KR102554517B1 - 자외선 발광소자 및 조명시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 자외선 발광소자는 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112); 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 상에 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118); 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118) 상에 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116);을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)의 Al의 농도는 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 Al의 농도보다는 높을 수 있다.
상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 In을 포함할 수 있다.

Description

자외선 발광소자 및 조명시스템{UV LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHTING SYSTEM}
실시예는 자외선 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 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, 환경 친화성의 장점을 가진다. 뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
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 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다. 또한, 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 3족-5족의 원소 또는 2족-6족 원소가 화합되어 생성될 수 있고, 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭 넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자, 적색(RED) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
예를 들어, 자외선 발광소자의 경우, 200nm~400nm의 파장대에 분포되어 있는 빛을 발생하는 발광 다이오드로서, 상기 파장대에서, 단파장의 경우, 살균, 정화 등에 사용되며, 장파장의 경우 노광기 또는 경화기 등에 사용될 수 있다.
예를 들어, 자외선은 파장이 긴 순서대로 UV-A((315~400nm)), UV-B(280~315nm), UV-C(200~280nm) 세 가지고 나뉠 수 있는데, UV-A(315~400nm) 영역은 산업용 UV경화, 인쇄 잉크경화, 노광기, 위폐감별, 광촉매 살균, 특수조명(수족관/농업용 등) 등의 다양한 분야에 응용되고 있고, UV-B (280~315nm) 영역은 의료용으로 사용되며, UV-C(200~280nm) 영역은 공기 정화, 정수, 살균 제품 등에 적용되고 있다.
자외선 발광소자는 청색 발광소자에 비해, 광 취득 효율 및 광 출력이 떨어진다는 문제가 있다. 이는 자외선 발광소자의 실용화에 장벽으로 작용하고 있다.
예를 들어, 자외선 발광소자에 사용되는 Ⅲ족 질화물은 가시광선에서 자외선까지 광범위하게 활용될 수 있으나, 가시광선 대비 자외선의 효율이 떨어지는 문제가 있다. 그 이유는 자외선의 파장으로 갈수록 Ⅲ족 질화물이 자외선을 흡수한다는 것과, 낮은 결정성에 의한 내부 양자효율의 저하가 원인이다.
이에 따라, 종래기술에 의하면 Ⅲ족 질화물에서의 자외선 흡수를 방지하기 위해, 성장기판, GaN층, AlGaN층, 활성층 등을 순차적으로 성장한 후에, 자외선 흡수 가능성이 있는 GaN층을 제거하고 AlGaN층을 노출시키고 있으나, AlGaN층의 낮은 결정성에 의해 내부 양자효율 저하의 문제는 해결하기 어려운 실정이다.
한편, 최근 약 360nm 내지 368nm 파장의 자외선 발광소자에서는 광 흡수에 의한 광도 저하를 없애기 위해 p형 반도체층을 p형 AlGaN층으로 성장하는데, Al 함량에 따라 p형 도펀트, 예를 들어 Mg의 활성화 에너지(Activation E)가 높아져 활성화된 홀의 비율이 저하됨에 따라 홀 농도(Hole Concentration)가 좋지 못해 발광효율이 저하되고, 활성층을 포함한 발광구조층의 결정 품질(Quality)이 좋지 못해 발광효율이 저하되는 문제가 있다.
또한 종래 자외선 발광소자에서는 활성층의 양자벽과 전자차단층의 계면에서의 격자 상수차이에 의하여 분극(Polarization)이 발생하여 밴드갭 에너지 준위에서 노치(Notch)가 발생하고, 이러한 밴드갭 에너지 준위에서의 노치는 홀 이동의 장애로 기능하여 홀 주입(Hole Injection) 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한 질화물 반도체를 이용한 발광소자의 경우, 전자(electron)와 정공(hole)의 주입효율과 농도의 비 대칭(예를 들어, 전자가 100배 가량 농도가 높음)으로 인하여 고전류 주입시 많은 캐리어(Carrier)들이 발광 재결합되지 못하고 오버플로우(overflow)되어 결과적으로 발광 효율드룹(Efficiency droop)과 같은 발광효율 저하가 나타하는 문제가 있다.
실시예의 해결과제 중의 하나는, 캐리어 농도를 향상시킴과 동시에 발광구조층의 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 해결과제 중의 하나는, 활성층의 양자벽과 전자차단층의 계면에서의 격자 상수차이에 의하여 분극(Polarization) 발생을 제거하여 캐리어 주입효율을 향상시킬 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 해결과제 중의 하나는, 동작전압을 개선하고 광 출력을 향상시킬 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 해결과제 중의 하나는, 드룹(Droop) 현상을 완화하거나 해소할 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하고자 함이다.
실시예의 해결과제는 본 항목에 기재된 내용에 한정되는 것은 아니며, 발명의 설명 전체의 기재 내용을 기준으로 해결하고자 하는 객관적 기술과제가 기술될 수 있다.
실시예에 따른 자외선 발광소자는 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112); 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 상에 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118); 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118) 상에 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116);을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)의 Al의 농도는 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 Al의 농도보다는 높을 수 있다.
상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 In을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 조명장치는 상기 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함할 수 있다.
실시예는 캐리어 농도를 향상시킴과 동시에 발광구조층의 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 활성층의 양자벽과 전자차단층의 계면에서의 격자 상수차이에 의하여 분극(Polarization) 발생을 제거하여 캐리어 주입효율을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 동작전압을 개선하고 광 출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 드룹(Droop) 현상을 완화하거나 해소할 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 자외선 발광소자의 평면 투영도.
도 2는 실시예에 따른 자외선 발광소자의 단면도.
도 3은 실시예에 따른 자외선 발광소자의 부분(E) 확대 단면도.
도 4는 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 발광구조층의 제1 실시예의 단면도.
도 5a와 도 5b는 종래기술과 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 파장에 따른 광도 데이터.
도 6은 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 발광구조층의 제2 실시예의 단면도.
도 7a와 도 7b는 제2 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 동작전압과 캐리어 농도 데이터.
도 8은 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 발광구조층의 제3 실시예의 단면도.
도 9는 제4 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층에서 Si 도핑 농도 데이터.
도 10 내지 도 21은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정 단면도.
도 22는 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 23은 실시예에 따른 조명 장치의 사시도.
