KR20050122600A - Nitride semiconductor light emitting diode and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 그 상면에 소정 패턴의 요철이 형성된 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 n측 전극 및 p측 본딩전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 특히, 상기 소정 패턴의 요철은 요(凹)부와 철(凸)부가 번갈아 띠형상으로 배치되거나 상기 소정 패턴의 요철은 요부가 격자 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, p형 질화물 반도체층의 계면에서 방출 광의 전반사를 방지함으로써 휘도특성을 개선할 수 있으며, 부가적으로 전류확산을 개선하고, 이로 인해 동작전압이 낮아지는 효과가 있다.The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device. The present invention is a substrate; An n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate; An active layer formed on the n-type nitride semiconductor layer; A p-type nitride semiconductor layer formed on the active layer and having irregularities formed on a top surface thereof; And an n-side electrode and a p-side bonding electrode formed on the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, respectively. In particular, the unevenness of the predetermined pattern is arranged in a band shape alternately the uneven portion and the iron portion, or the unevenness of the predetermined pattern is characterized in that the uneven portion is formed in a lattice shape. According to the present invention, the luminance characteristic can be improved by preventing total reflection of the emitted light at the interface of the p-type nitride semiconductor layer, and additionally, the current spreading is improved, thereby lowering the operating voltage.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다. 더 구체적으로는 p형 질화물 반도체층의 상면에 소정 패턴을 갖는 요철을 형성하여 방출 광의 전반사를 방지함으로써 휘도특성을 개선할 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device. More specifically, the present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device capable of improving luminance characteristics by forming irregularities having a predetermined pattern on an upper surface of a p-type nitride semiconductor layer to prevent total reflection of emitted light, and a method of manufacturing the same.
근래에 GaN를 비롯한 질화물을 이용한 질화물 반도체는 그 우수한 물리, 화학적 특성에 기인하여 현재 광전재료 및 전자소자의 핵심 소재로 각광 받고 있다. 특히, 질화물 반도체 발광소자는 녹색, 청색 및 자외 영역까지의 빛을 생성할 수 있으며, 기술 발전으로 인해 그 휘도가 비약적으로 향상됨에 따라 총천연색 전광판, 조명장치 등의 분야에도 적용되고 있다.In recent years, nitride semiconductors using nitrides such as GaN have been spotlighted as core materials for photoelectric materials and electronic devices due to their excellent physical and chemical properties. In particular, the nitride semiconductor light emitting device can generate light up to the green, blue, and ultraviolet regions, and has been applied to the fields of full color display boards, lighting devices, etc., as the brightness is dramatically improved due to the development of technology.
이와 같은 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광소자로서, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체물질로 제조되고 있다. 질화물 반도체 결정은 격자정합을 고려하여 사파이어기판과 같은 질화물 단결정성장용 기판에서 성장된다. 상기 사파이어 기판은 전기적 절연성 기판이므로, 최종 질화물 반도체 발광소자는 p측 전극과 n측 전극이 동일면 상에 형성된 구조를 갖는다.Such a nitride semiconductor light emitting device is a light emitting device for obtaining light in a blue or green wavelength band, and has an Al x In y Ga (1-xy) N composition formula (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ x). + y ≤ 1). The nitride semiconductor crystal is grown on a nitride single crystal growth substrate such as a sapphire substrate in consideration of lattice matching. Since the sapphire substrate is an electrically insulating substrate, the final nitride semiconductor light emitting device has a structure in which the p-side electrode and the n-side electrode are formed on the same surface.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한다.1 shows the structure of a conventional nitride semiconductor light emitting device.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(12), n형 질화물 반도체층(13), 다중양자우물구조(MQW)인 GaN/InGaN 활성층(14) 및 p형 질화물 반도체층(15)을 포함하며, 상기 p형 질화물 반도체층(15)과 GaN/InGaN 활성층(14)은 그 일부영역이 제거되어 n형 질화물 반도체층(13)의 일부상면이 노출된 구조를 갖는다. n형 질화물 반도체층(13) 상에는 n측 전극(17b)이 형성되고, p형 질화물 반도체층(15) 상에는 오믹접촉을 형성하기 위해 Ni/Au로 이루어진 투명전극층(16)을 형성한 후에, p측 본딩전극(17a)을 형성한다. 상기 투명전극층(16)은 투광성을 가지면서 접촉저항을 개선하기 위한 층으로서 Ni/Au의 이중층의 증착공정과 후속 되는 열처리공정을 통해서 형성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the conventional nitride semiconductor light emitting device 10 includes a buffer layer 12, an n-type nitride semiconductor layer 13, and a multi-quantum well structure (MQW) sequentially formed on the sapphire substrate 11. And a GaN / InGaN active layer 14 and a p-type nitride semiconductor layer 15. The p-type nitride semiconductor layer 15 and the GaN / InGaN active layer 14 have partial regions of the n-type nitride semiconductor layer ( A part of the upper surface of 13) has an exposed structure. After the n-side electrode 17b is formed on the n-type nitride semiconductor layer 13 and the transparent electrode layer 16 made of Ni / Au is formed on the p-type nitride semiconductor layer 15 to form ohmic contact, p The side bonding electrode 17a is formed. The transparent electrode layer 16 may be formed through a deposition process of a double layer of Ni / Au and a subsequent heat treatment process as a layer for improving contact resistance while having light transmittance.
