KR20110100266A - 측방 구조를 갖는 유전체 미러를 포함하는 발광 다이오드 - Google Patents

측방 구조를 갖는 유전체 미러를 포함하는 발광 다이오드 Download PDF

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Abstract

활성 구조, 활성 구조 상의 제1 오믹 컨택, 및 활성 구조의 제1 오믹 컨택 반대쪽 상의 투명 도전성 산화물층을 포함하는 발광 다이오드가 개시된다. 투명 도전성 산화물층은 활성 구조보다 큰 점유 공간을 갖는다. 투명 도전성 산화물층의 활성 구조 반대쪽 상에 유전체 미러가 위치되며, 투명 도전성 산화물층의 유전체 미러 반대쪽 상에 활성 구조와 분리되는 상태로 제2 컨택이 위치된다.

Description

측방 구조를 갖는 유전체 미러를 포함하는 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE WITH A DIELECTRIC MIRROR HAVING A LATERAL CONFIGURATION}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것이다. 발광 다이오드(LED)는 적합한 반도체 재료에서의 전자-정공 재결합 발생을 촉진함으로써 인가 전압을 광으로 변환하는 광반도체 소자의 부류에 속한다. 재결합 발생 시에 방출되는 에너지의 일부 또는 전부가 광자를 생성한다. 재결합 발생에 의해 광자가 생성될 때, 이 재결합은 광자를 모든 방향으로 발생되게 한다.
발광 다이오드는 다른 반도체 솔리드 스테이트 소자의 다수의 선호하는 특성을 공유한다. 이들 특성은 일반적으로 견고한 물리적 특성, 긴 수명, 높은 신뢰도, 및 특정 재료에 따라서는 저비용을 포함한다. 이들 물리적 특성은, 비교적 낮은 전력 요구와 함께, LED를 광출력 소자로서 바람직한 것으로 만들었다. LED의 일반적인 이론 및 작동은 본 기술 분야에 널리 알려져 있다. 발광 다이오드의 구조 및 작동에 대해 적합한 문헌으로는 S.M. SZE이 발표한 PHYSICS OF SEMICONDUCTOR DEVICE(2nd ed. 1981) 및 E.FRED SCHUBERT이 발표한 LIGHT-EMITTING DIODES(2003) 등이 있다.
갈륨 니트라이드(GaN)계 LED는 통상적으로 복수의 GaN계 에피택셜층이 위에 증착되는 탄화규소(SiC) 또는 사파이어와 같은 절연성 또는 반도전성 기판을 포함한다. 이들 에피택셜층은 여기 시에 광을 방출하는 p-n 접합을 갖는 활성 영역을 형성한다. LED는 기판측 아래가 서브마운트, 리드 프레임 또는 이들 양자 위에 탑재될 수 있다. 이와 달리, 플립칩 LED는 기판측이 위를 향하는 상태로, 즉 기판측이 서브마운트로부터 먼 쪽으로 향하는 상태로 리드 프레임 상에 탑재될 수 있다.
플립칩 탑재된 LED는 종종 수직 지오메트리를 채용한다. "수직"이라는 표현은 반드시 전체 소자의 최종 위치를 기술하는 것일 필요는 없고, 그 대신 소자 및 소자의 p-n 접합을 통해 전류를 지향시키기 위해 사용된 전기 컨택이 소자 내에서 서로 반대면(축방향에서) 상에 위치되는 소자 내에서의 배향을 기술하는 것이다. 그러므로, 전형적인 형태에서, 수직 소자는 도전성 기판, 기판의 일면 상의 금속 컨택, p-n 광방출 접합을 형성하기 위한 기판의 대향면 상의 2개 이상의 에피택셜층, 및 이러한 층과 접합부 및 기판을 통한 기판 컨택까지의 전류 경로를 제공하기 위한 상단 에피택셜층 상의 탑 컨택(top contact)을 포함한다.
다수의 LED는 이들의 외부 광출력을 향상시키기 위해 반사층을 채용한다. 이러한 반사층은 통상적으로 광자를 요구된 발광 표면을 향하게 하고 또한 광자 흡수 재료로부터 멀어지도록 지향시킨다. 반사층은 통상적으로 Ag 또는 Al과 같은 금속으로 구성된다. 금속성 반사층은 광을 임의의 각도 및 편광으로 반사시키는 이점을 갖지만, 다른 반사기보다 높은 광손실을 갖는다. 분산 브래그 반사기(distributed Bragg Reflector, DBR)와 같은 유전체 미러 또한 반사기로서 사용된다. DBR은 낮은 광손실과 더 높은 반사율을 갖지만, DBR에 거의 수직 방향으로 충돌하는 광만을 효과적으로 반사하는 단점을 갖는다. TiO2 층과 SiO2 층이 교번하는 형태로 이루어진 단방향 반사기(omnidirectional reflector, ODR)를 이용하는 우수한 유전체 미러가 개시되어 있다. 이에 대해서는 C. H. Lim 등에 의해 18 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS 2050(2006)에 발표된 "ENHANCEMENT of InGaN-GaN Indium-Tin-Oxide Flip-Chip Light-Emitting Diodes With TiO2-SiO2 Multilayer Stack Omnidirectional Reflector" 및 H. W. Huang 등에 의해 19 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS 565(2007)에 발표된 "High Performance GaN-Based Vertical-Injection Lightt-Emitting Diodes With TiO2-SiO2 Omnidirectional Reflector and n-GaN Roughness"를 참조하기 바란다. ODR은 어떠한 입사각 및 편광에서도 광을 반사하기 때문에 DBR에 비하여 우수한 반사율을 갖는다.