이하 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명하나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예는 비아홀 타입 수직형 발광소자를 중심으로 설명하나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예의 발광소자는 수평형 발광소자, 수직형 발광소자 등에도 적용될 수 있다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 자외선 발광소자(100)의 평면 투영도이며, 도 2는 도 1의 A-A'선을 따른 실시예의 단면도이다. 도 1에 도시된 구성들은 도 2에서도 도시되어 있으므로, 이하 도 2를 기준으로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 발광구조층(110), 제1 전극층(150), 제2 전극층(130), 컨택층(160), 하부 전극(159), 패드 전극(180), 절연층(140), 패시베이션층(170) 중 적으로 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112), 활성층(114), 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)을 포함하는 발광구조층(110), 상기 발광구조층(110) 하측에 배치되는 제1 전극층(150), 상기 발광구조층(110)의 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 전기적으로 연결되는 제2 전극층(130), 상기 제1 전극층(150)과 상기 발광구조층(110)의 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)을 전기적으로 연결하는 컨택층(160), 상기 제2 전극층(130) 하측에 배치되는 하부 전극(159), 상기 발광구조층(110)의 제1 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 전기적으로 연결되는 패드 전극(180), 상기 제2 전극층(130)과 상기 제1 전극층(150) 사이의 전기적인 절연을 하는 절연층(140), 상기 발광구조층(110) 상에 배치되는 패시베이션층(170)을 포함할 수 있다. 상기 발광구조층(110)의 상면에 광 추출 구조(P)가 형성되어 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이하 도 2를 참조하여 실시예에 따른 자외선 발광소자의 기술적 특징을 기술하기로 한다.
<제1 전극층>
실시예에서 제1 전극층(150)은 컨택층(160)의 측면에 배치되는 확산방지층(154)과, 상기 확산방지층(154) 아래에 배치되는 접합층(156) 및 상기 접합층(156) 아래에 배치된 지지부재(158)를 포함할 수 있다. 상기 확산방지층(154) 및/또는 상기 접합층(156)은 Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층일 수 있다.
상기 제1 전극층(150)의 확산방지층(154)은 상기 컨택층(160)의 측면과 접할 수 있고, 상기 접합층(156)은 상기 컨택층(160)과 접함으로써 제1 전극층(150)과 컨택층(160) 간의 접촉면적을 확장시킬 수 있다.
이에 따라, 실시예에 의하면 컨택층(160)과 제1 전극층(150) 사이의 접촉 저항이 감소됨으로써 동작전압 상승을 방지하여 광출력(Po)을 향상시키고 전기적인 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 컨택층(160)과 제1 전극층(150) 간의 접촉면적 증가에 따라 전류 주입효율을 향상시킴으로써 광속(Luminous Flux)을 향상시킬 수 있다.
<컨택층>
실시예의 컨택층(160)은 상기 활성층(114)을 관통하여 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 일부를 노출하는 복수의 홀로부터 하측 방향의 제1 전극층(150) 방향으로 연장되어 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 컨택층(160)은 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 저면으로부터 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 상기 활성층(114)을 관통하여 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 일부를 노출하는 복수의 홀을 통해 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이에 따라, 실시예에서 상기 컨택층(160)의 상면은 상기 활성층(114) 보다 높게 배치되고, 상기 컨택층(160)의 저면은 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 보다 낮게 배치될 수 있다.
상기 컨택층(160)은 도전성의 금속물질 또는 반도체물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 컨택층(160)은 Ti, Cr, Ta, Al, Pd, Pt, Cu, Ni, Ag, Mo, Al, Au, Nb, W과 이들의 선택적인 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 상기 컨택층(160)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 컨택층(160)은 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다.
실시예에서 상기 컨택층(160)의 하부 영역은 측면에 기울기를 구비하여 표면적을 넓힐 수 있고, 상기 확산방지층(154)이 상기 컨택층(160)의 측면과 접촉함으로써 상호간의 접촉면적을 넓혀 접촉 저항의 감소에 의해 동작전압의 상승을 방지할 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 상기 컨택층(160)의 기울기 있는 측면과 상기 확산방지층(154)이 접함으로써 접촉면적을 넓혀 제1 전극층(150)과 컨택층(160)간의 전류 주입효율을 향상시킴으로써 광속을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.
<제2 전극층>
실시예의 제2 전극층(130)은 제2 컨택 전극(132), 반사층(134), 및 캡핑층(136)을 포함할 수 있으며, 상기 제2 전극층(130)은 상기 패드 전극(180)로부터 공급되는 전원을 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 공급할 수 있다.
상기 제2 컨택 전극(132)은 발광구조층(110)의 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 오믹 접촉될 수 있으며, 적어도 하나의 전도성 물질을 포함할 수 있고, 단층 또는 다층으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 컨택 전극(132)은 금속, 금속 산화물 및 금속 질화물 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 컨택 전극(132)은 투광성의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제2 컨택 전극(132)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZON(IZO nitride), 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), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, Ni/IrOx/Au/ITO, Pt, Ni, Au, Rh 또는 Pd 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반사층(134)은 상기 제2 컨택 전극(132) 상에 배치되며, 제2 컨택 전극(132)을 통해 입사된 광을 반사시켜 줄 수 있다. 상기 반사층(134)은 금속을 포함하며, 예컨대 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 한 층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
상기 캡핑층(136)은 상기 반사층(134) 상에 배치되며 이후 형성되는 패드 전극(180)로부터 공급되는 전원을 반사층(134)에 공급할 수 있다. 상기 캡핑층(136)은 전류 확산층으로 기능할 수 있다. 상기 캡핑층(136)은 금속을 포함하며, 전기 전도성이 높은 물질로서, 예컨대 Sn, Ga, In, Bi, Cu, Ni, Ag, Mo, Al, Au, Nb, W, Ti, Cr, Ta, Al, Pd, Pt, Si와 이들의 선택적인 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
<채널층>
실시예는 컨택층(160)의 상부 측면과 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 사이에 배치되는 채널층(120)을 포함할 수 있다.
상기 채널층(120)은 상기 컨택층(160)의 상부 측면과 상기 활성층(114) 및 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 사이에도 배치될 수 있다. 이를 통해 상기 채널층(120)은 상기 컨택층(160)과 상기 활성층(114) 및 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 간의 단락을 방지할 수 있다.