상기 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)에서 각 층간의 계면은 서로 평행한 구조를 갖는다. 활성층(14)에서 생성된 광은 서로 다른 굴절율을 갖는 각 층의 계면에 소정 각도 이상의 입사각으로 입사되면 전반사를 일으킬 수 있다. 특히, p형 질화물 반도체층(15)과 투명전극(16)층의 계면에서 전반사가 발생하게 되어 활성층(14)에서 생성된 광이 질화물 반도체 발광소자(10)의 외부로 방출되지 못하고 소자의 내부에서 소멸하게 됨으로써 휘도 특성이 저하되는 문제점이 있다.In the conventional nitride semiconductor light emitting device 10, the interfaces between the layers have parallel structures. Light generated in the active layer 14 may cause total reflection when incident on the interface of each layer having different refractive indices at an angle of incidence greater than or equal to a predetermined angle. In particular, total reflection occurs at the interface between the p-type nitride semiconductor layer 15 and the transparent electrode 16 layer, so that light generated in the active layer 14 is not emitted to the outside of the nitride semiconductor light emitting device 10, and thus, the inside of the device There is a problem that the luminance characteristic is lowered by being extinguished at.
따라서 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 질화물 반도체 소자의 p형 질화물 반도체층과 투명전극층의 계면에서 소자의 외부로 방출되지 않고 소자 내부로 전반사 되는 광을 감소시킴으로써 휘도특성을 개선한 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and its object is to emit light that is totally reflected inside the device without being emitted to the outside of the device at the interface between the p-type nitride semiconductor layer and the transparent electrode layer of the nitride semiconductor device. The present invention provides a nitride semiconductor light emitting device having improved luminance characteristics by reducing.
본 발명의 다른 목적은 전술한 질화물 반도체 발광소자를 제조하기 위한 제조 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for manufacturing the above-mentioned nitride semiconductor light emitting device.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,In order to achieve the above object of the present invention, the present invention,
기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 그 상면에 소정 패턴의 요철이 형성된 p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 n측 전극 및 p측 본딩전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.Board; An n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate; An active layer formed on the n-type nitride semiconductor layer; A p-type nitride semiconductor layer formed on the active layer and having irregularities formed on a top surface thereof; And an n-side electrode and a p-side bonding electrode formed on the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, respectively.
상기 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 상기 p형 질화물 반도체층 및 p측 본딩전극 사이에 형성된 투명전극층을 더 포함할 수 있으며, 상기 소정 패턴의 요철은 요(凹)부와 철(凸)부가 번갈아 띠형상으로 배치되거나, 요부가 격자 형상으로 형성될 수 있다.The nitride semiconductor light emitting device according to the present invention may further include a transparent electrode layer formed between the p-type nitride semiconductor layer and the p-side bonding electrode, and the unevenness of the predetermined pattern may include an uneven portion and an iron portion. Alternately, they may be arranged in a band shape, or recesses may be formed in a lattice shape.
본 발명의 일실시형태에서, 상기 p형 질화물 반도체층은, 상기 활성층 상에 형성되며 불순물이 저농도로 도핑되는 저농도 p형 질화물 반도체층; 및 상기 저농도 p형 질화물 반도체층 상의 적어도 일부영역에 형성되며 불순물이 고농도로 도핑되는 고농도 p형 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 고농도 p형 질화물 반도체층은 상기 저농도 p형 질화물 반도체의 상면이 서로 평행한 복수개의 띠형상으로 노출되도록 형성되거나, 상기 저농도 p형 질화물 반도체의 상면이 격자형상으로 노출되도록 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the p-type nitride semiconductor layer, a low concentration p-type nitride semiconductor layer formed on the active layer and doped with a low concentration of impurities; And a high concentration p-type nitride semiconductor layer formed on at least a portion of the low concentration p-type nitride semiconductor layer and doped with a high concentration of impurities. In this case, the high concentration p-type nitride semiconductor layer may be formed such that the upper surfaces of the low concentration p-type nitride semiconductors are exposed in a plurality of bands parallel to each other, or the upper surfaces of the low concentration p-type nitride semiconductors may be exposed in a lattice shape. have.
또한, 전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,In addition, the present invention to achieve the above object of the present invention,
기판 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시키는 단계; 상기 p형 질화물 반도체층의 상면에 소정 패턴의 요철을 형성하는 단계; 및 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층 상에 각각 n측 전극 및 p측 본딩전극을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.Sequentially growing an n-type nitride semiconductor layer, an active layer and a p-type nitride semiconductor layer on the substrate; Forming irregularities in a predetermined pattern on an upper surface of the p-type nitride semiconductor layer; And forming an n-side electrode and a p-side bonding electrode on the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, respectively.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 상기 소정 패턴의 요철을 형성하는 단계 이후 상기 p형 질화물 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 소정 패턴의 요철을 형성하는 단계는 요부와 철부가 번갈아 띠형상으로 배치된 요철을 형성하는 단계 또는 요부가 격자 형상으로 형성된 요철을 형성하는 단계일 수 있다.The method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention may further include forming a transparent electrode layer on the p-type nitride semiconductor layer after forming the irregularities of the predetermined pattern. The forming step may be a step of forming an uneven portion in which the recess portion and the iron portion are alternately arranged in a band shape, or the step of forming the irregularity in which the recess portion is formed in a lattice shape.
