KR102410788B1 - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 발광 소자는 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물, 발광 구조물의 하부에 상기 제2도전형 반도체층과 연결되는 제2전극층, 및 발광 구조물을 기 설정된 간격마다 관통하여 제1도전형 반도체층과 연결되는 복수의 제1전극층을 포함하고, 상기 복수의 제1 전극층은 상기 제1도전형 반도체층으로부터 노출된 제1전극 패드를 포함한다.

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 발광 소자의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 누설전류를 차단하여 신뢰성이 개선된 발광 소자(light emitting device, LED)를 위한 구조와 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 소자(LED)의 기술이 발전하면서, 비용의 절감과 에너지 절약을 경험하고 있다. 또한, 발광 소자(LED)를 사용하는 기기들이 다양해지고 있다. 오늘날 가시광선 영역의 LED가 조명을 비롯한 응용분야에 활발하게 적용되고 있지만, 자외선(UV) 광원은 과학·공업, 의료·환경, 반도체 산업 등에서 광범위하게 사용되고 있고, 앞으로도 그 영역이 더 넓어질 것이다.
발광 소자(LED 또는 LEDs)는 전기 에너지를 광으로 변환하는 장치로서, 일반적으로 반대의 전기적 성질로 도핑된 복수의 층 사이에 개재된 반도체 재료로 이루어진 하나 이상의 활성층을 포함한다. 통상적으로, 도핑된 복수의 층의 양단에 바이어스를 인가하면, 활성층에 정공 및 전자가 주입되고, 이 활성층에서 정공과 전자가 재결합하여 광을 발생한다. 이 광은 활성층 및 LED의 전체 표면으로부터 방출된다.
KR 10-2007-0022990 A KR 10-2013-0108048 A
본 발명은 광출력을 증가시키고 동작 전압을 낮추기 위한 구조를 가진 발광 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 수직형 발광 소자에서 알루미늄갈륨질화물(AlGaN)을 사용하는 경우 전류의 확산과 오믹컨택(ohmic contact)을 향상시키는 구조를 가진 발광 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 320nm 이하의 파장를 가지는 자외선을 방출하는 발광 소자에 적합한 수직형 발광 소자의 구조를 제공할 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물의 하부에 상기 제2도전형 반도체층과 연결되는 제2전극층; 및 상기 발광 구조물을 기 설정된 간격마다 관통하여 상기 제1도전형 반도체층과 연결되는 복수의 제1전극층을 포함하고, 상기 복수의 제1 전극층은 상기 제1도전형 반도체층으로부터 노출된 제1전극 패드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2도전형 반도체층의 아래에서 상기 제2전극층과 제2오믹컨택(ohmic contact)이 이루어지고, 상기 제1전극층과 맞닿는 상기 제1도전형 반도체층 및 제1도전형 반도체층 내부에서 제1오믹컨택이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1오믹컨택은 상기 제1전극층을 중심으로 방사형으로 확산된 형태일 수 있다.
또한, 상기 발광 구조물이 기 설정된 면적만큼 형성되면, 상기 제2전극층은 상기 발광 구조물의 하부 전체에 위치하고, 상기 복수의 제1전극층은 어레이(array)형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1도전형 반도체층은 n형 도전형 금속을 포함하는 알루미늄갈륨질화물(AlGaN)일 수 있다.
또한, 상기 제1도전형 반도체층의 상부 표면은 요철형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제2전극층은 상기 제2도전형 반도체층과 상기 제2오믹컨택을 형성하기 위한 제2오믹층; 및 상기 제2오믹층의 아래에 위치하여 상기 활성층에서 방출된 빛을 반사시킬 수 있는 반사층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1전극층은 상기 제1전극 패드의 하부에 위치하고, 상기 제1오믹컨택을 통해 상기 제1도전형 반도체층과 연결된 제1오믹층; 및 상기 제1오믹층과 상기 제2전극층을 전기적으로 단절하기 위한 절연층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1전극층은 상기 제1전극 패드와 상기 제1오믹층을 연결하기 위한 제1금속층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1오믹층은 상기 절연층에 둘러싸여 상부표면만 제1도전형 반도체층과 연결될 수 있다.
