KR101832305B1 - 발광소자 및 그 발광 소자의 제조 방법 - Google Patents

발광소자 및 그 발광 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 전류 제한층; 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 전류 제한층의 적어도 일부를 감싸는 제1 전극을 포함하는 발광 소자

Description

발광소자 및 그 발광 소자의 제조 방법{Light emitting diode and method for fabricating the light emitting device}
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
실시예는 발광소자의 안정성 및 신뢰성을 향상시키고자 하는 것이다.
실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 전류 제한층; 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 전류 제한층의 적어도 일부를 감싸는 제1 전극을 포함하는 발광 소자를 제공할 수 있다.
이 때, 상기 전류 제한층은 P형 GaN 또는 AIN이고, P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극은 상기 전류 제한층을 감싸면서, 적어도 일부는 제1 도전형 반도체층에 접촉될 수 있다.
그리고, 상기 전류 제한층의 두께는 1nm~1μm 범위의 값으로 설정될 수 있다.
그리고, 상기 전류 제한층은 상기 제1 도전형 반도체층과 일함수 값의 차이가 50eV 이상인 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층의 표면에 형성되는 적어도 하나의 홈에는 요철 구조가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 발광 소자는 상기 발광 구조물 하에 위치하고, 상기 발광 구조물을 지지하는 도전층을 더 포함하고, 상기 도전층은 니켈(Ni-nickel), 백금(Pt), 티탄(Ti), 텅스텐(W) 바나듐(V), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들이 선택적으로 포함된 합금으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 발광 소자는 상기 제2 도전형 반도체층 하에 위치하는 오믹층을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 발광 소자는 상기 제2 도전형 반도체층 하에 위치하고, 상기 발광 구조물로부터 입사되는 광을 반사하는 반사층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법은, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계; 전류 제한층을 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성하는 단계; 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 전류 제한층의 적어도 일부를 감싸는 제1 전극을 형성하는 단계
를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 전류 제한층은 P형 GaN 또는 AIN이고, P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극은 상기 전류 제한층을 감싸면서, 적어도 일부는 상기 제1 도전형 반도체층에 접촉될 수 있다.
그리고, 상기 전류 제한층은 상기 제1 도전형 반도체층과 일함수 값의 차이가 50eV 이상인 물질로 형성될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 안정성 및 신뢰성을 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 발광 소자의 제1 실시예의 단면을 나타낸 도면이고,
도 2a 내지도 2g는 발광소자의 제1 실시예를 제조방법을 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3d는 발광소자의 다른 실시예의 제조공정을 나타낸 도면이고,
도 4는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
상기의 실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 발광 소자의 제1 실시예의 단면을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이. 제1 실시예의 발광 소자는 지지기판(160) 상으로 형성된 결합층(150), 결합층(150) 상으로 형성된 도전층(170), 도전층(170) 상에 형성된 채널층(180), 도전층(170) 상으로 형성된 반사층(140), 반사층(140) 상으로 형성된 오믹층(130), 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120), 제1 도전형 반도체층(122) 상에 형성된 전류 제한층(110), 제1 도전형 반도체층(122) 및 전류 제한층(110) 상에 형성되는 제1 전극(190)을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이 발광 소자에는 지지기판(160)상에 결합층(150), 도전층(170)이 구비될 수 있다.
도전층(170)은 니켈(Ni-nickel), 백금(Pt), 티탄(Ti), 텅스텐(W) 바나듐(V), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들이 선택적으로 포함된 합금으로 이루어질 수 있다.
도전층(170)은 발광 소자의 제조 공정상 발생할 수 있는 기계적 손상(깨짐 또는 박리 등)을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
채널층(180)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 상기 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 채널층(180)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 실리콘 질화물(Si3N4)층, 산화 티타늄(TiOx), 또는 산화 알루미늄(Al2O3)층으로 구성될 수 있다.
채널층(180)은 발광 구조물(120)의 식각 시, 채널층(180) 하부에 위치한 구성들을 식각으로부터 보호하고, 발광 소자를 안정감있게 지지하여 제조 공정상 발생할 수 있는 손상으로부터 보호하는 효과가 있다.