본 발명의 일실시형태에서, 상기 소정패턴의 요철을 형성하는 단계는, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 상기 p형 질화물 반도체층을 노출시키는 오픈 영역을 갖는 소정 패턴의 마스크를 형성하는 단계; 상기 오픈 영역 상에 p형 질화물 반도체층을 추가로 성장시키는 단계; 및 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 p형 질화물 반도체층을 추가로 성장시키는 단계는 불순물이 고농도로 도핑된 고농도 p형 질화물 반도체층을 성장시키는 단계인 것이 바람직하다.In an embodiment of the present disclosure, the forming of the irregularities of the predetermined pattern may include forming a mask having a predetermined pattern on the p-type nitride semiconductor layer and having an open area exposing the p-type nitride semiconductor layer; Further growing a p-type nitride semiconductor layer on the open region; And removing the mask, and in this case, further growing the p-type nitride semiconductor layer may be a step of growing a high concentration p-type nitride semiconductor layer doped with a high concentration of impurities.
이하, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same according to various embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(20)는, 기판(21); 상기 기판(21) 상에 형성된 버퍼층(22); 상기 버퍼층(22) 상에 형성된 n형 질화물 반도체층(23); 상기 n형 질화물 반도체층(23) 상에 형성된 활성층(24); 상기 활성층(24) 상에 형성되며 그 상면에 소정 패턴의 요철이 형성된 p형 질화물 반도체층(25a, 25b); 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 투명전극층(26); 및 투명전극층(26) 및 상기 n형 질화물 반도체층(23) 상에 각각 형성된 p측 본딩전극(27a) 및 n측 본딩전극(27b)을 포함하는 구조를 갖는다.2 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention. 2, the nitride semiconductor light emitting device 20 according to the present invention, the substrate 21; A buffer layer 22 formed on the substrate 21; An n-type nitride semiconductor layer 23 formed on the buffer layer 22; An active layer 24 formed on the n-type nitride semiconductor layer 23; P-type nitride semiconductor layers 25a and 25b formed on the active layer 24 and formed with irregularities on a top surface thereof; A transparent electrode layer 26 formed on the p-type nitride semiconductor layer; And a p-side bonding electrode 27a and an n-side bonding electrode 27b formed on the transparent electrode layer 26 and the n-type nitride semiconductor layer 23, respectively.
상기 기판(21)은, 그 위에 성장되는 질화물 반도체 물질의 결정과 결정구조가 동일하면서 격자정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문에 격자정합을 고려하여 사파이어 기판이 주로 사용된다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 격자간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(orientation plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 특징이 있다. 이러한 사파이어 기판의 C면의 경우 비교적 GaN 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 청색 또는 녹색 발광소자용 기판으로 사파이어 기판이 주로 사용된다.Since the substrate 21 has the same crystal structure and crystal structure of the nitride semiconductor material grown thereon, and there is no commercial substrate that forms a lattice match, a sapphire substrate is mainly used in consideration of lattice match. The sapphire substrate is a Hexa-Rhombo R3c symmetric crystal with a lattice constant of 13.001Å in the c-axis direction and 4.765Å in the a-axis direction, and has a lattice distance in the sapphire orientation Is characterized by having a C (0001) plane, an A (11 2 0) plane, an R (1 1 02) plane, and the like. In the case of the C surface of the sapphire substrate, the growth of the GaN thin film is relatively easy and stable at high temperature, and thus, the sapphire substrate is mainly used as a substrate for a blue or green light emitting device.
상기 n형 질화물 반도체층(23)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, GaInN가 있다. 상기 n형 질화물 반도체층(23)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있다. 상기 n형 질화물 반도체층(23)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE) 또는 하이브리드 기상증착법(Hybride Vapor Phase Epitaxy : HVPE)과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 투광성 기판(21) 상에 성장시킴으로써 형성된다.The n-type nitride semiconductor layer 23 is n-doped having an Al x In y Ga (1-xy) N composition formula, where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ x + y ≦ 1. It can be made of a semiconductor material, a typical nitride semiconductor material is GaN, AlGaN, GaInN. As an impurity used for the doping of the n-type nitride semiconductor layer 23, Si, Ge, Se, Te, or C may be used. The n-type nitride semiconductor layer 23 may be formed of a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a molecular beam growth method (MBE), or a hybrid vapor deposition method (Hybride Vapor Phase Epitaxy). It is formed by growing on the light transmissive substrate 21 using a known deposition process such as HVPE).