금속성 반사층이 수직 플립칩 LED에 통합될 때, 금속 반사층은 또한 p-층을 도전성 기판에 접속시키도록 작용하기 위한 추가의 금속층을 포함할 수 있다. 이러한 전기 접속을 구성하는 것은 통상적으로 고온 가공을 필요로 한다. DBR과 같은 유전체 반사층이 수직 플립칩 LED에 통합될 때, 이 유전체 반사층이 전기적으로 절연성이기 때문에 p-층을 도전성 기판에 접속시키기 위해 일부의 다른 수단이 구성되어야 한다. 이러한 소자는 유전체층에 비아 홀(via hole)을 형성하고 이 홀을 도전 컨택으로서 작용하는 하나 이상의 금속으로 채움으로써 이러한 접속부를 형성한다. 이러한 비아가 요구된 전류 경로를 제공하지만, 이들 비아는 광을 흡수하여, 주변의 유전체 반사층의 반사 장점을 감소시키는 경향이 있다. 그러므로, 이러한 비아는 유전체 반사기를 이용하는 이점을 제한할 수 있으며, 이러한 미러 및 비아를 통합하는 LED의 전체적인 외부 양자 효율(external quantum efficiency)을 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 이러한 광흡수 구조물의 사용을 방지하거나 최소화하는 유전체 반사층을 갖는 LED가 요망되고 있다.
일특징에서, 본 발명은, 활성 구조; 상기 활성 구조 상의 제1 오믹 컨택; 상기 활성 구조의 상기 제1 오믹 컨택 반대쪽 상에 위치되고, 상기 활성 구조보다 큰 점유 공간을 갖는 투명 도전성 산화물층; 상기 투명 도전성 산화물층의 상기 활성 구조 반대쪽 상의 유전체 미러; 및 상기 투명 도전성 산화물층의 상기 유전체 미러 반대쪽 상에 위치되고, 상기 활성 구조와 분리되는 제2 컨택을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.
다른 특징에서, 본 발명의 발광 다이오드는 제1 도전 타입을 갖는 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층을 포함한다. 제2 Ⅲ족 질화물 에피택셜층은 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층과 반대되는 도전 타입을 갖고, 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층과 p-n 접합을 형성한다. 발광 다이오드는, 제2 Ⅲ족 질화물 에피택셜층에 인접하고, 상기 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층의 반대쪽에 있는 투명 도전성 산화물층을 포함한다. 투명 도전성 산화물층은 p-n 접합 양단에서 전류를 확산시키는데 도움을 준다. 발광 다이오드는 발광 다이오드의 외부 양자 효율을 증가시키기 위한 유전체 미러를 포함하며, 이 유전체 미러는 투명 도전성 산화물층에 인접하고, 제1 및 제2 Ⅲ족 질화물 에피택셜층의 반대쪽에 위치한다. 또한, 발광 다이오드는, 제1 층에 대한 오믹 컨택과, 투명 도전성 산화물층에 대한 컨택을 포함하여, 투명 도전성 산화물층과 오믹 컨택 사이 및 Ⅲ족 질화물 에피택셜층을 통해 전류 흐름을 제공하여 출력을 생성한다.
다른 특징에서, 본 발명은 증가된 광추출을 갖는 발광 다이오드를 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 적어도 p-형 층에 인접하여 n-형 층을 포함하고 있는 발광 다이오드의 p-형 에피택셜층 상에 투명 도전성 산화물층을 형성하는 단계; 상기 투명 도전성 산화물층의 상기 p-형 층 반대쪽에 유전체 반사기를 추가하는 단계; 상기 n-형 층 및 상기 p-형 층의 재료를 제거하지만 상기 투명 도전성 산화물층의 재료를 에칭하지는 않는 에칭을 이용하여 상기 n-형 층과 상기 p-형 층을 메사(mesa) 형태로 에칭하는 단계; 상기 n-형 층에 n-형 오믹 컨택을 추가하는 단계; 및 상기 p-형 층에 접속하기 위해 상기 투명 도전성 산화물층에 오믹 컨택을 추가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 예시하는 개략 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 예시하는 개략 횡단면도이다.
도 3은 도 2에 예시된 본 발명의 실시예의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 예시된 본 발명의 실시예의 평면도이다.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 방법의 단계에 대한 개략 횡단면도이다.