또한, 발광 소자는 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층의 하부에 위치한 지지기판; 및 상기 지지기판에 상기 제1전극층과 상기 제2전극층을 접합하기 위한 접합층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 접합층은 금속을 포함하여, 상기 제2전극층에 캐리어를 공급할 수 있다.
또한, 발광 소자는 상기 발광 구조물에서 출력된 빛이 상면 방향으로 방출되는 수직형 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 발광 구조물에서 출력된 빛은 100-320nm 범위의 파장을 가지는 자외선(Ultraviolet: UV)일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자는 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물의 하부에 위치한 제2전극층; 및 상기 발광 구조물에 둘러싸여 노출되는 제1전극층을 포함하고, 상기 제2전극층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 제2오믹컨택이 형성되고, 상기 제1전극층과 상기 제1도전형 반도체층 사이에 제1오믹컨택이 형성되며, 상기 제1전극층은 상기 제1도전형 반도체층으로부터 노출된 제1전극 패드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1도전형 반도체층은 알루미늄갈륨질화물(AlGaN)를 포함하고, 상기 발광 구조물은 100-320nm 범위의 파장을 가지는 자외선(Ultraviolet: UV)을 출력할 수 있다.
또한, 상기 제1오믹컨택은 열처리 시 상기 제1도전형 반도체층 내부에서 제1전극층을 중심으로 방사형으로 확산된 형상일 수 있다.
또한, 상기 제2전극층은 상기 제2도전형 반도체층과 상기 제2오믹컨택을 형성하기 위한 제2오믹층; 및 상기 제2오믹층의 아래에 위치하여 상기 활성층에서 방출된 빛을 반사시킬 수 있는 반사층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1전극층은 상기 제1전극 패드의 하부에 위치하고, 상기 제1오믹컨택을 통해 상기 제1도전형 반도체층과 연결된 상부표면을 가지는 제1오믹층; 상기 제1오믹층과 상기 제2전극층을 전기적으로 단절하기 위한 절연층을 포함할 수 있다.
또한, 발광 소자는 상기 제1전극층은 상기 제1전극 패드와 상기 제1오믹층을 연결하기 위한 제1금속컨택을 더 포함할 수 있다.
또한, 발광 소자는 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층의 하부에 위치한 지지기판; 및 상기 지지기판에 상기 제1전극층과 상기 제2전극층을 접합하기 위한 접합층을 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 자외선 발광 소자의 구조를 개선하여 동작 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 알루미늄갈륨질화물(AlGaN)을 사용하는 발광 소자의 광출력을 향상시키고, 동작전압을 낮출 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도1은 수직형 발광 소자의 제1구조를 설명한다.
도2는 도1의 발광 소자를 설명한다.
도3은 도1에서 설명한 발광 소자가 포함한 물질에 따른 동작 특성을 설명한다.
도4는 수직형 발광 소자의 제2구조를 설명한다.
도5는 도4에 도시된 발광 소자를 설명한다.
도6은 수직형 발광 소자의 제3구조를 설명한다.
도7은 수직형 발광 소자의 제4구조를 설명한다.
도8은 도6 또는 도7에 도시된 수직형 발광 소자의 오믹컨택(ohmic contact)을 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도1은 수직형 발광 소자(100)의 제1구조를 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 소자(100)는 발광 구조물(120)의 상부에 제1전극(180)이 형성되어 있고, 하부에 제2전극(182)이 형성되어 있다. 발광 구조물(120)의 하부에 지지기판이 금속구조물을 통해 연결되어 있어서 열방출에 유리한 구조를 갖는다. 하지만, 제1전극(180)이 주입하는 전자(electron)의 확산이 제한될 수 밖에 없어 발광 소자(100)의 광출력이 높지 않은 한계가 있다.
도2는 도1의 발광 소자(100)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하여 이루어진다.