일반적으로, 상기 투광성 기판(21)과 n형 질화물 반도체층(23) 사이에는 격자부정합을 완화하기 위한 버퍼층(22)이 형성될 수 있다. 이 버퍼층(22)으로는 통상 수 십 ㎚의 두께를 갖는 GaN 또는 AlN 등의 저온핵성장층이 사용된다.In general, a buffer layer 22 may be formed between the light transmissive substrate 21 and the n-type nitride semiconductor layer 23 to mitigate lattice mismatch. As the buffer layer 22, a low temperature nucleus growth layer such as GaN or AlN having a thickness of several tens nm is usually used.
상기 활성층(24)은 빛을 발광하기 위한 층으로서, 단일 또는 다중 양자우물구조를 갖는 GaN 또는 InGaN 등의 질화물 반도체층으로 구성된다. 상기 활성층(24)은 상기 n형 질화물 반도체층(24)과 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 n형 질화물 반도체층(23) 상에 형성될 수 있다. The active layer 24 is a layer for emitting light and is composed of a nitride semiconductor layer such as GaN or InGaN having a single or multiple quantum well structure. The active layer 24 is formed on the n-type nitride semiconductor layer 23 using a known deposition process such as organometallic vapor deposition, molecular beam growth, or hybrid vapor deposition, similar to the n-type nitride semiconductor layer 24. Can be formed.
상기 p형 질화물 반도체층(25a, 25b)은 상기 n형 질화물 반도체층(23)과 마찬가지로, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 p 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, GaInN가 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(25a, 25b)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(25a, 25b)은, 상기 반도체 물질을 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 상기 활성층(24) 상에 성장시킴으로써 형성된다.The p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b have the same Al x In y Ga (1-xy) N composition formula as in the n-type nitride semiconductor layer 23 (where 0 ≦ x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1). , 0 ≦ x + y ≦ 1), and typical nitride semiconductor materials include GaN, AlGaN, and GaInN. Impurities used for doping the p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b include Mg, Zn, or Be. The p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b are formed by growing the semiconductor material on the active layer 24 using known deposition processes such as organometallic vapor deposition, molecular beam growth, or hybrid vapor deposition. .
상기 p형 질화물 반도체층(25a, 25b)은 상기 활성층(24) 상면에 형성되는 저농도 p형 질화물 반도체층(25a) 및 상기 저농도 p형 질화물 반도체층 상에 형성되는 고농도 p형 질화물 반도체층(25b)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 상기 저농도 p형 질화물 반도체층(25a)은 불순물이 상기 활성층(24)으로 이동하여 활성층의 발광효율을 저하시킬 수 있기 때문에 상대적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑된다. 반면, 고농도 p형 질화물 반도체층(25b)은 그 상면에 형성되는 전극과의 오믹접촉을 형성하기 위해 높은 농도로 불순물이 도핑된다.The p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b are formed on the low concentration p-type nitride semiconductor layer 25a and the high concentration p-type nitride semiconductor layer 25b formed on the active layer 24. ) May be included. In general, the low-concentration p-type nitride semiconductor layer 25a is doped with impurities at a relatively low concentration because impurities may move to the active layer 24 to reduce the luminous efficiency of the active layer. On the other hand, the high concentration p-type nitride semiconductor layer 25b is doped with impurities at a high concentration to form ohmic contact with the electrode formed on the upper surface.
상기 p형 질화물 반도체층(25a, 25b)의 상면에 소정 패턴의 요철이 형성된다. 상기 p형 질화물 반도체층(25a, 25b)의 상면은 이후 형성되는 투명전극층(26)과의 계면을 형성하게 된다. 종래의 요철이 형성되지 않은 평평한 계면에서는 활성층에서 생성되는 광 가운데 상기 계면에 소정 각도 이상의 입사각으로 입사되는 광이 전반사를 일으켜 소자 내부로 다시 반사된다. 이는 질화물 반도체 발광소자의 휘도특성을 저하시키는 원인이 된다. Unevenness of a predetermined pattern is formed on the upper surfaces of the p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b. Upper surfaces of the p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b form an interface with the transparent electrode layer 26 formed thereafter. In a flat interface where no unevenness is formed in the related art, light incident at an angle of incidence greater than or equal to a predetermined angle among the light generated in the active layer causes total reflection to be reflected back into the device. This causes a decrease in the luminance characteristics of the nitride semiconductor light emitting device.
반면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(20)에서는 상기 p형 질화물 반도체층(25a, 25b)과 투명전극층(26)의 계면이 요철을 이루게 되므로, 활성층(24)에서 생성되는 광이 종래의 발광소자에서 전반사가 발생하는 입사각으로 상기 계면에 입사하더라도 전반사가 발생하게 되는 면적이 감소하여 질화물 반도체 발광소자의 상부로 방출되는 광이 증가하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(20)에서는 종래의 질화물 반도체 발광소자에 비해 휘도특성의 개선을 가져올 수 있다.On the other hand, in the nitride semiconductor light emitting device 20 according to the present invention, since the interface between the p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b and the transparent electrode layer 26 forms irregularities, light generated in the active layer 24 is conventional. Even though the light incident element enters the interface at the incident angle at which total reflection occurs, the area of total reflection occurs is reduced, thereby increasing the light emitted to the upper portion of the nitride semiconductor light emitting element. Therefore, in the nitride semiconductor light emitting device 20 according to the present invention, the luminance characteristics can be improved as compared with the conventional nitride semiconductor light emitting device.
