KR20070012641A - 전류 분산 구조물을 갖는 박막 ｌｅｄ - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 질화물계 화합물 반도체로 이루어지며 주 방사 방향(15)으로 전자기 방사선(19)을 방출하는 활성 층(7), 상기 주 방사 방향으로 상기 활성 층(7)에 이어지며 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 이루어진 전류 분산 층(9), 상기 주 방사 방향(15)으로 방출된 방사선이 추출되는 통로가 되는 주 면(14) 및 상기 주 면(14) 위에 배치된 제 1 접촉층(11, 12, 13)을 포함하는 박막 LED에 관한 것이다. 상기 박막 LED에서는 2차원 전자 기체 또는 정공 기체가 생성됨으로써 전류 분산 층(9)의 횡방향 전도성이 증가한다. 2차원 전자 기체 또는 정공 기체의 생성은 바람직하게 제 2 질화물계 화합물 반도체로 이루어진 적어도 하나의 층(10)이 전류 분산 층(9) 내에 매립됨으로써 이루어진다.
Description
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 박막 LED에 관한 것이다.
본 특허출원은 독일 특허출원 제 10 2004 003 986.0의 우선권을 청구하며, 상기 우선권의 공개 내용은 본 문서에 인용의 형태로 포함될 것이다.
공지되어 있는 광전 소자를 제조하는 방법, 특히 질화물계 화합물 반도체를 기재로 하여 발광 다이오드를 제조하는 방법은 소위 박막 기술을 기초로 한다. 이 방법에서는 특히 방사선을 방출하는 활성층을 포함하는 기능성 반도체 층 시퀀스가 먼저 성장 기판 위에 에피택셜 기법으로 성장한 다음, 상기 성장 기판 반대편에 놓인 반도체 층 시퀀스의 표면 위에 새로운 지지층이 도포되고, 이어서 상기 성장 기판이 분리된다. 질화물계 화합물 반도체를 위해 사용된 성장 기판, 예컨대 SiC, 사파이어 또는 GaN이 비교적 고가이기 때문에, 상기 방법은 특히 성장 기판의 재사용이 가능하다는 장점을 제공한다. 질화물계 화합물 반도체로 된 반도체 층 시퀀스로부터 사파이어로 된 성장 기판을 에칭하는 공정은 예컨대 WO 98/14986으로부터 공지된 레이저 리프트-오프 기법을 이용하여 이루어질 수 있다.
박막 LED는 특히 하기의 독특한 특징들을 갖는다.
- 방사선을 방출하는 에피택셜 성장층 시퀀스의, 지지층을 향하는 주 면에 반사층이 적층되거나 형성되고, 상기 반사층은 에피택셜 성장층 시퀀스 내에서 발생한 전자기 방사선의 적어도 일부를 상기 에피택셜 성장층 시퀀스 내로 재반사하며,
- 상기 에피택셜 성장층 시퀀스는 약 20㎛ 또는 그 이하, 특히 약 6㎛의 두께를 가지며,
- 상기 에피택셜 성장층 시퀀스는 혼합 구조물을 포함하는 적어도 하나의 면을 갖는 적어도 하나의 반도체 층을 포함하며, 상기 혼합 구조물은 이상적인 경우 에피택셜 성장층 시퀀스 내에서 광이 거의 에르고드(ergodic) 분포를 나타내도록 한다. 즉, 상기 혼합 구조물은 가급적 에르고드 확률에 따른 산란 특성을 갖는다.
박막 LED의 기본 원리는 예컨대 Appl. Phys. Lett. 63(I. Schnitzer 외 공저, 63 (16), 18. 1993년 10월, 2174~2176페이지)에 기술되어 있으며, 그 공개 내용은 인용을 통해 본 명세서에 포함될 것이다.
박막 LED의 전기 접촉은 일반적으로 2개의 전기 접촉층, 예컨대 지지체 뒷면의 p형 접촉층 및 반도체 층 시퀀스의 지지체 반대쪽 면의 n형 접촉층에 의해 이루어진다. 일반적으로 박막 LED의 지지체 반대쪽 면이 방사선 추출을 위해 제공됨에 따라, 방사된 방사선을 투과시키지 않는 접촉층은 반도체 층 시퀀스의 표면의 일부 영역에만 제공될 수 있다. 따라서 주로 칩 표면의 비교적 작은 중심 영역에만 접촉면(본딩 패드)이 제공된다.