실시예에서 상기 채널층(120)의 반사율은 50%를 초과할 수 있다. 예를 들어, 상기 채널층(120)은 SiOx, SiO2, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중 에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성될 수 있으며, 이러한 절연물질에 반사물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 채널층(120)은 절연물질에 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, 또는 Hf 중 어느 하나 이상의 물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있으며, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
실시예에 의하면, 컨택층 기능을 하는 컨택층(160)의 측면에 반사물질이 포함된 채널층(120)이 배치됨으로써, 종래기술과 달리 컨택층(160)에 의한 광 흡수를 방지함으로써 광추출 효율을 향상시켜 광속을 향상시킬 수 있다.
<발광구조층>
실시예의 발광소자는 적외선 발광소자일 수 있다. 이에 따라, 실시예의 발광구조층(110)은 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112), 활성층(114), 및 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 도 2에 도시된 실시예에 따른 자외선 발광소자의 부분(E) 확대 단면도이다.
우선, 도 3을 참조하여 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 에피 구조층의 특징을 중심으로 기술적 특징을 설명하기로 한다.
실시예의 해결과제 중의 하나는, 캐리어 농도를 향상시킴과 동시에 발광구조층의 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하고자 함이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 실시예의 발광소자(100)는 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)과, 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 상에 활성층(114)과, 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)과, 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118) 상에 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)의 Al의 농도는 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 Al의 농도보다는 높을 수 있고, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 In을 포함할 수 있다.
우선, 실시예에서 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, AlN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)은 제1 도전형 Alx1Ga1 - x1N층(0<x1<1)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, AlN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, AlGaInP 중 서로 다른 두 층을 교대로 배치된 초격자 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)은 n형 반도체층일 수 있으며, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
다음으로, 실시예는 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 상에 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115)을 포함할 수 있다.
상기 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115)은 GaN/AlGaN층, InGaN/AlGaN층 등의 조합으로 복수의 페어로 형성될 수 있으며 전류확산에 기여하여 전기적 특성의 향상 및 광도 향상에 기여할 수 있다. 상기 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115)의 AlGaN층에는 n형 도펀트의 주입으로 전기적 특성이 향상될 수 있다.
실시예에서 활성층(114)은 InGaN 계열 양자우물(114W)과 AlGaN 계열 양자벽(114B)을 포함할 수 있다. 실시예에서 InGaN 계열 양자우물(114W)은 고품질의 활성층을 구현하기 위해 알루미늄(Al)을 포함하지 않을 수 있다.
상기 InGaN 계열 양자우물(114W)은 InpGa1 - pN(0≤p≤0.02)의 조성을 구비함에 따라 고효율의 칩 구현 및 드룹(Droop)을 개선할 수 있다. 실시예에서 상기 AlGaN 계열 양자벽(114B)은 AlyGa1 - yN층(0<y<1)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)은 InpGa1 - pN(0<p≤0.02)의 조성을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)에서 In은 약 2% 이하의 조성으로 도핑될 수 있다. 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)에서 In은 트리트먼트 수준으로 도핑될 수 있다. 상기 조성 수준의 도핑에 의해 3원자 화합물이 반드시 형성되는 것은 아닐 수 있다.
이에 따라 InGaN 계열 양자우물(114W)은 In이 베이컨시(vacancy)에 위치함에 따라 디펙트가 줄어들어 양자우물의 결정품질이 향상됨에 따라 광도가 향상될 수 있다.
또한 실시예에서 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)은 InpGa1 - pN(p0)의 조성을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)에서 In이 도핑되지 않은 GaN 층일 수도 있다.
다음으로, 실시예는 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)과 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
이하 도 4 내지 도 9를 참조하여 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)과 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 대해서 상술하기로 한다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 발광구조층의 제1 실시예의 부분(A1) 확대 단면도이다.
우선, 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)의 밴드갭 에너지 준위는 이후 형성되는 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 밴드갭 에너지 준위보다 클 수 있다.
이에 따라 상기 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)은 캐리어의 오버플로우를 방지하는 전자차단층 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)은 Al의 농도가 약 20% 내지 25%로 제어됨으로써 전자의 오버플로우를 방지할 수 있다. 상기 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)은 Al의 농도가 약 20% 미만의 경우 밴드갭 에너지 준위가 낮아 전차차단 기능을 수행하기 어려울 수 있고, Al의 농도가 약 25%를 초과하는 경우 활성층과 격자상수 차이에 의해 에피층의 막질이 저하될 수 있다.
실시예는 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118) 상에 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, AlN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체층으로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 p형 반도체층일 수 있으며, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn 등과 같은 p형 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있고, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에서 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 위에는 제3 도전형 반도체층(미도시) 예컨대, 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라 상기 발광구조층(110)은 n-p 접합, p-n 접합, n-p-n 접합, p-n-p 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 도 4와 같이, 실시예에서 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 In을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 In이 도핑된 층을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 제1 In 도핑층(116I)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 전체적으로 In이 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에서 In의 농도는 0.5% 내지 1%일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에서 In은 약 1% 이하의 조성으로 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에서 In은 트리트먼트 수준으로 도핑될 수 있다. 상기 조성 수준의 도핑에 의해 3원자 화합물이 반드시 형성되는 것은 아닐 수 있다.
이에 따라 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에서 In이 베이컨시(vacancy)에 위치함에 따라 디펙트가 줄어들어 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 결정품질이 향상됨에 따라 광도가 향상될 수 있다.
상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에서 In이 약 1% 초과하여 도핑되는 경우 인듐의 큰 격자상수에 의해 막질이 저하될 수 있으며, In이 약 0.5% 미만으로 도핑시 In 도핑에 따른 격자 메움의 효과가 낮을 수 있다.
실시예에 따라 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에서 In이 약 0.5% 내지 1% 도핑되는 경우 에닥스(EDAX) 장비를 통해 In 피크(peak)의 관찰이 가능할 수 있다.
종래와 최근 UV칩 기술에서는 p형 AlGaN층의 막질 품질 유지를 위해, 약 900℃ 내지 1100℃의 온도와 수소분위기에서 p형 AlGaN층 형성공정이 진행되고 있다.
한편, UV칩 기술분야에서는 이러한 높은 온도와 수소분위기에서 In이 도핑되기는 어려운 상태이다.