상기 p형 질화물 반도체층(25a, 25b) 상에는 투명전극층(26)이 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(26)은 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 p형 질화물 반도체층(25a, 25b)과의 접촉저항을 낮추는데 적절하면서 동시에 상기 활성층(24)에서 생성되는 광이 상부로 방출되기 위해 양호한 투광성을 갖는 물질로 형성될 것이 요구된다. 일반적으로 상기 투명전극층(26)은 Ni/Au의 이중층 구조를 주로 사용하며, 접촉저항은 비교적 높으나 양호한 투광성을 확보하기 위해 산화인듐주석(ITO), 산화카드뮴주석(CTO) 또는 질화티탄텅스텐(TiWN)으로 재료로 사용할 수 있다. 상기 투명전극층(26)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD) 및 전자빔 증발법(E-beam evaporator)과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 공정에 의해 형성될 수 있으며, 오믹콘택의 특성을 향상시키기 위해서 약 400 내지 900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.The transparent electrode layer 26 may be formed on the p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b. The transparent electrode layer 26 is suitable for lowering contact resistance with the p-type nitride semiconductor layers 25a and 25b having a relatively high energy band gap, and at the same time, good light transmittance for light emitted from the active layer 24 to be emitted upwards. It is required to be formed of a material having In general, the transparent electrode layer 26 mainly uses a double layer structure of Ni / Au, and has a relatively high contact resistance, but indium tin oxide (ITO), cadmium tin oxide (CTO), or titanium tungsten nitride (TiWN) in order to secure good light transmittance. ) Can be used as a material. The transparent electrode layer 26 may be formed by a known deposition method such as chemical vapor deposition (CVD) and an e-beam evaporator, or a process such as sputtering, and ohmic contact. It may be heat-treated at a temperature of about 400 to 900 ℃ to improve the properties of.
상기 p측 본딩전극(27a)은 상기 투명전극층(26) 상에 형성된다. 상기 p측 본딩전극(27a)은 와이어 본딩을 통해 리드 상에 탑재될 최외곽 전극층으로서, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금을 재료로 하여 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.The p-side bonding electrode 27a is formed on the transparent electrode layer 26. The p-side bonding electrode 27a is the outermost electrode layer to be mounted on the lead through wire bonding. In general, the p-side bonding electrode 27a is made of Au or an alloy containing Au, and known deposition methods or sputtering methods such as chemical vapor deposition and electron beam evaporation are performed. It can be formed by a process such as.
상기 n측 전극(27b)은 상기 n형 질화물 반도체층(23) 상에 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 상기 n측 전극(27b)은 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성될 수 있다.The n-side electrode 27b may be formed on the n-type nitride semiconductor layer 23 as a single layer or a plurality of layers made of a material selected from the group consisting of Ti, Cr, Al, Cu, and Au. The n-side electrode 27b may be formed on the n-type nitride semiconductor layer by a known deposition method such as chemical vapor deposition and electron beam evaporation, or a process such as sputtering.
도 3 및 도 4는 전술한 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자에서 p형 질화물 반도체층의 상면에 형성된 요철의 구조를 도시한 사시도이다.3 and 4 are perspective views showing the structure of the irregularities formed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer in the nitride semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention described above.
먼저 도 3과 같이, 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(30)의 p형 질화물 반도체층(35)의 상면에는 띠형상의 요철이 형성될 수 있다. 상기 띠형상의 요철은 오목한 부분인 요(凹)부와 볼록한 부분인 철(凸)부가 서로 평행하며 각각 소정의 폭을 갖는 구조이다. 이와 같은 요철은 p형 질화물 반도체층(35)을 소정 높이로 성장시킨 후, 철부에 해당하는 p형 질화물 반도체층을 선택적으로 성장시켜 형성될 수 있다. 특히, p형 질화물 반도체층(35)이 저농도 p형 질화물 반도체층 및 고농도 p형 질화물 반도체층의 이층 구조로 형성되는 경우, 활성층(34) 상에 저농도 p형 질화물 반도체층을 성장시킨 후 그 상면에 고농도 p형 질화물 반도체 반도체층을 선택적으로 성장시켜 요철구조의 철부를 형성시키는 것이 공정상 보다 바람직하다. 상기 p형 질화물 반도체층(35) 상에 요철을 형성하는 방법에 대해서는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대한 설명을 통해 보다 명확해 질 것이다.First, as shown in FIG. 3, a band-shaped unevenness may be formed on the top surface of the p-type nitride semiconductor layer 35 of the nitride semiconductor light emitting device 30 according to the exemplary embodiment of the present invention. The strip-shaped unevenness is a structure in which the concave portion and the convex portion are parallel to each other and have a predetermined width. Such unevenness may be formed by growing the p-type nitride semiconductor layer 35 to a predetermined height and then selectively growing the p-type nitride semiconductor layer corresponding to the convex portion. In particular, when the p-type nitride semiconductor layer 35 is formed in a two-layer structure of a low concentration p-type nitride semiconductor layer and a high concentration p-type nitride semiconductor layer, the low concentration p-type nitride semiconductor layer is grown on the active layer 34 and then the upper surface thereof. It is more preferable in the process to selectively grow a high concentration p-type nitride semiconductor semiconductor layer to form convex portions of the uneven structure. The method of forming the unevenness on the p-type nitride semiconductor layer 35 will be clearer through the description of the method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention.