모서리 길이가 300㎛ 이하인 종래의 발광 다이오드 칩에서는 통상 칩 표면 위 중앙에 배치된 본딩 패드에 의해 이미 반도체 칩에서의 비교적 균일한 전류 분포가 달성될 수 있다. 그러나 예컨대 모서리 길이가 약 1mm인, 면적이 넓은 반도체 칩에서는 전술한 유형의 접촉이 반도체 칩의 불균일한 전류 공급을 야기하며, 그 결과 순방향 바이어스(forward bias)가 증가하고 활성 구역에서의 양자 효율이 감소한다. 이러한 효과는 특히 횡방향 전도성이 낮은 반도체 재료, 특히 질화물계 화합물 반도체에서 발생한다. 이 경우 최대 전류 밀도는 반도체 칩의 중심 영역에서 나타난다. 그러나 반도체 칩의 상기 중심 영역에서 방출된 방사선은 적어도 부분적으로 비투과성 본딩 패드 쪽으로 방출됨에 따라 적어도 부분적으로 흡수된다.
전류 분산을 개선하기 위해, 예컨대 Pt 또는 NiAu와 같은 얇은 반투과성 금속층을 p형 반도체 재료의 칩 표면 위에 전체 면에 걸쳐 도포하는 방법이 공지되어 있다. 그러나 이러한 경우 방출된 방사선의 상당량, 예컨대 약 50%가 반투과성 층에서 흡수된다. 또한, 그러한 유형의 접촉층은 n형 질화물계 화합물 반도체의 접촉에 적합하지 않다.
InGaAlP-LED에서 전류 커플링을 개선하기 위해, DE 199 47 030 A1으로부터 횡방향으로 구조화된 전기 접촉층을 갖는 비교적 두꺼운 투과성 전류 분산층을 사용하는 방법이 공지되어 있다. 상기 방법에서 전류 주입은 중앙 본딩 패드 및 상기 본딩 패드와 연결된, 칩 표면상의 접촉 바아들(contact bar)을 통해 이루어진다. 이러한 방식의 접촉은 횡방향 전도성이 낮은 반도체 재료, 특히 질화물계 화합물 반도체를 포함하는 면적이 큰 발광 다이오드 칩에는 전용될 수 없는데, 그 이유는 방출된 방사선의 대부분이 접촉층에서 흡수되도록 칩 표면상의 비투과성 접촉 바아의 밀도가 증가되어야 하기 때문이다. 또한, 비교적 두꺼운 전류 분산층으로 인해 전압 강하가 커지고, 제조시 성장 시간이 길어진다. 또한, 비교적 두꺼운 전류 분산층에서는 균열을 유도할 수 있는 변형이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 특히 칩 면에 걸쳐서 비교적 균일한 전류 분포로 인해 칩 표면이 접촉층 재료로 비교적 덜 차폐되는 개선된 전류 분산 구조물을 갖는 박막 LED를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징들을 갖는 박막 LED를 통해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들 및 개선예들은 종속 청구항들의 대상이다.
주 방사 방향으로 전자기 방사선을 방출하는 활성층, 상기 주 방사 방향으로 상기 활성층에 이어지며 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 이루어진 전류 분산 층, 상기 주 방사 방향으로 방출된 방사선이 추출되는 통로가 되는 주 면 및 상기 주 면 위에 배치된 제 1 접촉층을 포함하는 박막 LED에서는 2차원 전자 기체 또는 정공 기체가 생성됨으로써 전류 분산 층의 횡방향 전도성이 증가한다.
전류 분산층의 횡방향 전도성이 증가함으로써 활성층의 전류 공급이 균일해지고, 그 결과 박막 LED의 효율이 증가한다.
전류 분산 층 내에 2차원 전자 기체 또는 정공 기체를 생성하기 위해, 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료보다 더 큰 전자 밴드갭(electronic band gap)을 갖는 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 이루어진 적어도 하나의 층을 상기 전류 분산 층 내로 매립하는 것이 바람직하다.
제 1 질화물계 화합물 반도체 재료 및 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료는 바람직하게 각각 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1 그리고 x+y≤1)의 조성을 갖는데, 이때 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료의 조성은 상기 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료의 전자 밴드갭이 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료의 전자 밴드갭보다 크도록 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료의 조성과 차이가 난다. 여기서 각각의 재료가 반드시 전술한 화학식에 따른 수학적으로 정확한 조성을 가져야 하는 것은 아니다. 오히려 상기 재료의 물리적 특성을 실질적으로 변화시키지 않는 하나 이상의 도펀트 재료 및 추가 성분을 포함할 수 있다. 그러나 전술한 화학식은 간단한 표현을 위해 결정 격자의 주요 성분만을 포함하고 있으며, 상기 주요 성분들은 부분적으로 소량의 추가 재료로 대체될 수도 있다.
제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 이루어진 적어도 하나의 층과 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 이루어진 전류 분산층 사이의 경계면에는 매우 높은 횡방향 전도성을 갖는 영역들이 형성된다. 상기 영역의 횡방향 전도성이 높다는 것은 밴드 모형(band model)에서, 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료와 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료 사이의 경계면에서 전도 밴드(conduction band)와 원자가 밴드(valence band)의 밴드 에지들의 휨이 발생하고, 그러한 휨은 전위 우물(potential well)을 형성하며 상기 전위 우물 내에는 매우 높은 횡방향 전도성을 갖는 2차원 전자 기체 또는 정공 기체가 발생한다.