이러한 상황에도 불구하고 이건출원의 발명자는 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 In을 트리트먼트 수준으로 도핑함으로써 발광구조층의 막질품질의 향상과 더불어 캐리어 농도의 향상이라는 특유의 기술적 효과를 이루어 내었다.
도 5a는 종래기술에 따른 자외선 발광소자에서 파장에 따른 광도 데이터이며, 도 5b는 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 파장에 따른 광도 데이터이다(X축은 파장, Y축은 광도 데이터).
도 5a와 같이, 실시예에 따른 기술적 특징이 반영되지 않는 자외선 발광소자의 경우, 약 365nm 내외의 파장영역에 대해 평균 광도가 약 641mW에 불과하나, 도 5b와 같이, 제1 실시예에 따른 기술적 특징에 따라 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에서 In이 약 0.5% 내지 1% 도핑되는 경우, 약 365nm 내외의 파장영역에 대해 평균 광도가 약 672.8mW에 이르러 약 30mW이 상의 광도 증가의 효과가 있었다.
이에 따라 실시예는 캐리어 농도, 예를 들어 홀의 농도를 향상시킴과 동시에 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)도 In을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 In이 도핑된 층을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 제2 In 도핑층(118I)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 전체적으로 In이 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에서 In의 농도는 0.5% 내지 1%일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에서 In은 약 1% 이하의 조성으로 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에서 In은 트리트먼트 수준으로 도핑될 수 있다. 상기 조성 수준의 도핑에 의해 3원자 화합물이 반드시 형성되는 것은 아닐 수 있다.
이에 따라 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에서 In이 베이컨시(vacancy)에 위치함에 따라 디펙트가 줄어들어 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)의 결정품질이 향상됨에 따라 광도가 향상될 수 있다.
상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에서 In이 약 1% 초과하여 도핑되는 경우 인듐의 큰 격자상수에 의해 막질이 저하될 수 있으며, In이 약 0.5% 미만으로 도핑시 In 도핑에 따른 격자 메움의 효과가 낮을 수 있다.
이에 따라 실시예는 캐리어 농도, 예를 들어 홀의 농도를 향상시킴과 동시에 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
다음으로, 도 6은 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 발광구조층의 제2 실시예의 부분(A2) 단면도이다.
실시예의 해결과제 중의 하나는, 캐리어 농도를 향상시킴과 동시에 발광구조층의 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 해결과제 중의 하나는, 활성층의 양자벽과 전자차단층의 계면에서의 격자 상수차이에 의하여 분극(Polarization) 발생을 방지하여 캐리어 주입효율을 향상시킬 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하고자 함이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 실시예는 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 Si이 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 Si이 도핑된 층을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 제1 Si 도핑층(116S)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 전체적으로 Si이 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7a와 도 7b는 제2 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 동작전압과 캐리어 농도 데이터이다.
실시예에 의하면, 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 제2 도전형 도펀트, 예를 들어 Mg과 함께 Si이 도핑됨에 따라 어셉터-도너 콤플렉스(acceptor-donor complex) 효과에 의해 Mg의 활성화 에너지가 낮아져서 홀의 농도가 높아지는 기술적 효과가 있다.
이에 따라, 도 7a와 같이 저항이 감소할 수 있고, 도 7b와 같이 홀의 농도가 극대화될 수 있다.
실시예에서 저항의 감소와 홀의 농도 증대를 위해, Si/Mg의 도핑농도비는 약 0.10% 내지 0.20%일 때, 그 저항 감소효과와 홀 농도 증대의 효과가 최적영역(C)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 Si의 도핑농도는 약 1X1018 내지 1X1020 atoms/cm2일 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 Si의 도핑농도가 1X1020 atoms/cm2 초과일 경우 막질이 저하될 수 있고, 1X1018 미만의 경우 캐리어 증대효과가 미미할 수 있다.
실시예에서 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 Si의 도핑농도는 약 5X1018 내지 1X1019 atoms/cm2일 때, 홀의 농도가 최대일 수 있고, 저항 감소도 가장 많이 나타날 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 실시예는 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에도 Si이 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 Si이 도핑된 층을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 제2 Si 도핑층(118S)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 전체적으로 Si이 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도는 약 1X1018 내지 1X1020 atoms/cm2일 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도가 1X1020 atoms/cm2초과일 경우 막질이 저하될 수 있고, 1X1018 미만의 경우 캐리어 증대효과가 미미할 수 있다.
실시예에서 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도는 약 5X1018 내지 1X1019 atoms/cm2일 때, 홀의 농도가 최대일 수 있고, 저항 감소도 가장 많이 나타날 수 있다.
다음으로 도 8은 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 발광구조층의 제3 실시예의 부분(A3) 단면도이다.
제3 실시예는 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 In과 Si이 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 Si이 도핑된 층과 In이 도핑된 층을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 제1 Si 도핑층(116S), 제1 In 도핑층(116I)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 전체적으로 Si과 In이 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 제3 실시예는 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에도 In과 Si이 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 Si이 도핑된 층과 In이 도핑된 층을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 제2 Si 도핑층(118S), 제2 In 도핑층(118I)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 전체적으로 Si과 In이 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 Si의 도핑농도는 약 1X1018 내지 1X1020 atoms/cm2일 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도가 1X1020 atoms/cm2초과일 경우 막질이 저하될 수 있고, 1X1018 미만의 경우 캐리어 증대효과가 미미할 수 있다. 또한, 상기 In의 도핑농도는 약 0.5% 내지 1% 도핑일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 또는 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 In과 Si이 도핑됨에 따라 캐리어 농도를 향상시킴과 함께 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
도 9는 제4 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에서 Si 도핑 농도 데이터이다.
실시예의 해결과제 중의 하나는, 활성층의 양자벽과 전자차단층의 계면에서의 격자 상수차이에 의하여 분극(Polarization) 발생을 제거하여 캐리어 주입효율을 향상시킬 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하고자 함이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 도 9와 같이, 실시예에서 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도는 최대(Max)에서 상기 활성층(114)에서 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 방향으로 농도 zero(0)를 향해 감소할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도는 상기 활성층(114)에서 약 1X1018 내지 1X1020 atoms/cm2일 수 있고, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 인접한 영역에서는 Si 도핑농도가 없을 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도가 감소하는 경향은 점차 감소하거나 단계적으로 감소할 수 있다. 또는 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도가 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 인접 영역까지는 일정하게 위지되다가 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)과 인접한 영역에서는 Si 도핑농도가 없을 수 있다.