광범위하게 말하면, 본 발명은 향상된 광출력 효율을 갖는 발광 다이오드이다. 다이오드 설계는 제조 공정을 간략화시키고, 비용을 감소시키는데 도움을 준다. 본 발명의 다수의 특징이 도면에 예시되어 있다. 예시를 목적으로, LED 구조는 Ⅲ족 질화물과 탄화규소를 통해 설명되지만, 다른 재료가 적합한 곳에서는 다른 재료가 통합될 수 있다. Ⅲ족 질화물, 탄화규소, 및 다른 재료를 발광 다이오드에 사용하는 것은 전반적으로 당해 기술 분야에 널리 알려져 있으므로, 상세하게 설명하지 않을 것이다.
종래 기술과 유사하게, LED의 활성 영역은 반도체 재료의 하나 이상이 층 내에서 재결합이 발생할 때 광자를 생성한다. 재결합이 발생하는 가장 간략한 구조는 p-n 접합이다. 이러한 p-n 접합은 본 발명에서 설명된 LED 구조의 활성 영역(또는 활성층)을 포함할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 활성 영역은 단일 양자 우물, 복수 양자 우물, 및 초격자 구조(superlattict structure)와 같은 보다 복잡한 구조를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로, 본 명세서 내의 설명 및 도면의 대부분은 단순한 p-n 접합을 통해 이루어지지만, 단순한 p-n 접합에 추가하여, 본 발명은 그 사이에 복잡한 구조 및 변형을 통합할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 기술 분야에 널리 알려진 바와 같이, 이러한 보다 복잡한 구조에서는, 활성층(또는 활성층들)이 p형 에피택셜층과 n형 에피택셜층 사이에 위치되는 경우가 있다. 대표적인 실시예에서, 활성층은 복수의 양자 우물이다. 일례로서, 이러한 우물은 일반적으로 2 내지 25 주기의 갈륨 니트라이드(GaN)와 인듐 갈륨 니트라이드(InGaN)의 교번층을 포함한다. 이들의 대부분에서, 우물 내의 GaN 층과 InGaN 층은 능동적 도핑(proactive doping) 없이 성장된다. 그 결과, 이들 층("도핑되지 않은"으로 지칭되지만)은 본질적으로 n-형이다(intrinsically n-type)이다.
도 1은 본 발명에 따른 LED(10)의 일실시예의 개략 횡단면도이다. n-층과 p-층은 각각 도면부호 "11"과 "12"로 나타내어져 있다. n-층(11)과 p-층(12)의 조합은 LED(10)의 p-n 접합(활성 영역)을 형성하며, 이 접합에서 순방향 전류의 인가 시에 광자를 생성한다. n-층(11)과 p-층(12)은 적어도 하나, 통상적으로 여러 개의 Ⅲ족 질화물층으로 형성된다. 외측을 향하는 층(도 1에서는 n-층(11))은 LED(10)의 광출력 효율을 향상시키기 위해 텍스처드 표면(textured surface) 또는 렌티큘러 표면(lenticular surface)과 같은 광 증강 특징부를 가질 수 있다.
투명 도전성 산화물(TCO)층(13)은 p-컨택(16)과 p-층(12) 간의 전기 접속을 생성한다. 구체적으로, TCO층(13)은 n-층(11)과 p-층(12) 아래의 영역의 전부(또는 실질적으로 전부)를 가로질러 연장한다. TCO층(13)은 이들 층에 더욱 효과적으로 또한 그에 따라 p-n 접합(또는 그 등가물) 양단에 더욱 효과적으로 전류를 확산하도록 작용하여, 외부 효율을 현저하게 증가시킨다. 대표적인 실시예에서, 투명 도전성 산화물층(13)은 인듐-주석-산화물로 형성된다. 이와 달리, 투명 도전성 산화물층(13)은 불소 도핑 주석 산화물, 알루미늄 도핑 아연 산화물, 및 아연-주석-산화물과 같은 다른 적합한 투명 도전성 산화물로 형성될 수도 있다.
p-컨택(16)은 p-컨택(16)이 n-층(11)과 p-층(12)에 의해 형성된 활성 구조와 물리적으로 분리되도록 투명 도전성 산화물층(13) 상에 위치된다. 오믹 컨택(15)은 n-층(11)에 대한 전기 접속을 제공한다. p-컨택(16) 및 오믹 컨택(15)은 플래티늄, 니켈, 금, 티타늄, 크롬, 알루미늄, 및 은 등과 이들의 합금을 포함한 금속과 2개 이상의 이들 금속의 층으로 형성될 수 있다. 동작시, p-컨택(16), 투명 도전성 산화물층(13), 활성층(11, 12), 및 오믹 컨택(15) 사이에는 전류가 흐른다.
