KR100755659B1

KR100755659B1 - 광추출효율이 개선된 수직구조 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100755659B1
Application number: KR1020060023602A
Authority: KR
Inventors: 최번재; 이진현; 박기열
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2007-09-04

Abstract

본 발명은 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 광투과성을 갖는 전도성 기판과, 상기 전도성 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며 상면에 요철패턴을 갖는 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층의 상면에 형성된 고반사성 오믹콘택층을 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

질화물 반도체 발광소자(nitride based semiconductor light emitting diode), 수직구조 발광소자(vertical light emitting diode), 광추출효율(light extraction efficiency)

Description

광추출효율이 개선된 수직구조 질화물 반도체 발광소자{VERTICAL NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE HAVING IMPROVED LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY}

도1은 종래의 일 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 실장구조를 나타내는 측단면도이다.

도2는 종래의 다른 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 실장구조를 나타내는 측단면도이다.

도3a 및 도3b는 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자 및 그 실장구조를 나타내는 측단면도이다.

도4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

51: 전도성 기판 54: 제1 도전형 질화물 반도체층

55: 활성층 56: 제2 도전형 질화물 반도체층

P: 요철패턴 59a: 본딩전극

59b: 고반사성 오믹콘택층

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 광추출효율을 향상시킨 수직구조 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

최근에 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 포함한 넓은 파장대역의 광을 생성할 수 있는 발광소자로서, 관련 기술분야에서 크게 각광을 받고 있다. 상기 질화물 반도체 발광소자는 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 단결정으로 이루어진다.

일반적으로, 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 내부양자효율(internal quantum efficiedncy)과 광추출효율(light extraction efficiency, 또는 외부양자효율이라고도 함)에 의해 결정된다. 특히, 광추출효율은 발광소자의 광학적 인자, 즉 각 구조물의 굴절률 및/또는 계면의 평활도(flatness) 등에 의해 결정된다.

광추출효율측면에서 질화물 반도체 발광소자는 근본적인 제한사항을 가지고 있다. 즉, 반도체 발광소자를 구성하는 반도체층은 외부대기나 기판에 비해 큰 굴절률을 가지므로, 빛의 방출가능한 입사각범위를 결정하는 임계각이 작아지고, 그 결과, 활성층으로부터 발생된 광의 상당부분은 내부전반사되어 실질적으로 원하지 않는 방향으로 전파되거나 전반사과정에서 손실되어 광추출효율이 낮을 수 밖에 없다.

이와 같은 광추출효율의 문제점을 개선하기 위해서, 일본특허공개공보 2002-368263호(공개일자: 2002.12.20일, 출원인: 도요타 고세이 가부시키가이샤)에서는, 도1a와 같이 기판의 하면을 거친 면으로 형성한 플립칩 질화물 발광소자를 제안하고 있다.

도1을 참조하면, 상기 문헌에 따른 질화물 반도체 발광소자(10)는, 사파이어 기판(11)과 그 사파이어기판(11) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(14), 활성층(15) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(16)을 포함한다. 또한, 상기 사파이어기판 상면에 질화물 반도체층의 결정성을 향상시키기 위한 버퍼층(12)이 형성되며, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(14)과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(16)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(19a,19b)을 포함한다. 여기서, 사파이어기판(11)은 에칭공정 등으로 요철(P)이 형성되어 광산란면(11a)을 갖는다.

상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 제1 및 제2 도전라인(22a,22b)을 갖는 패키지기판(21)에 탑재되고, 각 전극(19a,19b)과 상기 제1 및 제2 도전라인(22a,22b)을 솔더링과 같은 접속수단(S)으로 연결시킴으로써, 플립칩 질화물 반도체 발광장치(20)로 제조될 수 있다. 이러한 구조에서, 광산란면(11a)은 광방출면으로 제공된다. 활성층(15)으로부터 생성된 광은 직접 광산란면(11a)으로 향하거나(a1), 하면의 다른 반사성 구조에 의해 상부로 반사되어 광산란면(11a)에 도달되 고, 도달된 광은 상기 사파이어기판(11)의 미세한 요철패턴(P)으로 인해 효과적으로 방출될 수 있다(a2,b2).

이러한 방식은, 도2에 도시된 바와 같이, 절연기판인 사파이어를 사용하는 플래너구조가 아닌 수직구조 질화물 발광소자에서도 적용되고 있다.

도2에 도시된 질화물 반도체 발광소자(30)는, 광투과성을 갖는 전도성 기판(31)과 그 전도성 기판(31) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(34), 활성층(35) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(36)을 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(30)는 상기 전도성 기판(31)과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(36)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(39a,39b)을 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(30)는 제1 및 제2 도전라인(42a,42b)을 갖는 패키지기판(41)에 탑재되고, 각 전극(39a,39b)과 상기 제1 및 제2 도전라인(42a,42b)을 서로 연결된다.