제4 실시예와 같이 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도 감소하도록 Mg과 코도핑(Co-doping)을 하게 되면, Si 도핑이 많이 된 활성층(114)과 인접한 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)의 앞 부분은 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 인접한 뒷부분과 비교하여 홀 농도(Hole Concentration)가 높게 될 수 있다.
이로 인하여 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118) 내에서 내부 전기장에 따른 유발된 분극(Polarization)이 발생하고, 이러한 유발 분극으로 인하여 기존 분극에 의한 노치(Notch)를 제거하여 홀 주입효율을 증대시킬 수 있다.
실시예는 캐리어 농도를 향상시킴과 동시에 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 활성층의 양자벽과 전자차단층의 계면에서의 격자 상수차이에 의하여 분극(Polarization) 발생을 제거하여 캐리어 주입효율을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 동작전압을 개선하고 광 출력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 드룹(Droop) 현상을 완화하거나 해소할 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
<제조방법>
이하, 도 10 내지 도 21을 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하기로 한다. 이때 제조방법의 설명은 실시예를 중심으로 설명하나 제조방법이 이하의 설명 내용으로 한정되는 것은 아니다.
우선, 도 10과 같이 성장 기판(105) 상에 발광구조층(110)이 형성될 수 있다. 상기 발광구조층(110)은 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112), 활성층(114), 및 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
성장 기판(105)은 성장 장비에 로딩되고, 그 위에 II족 내지 VI족 원소의 화합물 반도체를 이용하여 층 또는 패턴 형태로 형성될 수 있다.
상기 성장 장비는 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등이 채용될 수 있으며, 이러한 장비로 한정되지는 않는다.
상기 성장 기판(105)은 도전성 기판 또는 절연성 기판 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 성장 기판(105)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 어느 하나로 선택될 수 있다.
상기 성장 기판(105) 위에는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 성장 기판(105)과 이후 형성되는 발광구조층(110)인 질화물 반도체층 사이의 격자 상수의 차이를 줄여주게 되며, 그 물질은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중에서 선택될 수 있다.
상기 버퍼층 상에는 언도프드 반도체층(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 언도프드 반도체층은 도핑되지 않는 GaN계 반도체로 형성될 수 있으나, 이후 형성되는 제1 도전형 반도체층에서의 n형 도핑원소의 확산에 의해 n형 반도체층보다 저농도의 n형 반도체층이 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 제1 기판(105) 상에 제1 도전형 반도체층(111)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(111)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있고, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있으며, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(111)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(111)은 GaN 계열 반도체층일 수 있으며, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(111)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
이에 따라, 실시예는 GaN 계열 반도체층인 제1 도전형 반도체층(111)의 형성에 따라 후속되는 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)이 기판(105)과의 격자상수 차이가 덜 생길 수 있고, 자외선 흡수의 가능성이 있는 제1 도전형 반도체층(111)은 기판(105)의 제거공정에서 함께 제거될 수 있다.
한편, 도 11은 실시예에 따른 자외선 발광소자의 부분(E) 확대도로서, 이하 도 11을 참조하여 실시예의 기술적인 특징을 좀 더 설명하기로 한다.
실시예의 발광소자(100)는 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)과, 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 상에 제1 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(113)과, 상기 제1 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(113) 상에 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115)과, 상기 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115) 상에 활성층(114)과, 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
실시예에서 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, AlN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)은 제1 도전형 Alx1Ga1 - x1N층(0<x1<1)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, AlN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, AlGaInP 중 서로 다른 두 층을 교대로 배치된 초격자 구조를 포함할 수 있다. 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)은 n형 반도체층일 수 있으며, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 상에 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115)이 형성될 수 있다. 상기 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115)은 GaN/AlGaN층, InGaN/AlGaN층 등의 조합으로 복수의 페어로 형성될 수 있으며 전류확산에 기여하여 전기적 특성의 향상 및 광도 향상에 기여할 수 있다. 상기 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115)의 AlGaN층에는 n형 도펀트의 주입으로 전기적 특성이 향상될 수 있다.
다음으로, 상기 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115) 상에 활성층(114)이 형성될 수 있다. 실시예에서 활성층(114)은 InGaN 계열 양자우물(114W)과 AlGaN 계열 양자벽(114B)을 포함할 수 있다.
실시예에서 InGaN 계열 양자우물(114W)은 고품질의 활성층을 구현하기 위해 알루미늄(Al)을 포함하지 않을 수 있다.
상기 InGaN 계열 양자우물(114W)은 InpGa1 - pN(0≤p≤0.02)의 조성을 구비함에 따라 고효율의 칩 구현 및 드룹(Droop) 개선할 수 있다. 실시예에서 상기 AlGaN 계열 양자벽(114B)은 AlyGa1 - yN층(0<y<1)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)은 InpGa1 - pN(0<p≤0.02)의 조성을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)에서 In은 약 2% 이하의 조성으로 도핑될 수 있다. 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)에서 In은 트리트먼트 수준으로 도핑될 수 있다. 상기 조성 수준의 도핑에 의해 3원자 화합물이 반드시 형성되는 것은 아닐 수 있다.
이에 따라 InGaN 계열 양자우물(114W)은 In이 베이컨시(vacancy)에 위치함에 따라 디펙트가 줄어들어 양자우물의 결정품질이 향상됨에 따라 광도가 향상될 수 있다.
또한 실시예에서 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)은 InpGa1 - pN(p0)의 조성을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 InGaN 계열 양자우물(114W)에서 In이 도핑되지 않은 GaN 층일 수도 있다.
다음으로, 활성층(114) 상에 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)의 밴드갭 에너지 준위는 이후 형성되는 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 밴드갭 에너지 준위보다 클 수 있다.
이에 따라 상기 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)은 캐리어의 오버플로우를 방지하는 전자차단층 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)은 Al의 농도가 약 20% 내지 25%로 제어됨으로써 전자의 오버플로우를 방지할 수 있다. 상기 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118)은 Al의 농도가 약 20% 미만의 경우 밴드갭 에너지 준위가 낮아 전차차단 기능을 수행하기 어려울 수 있고, Al의 농도가 약 25%를 초과하는 경우 활성층과 격자상수 차이에 의해 에피층의 막질이 저하될 수 있다.