다이오드(10)의 외부 양자 효율을 증가시키기 위해 TCO층(13)의 활성층(11, 12) 반대쪽 상에 유전체 미러(14)가 위치된다. 미러(14)는 광자를 캐리어 기판(18)과 같은 광자 흡수 재료로부터 멀어지도록 지향함으로써 LED(10)의 광출력을 향상시키기 위해 채용된다. 용어의 정의에 의해 알 수 있는 바와 같이, 유전체 미러(14)는 전기적으로 절연성을 나타내며, 이것은 캐리어 기판(18)으로부터의 전기 전류가 유전체 미러(14)를 통해 p-층(12)에 도달할 수 없다는 것을 의미한다. 본 실시예에서, 유전체 미러(14)는 SiO2와 TiO2의 교번층으로 형성된다. 이들 층(19, 20, 21)이 도시되어 있지만, 유전체 미러(14)는 어떠한 수의 SiO2와 TiO2의 교번층으로도 형성될 수 있다. 각각의 SiO2 층은 약 70 내지 80 nm의 두께를 갖는다. 대표적인 실시예에서, 각각의 TiO2 층은 약 50 내지 60 nm의 두께를 갖는다(파장에 기초하여). 이와 달리, 유전체 미러(14)는 분산 브래그 반사기일 수도 있고, 또는 LED(10)의 구조 또는 작동과 간섭하지 않는 어떠한 다른 유형의 유전체 반사기이어도 된다.
일례의 실시예에서, 유전체 재료와 금속층 양자를 포함하고 있는 하이브리드 단방향 반사기가 사용된다. 하이브리드 설계는 완전 브래그 반사기(full Bragg reflector)보다 적은 유전체층을 사용하며, 단방향성 광원과의 호환성이 더 크다. 이러한 하이브리드 구조가 유전체층을 포함하기 때문에, 하이브리드 구조는 소자의 수직축에 대하여 절연 상태로 유지된다. 따라서, 여기에서 사용된 바와 같이, 유전체 미러라는 표현은 이러한 하이브리드 구조를 포함한다.
일례에서, 하이브리드 ODR은 약 590 nm 두께의 제1 이산화규소(SiO2)층, 약 55 nm 두께의 제1 이산화티타늄(TiO2)층, 약 100 nm 두께의 제2 SiO2층, 약 75 nm 두께의 제2 TiO2층, 및 은(Ag) 또는 알루미늄(Ag)과 같은 200 nm의 반사성 금속층으로 형성된다. 제2 예에서, 하이브리드 ODR은 Ag 또는 Al과 같은 반사성 금속층을 갖는 약 0.5 ㎛의 단일 SiO2층이 될 수도 있다. 이것은 GaN과 같은 SiO2 보다 높은 인덱스를 갖는 재료에의 적용에 특히 효과적이다. 이들 치수가 나타내는 바와 같이, 이러한 하이브리드 설계는 상기한 주기(즉, 반복 구조)의 반사기에서 상이한 두께의 층을 포함할 수 있다. 종래의 분산 브래그 반사기(DBR)은 통상적으로 층의 전부가 동일한 두께를 갖는 주기를 갖는다. 유전체층은 특정 파장을 굴절시키고, 금속층은 대부분의(및 다수의 경우에는 모든) 가시 파장을 반사한다.
분산 브래그 반사기(또한 브래그 미러로 지칭됨)의 특성 및 작동은 본 기술 반야에 전반적으로 널리 알려져 있다. 반사기는 2개의 상이한 광학 재료로 이루어진 교번적인 시퀀스의 층이며, 이에 대해서는 미러가 반사하도록 설계되는 파장의 1/4에 대응하는 각각의 광학 층 두께를 갖는 1/4파 미러(quarter-wave mirror)가 흔히 이용되는 설계이다. 예시된 실시예에서, 미러를 형성하기 위해 이산화규소 및 이산화티타늄의 교번층이 이용된다.
LED(10)는 예시된 실시예에서 접착 재료(17)로 미러(14)에 부착되는 캐리어 기판(18)을 포함한다. LED의 컨택(15, 16)이 측방향(lateral orientation)에 배치되기 때문에, 캐리어 기판(18)은 전기 도전성 재료로 형성될 수도 있고, 또는 전기 절연성 재료로 형성될 수도 있다. 예컨대, 캐리어 기판은 SiC, 사파이어, 규소 또는 금속으로 형성되어도 된다. 또한, 컨택(15, 16)의 측방 구성은 비아를 유전체 미러(14)를 관통하도록 구성하여 캐리어 기판(18)을 n-층(11)과 p-층(12)에 의해 형성된 LED(10)의 활성 영역에 전기적으로 접속시킬 필요성을 방지한다. 비아가 존재하지 않게 됨으로써는 LED(10)에서의 광자 흡수 재료의 양이 감소되어, 유전체 미러(14)가 비아가 존재하는 경우보다 더 많은 광을 반사할 수 있게 되며, 소자의 외부 양자 효율을 향상시킨다. 접착 재료(17)는 LED(10)를 캐리어 기판(18)에 접착하기에 적합한 어떠한 재료도 가능하다. 일례의 재료로는 글루(glue) 및 금속 등이 있다. LED의 측방 구성의 또 다른 이점으로서, 캐리어 기판(18)과 LED(10) 사이에 도전성 금속 본드가 더 이상 요구되지 않으며, 이로써 고온 가공의 필요성이 제거된다.