그리고, 상기 반사층(150)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 상기 활성층(124)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
그리고, 상기 오믹층(130)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도퍼트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
그리고, 상기 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
그리고, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(126)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
그리고, 전류 제한층(110)은 제1 도전형 반도체층(122)의 적어도 일부 상에 위치한다.
전류 제한층(110)은 제1 도전형 반도체층(122)과 일함수(work function) 값의 차이가 기준치 이상인 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전류 제한층(110)은 제1 도전형 반도체층(122)을 이루는 물질과 일함수 값의 차이가 기준치인 50eV 이상인 물질로, 제1 도전형 반도체층(122)과 쇼트키 특성을 이루는 물질로 구성될 수 있다.
그리고, 제1 도전형 반도체층(122) 및 전류 제한층(110) 상으로 제1 전극(190)이 형성되는데, 상기 제1 전극(190)은 몰리브덴, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다.
제1 전극(190)은 전류 제한층(110)을 감싸면서, 적어도 일부는 제1 도전형 반도체층(122)에 접촉되도록 형성될 수 있다. 이 때, 마스크를 이용하여 제1 전극(190)이 전류 제한층(110)을 감싸면서, 적어도 일부는 제1 도전형 반도체층(122)에 접촉되도록 형성될 수 있다.
실시예에 의한 발광 소자는 제1 전극(190)과 제1 도전형 반도체층(122) 사이에 전류 제한층(110)이 형성되므로, 제1 전극(190)에서 제1 도전형 반도체층(122)으로 공급되는 전류의 흐름을 수평방향으로 분산하여, 과전류에 의한 발광 소자의 오작동을 방지하여 발광 소자의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
특히, 발광 소자의 지속적인 사용에 의해 제1 도전형 반도체층(122)의 두께가 얇아질 경우, 과전류에 의한 발광 소자의 오작동 문제가 더욱 심각해질 수 있는데, 실시예에 의한 발광 소자는 이러한 문제점을 해결하는 효과가 있다.
각 구성에 대한 상세 설명은 도 2a 내지 도 2g를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a 내지도 2g는 발광소자의 제1 실시예를 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이 기판(100)을 준비하다. 상기 기판(100)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하며, 예컨대 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(100) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 기판(100)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
그리고, 상기 기판(100) 상에 전류 제한층(110, Current Blocking Layer)을 형성한다. 이 때, 전류 제한층(110)은 제1 도전형 반도체층(122)과 일함수(work function) 값의 차이가 기준치 이상인 물질로 구성될 수 있다.
예를 들어, 전류 제한층(110)은 제1 도전형 반도체층(122)을 이루는 물질과 일함수 값의 차이가 기준치인 50eV 이상인 물질로, 제1 도전형 반도체층(122)과 쇼트키 특성을 이루는 물질로 구성될 수 있다.
이 때, 기준치는 다양한 값으로 설정될 수 있으며, 기준치가 높게 설정될수록, 후술하는 바와 같이 제1 전극층으로부터 제1 도전형 반도체층(122)으로 공급되는 전류를 분산시켜 신뢰성을 높이는 효과가 높다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층이 N형 반도체층인 경우, 전류 제한층(110)은 P형 GaN 또는 AIN일 수 있으며, P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
전류 제한층(110)의 두께는 여러가지 실시예에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 전류 제한층(110)의 두께는 1nm~11μm 범위의 값으로 설정될 수 있다.
그리고, 상기 전류 제한층(110) 상에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 발광 구조물(120)과 기판(100) 사이에는 버퍼층(미도시)을 성장시킬 수 있는데, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 상기 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상기 발광 구조물(120)은, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법과 같은 기상 증착법에 의해 성장될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도퍼트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(122)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
상기 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(124)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(114)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(124)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN , GaAs,/AlGaAs(InGaAs), GaP/AlGaP(InGaP) 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(124)의 밴드 갭보다는 높은 밴드 갭을 갖을 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(126)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(122)은 P형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 N형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(126) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 상기 제 2도전형 반도체층이 P형 반도체층일 경우 N형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광 구조물(110)은 N-P 접합 구조, P-N 접합 구조, N-P-N 접합 구조, P-N-P 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이 제2 도전형 반도체층(126) 상에 채널층(180)을 적층한다. 여기서, 상기 채널층(180)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 상기 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 채널층(180)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 실리콘 질화물(Si3N4)층, 산화 티타늄(TiOx), 또는 산화 알루미늄(Al2O3)층으로 구성될 수 있다. 채널층(180)은 후술할 발광 구조물(120)의 식각 시, 채널층(180) 하부에 위치한 구성들을 식각으로부터 보호하고, 발광 소자를 안정감있게 지지하여 제조 공정상 발생할 수 있는 손상으로부터 보호하는 효과가 있다.