다음으로 제2 도전형 AlGaN 계열 제2 반도체층(118) 상에 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)이 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, AlN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체층으로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 p형 반도체층일 수 있으며, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn 등과 같은 p형 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있고, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에서 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 위에는 제3 도전형 반도체층(미도시) 예컨대, 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라 상기 발광구조층(110)은 n-p 접합, p-n 접합, n-p-n 접합, p-n-p 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 12는 실시예에 따른 자외선 발광소자에서 발광구조층의 부분 단면도이다.
실시예는 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 In과 Si이 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 Si이 도핑된 층과 In이 도핑된 층을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 제1 Si 도핑층(116S), 제1 In 도핑층(116I)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)은 전체적으로 Si과 In이 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 실시예는 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에도 In과 Si이 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 Si이 도핑된 층과 In이 도핑된 층을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 제2 Si 도핑층(118S), 제2 In 도핑층(118I)을 포함할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)은 전체적으로 Si과 In이 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 Si의 도핑농도는 약 1X1018 내지 1X1020 atoms/cm2일 수 있다. 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도가 1X1020 atoms/cm2초과일 경우 막질이 저하될 수 있고, 1X1018 미만의 경우 캐리어 증대효과가 미미할 수 있다. 또한, 상기 In의 도핑농도는 약 0.5% 내지 1% 도핑일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 또는 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 In과 Si이 도핑됨에 따라 캐리어 농도를 향상시킴과 함께 막질의 품질(Quality)을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있는 자외선 발광소자 및 이를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예에서 상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도는 최대(Max)에서 상기 활성층(114)에서 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 방향으로 농도 zero(0)를 향해 감소할 수 있다.
실시예와 같이 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)에 Si의 도핑농도 감소하도록 Mg과 코도핑(Co-doping)을 하게 되면, Si 도핑이 많이 된 활성층(114)과 인접한 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118)의 앞 부분은 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 인접한 뒷부분과 비교하여 홀 농도(Hole Concentration)가 높게 될 수 있다. 이로 인하여 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118) 내에서 내부 전기장에 따른 유발된 분극(Polarization)이 발생하고, 이러한 유발 분극으로 인하여 기존 분극에 의한 노치(Notch)를 제거하여 홀 주입효율을 증대시킬 수 있다.
다음으로, 도 13과 같이, 상기 발광구조층(110)의 일부를 제거하는 메사 에칭공정이 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 상기 활성층(114)의 관통하여 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 일부를 노출하는 복수의 홀(H)이 형성될 수 있다.
실시예에서 상기 복수의 홀(H)은 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)에서 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 상면까지 소정의 각도 예컨대, 상기 발광구조층(110)의 상면에 대해 둔각의 각도로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 복수의 홀(H)은 제1 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(113)과 GaN/AlGaN 계열 초격자층(115)도 관통할 수 있다.
실시예에서 상기 복수의 홀(H)의 수평폭은 하측으로 갈수록 감소할 수 있다. 한편, 도 2를 기준으로 하면 상기 복수의 홀(H)의 수평폭은 상측으로 갈수록 감소할 수 있다.
다시 도 13을 기준으로 설명하면, 실시예에 의하면, 복수의 홀(H)의 수평폭이 하측으로 갈수록 감소함으로써 제거되는 활성층(114) 및 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 영역을 절감하여 발광효율에 기여할 수 있다.
다음으로, 도 14와 같이, 복수의 홀(H)과 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 일부 상에 채널층(120)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 채널층(120)은 이후 형성될 컨택층(160)이 형성될 영역에는 형성되지 않을 수 있다. 이에 따라, 복수의 홀(H)에 의해 노출되는 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 일부는 노출될 수 있다.
상기 채널층(120)은 이후 형성되는 컨택층(160)과 활성층(114), 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과의 전기적 절연 기능을 한다.
실시예에서 상기 채널층(120)의 반사율이 50% 초과일 수 있다. 예를 들어, 상기 채널층(120)은 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 절연물질로 형성될 수 있으며, 이러한 절연물질에 반사물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 채널층(120)은 절연물질에 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, 또는 Hf 중 어느 하나 이상의 물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면, 이후 형성되는 컨택층(160)의 측면에 반사물질이 포함된 채널층(120)이 배치됨으로써, 컨택층(160)에 의한 광 흡수를 방지함으로써 광추출 효율을 향상시켜 광속을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 도 15와 같이, 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 상에 제2 컨택 전극(132)이 형성될 수 있다. 상기 제2 컨택 전극(132)은 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)과 오믹 접촉되며, 적어도 하나의 전도성 물질을 포함할 수 있고, 단층 또는 다층으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 컨택 전극(132)은 금속, 금속 산화물 및 금속 질화물 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 컨택 전극(132)은 투광성의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제2 컨택 전극(132)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZON(IZO nitride), 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), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, Ni/IrOx/Au/ITO, Pt, Ni, Au, Rh 또는 Pd 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 16과 같이, 상기 제2 컨택 전극(132) 상에 반사층(134)이 형성될 수 있다. 상기 반사층(134)은 상기 제2 컨택 전극(132) 상에 배치되며, 제2 컨택 전극(132)을 통해 입사된 광을 반사시켜 줄 수 있다.
상기 반사층(134)은 금속을 포함하며, 예컨대 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 한 층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 반사층(134) 상에 캡핑층(136)이 형성될 수 있다.
상기 제2 컨택 전극(132), 반사층(134), 및 캡핑층(136)을 포함하여 제2 전극층(130)으로 칭할 수 있으며, 제2 전극층(130)은 이후 형성되는 패드 전극(180)로부터 공급되는 전원을 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)에 공급할 수 있다.
상기 캡핑층(136)은 상기 반사층(134) 상에 배치되며 이후 형성되는 패드 전극(180)로부터 공급되는 전원을 반사층(134)에 공급할 수 있다. 상기 캡핑층(136)은 전류 확산층으로 기능할 수 있다.
상기 캡핑층(136)은 금속을 포함하며, 전기 전도성이 높은 물질로서, 예컨대 Sn, Ga, In, Bi, Cu, Ni, Ag, Mo, Al, Au, Nb, W, Ti, Cr, Ta, Al, Pd, Pt, Si와 이들의 선택적인 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 17과 같이, 상기 노출된 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 상에 컨택층(160)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 노출된 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 상에 MOCVD 공법으로 재성장(Re-growth) 공정을 진행하여 컨택층(160)을 형성할 수 있다.