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시예를 예시한다. 도 2는 본 발명에 따른 LED(30)의 제2 실시예의 개략 횡단면도이다. 도 3은 LED(30)의 분해도이고, 도 4는 LED(30)의 평면도이다. 적합한 곳에서는 도 2, 도 3 및 도 4에서의 동일한 구성요소를 나타내기 위해 동일한 도면 부호가 이용된다.
도 3의 분해도는 본질적으로 개략적인 것이며, 예시된 구성요소의 정확한 패턴은 도면에 예시된 기본적인 직사각 형상과 상이할 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
LED(30)는 n-층(31) 및 p-층(32)에 의해 형성된 활성 영역을 갖는다. 오믹 컨택(35)은 n-층(31)에 대한 전기 접속을 제공한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 오믹 컨택(35)은 그리드와 같은 형상으로 될 수 있어서, n-층(31) 양단에서 이층을 통과하여 확산하는 향상된 전류를 제공한다. 컨택(35)의 그리드 형상은, 컨택을 형성하기 위해 사용된 금속이 광자를 캐리어 기판을 향해 반사하고 다른 광자를 흡수하여, 이들 양자의 요인이 외부 양자 효율을 감소시기 때문에, n-오믹 컨택 패드를 단순하게 확대하는 것이 바람직하다. 본 발명의 그리드 설계는 여전히 향상된 전류 확산을 제공하면서 이러한 손실을 방지함으로써 외부 양자 효율을 향상시킨다.
투명 도전성 산화물층(33)은 p-컨택(36)과 p-층(32) 간의 전기 접속을 생성하며, 전술한 바와 같이 전류 확산을 향상시킨다.
도 2, 도 3 및 도 4에 예시된 실시예에서, 다이오드(30)는 또한 도면부호 "42"로 나타낸 추가의 전류 확산 그리드를 포함한다. 예시된 바와 같이, 그리드(42)는 활성(에피택셜)층 아래와 브래그 반사기(34) 위에 위치된다. 예시된 실시예에서, 그리드(42)는 투명 도전성 산화물층(33)의 저부측에, 즉 p-층(32)과 n-층(31)의 위치의 반대측에 있다. 이와 달리, 그리드(42)는 p-층(32) 또는 TCO층(33) 상에, 즉 TCO층의 브래그 미러(34) 반대쪽 상에 위치될 수도 있다. 대표적인 실시예에서, 그리드(42)는 반사성이며, 우물을 도통시키고 또한 소자의 다른 구성요소의 구조 및 기능과 호환될 수 있는 임의의 적합한 금속으로 형성된다. 그리드(42)가 다이오드(30)의 외부 양자 효율을 저해하는 정도를 감소시키기 위해, 그리드(42)의 대부분(및 일부 경우에는 모든 부분)이 p-컨택(36) 또는 n-오믹 컨택(35) 중의 하나 또는 양자와 기하학적으로 일치된다.
유전체 미러(34)는 TiO2의 SiO2의 복수의 교번층(예컨대, 39, 40, 41)으로 형성되며, 전술한 것과 동일한 용도로 작용한다.
필요한 경우에 이용되는 반사성 금속 종료층(refective metal terminating layer)(43)이 유전체 미러(34)에 인접하여 투명 도전성 산화물층(33) 반대쪽에 위치된다. 반사성 금속 종료층(43) 또한 광자를 캐리어 기판(38)과 같은 광자 흡수 재료로부터 먼 쪽으로 방향을 변경시킨다.
반사성 금속 종료층은 그 금속이 분산 브래그 반사기(34) 단독의 경우보다 더 넓은 대역의 파장을 반사할 것이기 때문에 다이오드가 백색광을 방출하도록 이용될 때에 이롭다. 달리 말하면, 분산 브래그 반사기(34)는 특정 파장 또는 금속 미러보다 좁은 대역의 파장을 반사하며, 그 용도를 위해 포함된다. 그러나, 더 넓은 대역의 파장에 대해서는, 브래그 미러의 특이성(specificity)이 덜 유용할 것이며, 그러므로 반사성 금속 종료층(43)이 다수의 파장의 가시광 및 대부분의 경우에는 모든 파장의 가시광을 반사하는 성능을 제공한다. 그러므로, (예컨대) LED가 백색광 방출 램프의 일부분일 때, 반사성 금속층(43)은 브래그 미러(34)에 의해 반사된 것 이외의 주파수에 대한 외부 양자 효율을 증가시킨다. 반사성 금속층(43)은 Ag, Al 또는 임의의 다른 적합한 금속으로 형성된 하나 이상의 금속성층이어도 된다.
예시된 실시예에서, LED(30)는 접착 재료(37)에 의해 캐리어 기판(38)에 부착된다. 다른 실시예에서, 그리고 본 기술 분야에 널리 알려진 바와 같이, 기판은 다이오드(30)의 예시된 층들이 적합한 제조 단계로 추가되는 성장 기판이 될 수 있다. 그러나, 에피택셜층(31, 32)이 기판(38)과 직접 접촉하지 않고 (적어도) 브래그 미러(34) 및 반사 금속층(43)에 의해 분리되기 때문에, 성장 기판은 본 발명의 맥락과 크게 관련이 없다. 그러므로, 기판이 에피택셜층의 성장을 지원하도록 하는 성능은 본 다이오드 설계의 맥락에서 크게 관련이 없으며, 기판의 결정 구조가 에피택셜층의 결정 구조와 호환될 수 있어야만 하는 다른 다이오드 설계에 관련된다.