이러한 구조에서, 전도성 기판(31)의 일면은 광산란을 위한 요철패턴이 형성되어 광산란면(31a)으로 제공될 수 있다. 활성층(35)으로부터 생성된 광은 직접 광산란면(31a)으로 향하거나(a1), 하면의 고반사성 오믹콘택층(39b)에 의해 상부로 반사되어 광산란면(31a)에 도달되고, 도달된 광은 상기 전도성 기판(31)의 미세한 요철패턴(P)으로 인해 효과적으로 방출될 수 있다(a2,b2). 하지만, 하부 측면방향으로 진행되는 광(c1)은 원하는 상부방향으로 추출되기 어려우며, c2와 같이 반사되어 상부방향으로 진행되더라도 이동경로가 길어지므로, 그 과정에서 상당부분 소실되는 문제가 있다.

본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 하부 측면방향 또는 하부방향으로 진행되는 광을 원하는 상부방향으로 보다 효과적으로 추출시킴으로써 전체적으로 향상된 발광효율을 갖는 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은

광투과성을 갖는 전도성 기판과, 상기 전도성 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며 상면에 요철패턴을 갖는 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층의 상면에 형성된 고반사성 오믹콘택층을 포함하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

상기 고반사성 오믹콘택층의 반사율은 적어도 80%인 것이 바람직하며, 이러한 고반사성 오믹콘택층은, Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시형태에서, 상기 고반사성 오믹콘택층은, Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과, 상기 제1 층 상에 형성되어 Ag와 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층을 포함한 구조일 수 있다. 이와 달리, 상기 고반사성 오믹콘택층은, Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층을 포함하는 구조일 수도 있다.

또한, 본 발명은 종래와 유사하게 상기 전도성 기판의 광추출면에 요철패턴을 형성한 형태와 결합될 수 있으며, 이 경우에 보다 우수한 광추출효율을 기대할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세히 설명한다.

도3a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자를 나타내며, 도3b는 도3a에 도시된 수직구조 질화물 반도체 발광소자가 실장된 구조를 나타낸다.

도3a를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(50)는, 광투과성을 갖는 전도성 기판(51)과 그 전도성 기판(51) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(54), 활성층(55) 및 p형 질화물 반도체층(56)을 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(50)는 상기 전도성 기판(51)과 상기 p형 질화물 반도체층(56)에 각각 접속된 본딩 전극 및 고반사성 오믹콘택층(59a,59b)을 포함한다.

본 실시형태에서, 고반사성 오믹콘택층(59b)이 형성된 p형 질화물 반도체층(56)의 표면(56a)은 요철패턴(P)이 형성된다. 이러한 요철패턴(P)은 선택적인 화학적 또는 물리적 식각방법을 이용하여 형성될 수 있다. 특히, 본 발명에서 채용된 요철패턴(P)은 활성층(55)으로부터 생성된 광 중 하부 측면방향 또는 하부방향으로 진행되는 광을 산란시킴으로써 측면방향으로 진행되던 많은 광을 상부로 변경시켜 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 이에 대해서는 도3b에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

고반사성 오믹콘택층(59b)은 높은 반사율을 가지면서 p형 질화물 반도체층(51)과의 오믹콘택을 제공한다. p형 질화물 반도체층(56)의 표면(51a)은 요철패턴(P)이 형성되므로, 고반사성 오믹콘택층(59b)의 접촉면적은 상대적으로 증가될 수 있다. 이러한 접촉면적의 증가는 전류주입효율을 개선할 뿐만 아니라, 고반사성 오믹콘택층(59b)으로 인한 반사면적도 실질적으로 증가시켜 발광효율을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명에 채용되는 고반사성 오믹콘택층(59b)은 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 p형 질화물 반도체층(56)과의 접촉저항을 낮추기 위한 적절하면서도, 높은 반사율을 갖는 물질로 형성될 것이 요구된다. 예를 들어, 고반사성 오믹콘택층(59b)은 Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 80%이상의 반사율을 갖는 것이 바람직 하다.

또한, 바람직하게는, 상기 고반사성 오믹콘택층(59b)은 Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과 상기 제1층 상에 형성되어 Ag와 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층로 구성될 수 있으며, 이와 달리, Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층으로 구성될 수 있다. 2층 또는 3층 구조를 갖는 고반사성 오믹콘택층(59b)은 높은 반사율을 갖기 위해서, 상기 제1층의 두께는 5∼50Å범위로, 상기 제2층의 두께는 1000∼10000Å범위로, 상기 제3층의 두께는 100∼500Å범위로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 고반사성 오믹콘택층(59b)은 통상의 증착법 또는 스퍼터링공정으로 형성될 수 있으며, 특성개선을 위해서 약 400∼900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.