상기 컨택층(160)은 금속층 또는 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 컨택층(160)은 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)과 같은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 컨택층(160)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체층으로 형성될 수 있다.
또한 상기 컨택층(160)은 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다.
실시예에서 상기 컨택층(160)은 제1 도전형 원소, 예를 들어 n형 도핑원소로 도핑 될 수 있으며, 상기 컨택층(160)에 도핑 된 제1 도전형 원소의 도핑 농도는 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)에 도핑된 제1 도전형 도핑원소의 도핑 농도보다 높을 수 있다.
예를 들어, 상기 컨택층(160)은 n형 반도체층일 수 있으며, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면, 컨택층(160)에 도핑되는 제1 도전형 원소의 도핑농도가 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 도핑 농도보다 높게 형성됨으로써 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다.
실시예에서 상기 컨택층(160)은 상기 활성층(114)을 관통하여 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 일부를 노출하는 복수의 홀(H)로부터 상측 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 컨택층(160)의 상부 형상은 사다리꼴 형상(Trapezoidal)이 됨으로써 이후 형성되는 제1 전극층(150)과의 접촉면적을 넓힐 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 컨택층(160)의 수평폭은 상기 복수의 홀(H)의 수평폭(저면 수평폭 기준)에 비해서는 크게 형성되되, 약 100
Figure 112016080662216-pat00001
이하로 형성될 수 있다. 상기 컨택층(160)의 수평 폭이 약 100
Figure 112016080662216-pat00002
이후 형성되는 제2 전극층(130)과 접촉하여 통전될 수 있기 때문에 제2 전극층(130)과 통전되지 않는 범위에서 수평 폭을 구비할 수 있다. 또한, 상기 컨택층(160)의 수평폭은 상기 비아홀(H)의 폭보다 크게 형성될 수 있으며, 예를 들어 상기 비아홀(H)의 수평폭이 약 24
Figure 112016080662216-pat00003
상기 컨택층(160)은 약 24
Figure 112016080662216-pat00004
초과의 수평 폭으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 캡핑층(136)과 상기 채널층(120) 상에 절연층(140)이 형성될 수 있다. 상기 절연층(140)은 상기 반도체 컨택층(160)이 노출되도록 형성될 수 있다. 이를 통해 이후 형성되는 확산방지층(154)이 컨택층(160)의 측면과 접하여 상호간의 접촉면적을 확장시킴으로써 전기 저항의 감소와 더불어 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 절연층(140)은 상기 컨택층(160)과 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116) 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 상기 절연층(140)은 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 절연층(140)과 상기 컨택층(160)의 측면 상에 확산방지층(154)이 형성되고, 상기 확산방지층(154) 상에 접합층(156)이 형성될 수 있다.
상기 확산방지층(154) 및/또는 상기 접합층(156)은 Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층일 수 있다.
상기 확산방지층(154) 및/또는 상기 접합층(156)은 증착 방식, 스퍼터링 방식, 도금 방식 중 적어도 하나로 형성되거나, 전도성 시트로 부착될 수 있다.
상기 접합층(156)은 형성하지 않을 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에 의하면, 상기 확산방지층(154)은 상기 컨택층(160)의 측면과 접할 수 있고, 상기 접합층(156)은 상기 컨택층(160)과 접함으로써 제1 전극층(150)과 컨택층(160) 간의 접촉면적을 확장시킬 수 있다.
이에 따라, 실시예에 의하면 상기 컨택층(160)과 제1 전극층(150) 사이의 접촉 저항이 감소됨으로써 동작전압 상승을 방지하여 광출력을 향상시키고 전기적인 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 컨택층(160)과 제1 전극층(150) 간의 접촉면적 증가에 따라 전류 주입효율을 향상시킴으로써 광속을 향상시킬 수 있다.
실시예에서 상기 컨택층(160)의 상부 영역(도 2를 기준으로 할 때는 하부 영역)은 측면에 기울기를 구비하여 표면적을 넓힐 수 있고, 상기 확산방지층(154)이 상기 컨택층(160)의 측면과 접촉함으로써 상호간의 접촉면적을 넓혀 접촉 저항의 감소에 의해 동작전압의 상승을 방지할 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 상기 컨택층(160)의 기울기 있는 측면과 상기 확산방지층(154)이 접함으로써 접촉면적을 넓혀 제1 전극층(150)과 컨택층(160)간의 전류 주입효율을 향상시킴으로써 광속을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 상기 접합층(156) 상에 지지부재(158)가 형성될 수 있다. 상기 확산방지층(154), 접합층(156) 및 지지부재(158)을 포함하여 제1 전극층(150)으로 칭할 수 있으며, 제1 전극층(150)은 이후 형성되는 하부전극(159)(도 2 참조)로부터 공급되는 전원을 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)에 공급할 수 있다.
상기 지지부재(158)은 접합층(156)과 본딩될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 지지부재(158)는 전도성 지지부재일 수 있으며, 베이스 기판으로서, 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브데늄(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W) 등 중에서 적어도 하나일 수 있다.
또한 상기 지지부재(158)는 캐리어 웨이퍼, 예를 들어 Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe, Ga203, GaN 등으로 구현될 수 있고, 보드의 회로 패턴이나 패키지의 리드 프레임 상에 솔더로 접착될 수 있다.
다음으로, 도 18과 같이, 성장 기판(105)이 제거될 수 있다. 이때, 성장 기판(105) 제거후 잔존하는 언도프트 반도체층(미도시), 제1 도전형 반도체층(111) 등을 제거하여 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 표면이 노출될 수 있다.
상기 성장 기판(105)은 물리적 또는/및 화학적 방법으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 성장 기판(105)의 제거 방법은 레이저 리프트 오프(LLO: Laser Lift Off) 과정으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 성장 기판(105)에 일정 영역의 파장을 가지는 레이저를 조사하는 방식으로 상기 성장 기판(105)을 리프트 오프하게 된다.
또는 상기 성장 기판(105)과 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112) 사이에 배치된 버퍼층(미도시)을 습식식각 액을 이용하여 제거하여, 상기 성장 기판(105)을 분리할 수도 있다.