도 3에 도시된 띠형상의 요철구조는 요부 또는 철부의 폭방향으로 입사되는 광에 대해 전반사를 방지하는데 적합하지만, 요부 또는 철부의 길이방향으로 입사되는 광에 대해서는 전반사를 방지하는 효과가 떨어질 수 있다. 따라서, 도 4와 같이 격자형상의 요철구조가 전반사 감소를 위해 보다 바람직하다.Although the band-shaped concave-convex structure shown in FIG. 3 is suitable for preventing total reflection on light incident in the width direction of the recess or convex portion, the effect of preventing total reflection on light incident in the longitudinal direction of the recess or convex portion may be inferior. have. Therefore, as shown in FIG. 4, a lattice-shaped concave-convex structure is more preferable for reducing total reflection.
도 4와 같이, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(40)의 p형 질화물 반도체층(45)의 상면에는 격자형상의 요철이 형성될 수 있다. 이와 같은 요철은, 상기 띠형상의 격자와 마찬가지로 p형 질화물 반도체층(45)을 소정 높이로 성장시킨 후, 철부에 해당하는 p형 질화물 반도체층을 선택적으로 성장시켜 형성될 수 있다. 특히, p형 질화물 반도체층(45)이 저농도 p형 질화물 반도체층 및 고농도 p형 질화물 반도체층의 이층 구조로 형성되는 경우, 활성층(44) 상에 저농도 p형 질화물 반도체층을 성장시킨 후 그 상면에 고농도 p형 질화물 반도체 반도체층을 선택적으로 성장시켜 요철구조의 철부를 형성시키는 것이 공정상 보다 바람직하다.As shown in FIG. 4, lattice irregularities may be formed on an upper surface of the p-type nitride semiconductor layer 45 of the nitride semiconductor light emitting device 40 according to another exemplary embodiment. Such irregularities may be formed by growing the p-type nitride semiconductor layer 45 to a predetermined height like the band-shaped lattice, and then selectively growing the p-type nitride semiconductor layer corresponding to the iron portion. In particular, when the p-type nitride semiconductor layer 45 is formed in a two-layer structure of a low concentration p-type nitride semiconductor layer and a high concentration p-type nitride semiconductor layer, the low concentration p-type nitride semiconductor layer is grown on the active layer 44 and then the upper surface thereof. It is more preferable in the process to selectively grow a high concentration p-type nitride semiconductor semiconductor layer to form convex portions of the uneven structure.
이와 같은 격자형상의 요철은 상기 띠형상의 요철과는 달리 거의 모든 방향으로 입사되는 광의 전반사를 보다 효과적으로 감소시킬 수 있다. Unlike the stripe irregularities, the lattice irregularities can reduce the total reflection of light incident in almost all directions more effectively.
또한, 격자형상의 요철로 인해 p형 질화물 반도체층 상면에 형성되는 투명전극층과의 계면은 거의 메쉬형태를 갖게 된다. 이러한 메쉬구조로 인해 투명전극층을 따라 n측 전극을 향하는 전류경로는 상대적으로 길어진다. 따라서, 발광소자가 동작 시에, n측 전극에 인접한 부분에 전류가 집중되는 경향이 완화되며, 동시에 전류가 p형 질화물 반도체층으로 진행되는 경향이 증가되어 전류확산을 개선하고, 이로 인해 동작전압이 낮아지는 등의 부수적인 효과를 얻을 수도 있다.In addition, due to the lattice irregularities, the interface with the transparent electrode layer formed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer has an almost mesh shape. Due to this mesh structure, the current path toward the n-side electrode along the transparent electrode layer is relatively long. Therefore, when the light emitting element is operated, the tendency of the current to concentrate on the portion adjacent to the n-side electrode is alleviated, and at the same time, the tendency of the current to proceed to the p-type nitride semiconductor layer is increased to improve the current diffusion, thereby It is also possible to obtain ancillary effects such as lowering.
이상에서 설명한 것과 같은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법이 도 5a 내지 도 5e에 도시된 공정단면도를 통해 하기에 설명된다.A method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention as described above is described below through a process cross-sectional view shown in FIGS. 5A to 5E.