그 결과, 다이오드의 최종 구조가 성장 기판을 포함할 필요가 없기 때문에, 기판(38)은 비용, 제조의 용의, 열에 대한 장점, 또는 임의 다른 적합한 토대를 위해 선택될 수 있다. 열 도전성 기판은 이 기판이 다이오드의 작동 온도를 감소시켜 일반적으로 그 유효 수명을 증가시키는데 도움을 주기 때문에 다수의 환경에서 이롭다.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 방법에서의 특징을 예시한다. 도 5 내지 도 11은 본 방법의 단계를 제한하는 것이 아니라 개략적으로 나타낸 것이고 예시를 위한 것이라는 것을 이해할 것이다.
적합한 곳에서는 도 5 내지 도 11에서의 도면 부호가 도 3에서의 도면 부호와 대응할 것이다.
따라서, 도 5는 도 5 내지 도 11의 각각에 추가의 특징부가 예시되어 있지만 편의를 위해 이들 도면에 걸쳐 도면 부호 "30"으로 나타내어져 있는 완성 전의 다이오드를 도시하고 있다. 탄화규소 기판(51)은 n-형 에피택셜층(31), 활성층(52) 및 p-형 에피택셜층(32)을 위한 성장 표면을 제공한다.
다이오드(30)는 어떠한 추가의 활성층을 통합하지 않고서도 p-n 접합과 같은 단순한 구조를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 도면부호 "52"로 예시된 층과 같은 하나 이상의 활성층은 이 예의 다이오드에서는 통상적인 것이다. 본 기술 분야에 익숙한 사람에 의해 이해되는 바와 같이, 활성층(52)은 통상적으로 2 내지 25 주기의 갈륨 니트라이드와 인듐 갈륨 니트라이드의 교번층을 갖는 다수의 양자 우물을 포함한다. 성장 단계 동안, 이들 주기적 층에 대해 능동 도핑이 수행되지 않으며, 그러므로 이들 층이 도핑되지 않은 것을 특징으로 하지만, 이들 층은 본질적으로 n-형이다. 본 명세서에 설명된 발명은 기본적 p-n 접합과 같은 단순한 구조를 포함하거나, 25(또는 그 이상의) 주기의 다수의 양자 우물과 같은 복잡한 구조를 포함하거나, 또는 복잡도가 다른 여러 구조를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
탄화규소 성장 기판 상에 갈륨 니트라이드, 인듐 갈륨 니트라이드, 및 다른 관련 Ⅲ족 질화물 재료를 성장시키는 것은 본 기술 분야에 널리 알려져 있으며, 여기에서는 더 상세하게 설명하지 않을 것이다.
도 6은 투명 도선성 산화물층(TCO층)(33)이 p-형 층(32)에 추가되는 다음 공정 단계를 예시하고 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 투명 도전성 산화물층(33)은 통상적으로 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 관련된 투명 산화물로 형성된다.
도 7은 2개의 추가 공정 단계, 즉 유전체 반사기(단방향 반사기 또는 "ODR"로서도 지칭됨)(34)가 후속되는 굵은 선(42)으로서 예시된 전류 확산 그리드의 추가를 예시하고 있다. 그리드(42) 및 유전체 반사기(34)는 앞에서 설명하고 도 3에 예시한 것과 동일한 형태를 취할 수 있다.
도 8은 서브마운트 구조가 반사기(34)에 추가되는 다음 공정 단계를 예시하고 있다. 서브마운트는 도 3에 대하여 설명되고 예시된 것과 같이 적합한 재료의 하나 이상의 층을 포함할 수 있으며, 그에 따라 이들을 나타내기 위해 도면 부호 "37", "38", "43"으로 나타내어져 있다. 서브마운트는 통상적으로 다른 금속, 접착제, 또는 (재료에 따라서는) 열과 압력을 이용하여 반사기(34)에 접착될 수 있다.
도 9는 성장 기판(51)을 제거하고 다이오드(30)를 뒤집어서(flip) 서브마운트(37, 38, 43)가 구조적 기판으로서 작용하도록 하는 다음 공정 단계를 예시하고 있다.
도 10은 n-형 층(31), 활성층(52) 및 p-형 층(32)을 포함하는 메사(mesa)를 형성하기 위해 다이오드(30)를 에칭하는 다음 단계를 예시하고 있다. 본 발명의 방법에서, 투명 도전성 산화물층(33) 및 에칭 기술은 투명 도전성 산화물층(33)이 에치 스톱(etch stop)으로서 작용하도록 서로에 대해 보완적인 것이 되도록 선택된다. 그러므로, 에칭은 n-형 층 및 p-형 층 내의 재료를 제거할 것이지만, TCO 재료에 대해서는 높은 선택성(highly selective)이 될 것이다. 이것은 인듐 주석 산화물과 다른 적합한 투명 도전성 산화물층이 갈륨 니트라이드 및 관련된 Ⅲ족 질화물을 에칭하기 위해 이용되는 습식 화학적 에칭(예컨대, 포타슘 하이드로옥사이드) 및 건식 화학적 에칭(예컨대, 할로겐계 에칭, 통상적으로 불소계) 양자에 대한 적합한 에치 스톱이기 때문에 특히 적합하다.