활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer, 미도시)가 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
제1 도전형 반도체층(122)의 표면이 패턴을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있고, 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에는 제1 전극(180)이 배치되는데 도시되지는 않았으나 제1 전극(180)이 배치되는 제1 도전형 반도체층(122)의 표면은 패턴을 이루지 않을 수 있다. 제1 전극(180)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물(120)의 하부에는 제2 전극(182, 도1참조)이 배치되어야 하는데, 오믹층(140)과 반사층(150)이 제2 전극으로 작용할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)의 하부에는 GaN이 배치되어 제2 도전형 반도체층(126)으로의 전류 내지 정공 공급을 원활히 할 수 있다.
오믹층(140)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 오믹층(140)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.
반사층(150)은 몰리브덴(Mo), 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 활성층(124)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 반도체 소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있고, 몰리브덴은 후술하는 돌출부의 도금 성장에 유리할 수 있다.
지지기판(support substrate, 170)은 금속 또는 반도체 물질 등 도전성 물질로 형성될 수 있다. 전기 전도도 내지 열전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열 전도도가 높은 물질(ex. 금속 등)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 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), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
지지기판(170)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가지기 위하여 50 내지 200 마이크로 미터의 두께로 이루어질 수 있다.
접합층(160)은 반사층(150)과 지지기판(170)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다.
발광 구조물(120)의 측면 및 하면의 적어도 일부에 패시베이션층(190)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(190)은 발광 구조물을 보호하며 층간 전기적 쇼트를 방지할 수 있다. 패시베이션층(190)은 산화물이나 질화물 등의 절연물질로 이루어지며, 일 예로서, 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
제1구조를 가지는 발광 소자(100)에서 동작 특성을 향상시키기 위해 n형 전극(예컨데, 제1전극, 180)을 제1도전형 물질을 포함하는 알루미늄갈륨질화물(nAlGaN)로 구성된 제1도전형 반도체층에 오믹컨택(오믹접합, ohmic contact)시킬 필요가 있다. 하지만, 제1전극(180)을 형성한 후 열처리 공정을 수행하는 것이 공정과정상 불가능하기 때문에 동작 전압이 매우 높아진다. 특히, 동작 전압이 높아지는 제1구조는 300nm 이하의 파장을 가지는 단파장 자외선(예를 들면, 100~280 nm 파장 Ultraviolet C, UVC)을 방출하는 발광 소자에 적용하기 어렵다.
도3는 도1에서 설명한 발광 소자(100)가 포함한 물질에 따른 동작 특성을 설명한다.
도시된 바와 같이, 제1전극(180)과 연결되는 제1도전형 반도체층(122, 도 2참조)이 어떠한 물질을 포함하고 있는지에 따라 동작 전압이 달라진다. 이는 제1전극(180)과 제1도전형 반도체층(122)이 서로 다른 물질로 구성되어 있어 접합 영역에서의 전기적 특성이 변하기 때문에 발생한다.
일례로, 제1도전형 반도체층(122)이 갈륨질화물(nGaN)을 포함하는 경우 동작 전압은 5.0V~5.2V의 범위를 가진다. 반면, 제1도전형 반도체층(122)이 갈륨질화물(nGaN) 및 알루미늄갈륨질화물(nAlGaN)을 포함하는 경우 동작 전압은 5.0V~5.4V의 범위로 갈륨질화물(nGaN)만으로 제1도전형 반도체층(122)이 구성되는 경우보다 조금 상승한다. 또한, 제1도전형 반도체층(122)이 알루미늄갈륨질화물(nAlGaN)로 구성된 경우 동작 전압은 5.6V~6.0V의 범위로 갈륨질화물(nGaN)을 포함하는 제1도전형 반도체층(122)의 경우보다 더 상승한다.
발광 소자의 발광 구조물이 자외선을 출력하는 경우, 제1도전형 반도체층(122)에 알루미늄갈륨질화물(nAlGaN)이 사용되는데, 제1구조를 가지는 발광 소자의 경우 동작 전압이 상승하여 광출력 효율이 낮아질 수 있다.