먼저 도 5a와 같이, 기판(51) 상에 n형 질화물 반도체층(53), 활성층(54) 및 p형 질화물 반도체층(55a)을 순차적으로 성장시킨다. 상기에서 설명한 것과 같이, 기판(51)은 주로 사파이어 기판이 사용되며 상기 n형 질화물 반도체층(53), 활성층(54) 및 p형 질화물 반도체층(55a)은 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 성장시킬 수 있다.First, as shown in FIG. 5A, the n-type nitride semiconductor layer 53, the active layer 54, and the p-type nitride semiconductor layer 55a are sequentially grown on the substrate 51. As described above, a sapphire substrate is mainly used for the substrate 51, and the n-type nitride semiconductor layer 53, the active layer 54 and the p-type nitride semiconductor layer 55a are organometallic vapor deposition and molecular beam growth. Or by using a known deposition process such as hybrid vapor deposition.
이어, 도 5b 내지 도 5d와 같이 상기 p형 질화물 반도체층(55a)의 상면에 소정 패턴의 요철을 형성한다. 도 5b 내지 도 5d는 요철을 형성하는 방법의 일례로 선택적인 p형 질화물 반도체층의 성장방법을 도시한다.Next, as shown in FIGS. 5B to 5D, irregularities of a predetermined pattern are formed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer 55a. 5B to 5D illustrate a method of growing an optional p-type nitride semiconductor layer as an example of a method of forming irregularities.
이 선택적 성장방법은 먼저, 도 5b와 같이 p형 질화물 반도체층(55a)의 상면에 SiO2와 같은 산화물로 이루어진 산화막을 이용하여 마스크(61)를 형성한다. 상기 마스크(61)에는 원하는 요철구조의 패턴이 형성되어 있다. 상기 설명한 바와 같이, 요철구조는 요부와 철부가 복수개의 띠형상을 이루는 구조 또는 요부가 격자형상을 이루는 구조일 수 있다. 예를 들어, 격자 형상의 요철을 형성하기 위해서는, 요철의 요부에 해당하는 형상으로 마스크가 형성되며, 철부에 해당하는 영역은 오픈된다.This selective growth method first forms a mask 61 on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer 55a by using an oxide film made of an oxide such as SiO 2 . The mask 61 is provided with a pattern having a desired uneven structure. As described above, the concave-convex structure may be a structure in which the concave portion and the convex portion form a plurality of bands or a structure in which the concave portion forms a lattice shape. For example, in order to form grating unevenness, a mask is formed in the shape corresponding to the unevenness of the unevenness, and the area corresponding to the unevenness is opened.
이어 도 5c와 같이, 상기 마스크(61)의 오픈 영역에 추가적으로 p형 질화물 반도체층(25b)을 성장시킨다. 다시 말하면, 상기 요철구조의 철부를 성장시킨다. 특히, p형 질화물 반도체층이 활성층 상면에 형성된 저농도 p형 질화물 반도체층과 상기 저농도 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 고농도 p형 질화물 반도체층으로 이루어진 이층구조를 갖는 경우, 도 5a에 도시된 공정에서 먼저 저농도 p형 질화물 반도체층(55a)을 형성시키고 마스크(61)를 형성한 후, 도 5c에 도시된 공정에서 마스크(61)의 오픈영역에 고농도 p형 질화물 반도체층(55b)을 성장시키는 것이 바람직하다.Subsequently, as shown in FIG. 5C, the p-type nitride semiconductor layer 25b is further grown in the open region of the mask 61. In other words, the convex portions of the uneven structure are grown. In particular, when the p-type nitride semiconductor layer has a two-layer structure consisting of a low concentration p-type nitride semiconductor layer formed on the upper surface of the active layer and a high concentration p-type nitride semiconductor layer formed on the low concentration p-type nitride semiconductor layer, in the process shown in FIG. 5A First, the low concentration p-type nitride semiconductor layer 55a is formed and the mask 61 is formed, and then the high concentration p-type nitride semiconductor layer 55b is grown in the open area of the mask 61 in the process shown in FIG. 5C. desirable.
이어, 도 5d와 같이, 상기 마스크를 제거하고, 메사 에칭을 통해 n형 질화물 반도체층(53)의 적어도 일부영역이 노출시킨다. 이 노출된 n형 질화물 반도체층의 일부 영역은 n측 전극이 형성하기 위해 마련되는 것이다.Subsequently, as shown in FIG. 5D, the mask is removed and at least a portion of the n-type nitride semiconductor layer 53 is exposed through mesa etching. Some regions of the exposed n-type nitride semiconductor layer are provided to form the n-side electrode.