도3b에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 수직구조 질화물 반도체 발광소자는 전도성 기판 측이 상부를 향하도록 탑재된다. 상기 질화물 반도체 발광소자(50)는 제1 및 제2 도전라인(62a,62b)을 갖는 패키지기판(61)에 실장될 수 있으며, 각 전극(69a,69b)과 상기 제1 및 제2 도전라인(62a,62b)을 서로 연결된다.

이러한 실장구조에서, 활성층(55)으로부터 생성된 광은 직접 상부로 향하거나(a), 소자 하부로 향해(b1) 하면의 고반사성 오믹콘택층(59b)에 의해 반사되어 상부로 향할 수 있다(b2). 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 요철패턴(P)이 형성된 면(56a)에 증착되므로, 고반사성 오믹콘택층(59b)의 실질적으로 증가된 반사면적과 요철패턴(P)에 따른 산란효과로 인해 광추출효율이 향상될 수 있다. 나아가, 하부 측면방향으로 진행되는 광(c1)은 요철패턴(P)에 의해 산란되어 고반사성 오믹콘택층(59b)에 의해 반사되므로, 원하는 상부방향으로 진행되는 광량을 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 본 실시형태에 따르면, 고반사성 오믹콘택층(59b)이 제공되는 면에 요철패턴(P)을 부가함으로써 실질적인 반사면적의 증가와 산란효과에 의해 광추출효율을 크게 개선시킬 수 있다. 특히, 이러한 요철패턴(P)은 하부 측면을 향하는 광을 산란작용을 통해 원하는 상부방향으로 진행되는 확률을 높일 수 있으므로, 측방향으로 진행되어 소실되는 광을 감소시킬 수 있다.

도4를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(70)는, 광투과성을 갖는 전도성 기판(71)과 그 전도성 기판(71) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(74), 활성층(75) 및 p형 질화물 반도체층(76)을 포함한다. 상기 질화물 반도체 발광소자(70)는 상기 전도성 기판(71)과 상기 p형 질화물 반도체층(76)에 각각 접속된 본딩전극 및 고반사성 오믹콘택층(79a,79b)을 포함한다.

본 실시형태에서, 도3a와 유사하게 고반사성 오믹콘택층(79b)이 형성된 p형 질화물 반도체층(76)의 표면(76a)은 요철패턴(P1)이 형성된다. 따라서, 고반사성 오믹콘택층(79b)이 형성된 p형 질화물 반도체층(76)의 표면(76a)은 요철패턴(P1)이 형성되므로, 고반사성 오믹콘택층(79b)의 접촉면적은 상대적으로 증가될 수 있다.

즉, 활성층(75)으로부터 생성된 광은 직접 상부로 향하거나(a1), 소자 하부로 향해(b1) 하면의 고반사성 오믹콘택층(59b)에 의해 반사되어 상부로 향할 수 있다(b2). 또한, 하부 측면방향으로 진행되는 광(c1)은 요철패턴(P)에 의해 산란되고 그 산란된 광(c2)은 고반사성 오믹콘택층(79b)에 의해 반사되므로, 원하는 상부방향으로 진행되는 광량을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에 채용된 전도성 기판(71)은 광추출면으로 제공되는 일면에 추가적으로 형성된 광산란을 위한 요철패턴(P2)이 형성되어 광산란면(71a)으로 제공될 수 있다. 따라서, 활성층(75)으로부터 직접 도달된 광(a1)과 함께, 고반사성 오믹콘택층(76a)에 의해 반사된 광(b2,c2)은 광산란면(71a)을 통해 보다 효과적으로 방출될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 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.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수직구조 질화물 반도체 발광소자에서제1 도전형 질화물 반도체층의 하면에 요철패턴을 형성하고, 그 표면 상에 고반사성 오믹콘택층을 형성함으로써, 실질적인 반사면적과 산란작용을 통한 광추출효율을 크게 개선할 수 있다. 특히, 측면 하부방향으로 진행하는 광의 경로를 요철패턴에 의한 산란작용을 통해 원하는 상부방향으로 전환시킴으로써 광추출효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims

광투과성을 갖는 전도성 기판;

상기 전도성 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층;

상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성되며 상면에 요철패턴을 갖는 제2 도전형 질화물 반도체층; 및

상기 제2 도전형 질화물 반도체층의 상면에 형성된 고반사성 오믹콘택층을 포함하며,

상기 고반사성 오믹콘택층의 반사율은 적어도 80%인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
삭제
제1항에 있어서,

상기 고반사성 오믹콘택층은, Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 고반사성 오믹콘택층은, Ni, Pd, Ir, Pt 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성되어 Ag와 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 고반사성 오믹콘택층은, Ni로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 상에 형성된 Ag로 이루어진 제2층과, 상기 제2층 상에 형성된 Pt로 이루어진 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 전도성 기판의 광추출면은 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화물 반도체 발광소자.