본 발명에 따른 박막 LED의 한 바람직한 실시예에서는 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 다수의 층들이 전류 분산층 내에 매립된다. 이러한 방식으로 바람직하게 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료와 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료 사이의 다수의 경계면이 형성되고, 그곳에 밴드 휨의 발생으로 인해 전위 우물이 형성되며, 상기 전위 우물 내에 높은 횡방향 전도성을 갖는 2차원 전자 기체 또는 정공 기체가 발생한다. 그 결과, 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료의 전자 밴드갭보다 더 큰 전자 밴드갭을 갖는 단 1개의 매립층을 갖는 전류 분산층에 비해 전체 전류 분산층의 횡방향 전도성이 훨씬 더 증가한다. 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 층들의 수는 1개 내지 5개인 것이 바람직하다.
제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 적어도 1개의 층의 두께는 예컨대 약 10nm 내지 100nm이다.
전류 분산층을 형성하는 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료는 바람직하게 GaN이다. 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료는 예컨대 AlxGa1-xN(0<x≤1)이며, 여기서 0.1≤x≤0.2가 적용되는 것이 바람직하다.
제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 적어도 1개의 층은 바람직하게 도펀트를 포함하며, 이때 도펀트 농도는 상기 층의 중심 영역에서보다 전류 분산층과 경계를 접하는 영역들에서 더 높다. 전류 분산층과 경계를 접하는, 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료의 영역들에서 도펀트 농도가 더 높으면, 2차원 전자 기체 또는 정공 기체의 생성에 의해 횡방향 전도성이 증가하는 영역들에서 자유 전하 캐리어의 수가 더 증가된다는 장점이 얻어진다. 그럼으로써 횡방향 전도성과 전류 분산이 더욱 개선된다.
제 1 및 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료는 예컨대 각각 n형으로 도핑된다. 이 경우, 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료와 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료 사이의 경계면들에 2차원 전자 기체가 생성된다. 그 대안으로, 제 1 및 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료가 각각 p형으로 도핑될 수도 있다. 이 경우에는 첫 번째 경우와 달리 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료와 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료 사이의 경계면들에 2차원 전자 기체가 생성되지 않고, 2차원 정공 기체가 생성된다. 본 발명의 또 다른 한 바람직한 변형예에서는, 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 얇은 n형 층이 p형으로 도핑된 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 전류 분산층 내에 매립된다. 이러한 방식으로 p형으로 도핑된 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료에서도 2차원 전자 기체가 발생할 수 있다.
박막 LED의 활성층은 예컨대 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1 그리고 x+y≤1)을 함유한다. 이 활성층은 예컨대 헤테로 접합 구조물, 이중 헤테로 접합 구조물 또는 양자 우물 구조물로 형성될 수 있다. 양자 우물 구조에는 전하 캐리어가 가둠(confinement)에 의해 에너지 상태의 양자화를 거치게 되는 모든 구조가 포함된다. 특히 양자우물 구조물이란 명칭은 양자화의 차원에 대한 진술은 포함하지 않는다. 따라서 양자우물 구조에는 특히 양자 우물, 양자선(quantum wire)과 양자 점(quantum dot) 및 상기 구조들이 각각 결합된 구조가 포함된다.
박막 LED의 한 실시예에서는 방사선 추출에 제공된 주 면의 적어도 하나의 모서리 길이가 400㎛ 이상, 매우 바람직하게는 800㎛ 이상에 달한다. 특히 1개의 모서리 길이가 1mm 이상이 될 수도 있는데, 이 경우 주 면은 특히 정사각형 형태를 가질 수 있다. 전류 분산층의 횡방향 전동성이 증가됨으로써 자동적으로 면적이 큰 박막 LED의 경우에 활성층에서 비교적 균일한 전류 분포가 달성될 수 있으며, 이러한 효과는 종래의 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 전류 분산층을 이용해서는 쉽게 구현할 수 없는 것이다.
방사선 추출에 제공되는 주 면 위에 배치되는 박막 LED의 제 1 접촉층은 바람직하게 금속 또는 금속 합금을 포함한다. 더 바람직하게는 제 1 접촉층이 Ti-Pt-Au-층 시퀀스이고, 상기 층 시퀀스는 인접하는 질화물계 화합물 반도체 층에서부터 시작하여 예컨대 약 50nm 두께의 Ti 층, 약 50nm 두께의 Pt 층 및 약 2㎛ 두께의 Au 층으로 구성된다. Ti-Pt-Au-층 시퀀스는 바람직하게 전자 이동에 대해 민감하지 않으며, 그렇지 않은 경우에는 전자 이동이 예컨대 알루미늄을 함유한 제 1 접촉층에서 발생할 수 있다. 그러므로 제 1 접촉층은 알루미늄을 함유하지않는 것이 바람직하다.