최종적으로, 도 5e와 같이, 요철이 형성된 p형 질화물 반도체층(55a, 55b) 상에 투명전극층(56)을 형성하고, 이어 상기 투명전극층(56) 상에 p측 본딩전극(57a) 및 상기 n형 질화물 반도체층(53)의 노출 영역에 n측 전극을 형성한다. 전술한 바와 같이, 상기 투명전극층(56)은 Ni/Au의 이중층 구조를 주로 사용하며, 접촉저항은 비교적 높으나 양호한 투광성을 확보하기 위해 산화인듐주석(ITO), 산화카드뮴주석(CTO) 또는 질화티탄텅스텐(TiWN)으로 재료로 사용할 수 있다. 상기 투명전극층(56)은 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있으며, 오믹콘택의 특성을 향상시키기 위해서 약 400 내지 900℃의 온도에서 열처리하는 공정이 수반될 수 있다. 마찬가지로 상기 p측 본딩전극(57a)은 Au 또는 Au를 함유한 합금을 재료로 하여 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있으며, 상기 n측 전극(57b)은 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.Finally, as shown in FIG. 5E, the transparent electrode layer 56 is formed on the p-type nitride semiconductor layers 55a and 55b in which the unevenness is formed, and then the p-side bonding electrode 57a and the bonding electrode are formed on the transparent electrode layer 56. An n-side electrode is formed in the exposed region of the n-type nitride semiconductor layer 53. As described above, the transparent electrode layer 56 mainly uses a double layer structure of Ni / Au, and has a relatively high contact resistance, but indium tin oxide (ITO), cadmium tin oxide (CTO), or titanium nitride to secure good light transmittance. Tungsten (TiWN) can be used as a material. The transparent electrode layer 56 may be formed by a known deposition method such as chemical vapor deposition and electron beam evaporation, or a process such as sputtering, and heat treatment at a temperature of about 400 to 900 ° C. to improve the properties of ohmic contacts. This may be accompanied. Similarly, the p-side bonding electrode 57a may be formed by a known deposition method such as chemical vapor deposition or electron beam evaporation, or sputtering, using Au or an alloy containing Au, and the n-side electrode ( 57b) may be formed by a known deposition method such as chemical vapor deposition and electron beam evaporation, or sputtering, such as a single layer or a plurality of layers of materials selected from the group consisting of Ti, Cr, Al, Cu, and Au.
이상에서는 p형 질화물 반도체층 상에 요철을 형성하기 위한 방법으로, 일부 p형 질화물 반도체층을 형성한 후 요철의 철부를 형성하는 p형 질화물 반도체층을 추가적으로 선택적 성장시키는 방법에 대해서 설명하였으나, 전체 p형 질화물 반도체층을 성장시킨 이후 원하는 패턴의 요철의 요부를 선택적으로 에칭하는 방법을 사용할 수도 있다.In the above, as a method for forming the unevenness on the p-type nitride semiconductor layer, a method of additionally growing the p-type nitride semiconductor layer forming the uneven portions after forming some p-type nitride semiconductor layers has been described. After the p-type nitride semiconductor layer is grown, a method of selectively etching recesses and protrusions of a desired pattern may be used.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 통해 p형 질화물 반도체층과 투명전극층의 계면에서 발생하는 전반사를 감소시켜 발광 소자의 휘도특성을 개선할 수 있으며, 특히 격자모양의 요철을 형성한 경우에는 부가적으로 전류확산을 개선하여 발광소자의 동작전압을 저하시킬 수 있다.Through the nitride semiconductor light emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention described above, it is possible to reduce the total reflection occurring at the interface between the p-type nitride semiconductor layer and the transparent electrode layer, thereby improving the luminance characteristics of the light emitting device, in particular, grating-shaped irregularities In this case, additionally, current spreading can be improved to lower the operating voltage of the light emitting device.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims, and various forms of substitution, modification, and within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims. It will be apparent to those skilled in the art that changes are possible.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, p형 질화물 반도체층의 상면에 소정 패턴을 갖는 요철을 형성하여 방출 광의 전반사를 방지함으로써 휘도특성을 개선하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the unevenness having a predetermined pattern is formed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer, thereby preventing the total reflection of the emitted light, thereby improving the luminance characteristic.
특히, p형 질화물 반도체층의 상면에 격자형상의 요철을 형성하는 경우, n측 전극에 인접한 부분에 전류가 집중되는 경향이 완화되며, 동시에 전류가 p형 질화물 반도체층으로 진행되는 경향이 증가되어 전류확산을 개선하고, 이로 인해 동작전압이 낮아지는 부가적인 효과가 있다.In particular, when the lattice irregularities are formed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer, the tendency of the current to concentrate on the portion adjacent to the n-side electrode is alleviated, and at the same time, the tendency of the current to proceed to the p-type nitride semiconductor layer is increased. This has the additional effect of improving current spreading and lowering the operating voltage.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional nitride semiconductor light emitting device.
도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 요철을 도시한 사시도이다.3 is a perspective view showing irregularities formed on a p-type nitride semiconductor layer according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 요철을 도시한 사시도이다.4 is a perspective view showing irregularities formed on a p-type nitride semiconductor layer according to another embodiment of the present invention.
도 5a 내지 5e는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.5A through 5E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
21, 31, 41 : 기판 22, 32, 42 : 버퍼층21, 31, 41: substrate 22, 32, 42: buffer layer
23, 33, 43 : n형 질화물 반도체층 24, 34, 44 : 활성층23, 33, 43: n-type nitride semiconductor layer 24, 34, 44: active layer
25, 35, 45 : p형 질화물 반도체층 26, 36, 46 : 투명전극층25, 35, 45: p-type nitride semiconductor layer 26, 36, 46: transparent electrode layer
27a, 37a, 47a : p측 본딩전극 27b, 37b, 47b : n측 전극27a, 37a, 47a: p-side bonding electrode 27b, 37b, 47b: n-side electrode
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