도 11은 마지막 2개의 단계, 즉 n-오믹 컨택(35)과 p-오믹 컨택(36)의 추가가 수행된 후의 다이오드(30)의 구조를 예시하고 있다. 이들 컨택은 통상적으로 별도의 단계로 추가되지만, 이것은 그 자체가 본 방법에 대한 어떠한 제한이 아닌 종래의 기술의 결과이다. 적합한 금속이 단일 단계로 침적될 수 있다면, n-오믹 컨택(35)과 p-형 오믹 컨택(36) 양자가 단일 단계 또는 밀접하게 조합된 단계로 추가될 수 있다.
제조 공정 동안 상단측으로부터 오믹 컨택을 추가함으로써, 본 발명은 금속/도전성 본드의 필요성을 제거한다.
도 11은 또한 바람직한 실시예에서 p-형 층(32) 내로 연장하는 감소된 도전률 영역(reduced conductivity region)(53)을 다이오드(30)가 포함하는 것을 예시하고 있다. 이러한 감소된 도전률 영역의 제조 및 설계는 미국 특허 출원 공개 번호 20080217635에 상세하게 개시되어 있다.
간략하게 설명하면, 감소된 도전률 영역(53)은 제조 동안 생성된다. 바람직하게는, 이 영역의 지오메트리가 전반적으로(또는 특수하게) n-오믹 컨택(35)과 전류 확산 그리드(42)의 관련 부분 양자에 일치한다. 감소된 도전률 영역(53)의 존재는 p-형 층(32)의 다른 부분을 통해 더 많은 전류가 흐를 수 있게 한다.
오믹 컨택(35)은 물론 다이오드에 의해 생성된 광의 일부를 차단할 것이다. 감소된 도전률 영역(53)의 지오메트리를 컨택(35)의 지오메트리와 매칭하는 것은, 오믹 컨택(35)에 의해 광학적으로 차단되지 않는 p-형 층(32)의 부분을 통해 더 많은 전류가 흐를 수 있도록 한다. 그 결과, p-형 층(32)의 나머지 부분은 감소된 도전률 영역으로부터의 절대 손실(net loss)이 전혀 없거나 거의 없게 하여 더 많은 광을 방출한다. 이것은 다이오드(30)의 외부 효율을 증가시키는데 도움을 준다(p-형 층이 통상적으로 n-형 층보다 낮은 도전률을 갖는 것으로 본 기술 분야에 널리 알려져 있음).
다이오드(30)의 외부 표면은 또한 광 추출 특징부 및 광 증강 특징부를 포함할 수 있다.
도면 및 명세서에 본 발명의 바람직한 실시예가 설명되어 있으며, 특정의 용어가 채용되고 있지만, 이들 용어는 설명의 의미로 사용된 것으로, 청구범위로 정해지는 본 발명의 범위에 대한 제한을 목적으로 하는 것은 아니다.

Claims (33)

  1. 발광 다이오드에 있어서,
    활성 구조;
    상기 활성 구조 상의 제1 오믹 컨택;
    상기 활성 구조의 상기 제1 오믹 컨택 반대쪽 상에 위치되고, 상기 활성 구조보다 큰 점유 공간을 갖는 투명 도전성 산화물층;
    상기 투명 도전성 산화물층의 상기 활성 구조 반대쪽 상의 유전체 미러; 및
    상기 투명 도전성 산화물층의 상기 유전체 미러 반대쪽 상에 위치되고, 상기 활성 구조와 분리되는 제2 컨택
    을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 미러의 상기 투명 도전성 산화물층 반대쪽 상에 반사성 금속층을 더 포함하는, 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층과 상기 유전체 미러 사이에 위치되는 전류 확산 그리드를 더 포함하는, 발광 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 오믹 컨택은 그리드를 포함하며,
    상기 전류 확산 그리드는 상기 제1 오믹 컨택의 부분 및 상기 제2 컨택의 부분과 일치하는,
    발광 다이오드.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전류 확산 그리드는 티타늄, 금, 아연, 인듐, 니켈, 및 베릴륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는, 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 활성 구조는 Ⅲ족 질화물 재료계로 형성된 복수의 에피택셜층을 포함하는, 발광 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층은 인듐-주석-산화물로 형성되는, 발광 다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 미러는 TiO2 층과 SiO2 층이 교번하여 이루어지는, 발광 다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 활성 구조의 적어도 일부분 상의 렌티큘러 표면(lenticular surface)을 더 포함하는, 발광 다이오드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 활성 구조는, 제1 도전 타입을 갖는 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층과, 상기 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층에 인접하고, 상기 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층과 함께 p-n 접합을 형성하기 위해 상기 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층과 반대되는 도전 타입을 갖는 제2 Ⅲ족 질화물 에피택셜층을 가지며,
    상기 투명 도전성 산화물층은 상기 제2 Ⅲ족 질화물 에피택셜층에 인접하고, 상기 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층의 반대쪽에 있으며,
    상기 유전체 미러는 상기 투명 도전성 산화물층에 인접하고, 상기 제1 및 제2 Ⅲ족 질화물 에피택셜층의 반대쪽에 있는,
    발광 다이오드.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 TiO2 층은 약 50 내지 60 nm의 두께를 갖고, 상기 SiO2 층은 약 70 내지 80 nm의 두께를 갖는, 발광 다이오드.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 에피택셜층과 상기 유전체 미러 사이에 위치된 전류 확산 그리드를 더 포함하는, 발광 다이오드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층에 대한 상기 오믹 컨택은 그리드를 포함하며,