제 1 접촉층은 1개의 접촉면(본딩 패드)과 다수의 접촉 바아를 포함하는 횡방향 구조를 갖는 것이 바람직하다. 한 바람직한 실시예에서는 접촉면이 적어도 하나의 프레임형 접촉 바아로 둘러싸이는데, 이때 프레임형 접촉 바아는 적어도 하나의 또 다른 접촉 바아에 의해 상기 접촉면과 연결된다. 적어도 하나의 프레임형 접촉 바아는 예컨대 정사각형이거나, 직사각형이거나 원형일 수 있다.
본 발명에 따른 박막 LED에서는 전류 분산층의 횡방향 전도성의 증가로 인해, 주 면의 비교적 작은 부분만 접촉층으로 덮이면 된다. 바람직하게는 주 면의 전체 면적의 15% 미만, 더 바람직하게는 10% 미만이 제 1 접촉층으로 덮인다. 그 밖에도 전류 분산층의 횡방향 전도성이 높을 경우, 접촉층의 비교적 거친(rough) 구조화로도 이미 박막 LED 내 활성층에서 비교적 균일한 전류 밀도 분포가 달성되기에 충분하다는 장점이 제공된다. 예컨대 접촉면은 1개, 2개 또는 3개의 프레임형 접촉 바아로 둘러싸이는 것이 바람직하다. 전류 분산층의 횡방향 전도성이 높기 때문에, 박막 LED의 효율을 높이기 위해 접촉층을 더 미세하게 구조화하는 것, 특히 더 많은 수의 프레임형 접촉 바아를 사용하는 것은 불필요하다. 따라서 제 1 접촉층의 구조화를 위한 비용이 감소한다.
또 다른 한 바람직한 구현형은 활성층에서 볼 때 제 1 접촉층의 맞은편에 위치하는 제 2 접촉층을 포함한다. 상기 제 2 접촉층은 접촉면 반대편 영역에 리세스를 갖는다. 즉, 상기 제 2 접촉층은, 적어도 하나의 접촉 바아와 함께 제 1 접촉층을 형성하는 접촉면이 활성층에서 볼 때 제 2 접촉층으로 덮이지 않는 영역의 반대편에 놓이도록 구조화된다. 이는 접촉면 하부에 놓이는 활성층의 영역 내에서 전류 밀도가 감소하는 장점을 제공한다. 이러한 형태는 특히 제 1 접촉층이 비투과성 금속으로 이루어진 경우에 유리한데, 그 이유는 그렇지 않은 경우 접촉면 하부에서 발생한 방사선의 적어도 일부가 접촉면에서 흡수될 수 있기 때문이다. 박막 LED의 효율은 이러한 방식으로 바람직하게 증가한다.
제 2 접촉층은 방출된 방사선을 반사하는 층인 것이 바람직하다. 이는 특히 박막 LED의 주 면 반대편 면이 접합층, 예컨대 납땜층에 의해 지지체와 연결되는 경우에 바람직하다. 이 경우, 지지체의 방향으로 방출된 방사선이 반사성 접촉층에 의해 주 면 쪽으로 재반사되고, 이러한 방식으로 지지체 및/또는 접합층에서의 방사선 흡수량이 감소한다.
본 발명은 300mA 이상의 전류 강도로 구동되는 박막 LED에 특히 바람직하다. 구동 전류 강도가 그와 같이 높을 경우 종래의 박막 LED에서는 발광 다이오드 칩의 중심 영역에서 최대값을 갖는 불균일한 전류 분포를 관찰할 수 있을 것이다.
하기에서는 도 1 내지 도 1과 관련한 실시예들을 참고로 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1A는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 LED의 개략적인 횡단면도.
도 1B는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 LED의 개략적인 평면도.
도 2A는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 LED의 개략적인 횡단면도.
도 2B는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 LED의 개략적인 평면도.
도 3A 및 도 3B는 더 큰 전자 밴드갭을 갖는, 제 2 반도체 재료로 된 n형 층이 매립되어 있는 n형 반도체 층의 전자 밴드 구조의 개략도.
도 4는 도 2에 도시된 반도체 층들의 도펀트 농도의 양상을 나타낸 개략도.
도 5는 더 큰 전자 밴드갭을 갖는, 제 2 반도체 재료로 된 다수의 반도체 층들이 매립되어 있는 반도체 층의 밴드 모형의 개략도.
도 6은 더 큰 전자 밴드갭을 갖는, 제 2 반도체 재료로 된 p형 반도체 층이 매립되어 있는 p형 반도체 층의 원자가 밴드 에지의 양상을 도시한 개략도.
도 7A 및 도 7B는 더 큰 전자 밴드갭을 갖는, 제 2 반도체 재료로 된 n형 반도체 층이 매립되어 있는 p형 반도체 층의 밴드 모형의 개략도.