도4은 수직형 발광 소자(200)의 제2구조를 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 소자(200)는 발광 구조물(220)의 상부에 노출된 제2전극(282)이 형성되어 있고, 하부에 제1전극(280)이 형성되어 있다. 제2구조의 발광 구조물(120)의 하부를 통해서 전자(electron)을 주입할 수 있어서, 광출력이 제1구조의 발광 소자(100, 도1참조)에 비하여 더 우수하다. 하지만, 발광 소자(200)의 제조 공정이 복잡하고 길어지는 단점이 있다.
도5는 도4에 도시된 발광 소자(200)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 구조물(220)은 제1도전형 반도체층(222)과 활성층(224) 및 제2도전형 반도체층(226)을 포함하여 이루어진다.
활성층(224)과 제2도전형 반도체층(226)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer, 미도시)가 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
제1도전형 반도체층(222)의 표면이 패턴을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있고, 제1도전형 반도체층(222)은 제1 전극(280)과 연결된다. 제1 전극(280)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물(220)의 하부에는 제2 전극(282, 도4 참조)과 연결되는 오믹층(240)과 반사층(250)이 제2 전극으로 작용할 수 있다. 제2도전형 반도체층(226)의 하부에는 GaN이 배치되어 제2도전형 반도체층(226)으로의 전류 내지 정공 공급을 할 수 있다.
오믹층(240)은 약 200 옹스트롱(Å)의 두께일 수 있다. 오믹층(240)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.
반사층(250)은 몰리브덴(Mo), 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 활성층(224)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 반도체 소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있고, 몰리브덴은 후술하는 돌출부의 도금 성장에 유리할 수 있다.
지지기판(support substrate, 270)은 금속 또는 반도체 물질 등 도전성 물질로 형성될 수 있다. 전기 전도도 내지 열전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열 전도도가 높은 물질(ex. 금속 등)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 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), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
지지기판(270)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가지기 위하여 50 내지 200 마이크로 미터(mm)의 두께로 이루어질 수 있다.
제1 전극(280)과 제2 전극의 기능을 하는 오믹층(240)과 반사층(250)은 절연막(294)에 의해 전기적으로 단절된다.
접합층(260)은 절연막(294)과 지지기판(270)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다. 접합층(260)은 제1전극(280)과 연결되어 제1도전형 반도체층(222)에 전자(electron)를 공급할 수 있다.
제2구조를 가지는 발광 소자(200)의 경우, 제1구조를 가지는 발광 소자(100)보다 p형 전극(예를 들면, 제2전극)을 통한 캐리어 확산 측면에서 좋지 못하다. 제1구조의 발광 소자(100)에서는 접합층(160)을 발광 구조물(120)의 아래 전면에 정공(hole)을 공급하기 위한 p형 전극(예를 들면, 제2전극)으로 사용할 수 있었지만, 제2구조의 발광 소자(200)에서는 접합층(260)을 발광 구조물(120)에 전자(electron)을 공급하기 위한 n형 전극(예를 들면, 제1전극)으로 사용하고 있기 때문이다. 발광 소자(200)에서 p형 전극(예를 들면, 제2전극)으로 사용되는 오믹층(240)과 반사층(250)의 두께가 얇고, 얇은 박막을 통해 캐리어(예를 들면, 정공)가 이동하기에 저항값이 상승할 수 있다. 저항값의 상승은 발광 구조물(220)에 전반적으로 정공(hole)이 확산하는 데 어려움이 발생할 수 있다. 특히, 발광 구조물(220)이 자외선을 출력하는 경우, p형 전극(예를 들면, 제2전극)을 통해 캐리어를 전면에 주입하는 것이 더욱 유리하다.
도6은 수직형 발광 소자(300)의 제3구조를 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 구조물(320)은 제1도전형 반도체층(322)과 활성층(324) 및 제2도전형 반도체층(326)을 포함하여 이루어진다.