그리고, 채널층(180)을 식각하여 홈을 형성한다. 이러한 홈의 형성은 마스크를 이용한 건식 식각 등의 공정으로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이 형성된 홈에 위치한 제2 도전형 반도체층(126) 상에 오믹층(130) 및 반사층(140)을 적층한다.
이 때, 오믹층(130)은 약 200 옹스트롱의 두께로 적층될 수 있다. 상기 오믹층(130)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다. 그리고, 상기 오믹층(1300)은 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다.
그리고, 상기 오믹층(130) 상에 반사층(140)을 약 2500 옹스르통의 두께로 형성할 수 있다. 상기 반사층(150)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 상기 활성층(124)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
그리고, 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 반사층 상에 도전층(170)를 형성한다. 상기 도전층(170)은 니켈(Ni-nickel), 백금(Pt), 티탄(Ti), 텅스텐(W) 바나듐(V), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들이 선택적으로 포함된 합금으로 이루어질 수 있다.
이 때, 도전층(170)은 스퍼터링 증착 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 스퍼터링 증착 방법을 사용할 경우, 이온화된 원자를 전기장에 의해 가속시켜, layer 3(170)의 소스 재료(source material)에 충돌시키면, 소스 재료의 원자들이 튀어나와 증착된다. 또한, 실시예에 따라 전기 화학적인 금속 증착 방법이나, 유테틱 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수도 있다. 실시예에 따라 도전층(170)은 복수의 레이어로 형성될 수도 있다.
도전층(170)은 발광 구조물(120을 전체적으로 지지하여, 발광 소자의 제조 공정상 발생할 수 있는 기계적 손상(깨짐 또는 박리 등)을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 도전층(170) 상으로 상기 도전층(170)과 지지기판(160)의 결합을 위하여 결합층(150)을 형성할 수 있다. 결합층(150)은 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 은(Ag), 니켈(Ni), 나이오븀(Nb) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 2e에 도시된 바와 같이. 결합층(150) 상으로 지지기판(160)을 형성할 수 있다.
상기 지지기판(160)은 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni-nickel), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지기판(160)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.
실시예에 따라, 도전층(170)을 통해 제2 도전형 반도체층(126)로 정공이 주입되는 경우, 지지기판(160)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 상기 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 지지기판(160)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)을 분리하다.
상기 기판(100)의 제거는 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다.
레이저 리프트 오프법을 예로 들면, 상기 기판(100) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 기판(110)과 발광 구조물(120)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(100)의 분리가 일어난다.
그리고, 도 2g에 도시된 바와 같이 전류 제한층(110)을 식각하여 홈을 형성한다. 이러한 홈의 형성은 마스크를 이용한 건식 식각 등의 공정으로 이루어질 수 있다.
홈이 형성됨에 따라 전류 제한층(110)은 도 2g에 도시된 바와 같이 제1 도전형 반도체층(122)상에 위치한다. 실시예에 따라 홈은 복수개로 생성될 수 있다.
또한, 실시예에 따라 전류 제한층(100) 상으로 요철 구조와 같은 패턴이 형성될 수 있는데, 이러한 패턴은 제1 전극(190)으로부터의 전류를 좀더 효율적으로 분산시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 도 2g에 도시된 바와 같이 발광 구조물(120)의 측면을 식각한다. 이 때, 엔드 포인트 디텍팅 방법에 의해 채널층(180)을 이루는 물질이 디텍트되면 식각을 멈추는 방법으로 상기 발광 구조물(120)의 측면 일부를 식각할 수 있다.
이 때, 식각되는 발광 구조물(120)의 하부에는 채널층(180)이 위치하도록 식각 위치를 조절할 수 있다.