도면들에서 동일한 요소들 또는 동일한 작용을 하는 요소들은 동일한 도면 부호로 표시하였다.
도 1A에서 도 1B에 도시된 평면도의 라인 I-II의 횡단면을 따라 도시된, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 LED는 활성 층(7)을 포함하는 에피택셜 성장층 시퀀스(16)를 포함한다. 활성 층(7)은 예컨대 헤테로 구조, 이중 헤테로 구조 또는 양자 우물 구조로 형성된다. 활성 층(7)으로부터 예컨대 자외선, 청색 또는 녹색 스펙트럼 영역에 속하는 전자기 방사선(19)이 주 방사 방향(15)으로 방출된다. 활성 층(7)은 예컨대 적어도 하나의 p형 반도체 층(6)과 적어도 하나의 n형 반도체 층(8) 사이에 포함된다. 활성 층(7)으로부터 주 방사 방향(15)으로 방출된 전자기 방사선(19)은 주 면(14)을 통해 박막 LED로부터 추출된다.
주 면(14)의 반대편 면에서는 상기 에피택셜 성장층 시퀀스(16)가 접합층(3), 예컨대 납땜층에 의해 지지체(2)에 고정된다. 상기 지지체의 배면에 예컨대 전극(1)이 제공된다.
박막 LED의 에피택셜 성장층 시퀀스(16)의 전기적 접촉을 위해, 박막 LED의 주 면(14) 위에 제 1 접촉층(11, 12, 13)이 제공된다. 활성 층(7)과 제 1 접촉층(11, 12, 13) 사이에 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료, 바람직하게는 GaN을 함유한 전류 분산층(9)이 포함된다. 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 상기 전 류 분산층(9) 내에 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료, 바람직하게는 AlGaN으로 된 적어도 하나의 층(10)이 매립된다. 즉, 상기 전류 분산층(9)은 예컨대 매립된 AlGaN 층(10)에 의해 서로 분리되는 2개의 GaN 부분층(9a, 9b)을 포함하는 다층 구조의 층이다. AlGaN 층(10)은 바람직하게 AlxGa1-xN(0.1≤x≤0.2)의 조성을 갖는다.
하기에서 더 상세히 설명되는 것처럼, 전류 분산층(9) 내에 매립된 반도체 층(10)에 의해 전류 분산층(9)의 횡방향 전도성이 향상된다. 전류 분산층(9) 내에 매립된, 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 층(10)은 바람직하게 10nm 이상 100nm 이하의 두께를 갖는다.
제 1 접촉층(11, 12, 13)은 바람직하게 Ti-Pt-Au-층 시퀀스를 포함하고(도시되지 않음), 상기 층 시퀀스는 인접하는 전류 분산층(10)에서부터 시작하여 예컨대 약 50nm 두께의 Ti 층, 약 50nm 두께의 Pt 층 및 약 2㎛ 두께의 Au 층으로 구성된다. 전자 이동을 막기 위해 상기 제 1 접촉층(11, 12, 13)이 바람직하게 알루미늄을 함유하지 않는다. 박막 LED의 주 면(14) 위에 배치된 제 1 접촉층(11, 12, 13)의 횡방향 구조는 도 1B의 평면도에 명확하게 도시되어 있다. 제 1 접촉층은 주 면(14)의 중심 영역에 배치된 1개의 접촉면(11)을 포함하고 있다. 또한, 제 1 접촉층은 상기 접촉면(11)으로부터 반경방향으로 박막 LED의 가장자리를 향해 연장되는 다수의 접촉 바아(12)를 포함하고 있다. 이 접촉 바아들(12)은 접촉면(11)을 둘러싸는 또 다른 접촉 바아들(13)에 의해 적어도 부분적으로 서로 연결되어 있다.
프레임형 접촉 바아들(13)은 도시된 것처럼 서로 겹쳐진 정사각형 또는 직사 각형으로 구현될 수 있다. 그 대안으로, 예컨대 원형 프레임 또는 규칙적인 다각형의 프레임도 가능한데, 이때 바람직하게는 프레임형 접촉 바아들(13)이 동심으로 배치된다. 즉, 접촉면(11)이 배치되어 있는 공통의 중점을 갖는다. 프레임형 접촉 바아의 개수는 1개, 2개 또는 3개인 것이 바람직하다. 접촉면(11)과 접촉 바아(12, 13)를 포함하는 제 1 접촉층은 바람직하게 금속, 특히 알루미늄으로 형성된다.
박막 LED의 반도체 층 시퀀스(16)의 지지체(2) 반대편 면에는 바람직하게 인접하는 반도체 층(6)으로의 옴 접촉을 형성하는 제 2 접촉층(5)이 접한다. 이 제 2 접촉층(5)은 바람직하게 알루미늄, 은 또는 금과 같은 금속을 함유한다. 제 2 접촉층(5)에 접하는 p형 반도체 층(6)의 경우 특히 은이 상기 제 2 접촉층(5)의 재료로 적합한데, 그 이유는 은이 p형 질화물계 화합물 반도체로의 우수한 옴 접촉을 형성하기 때문이다.