활성층(324)과 제2도전형 반도체층(326)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer, 미도시)가 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
제1도전형 반도체층(322)의 표면이 요철 형상의 패턴을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있고, 제1도전형 반도체층(322)은 제1 전극(380)과 연결된다.
발광 구조물(320)의 하부에는 제2 전극(282, 도4 참조)과 연결되는 오믹층(340)과 반사층(350)이 제2 전극으로 작용할 수 있다. 제2도전형 반도체층(326)의 하부에는 GaN이 배치되어 제2도전형 반도체층(326)으로의 전류 내지 정공 공급을 할 수 있다.
오믹층(340)은 약 200 옹스트롱(Å)의 두께일 수 있다. 오믹층(340)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.
반사층(350)은 몰리브덴(Mo), 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 활성층(324)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 반도체 소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있고, 몰리브덴은 후술하는 돌출부의 도금 성장에 유리할 수 있다.
제1도전형 반도체층(322)에 캐리어(예를 들면, 전자)를 공급하기 위한 제1전극컨택(380), 제1전극(382) 및 제1전극패드(384)는 발광 구조물(320)을 관통한다. 제1 전극컨택(380) 및 제1전극(382)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 제1전극패드(384)는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 주석(Sn) 등의 금속을 포함할 수 있다.
제1 전극컨택(380)을 감싸는 절연막(394)은 제1 전극컨택(380)과 발광 구조물(320)의 활성층(324) 및 제2도전형 반도체층(326)을 전기적으로 단절하기 위한 것이다. 여기서는 오믹층(340)과 반사층(350)이 제2 전극의 기능을 하고 있어, 절연막(394)은 오믹층(340)과 반사층(350)도 제1 전극컨택(380)과 전기적으로 단절시킨다.
지지기판(support substrate, 370)은 금속 또는 반도체 물질 등 도전성 물질로 형성될 수 있다. 전기 전도도 내지 열전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열 전도도가 높은 물질(ex. 금속 등)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 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), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
지지기판(370)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가지기 위하여 50 내지 200 마이크로 미터(mm)의 두께로 이루어질 수 있다.
절연막(394)은 제1 전극컨택(380) 및 제1전극(382)과 제2 전극의 기능을 하는 오믹층(340)과 반사층(350)을 전기적으로 단절시킨다.
접합층(360)은 반사층(350) 및 절연막(394)과 지지기판(370)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다. 접합층(260)은 반사층(350)과 전기적으로 연결되어 제2도전형 반도체층(326)에 캐리어(예를 들면, 정공)를 공급할 수 있다. 접합층(260)이 제2도전형 반도체층(326)에 캐리어를 전달하더라도, 절연막(394)으로 인해 제1 전극(380)과 분리되어 있어 발광 소자(300)가 동작 중 전기적 합선(short)가 발생하지 않는다. 이를 위해, 절연막(394)은 7000nm 이상의 두께를 가질 수 있다.
도7은 수직형 발광 소자(400)의 제4구조를 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 구조물(420)은 제1도전형 반도체층(422)과 활성층(424) 및 제2도전형 반도체층(426)을 포함하여 이루어진다.
활성층(424)과 제2도전형 반도체층(426)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer, 미도시)가 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
제1도전형 반도체층(422)의 표면이 요철 형상의 패턴을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있고, 제1도전형 반도체층(422)은 제1 전극(480)과 연결된다.
발광 구조물(420)의 하부에는 제2 전극(282, 도4 참조)과 연결되는 오믹층(440)과 반사층(450)이 제2 전극으로 작용할 수 있다. 제2도전형 반도체층(426)의 하부에는 GaN이 배치되어 제2도전형 반도체층(426)으로의 전류 내지 정공 공급을 할 수 있다.
오믹층(440)은 약 200 옹스트롱(Å)의 두께일 수 있다. 오믹층(440)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.
반사층(450)은 몰리브덴(Mo), 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 활성층(424)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 반도체 소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있고, 몰리브덴은 후술하는 돌출부의 도금 성장에 유리할 수 있다.