채널층(180)은 발광 구조물(120)의 식각 시, 채널층(180) 하부에 위치한 구성들을 식각으로부터 보호하고, 발광 소자를 안정감있게 지지하여 제조 공정상 발생할 수 있는 손상으로부터 보호하는 효과가 있다.
그리고, 도 2h에 도시된 바와 같이 상기 제1 도전형 반도체층(122) 상에 홈을 형성하여 광 적출 효율을 향상시킨다. 이 때, 요철 구조는, PEC 방법이나 마스크를 형성한 후 에칭을 통하여 형성할 수 있다
상기 PEC 방법에서, 식각액(가령, KOH)의 양과 GaN 결정성에 의한 식각 속도 차이 등을 조절함으로써, 미세 크기의 요철의 형상을 조절할 수 있다. 상기 요철 구조는 주기적 또는 비주기적으로 형성될 수 있다. PEC 방법에 의한 제1 도전형 반도체층(122) 식각 시, 전류 제한층(110)은 에칭 마스크로 작용하므로, 전류 제한층(110)은 식각되지 않는다.
또한 실시예에 따라 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에는 2차원 포토닉 크리스탈이 형성될 수 있는데, 그 구조는 광의 파장의 반 정도의 주기로 상이한 굴절율을 가지는 적어도 2가지의 유전체를 주기적으로 배열하여 얻어질 수 있다. 이때, 각각의 유전체는 서로 동일한 패턴으로 구비될 수 있다.
포토닉 크리스탈은 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에 광 밴드 갭(photonic band gap)을 형성하여 빛의 흐름을 제어할 수 있다.
이러한 발광구조물의 홈과 패턴 구조는 발광구조물의 표면적 증가로 광추출효과를 증대시킬 수 있고, 또한 표면의 미세 요철 구조는 빛이 발광구조물 내부에서 흡수되는 것을 감소시켜서 발광효율을 높일 수 있다.
그리고, 도 2h에 도시된 바와 같이 제1 도전형 반도체층((122) 및 전류 제한층(110) 상으로 제1 전극(190)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(190)은 몰리브덴, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다.
제1 전극(190)은 전류 제한층(110)을 감싸면서, 적어도 일부는 제1 도전형 반도체층(122)에 접촉되도록 형성될 수 있다. 이 때, 마스크를 이용하여 제1 전극(190)이 전류 제한층(110)을 감싸면서, 적어도 일부는 제1 도전형 반도체층(122)에 접촉되도록 형성될 수 있다.
실시예에 의한 발광 소자는 제1 전극(190)과 제1 도전형 반도체층(122) 사이에 전류 제한층(110)이 형성되므로, 제1 전극(190)에서 제1 도전형 반도체층(122)으로 공급되는 전류의 흐름을 수평방향으로 분산하여, 과전류에 의한 발광 소자의 오작동을 방지하여 발광 소자의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
특히, 발광 소자의 지속적인 사용에 의해 제1 도전형 반도체층(122)의 두께가 얇아질 경우, 과전류에 의한 발광 소자의 오작동 문제가 더욱 심각해질 수 있는데, 실시예에 의한 발광 소자는 이러한 문제점을 해결하는 효과가 있다.
그리고, 실시예에 따라 채널층(180), 발광구조물(120)의 측면, 제1 전극(190)의 적어도 일부 상으로 패시베이션층(Passivation layer)을 증착할 수 있다. 여기서, 상기 패시베이션층은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 상기 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
포토닉 크리스탈은 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에 광 밴드 갭(photonic band gap)을 형성하여 빛의 흐름을 제어할 수 있다.
이러한 발광구조물의 홈과 패턴 구조는 발광구조물의 표면적 증가로 광추출효과를 증대시킬 수 있고, 또한 표면의 미세 요철 구조는 빛이 발광구조물 내부에서 흡수되는 것을 감소시켜서 발광효율을 높일 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 발광소자의 다른 실시예의 제조공정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(120)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광구조물(120)을 형성할 수 있다. 구체적인 조성과 공정은 도 2a에서 설명한 것과 동일하다.