제 2 접촉층(5)은 방출된 방사선을 반사하는 층인 것이 바람직하다. 이 경우, 활성 층(7)으로부터 지지체(2)의 방향으로 방출되는 전자기 방사선이 적어도 부분적으로 주 면(14)을 향해 반사되어 거기서 박막 LED로부터 추출된다는 장점이 얻어진다. 이러한 방식으로 예컨대 지지체(2) 내부 또는 접합층(3) 내에서 발생할 수 있는 흡수 손실이 감소한다.
제 1 접촉층의 접촉면(11) 반대편에 놓인 영역에서 제 2 접촉층(5)이 바람직하게 리세스(18)를 갖는다. 리세스(18)의 크기와 형태는 바람직하게 접촉면(11)의 크기 및 형태와 거의 일치한다. 리세스(18)의 영역에서는 제 2 접촉층(5)과 인접 하는 반도체 층(6) 사이에 옴 접촉이 일어나지 않기 때문에, 상기 리세스(18)의 영역에 의해 주 면(14) 위의 제 1 접촉층(11, 12, 13)과 지지체(2) 배면 위의 전극(1) 사이의 전류 흐름이 감소한다. 이러한 방식으로 제 2 접촉층(5) 내 리세스(18)와 제 1 접촉층(11) 사이에 배치된 활성 층(7)의 영역을 통하는 전류 흐름이 바람직하게 감소한다. 따라서 활성 층(7)의 상기 영역에서 방사선 발생이 감소함에 따라 바람직하게 비투과성 접촉면(11) 내부에서의 방사선 흡수가 적어도 부분적으로 감소한다.
제 2 접촉층(5)과 접합층(3) 사이에는 바람직하게 배리어 층(4)이 포함된다. 배리어 층(4)은 예컨대 TiWN을 함유한다. 상기 배리어 층(4)에 의해 예컨대 납땜층인 접합층(3)의 재료가 제 2 접촉층으로 확산되는 현상이 방지된다. 상기 확산은 특히 반사층으로 작용하는 제 2 접촉층(5)의 반사에 악영향을 줄 수 있다.
도 2A의 횡단면도 및 도 2B의 평면도에 개략적으로 도시된, 본 발명에 따른 박막 LED의 제 2 실시예는, 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 단일 층 대신 3개의 층(10a, 10b, 10c)이 전류 분산층(9) 내에 매립되는 점에서 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예와 차이가 있다. 즉, 전류 분산층(9)은 예컨대 매립된 3개의 AlGaN 층(10a, 10b, 10c)에 의해 서로 분리되는 4개의 GaN 부분층들(9a, 9b, 9c, 9d)을 포함하는 다층 구조의 층이다. 그 대안으로, 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 전류 분산층(9) 내로 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 추가의 층들이 더 매립되는 것도 가능하다.
매립되는 층들의 바람직한 개수는 1개 내지 5개이다. 다수의 층(10a, 10b, 10c)이 각각 10nm 내지 100nm의 두께를 가지며, 반드시 주기적으로 배치될 필요는 없다. 예를 들어, 상기 층들(10a, 10b, 10c)은 서로 상이한 두께 및/또는 서로 상이한 간격을 가진다.
제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 다수의 매립 층(10a, 10b, 10c)에 의해, 전류 분산층(9)의 횡방향 전도성이 도 1에 도시된 단일 매립 층을 갖는 실시예에 비해 더욱 증가한다. 예컨대 전류 분산층(9) 내에 매립된 3개의 층(10a, 10b, 10c)에 의해 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료와 상대적으로 더 큰 전자 밴드갭을 갖는 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료 사이에 6개의 경계면이 생긴다. 상기 경계면 각각에 전자의 전위 우물이 형성되고, 상기 전위 우물 내부에서는 전자들이 매우 높은 운동성을 갖는다.
전류 분산층의 횡방향 전도성이 증가함으로써 얻어지는 장점은, 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 층들(10a, 10b, 10c)이 상기 분산층(9) 내로 매립됨으로써, 박막 LED 내부에서의 전류 분산에 중대한 악영향을 미치지 않으면서 접촉 바아의 개수, 접촉 바아들(12, 13) 상호간의 간격 및 접촉 바아들(12, 13)과 접촉면(11)으로 덮이는 칩 면적이 감소될 수 있는 방식으로 전류 분산층(9)의 횡방향 전도성이 증가한다는 점에 있다.