제1도전형 반도체층(422)에 캐리어(예를 들면, 전자)를 공급하기 위한 제1전극(480) 및 제1전극패드(484)는 발광 구조물(420)을 관통한다. 제1 전극(480) 및 제1전극컨택(482)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 제1전극패드(484)는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 주석(Sn) 등의 금속을 포함할 수 있다.
제1 전극(480)을 감싸는 절연막(494)은 제1 전극(480)과 발광 구조물(420)의 활성층(424) 및 제2도전형 반도체층(426)을 전기적으로 단절하기 위한 것이다. 여기서는 오믹층(440)과 반사층(450)이 제2 전극의 기능을 하고 있어, 절연막(494)은 오믹층(440)과 반사층(450)도 제1 전극(480)과 전기적으로 단절시킨다.
지지기판(support substrate, 470)은 금속 또는 반도체 물질 등 도전성 물질로 형성될 수 있다. 전기 전도도 내지 열전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열 전도도가 높은 물질(ex. 금속 등)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 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), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
지지기판(470)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가지기 위하여 50 내지 200 마이크로 미터(mm)의 두께로 이루어질 수 있다.
제1 전극(480)과 제2 전극의 기능을 하는 오믹층(440)과 반사층(450)은 절연막(494)에 의해 전기적으로 단절된다.
접합층(460)은 반사층(450) 및 절연막(494)과 지지기판(470)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다. 접합층(460)은 반사층(450)과 전기적으로 연결되어 제2도전형 반도체층(426)에 캐리어(예를 들면, 정공)를 공급할 수 있다. 접합층(460)이 제2도전형 반도체층(426)에 캐리어를 전달하더라도, 절연막(494)으로 인해 제1 전극(480)과 분리되어 있어 발광 소자(400)가 동작 중 전기적 합선(short)가 발생하지 않는다. 이를 위해, 절연막(494)은 7000nm 이상의 두께를 가질 수 있다.
도8은 도6 또는 도7에 도시된 수직형 발광 소자의 오믹컨택(ohmic contact)을 설명한다.
도시된 바와 같이, 제3구조 또는 제4구조를 가지는 수직형 발광 소자의 전체 면적에 제2오믹컨택(502)을 포함할 수 있고, 제1 전극(584)의 중심으로 방사형으로 확산된 구조를 가지는 제1오믹컨택(504)을 포함할 수 있다.
제2오믹컨택(502)은 발광 구조물(320 또는 420)의 아래에 형성되는 것으로 p형 오믹컨택일 수 있다. 또한, 제1오믹컨택(504)은 제1도전형 반도체층(322 또는 422) 내에 열처리 공정을 통해 확산되어 형성되는 n형 오믹컨택일 수 있다. 제1오믹컨택(504)은 제1 전극(584)을 중심으로 방사형으로 확산될 수 있지만, 그 형태와 면적은 제조 공정에 의해 변화될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 발광 소자 내 발광 구조물에서 출력된 빛은 약 100-320nm 범위의 파장을 가지는 중파장 혹은 단파장 자외선(Ultraviolet B(UVB) or Ultraviolet C(UVC))일 수 있다. 이러한 자외선 LED는 살균기능을 포함하는 장치에 적용할 수 있다. 예를 들어, 살균기능을 갖춘 공기정화기, 가습기, 정수기 등 가정 및 산업 현장 모두에서 사용될 수 있는 장치가 자외선 LED를 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.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400: 수직형 발광 소자
120, 220, 320, 420: 발광 구조물
122, 222, 322, 422: 제1도전형 반도체층
124, 224, 324, 424: 활성층
126, 226, 326, 426: 제2도전형 반도체층
140, 240, 340, 440: 오믹층
150, 250, 350, 450: 반사층
160, 260, 360, 460: 접합층
294, 394, 494: 절연막

Claims (21)

  1. 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 발광 구조물의 하부에 상기 제2도전형 반도체층과 연결되는 제2전극층; 및
