상기 p형 전극층 상에 투명금속층을 형성하는 제 6 단계, 및

    상기 투명금속층 상에 p형 금속 접촉층을 형성하는 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 홀은 건식식각법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 반사층은 스퍼터링법 또는 E-beam 증착법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.

Images