    상기 전류 확산 그리드는 상기 제1 Ⅲ족 질화물 에피택셜층에 대한 상기 오믹 컨택의 부분 및 상기 투명 도전성 산화물층에 대한 상기 컨택의 부분과 일치하는,
    발광 다이오드.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전류 확산 그리드는 하나 이상의 금속으로 형성되는, 발광 다이오드.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전류 확산 그리드는 티타늄, 금, 아연, 인듐, 니켈, 및 베릴륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는, 발광 다이오드.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 전류 확산 그리드는 상기 투명 도전성 산화물층과 상기 유전체 미러 사이에 위치되는, 발광 다이오드.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 전류 확산 그리드는 상기 제2 Ⅲ족 질화물 에피택셜층 상에 위치되는, 발광 다이오드.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층은 불소 도핑된 주석 산화물로 형성되는, 발광 다이오드.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층은 알루미늄 도핑된 아연 산화물로 형성되는, 발광 다이오드.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층은 아연-주석-산화물로 형성되는, 발광 다이오드.
  21. 제10항에 있어서,
    SiC, 사파이어, 규소 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 캐리어 기판을 더 포함하는, 발광 다이오드.
  22. 제10항에 있어서,
    전기 절연성 캐리어 기판을 더 포함하는, 발광 다이오드.
  23. 제2항에 있어서,
    접착 재료에 의해 상기 반사성 금속층에 접착되는 캐리어 기판을 더 포함하는, 발광 다이오드.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 접착 재료는 금속과 글루(glue)로 이루어진 군에서 선택되는, 발광 다이오드.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 캐리어 기판은 SiC, 사파이어, 규소 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는, 발광 다이오드.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 캐리어 기판은 전기 절연성인, 발광 다이오드.
  27. 증가된 광추출을 갖는 발광 다이오드를 형성하는 방법에 있어서,
    적어도 p-형 층에 인접하여 n-형 층을 포함하고 있는 발광 다이오드의 p-형 에피택셜층 상에 투명 도전성 산화물층을 형성하는 단계;
    상기 투명 도전성 산화물층의 상기 p-형 층 반대쪽에 유전체 반사기를 추가하는 단계;
    상기 n-형 층 및 상기 p-형 층의 재료를 제거하지만 상기 투명 도전성 산화물층의 재료를 에칭하지는 않는 에칭을 이용하여 상기 n-형 층과 상기 p-형 층을 메사(mesa) 형태로 에칭하는 단계;
    상기 n-형 층에 n-형 오믹 컨택을 추가하는 단계; 및
    상기 p-형 층에 접속하기 위해 상기 투명 도전성 산화물층에 오믹 컨택을 추가하는 단계
    를 포함하는 발광 다이오드 형성 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물(TCO)층을 형성하는 단계 후와 상기 유전체 반사층을 추가하는 단계 전에, 전류 확산 그리드를 형성하는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드 형성 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 p-형 층에 감소된 도전률 영역(reduced conductivity region)을 생성하는 단계; 및
    상기 감소된 도전률 영역의 지오메트리와 일치하는 지오메트리로 상기 n-형 층에 오믹 컨택을 추가하는 단계
    를 더 포함하는 발광 다이오드 형성 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 p-형 층에 상기 투명 도전성 산화물층을 추가하기 전에 상기 감소된 도전률 영역을 형성하는 단계를 포함하는, 발광 다이오드 형성 방법.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 n-형 층 및 상기 p-형 층을 성장 기판 상에 성장시키는 단계;
    상기 유전체 반사기 층을 캐리어 기판에 접착하는 단계; 및
    상기 n-형 층 및 상기 p-형 층을 메사 형태로 에칭하는 단계 전에, 상기 n-형 에피택셜층을 노출시키기 위해 상기 성장 기판을 제거하는 단계
    를 더 포함하는 발광 다이오드 형성 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    탄화규소 성장 기판 상에 Ⅲ족 질화물의 n-형 층과 p-형 층을 성장시키는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드 형성 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 n-형 및 p-형 Ⅲ족 질화물층 사이에 하나 이상의 도핑되지 않은 Ⅲ족 질화물층을 성장시키는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드 형성 방법.
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