또한, 도 2B에 도시된 평면도에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 제 2 실시예는 주 면(14) 위의 제 1 접촉층이 3개의 프레임형 접촉 바아(13) 대신 단 2개의 프레임형 접촉 바아(13)를 포함한다는 점에서 본 발명의 제 1 실시예와 차이가 있다. 즉, 전류 분산층(9)의 횡방향 전도성이 증가함으로써 제 1 접촉층(11, 12, 13)의 구조가 더 간단해질 수 있고, 그 결과 제조 비용이 절감되며 접촉층(11, 12, 13) 내부에서의 방사선 흡수가 감소한다.
하기에서는 도 3 내지 도 7을 참고로 2차원 전자 기체 또는 정공 기체의 생성을 통한 전류 전도성의 증가에 대해 상세히 설명한다. 도 3A에는 상대적으로 더 큰 전자 밴드갭을 가지며 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료, 예컨대 n형 AlGaN으로 된 반도체 층이 매립된, 질화물계 화합물 반도체 재료, 예컨대 n형 GaN으로 된 반도체 층의 밴드 모형에서의 전자 밴드 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 도 3A에는 전도 밴드(20), 원자가 밴드(21) 그리고 GaN의 페르미 준위(Fermi level)(22)와 AlGaN의 페르미 준위(23)가 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 반도체 재료들 간의 상호 작용은 고려되지 않았다. GaN에 비해 AlGaN의 전자 밴드갭이 더 크기 때문에, GaN 층이 매립된 AlGaN 층에서의 전도 밴드(20)와 원자가 밴드(21) 사이의 간격이 인접한 GaN 층에서보다 더 크다.
도 3B에는 상기 두 반도체 재료의 상호 작용이 고려된 전도 밴드 에지(21)의 양상이 도시되어 있다. 페르미 준위들(22, 23)이 서로 동화되기 때문에, AlGaN 층에 인접하는 GaN 층의 영역들에서 상기 영역들에 전자의 전위 우물(25)이 형성되도록 하는 밴드 휨이 발생한다. 상기 전위 우물 내에서는 전자들이 매우 높은 운동성을 가짐에 따라 상기 영역에 2차원 전자 기체가 생성된다.
도 4에는 전류 분산층의 한 바람직한 실시예에 대하여, 전류 분산층에 수직으로, 즉 주 방사 방향에 평행하게 뻗는 위치 좌표(z)의 함수로서 도펀트 농도(δ)의 양상이 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서는 AlGaN 층이 GaN으로 된 전 류 분산층 내에 매립되고, 이때 GaN 층과 AlGaN 층은 모두 n형이다. AlGaN 층은 그의 내부 영역에서보다 GaN 층에 인접하는 영역들(24)에서 더 높은 도펀트 농도를 갖는다(소위 도핑 스파이크(doping spike). 그럼으로써 도 3B에 도시된 전위 우물(25) 내에서 높은 운동성을 갖는 자유 전자의 개수가 더 증가함에 따라 전류 전도성도 더 향상된다.
제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 전류 분산 층 내로 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 단일 층을 매립하는 대신, 도 3에 밴드 모형에서 명백히 알 수 있는 것처럼, 앞서 본 발명의 제 2 실시예를 참고로 설명하였듯이 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 다수의 층이 삽입될 수도 있다. 이러한 경우에 대해 도 5에 반도체 재료들 사이, 예컨대 GaN과 AlGaN 사이의 상호 작용을 고려하지 않은 전도 밴드(20)와 원자가 밴드(22)의 양상이 명백하게 도시되어 있다. 반도체 재료들 사이의 각각의 경계면에서 상호 작용의 고려하에 각각 도 3B와 관련하여 설명한 밴드 휨 및 그에 상응하는 전위 우물들의 형성(도시되지 않음)이 발생한다.
전류 분산층 및 그 내부에 매립된, 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 반도체 층이 반드시 n형일 필요는 없다. 그 대안으로, 상기 두 층 모두 p형일 수도 있다. 도 6에는 AlGaN 층이 p형으로 도핑된 경우의 원자가 밴드 에지(21)의 양상이 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우에는 경계면들에 각각 정공의 전위 우물(26)을 나타내는 밴드 휨이 발생한다. 이러한 방식으로 경계면 영역들에 각각 2차원 정공 기체가 생성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 바람직한 실시예에서는, p형 전류 분산층(예: p-GaN) 내부에서 2차원 전자 기체를 발생시키기 위해 상기 p형 층보다 더 큰 전자 밴드갭을 갖는 n형 층(예: n-AlGaN)이 전류 분산층 내에 매립된다. 본 실시예의 (반도체 층들의 상호 작용이 고려되지 않은) 밴드 모형이 도 7A에 개략적으로 도시되어 있으며, 반도체 층들의 상호 작용이 고려된 밴드 모형이 도 7B에 도시되어 있다. 도 3B에 도시된, GaN 층과 매립된 AlGaN 층이 모두 n형인 예와 유사하게, 본 경우에도 역시 반도체들 간의 경계면에서의 밴드 휨으로 인해 p형 GaN과 n형 AlGaN 사이의 경계면에 각각 전자의 전위 우물(25)이 형성되고, 상기 전위 우물 내에는 더 높은 횡방향 전도성을 갖는 2차원 전자 기체가 생성된다.