상기 성장 기판(105)이 제거되고 상기 버퍼층을 에칭하거나 폴리싱하여 제거함으로써, 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 상면이 노출될 수 있다.
상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 상면은 N-face로서, 상기 성장 기판에 더 가까운 면일 수 있다. 상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 상면은 ICP/RIE(Inductively coupled Plasma/Reactive Ion Etching) 등의 방식으로 에칭하거나, 폴리싱 장비로 연마할 수 있다.
다음으로, 도 19와 같이, 상기 발광구조층(110)의 일부가 제거되어 채널층(120)의 일부가 노출될 수 있다. 예를 들어, 패드 전극(180)이 형성될 영역의 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112), 활성층(114), 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116)의 일부가 제거될 수 있다.
예를 들어, 습식에칭 또는 건식에칭을 수행하여 상기 발광구조층(110)의 둘레 즉, 칩과 칩 사이의 경계 영역인 채널 영역 또는 아이솔레이션 영역이 제거될 수 있고, 상기 채널층(120)이 노출될 수 있다.
상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112)의 상면은 광 추출 구조(P)가 형성될 수 있으며, 상기 광 추출 구조는 러프니스 또는 패턴으로 형성될 수 있다. 상기 광 추출 구조는 습식 또는 건식 에칭 방식에 의해 형성될 수 있다.
다음으로, 도 20과 같이, 상기 노출된 채널층(120)과 상기 발광구조층(110) 상에 패시베이션층(170)이 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층(170)은 상기 광추출 구조(P)의 패턴에 대응되는 패턴을 구비할 수 있다. 상기 패시베이션층(170)은 SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
이후, 패드 전극(180)이 형성될 영역의 패시베이션층(170)과 채널층(120)의 일부가 제거되는 제2 홀(H2)을 형성하여 캡핑층(136)의 일부가 노출될 수 있다.
다음으로, 도 21과 같이, 노출된 캡핑층(136) 상에 패드 전극(180)이 형성될 수 있고, 상기 제1 전극층(150) 하부에 하부 전극(159)이 형성되어 실시예에 따른 발광소자(100)를 제조할 수 있다.
상기 패드 전극(180) 또는 상기 하부 전극(159)은 Ti/Au 등의 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 패드 전극(180)는 와이어로 본딩될 부분으로서, 발광구조층(110)의 소정 부분에 배치될 수 있으며, 하나 또는 복수로 형성될 수 있다.
<발광소자 패키지>
도 22는 실시예에 따른 발광소자가 적용된 발광소자 패키지(200)를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(200)는 몸체(205)와, 상기 몸체(205)에 배치된 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과, 상기 몸체(205)에 제공되어 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과 전기적으로 연결되는 발광소자(100)와, 상기 발광소자(100)를 포위하는 몰딩부재(240)를 포함할 수 있다.
상기 몸체(205)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(100)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)은 상기 발광소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광소자(100)는 상기 몸체(205) 위에 배치되거나 상기 제1 리드전극(213) 또는 제2 리드전극(214) 위에 배치될 수 있다.
상기 발광소자(100)는 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
실시예에서 발광소자(100)는 제2 리드전극(214)에 실장되고, 제1 리드전극(213)과 와이어(250)에 의해 연결될 수 있으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 몰딩부재(240)는 상기 발광소자(100)를 포위하여 상기 발광소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(240)에는 형광체(232)가 포함되어 상기 발광소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다. 상기 몰딩부재(240)의 상면은 단면이 플랫(flat)하거나 볼록 또는 오목한 형상을 가질 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
실시 예에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 위에 어레이될 수 있으며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 렌즈, 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 상기 라이트 유닛은 탑뷰 또는 사이드 뷰 타입으로 구현되어, 휴대 단말기 및 노트북 컴퓨터 등의 표시 장치에 제공되거나, 조명장치 및 지시 장치 등에 다양하게 적용될 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 조명 장치로 구현될 수 있다. 예를 들어, 조명 장치는 램프, 가로등, 전광판, 전조등을 포함할 수 있다.
<조명장치>
도 23은 실시예에 따른 조명장치의 분해 사시도이다.
실시예에 따른 조명 장치는 커버(2100), 광원 모듈(2200), 방열체(2400), 전원 제공부(2600), 내부 케이스(2700), 소켓(2800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(2300)와 홀더(2500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)은 실시 예에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함할 수 있다.
상기 광원 모듈(2200)은 광원부(2210), 연결 플레이트(2230), 커넥터(2250)를 포함할 수 있다. 상기 부재(2300)는 상기 방열체(2400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 광원부(2210)들과 커넥터(2250)이 삽입되는 가이드홈(2310)들을 갖는다.
상기 홀더(2500)는 내부 케이스(2700)의 절연부(2710)의 수납홈(2719)를 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(2700)의 상기 절연부(2710)에 수납되는 상기 전원 제공부(2600)는 밀폐된다. 상기 홀더(2500)는 가이드 돌출부(2510)를 갖는다.
상기 전원 제공부(2600)는 돌출부(2610), 가이드부(2630), 베이스(2650), 연장부(2670)를 포함할 수 있다. 상기 내부 케이스(2700)는 내부에 상기 전원 제공부(2600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(2600)가 상기 내부 케이스(2700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 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 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층(112); 활성층(114);
제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층(118); 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층(116);

Claims (7)

  1. n형 도펀트를 포함하는 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층;
    상기 제1 도전형 제1 AlGaN 계열 반도체층 상에 활성층;
    상기 활성층 상에 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층;
    상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층 상에 p형 도펀트를 포함하는 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층;을 포함하고,
    상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층의 Al의 농도는 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층의 Al의 농도보다는 높고,
    상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층은 In을 포함하고,
    상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층에 Si이 도핑된 자외선 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층에서 In의 농도는 0.5% 내지 1%인 자외선 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층은,
    In을 포함하는 자외선 발광소자.

  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층에 Si이 도핑된 자외선 발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 도전형 제2 AlGaN 계열 반도체층에 Si의 도핑농도는
    상기 활성층에서 상기 상기 제2 도전형 제3 AlGaN 계열 반도체층 방향으로 감소하는 자외선 발광소자.
  7. 제1 항 내지 제3항 중 어느 하나의 자외선 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함하는 조명장치.
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