이때, 상기 발광 구조물(120)과 기판(100) 사이에는 버퍼층(210)을 성장시켜서, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화할 수 있다. 상기 버퍼층(210)은 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
그리고, 제2 도전형 반도체층(126) 상에 (100) 상에 전류 제한층(110)을 형성한다. 이 때, 전류 제한층(110)은 제2 도전형 반도체층(126)과 일함수(work function) 값의 차이가 기준치 이상인 물질로 구성될 수 있다.
예를 들어, 전류 제한층(110)은 제2 도전형 반도체층(126)을 이루는 물질과 일함수 값의 차이가 기준치인 50eV 이상인 물질로, 제2 도전형 반도체층(126)과 쇼트키 특성을 이루는 물질로 구성될 수 있다.
이 때, 기준치는 다양한 값으로 설정될 수 있으며, 기준치가 높게 설정될수록, 제1 전극층으로부터 제2 도전형 반도체층(126)으로 공급되는 전류를 분산시켜 신뢰성을 높이는 효과가 높다.
예를 들어, 제2 도전형 반도체층이 P형 반도체층인 경우, 전류 제한층(110)은 N형 GaN 또는 AIN일 수 있으며, N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있다.
전류 제한층(110)의 두께는 여러가지 실시예에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 전류 제한층(110)의 두께는 1nm~1μm 범위의 값으로 설정될 수 있다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(126)에서 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 일부분까지 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 메사(Mesa) 식각한다. 즉, 사파이어 기판과 같이 절연성 기판을 사용하는 경우 기판 하부에 전극을 형성할 수 없기 때문에, 상기 제2 도전형 반도체층(126)부터 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각함으로써, 전극을 형성할 수 있는 공간을 확보한다.
그리고, 도 3c와 같이 전류 제한층(110)을 식각하여 홈을 형성한다. 이러한 홈의 형성은 마스크를 이용한 건식 식각 등의 공정으로 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 홈은 복수개로 생성될 수 있다.
또한, 실시예에 따라 전류 제한층(100) 상으로 요철 구조와 같은 패턴이 형성될 수 있는데, 이러한 패턴은 제1 전극으로부터의 전류를 좀더 효율적으로 분산시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 도 3d에 도시된 바와 같이 제2 도전형 반도체층(126) 상에 홈을 형성한다. 상기 홈은 제2 도전형 반도체층(126)의 일부가 식각되는데, 상기 활성층(124)과 제1 도전형 반도체층(122)의 일부까지 식각될 수도 있으며, 활성층(124)에서 발생한 빛이 발광소자 내부를 진행하는 거리를 줄일 수 있게 되며, 빛이 소자 내부에서 흡수 및 산란되는 양을 줄일 수 있다.
그리고, 도 3d 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(126) 상의 홈에 요철 구조를 형성한다. 요철 구조의 형성방법도 상술한 실시예와 동일하다.
그리고, 도 3d에 도시된 바와 같이 상기 제1 도전형 반도체층(122) 표면의 식각되어 노출된 영역에 제1 전극(200)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(200)의 재료는 상술한 실시예와 동일하다.
그리고, 상기 제2 도전형 반도체층(126) 및 전류 제한층(110) 상에 제2 전극(200)를 형성할 수 있다. 상기 제2 전극(200)은 몰리브덴, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다. 상기 제2 전극(200)은 상기 제2 도전형 반도체층(126)의 일부 상에 구비되게, 마스크를 이용하여 형성할 수 있다.
제2 전극(200)은 전류 제한층(110)을 감싸면서, 적어도 일부는 제2 도전형 반도체층(126)에 접촉되도록 형성될 수 있다. 이 때, 마스크를 이용하여 제2 전극(200)이 전류 제한층(110)을 감싸면서, 적어도 일부는 제2 도전형 반도체층(126)에 접촉되도록 형성될 수 있다.
따라서, 실시예에 의한 발광 소자는 제2 전극(200)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 전류 제한층(110)이 형성되므로, 제2 전극(200)에서 제2 도전형 반도체층(126)으로 공급되는 전류의 흐름을 수평방향으로 분산하여, 과전류에 의한 발광 소자의 오작동을 방지하여 발광 소자의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
특히, 발광 소자의 지속적인 사용에 의해 제2 도전형 반도체층(126)의 두께가 얇아질 경우, 과전류에 의한 발광 소자의 오작동 문제가 더욱 심각해질 수 있는데, 실시예에 의한 발광 소자는 이러한 문제점을 해결하는 효과가 있다.