본 발명은 실시예들에 기초한 상기 설명으로 제한되는 것은 아니다. 오히려 본 발명에는 각각의 새로운 특징뿐만 아니라 그 특징들의 모든 조합, 특히 특허 청구항들에 제시된 모든 특징들의 조합이 포함되며, 이는 상기 특징이나 조합 자체가 특허 청구항이나 실시예들에 명백하게 제시되어 있지 않더라도 마찬가지이다.
Claims (21)
- 박막 LED로서,주 방사 방향(15)으로 전자기 방사선(19)을 방출하는 활성 층(7), 상기 활성 층(7)에 상기 주 방사 방향(15)으로 이어지며 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료로 이루어진 전류 분산 층(9), 상기 주 방사 방향(15)으로 방출된 방사선(19)이 추출되는 통로가 되는 주 면(main face)(14) 및 상기 주 면(14) 위에 배치된 제 1 접촉층(11, 12, 13)을 포함하며,상기 전류 분산 층(9)의 횡방향 전도성이 2차원 전자 기체 또는 정공 기체가 생성됨으로써 증가하는,박막 LED.
- 제 1항에 있어서,상기 전류 분산 층(9) 내에 2차원 전자 기체 또는 정공 기체를 생성하기 위해, 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료보다 더 큰 전자 밴드갭(electronic band gap)을 갖는 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 이루어진 적어도 하나의 층이 상기 전류 분산 층(9) 내에 매립되는,박막 LED.
- 제 2항에 있어서,상기 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 이루어진 다수의 층(10a, 10b, 10c)이 상기 전류 분산층(9) 내에 매립되는,박막 LED.
- 제 1항 또는 제 3항에 있어서,상기 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 층들(10a, 10b, 10c)의 수는 1개 내지 5개인,박막 LED.
- 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 적어도 1개의 층의 두께는 약 10nm 내지 100nm인,박막 LED.
- 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료는 GaN인,박막 LED.
- 제 2항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료는 AlxGa1-xN(0.1≤x≤0.2)인,박막 LED.
- 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료로 된 적어도 1개의 층(10)은 도펀트를 함유하며, 상기 도펀트 농도는 상기 층(10)의 중심 영역에서보다 상기 전류 분산층(9)과 경계를 접하는 영역들에서 더 높은,박막 LED.
- 제 2항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료는 각각 n형으로 도핑되는,박막 LED.
- 제 2항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 질화물계 화합물 반도체 재료는 p형으로 도핑되고, 상기 제 2 질화물계 화합물 반도체 재료는 n형으로 도핑되는,박막 LED.
- 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,상기 활성층(7)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1 그리고 x+y≤1)을 함유하는,박막 LED.
- 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,상기 주 면(14)의 적어도 하나의 모서리 길이가 400㎛ 이상인,박막 LED.
- 제 12항에 있어서,상기 주 면(14)의 적어도 하나의 모서리 길이가 800㎛ 이상인,박막 LED.
- 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,상기 박막 LED의 구동은 300mA 이상의 전류 강도로 제공되는,박막 LED.
- 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 접촉층(11, 12, 13)은 알루미늄을 함유하지 않는,박막 LED.
- 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,상기 주 면(14)의 전체 면적의 15% 미만이 상기 제 1 접촉층(11, 12, 13)으로 덮이는,박막 LED.
- 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 접촉층(11, 12, 13)은 1개의 접촉면(11)과 다수의 접촉 바아(12, 13)를 포함하는 횡방향 구조를 갖는,박막 LED.
- 제 17항에 있어서,상기 접촉면(11)이 적어도 하나의 프레임형 접촉 바아(13)로 둘러싸이고, 상기 프레임형 접촉 바아(13)는 적어도 하나의 또 다른 접촉 바아(12)에 의해 상기 접촉면과 연결되는,박막 LED.
- 제 18항에 있어서,상기 프레임형 접촉 바아(13)는 정사각형이거나, 직사각형이거나 원형인,박막 LED.
- 제 18항 또는 제 19항에 있어서,상기 프레임형 접촉 바아(13)의 개수는 1개, 2개 또는 3개인,박막 LED.
- 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서,상기 활성층(7)의, 상기 제 1 접촉층(11, 12, 13) 반대편 면 위에 상기 방출된 방사선을 반사하는 제 2 접촉층(5)이 제공되고, 상기 제 1 접촉층(11, 12, 13)은 1개의 접촉면(11)을 포함하며, 상기 제 2 접촉층(5)은 상기 접촉면(11)의 반대편 영역에 리세스(18)를 갖는,박막 LED.
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