    상기 발광 구조물을 기 설정된 간격마다 관통하여 상기 제1도전형 반도체층과 연결되는 복수의 제1전극층을 포함하고,
    상기 복수의 제1전극층은,
    상기 제1도전형 반도체층으로부터 노출되고, 상기 제1도전형 반도체층의 상면에 배치되는 제1전극 패드;
    상기 제1전극 패드의 하부에 배치되는 제1전극;
    상기 제1전극의 하부에 배치되고, 상기 제1도전형 반도체층과 연결된 제1오믹층; 및
    상기 제2전극층과 상기 제1오믹층을 전기적으로 단절하기 위해 상기 제1전극의 하부에 배치된 절연층;을 포함하고,
    상기 제1오믹층의 상면의 길이는 상기 제1전극의 상면의 길이보다 큰, 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물이 기 설정된 면적만큼 형성되면, 상기 제2전극층은 상기 발광 구조물의 하부 전체에 위치하는, 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층은 n형 도전형 금속을 포함하는 알루미늄갈륨질화물(AlGaN)인, 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층의 상부 표면은 요철형상을 가지는, 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극층은
    상기 제2도전형 반도체층과 제2오믹컨택을 형성하기 위한 제2오믹층; 및
    상기 제2오믹층의 아래에 위치하여 상기 활성층에서 방출된 빛을 반사시킬 수 있는 반사층을 포함하는, 발광 소자.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1오믹층은 상기 절연층에 둘러싸여 상부표면만 제1도전형 반도체층과 연결되는, 발광 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극층 및 상기 제2전극층의 하부에 위치한 지지기판; 및
    상기 지지기판에 상기 제1전극층과 상기 제2전극층을 접합하기 위한 접합층을 더 포함하는, 발광 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 접합층은 금속을 포함하여, 상기 제2전극층에 캐리어를 공급하는, 발광 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물에서 출력된 빛이 상면 방향으로 방출되는 수직형 구조를 가진, 발광 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물에서 출력된 빛은 100-320nm 범위의 파장을 가지는 자외선(Ultraviolet: UV)인, 발광 소자.
  15. 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 발광 구조물의 하부에 위치한 제2전극층; 및
    상기 발광 구조물에 둘러싸여 노출되는 제1전극층을 포함하고,
    상기 제2전극층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 제2오믹컨택이 형성되고, 상기 제1전극층과 상기 제1도전형 반도체층 사이에 제1오믹컨택이 형성되며,
    상기 제1전극층은,
    상기 제1도전형 반도체층으로부터 노출되고, 상기 제1도전형 반도체층의 상면에 배치되는 제1전극 패드;
    상기 제1전극 패드의 하부에 배치되는 제1전극;
    상기 제1전극의 하부에 배치되고, 상기 제1오믹컨택을 통하여 상기 제1도전형 반도체층과 연결된 제1오믹층; 및
    상기 제2전극층과 상기 제1오믹층을 전기적으로 단절하기 위해 상기 제1전극의 하부에 배치된 절연층;을 포함하고,
    상기 제1오믹층의 상면의 길이는 상기 제1전극의 상면의 길이보다 큰, 발광 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층은 알루미늄갈륨질화물(AlGaN)를 포함하고, 상기 발광 구조물은 100-320nm 범위의 파장을 가지는 자외선(Ultraviolet: UV)을 출력하는, 발광 소자.
  17. 삭제
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2전극층은
    상기 제2도전형 반도체층과 상기 제2오믹컨택을 형성하기 위한 제2오믹층; 및
    상기 제2오믹층의 아래에 위치하여 상기 활성층에서 방출된 빛을 반사시킬 수 있는 반사층을 포함하는, 발광 소자.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제15항에 있어서,
    상기 제1전극층 및 상기 제2전극층의 하부에 위치한 지지기판; 및
    상기 지지기판에 상기 제1전극층과 상기 제2전극층을 접합하기 위한 접합층을 더 포함하는, 발광 소자.
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