도 3d의 실시예는 수평형 발광소자로서 제2 도전형 반도체층(126) 상에 전류 제한층(110)이 형성되는 점에서, 도 2h에서 상술한 수직형 발광소자의 일실시예에서 제1 도전형 반도체층(122) 상에 전류 제한층(110)이 형성되는 것과 구별된다.
도 4는 발광소자 패키지의 제1 실시예의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 상술한 실시예들에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(420)와, 상기 패키지 몸체(420)에 설치된 제1 전극층(411) 및 제2 전극층(412)과, 상기 패키지 몸체(420)에 설치되어 상기 제1 전극층(411) 및 제2 전극층(412)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(400)와, 상기 발광 소자(400)를 포위하는 충진재(440)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(420)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(400)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 전극층(411) 및 제2 전극층(412)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(400)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 전극층(411) 및 제2 전극층(412)은 상기 발광 소자(400)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(400)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(400)는 상기 패키지 몸체(420) 상에 설치되거나 상기 제1 전극층(411) 또는 제2 전극층(412) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(400)는 상기 제1 전극층(411) 및 제2 전극층(412)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 충진재(440)는 상기 발광 소자(400)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 충진재(440)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(400)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
상기 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예들의 발광 소자 중 적어도 하나를 하나 또는 복수개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 기판 110 : 전류 제한층
120 : 발광구조물 122 : 제1 도전형 반도체층
124 : 활성층 126 : 제2 도전형 반도체층
130 : 오믹층 140 : 반사층
150 : 결합층 160 : 지지기판
170 : 도전층 180: 채널층
190 : 제1 전극 200 : 제2 전극
400 : 발광소자 411 : 제1 전극층
412 : 제2 전극층 420 : 패키지 바디
440 : 충진재

Claims (13)

  1. 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 전류 제한층;
    상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 전류 제한층의 적어도 일부를 감싸는 제1 전극;
    상기 제2 도전형 반도체층 하에 위치하는 오믹층;
    상기 오믹층 하에 위치하고, 상기 발광 구조물로부터 입사되는 광을 반사하는 반사층;
    상기 반사층 하에 위치하고, 상기 발광 구조물을 지지하는 도전층; 및
    상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 도전층 사이에 위치하고, 상기 오믹층 및 상기 반사층의 측면에 배치되는 채널층
    을 포함하고,
    상기 제1 전극은,
    상기 전류 제한층과 접촉하고 상기 전류 제한층을 감싸도록 구비되며, 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉되며,
    상기 채널층은,
    상기 도전층 상면 중 상기 반사층이 배치되지 않은 노출면에 배치되고,
    상하방향 높이가 상기 오믹층 및 상기 반사층의 상하방향 각각의 높이를 합한 것과 동일하며,
    상기 제1 도전형 반도체층의 상면은 요철 구조 및 돌출평탄면을 포함하고,
    상기 전류 제한층은 상기 돌출평탄면 상에 배치되며,
    상기 제1 전극은,
    상기 전류 제한층의 상면 및 측면을 감싸며, 상기 제1 도전형 반도체층과 직접 접촉하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 제한층은 P형 GaN 또는 AIN이고, P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 중 하나 이상을 포함하는 발광 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류 제한층의 두께는 1nm~1μm 범위의 값으로 설정되는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전류 제한층은 상기 제1 도전형 반도체층과 일함수 값의 차이가 50eV 보다 크거나 같은 물질로 형성되는 발광 소자.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도전층은 니켈(Ni-nickel), 백금(Pt), 티탄(Ti), 텅스텐(W) 바나듐(V), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들이 선택적으로 포함된 합금으로 구성되는 발광 소자.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 표면에는 2차원 포토닉 크리스탈이 형성되는 발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 포토닉 크리스탈은,
    상이한 굴절율을 가지는 적어도 2가지의 유전체를 주기적으로 배열하여 구비되는 발광소자.
  12. 삭제
  13. 삭제
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JP2003017742A (ja) * 2001-06-29 2003-01-17 Sanken Electric Co Ltd 半導体発光素子
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