WO2018135908A1 - 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지 - Google Patents

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WO2018135908A1
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semiconductor
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성연준
김민성
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엘지이노텍 주식회사
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Definitions

  • An embodiment relates to a semiconductor device and a semiconductor device package including the same.
  • a semiconductor device including a compound such as GaN, AlGaN, etc. has many advantages, such as having a wide and easy-to-adjust band gap energy, and can be used in various ways as a light emitting device, a light receiving device, and various diodes.
  • light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes using semiconductors of Group 3-5 or Group 2-6 compound semiconductors have been developed through the development of thin film growth technology and device materials.
  • Various colors such as blue and ultraviolet light can be realized, and efficient white light can be realized by using fluorescent materials or combining colors.Low power consumption, semi-permanent lifespan, and fast response speed compared to conventional light sources such as fluorescent and incandescent lamps can be realized. It has the advantages of safety, environmental friendliness.
  • a light-receiving device such as a photodetector or a solar cell
  • a group 3-5 or 2-6 compound semiconductor material of a semiconductor the development of device materials absorbs light in various wavelength ranges to generate a photocurrent.
  • light in various wavelengths can be used from gamma rays to radio wavelengths. It also has the advantages of fast response speed, safety, environmental friendliness and easy control of device materials, making it easy to use in power control or microwave circuits or communication modules.
  • the semiconductor device may replace a light emitting diode backlight, a fluorescent lamp, or an incandescent bulb, which replaces a cold cathode tube (CCFL) constituting a backlight module of an optical communication means, a backlight of a liquid crystal display (LCD) display device.
  • CCFL cold cathode tube
  • LCD liquid crystal display
  • the ultraviolet light emitting device may be used for curing, medical treatment, and sterilization by curing or sterilizing.
  • the exhaust gas of the vehicle absorbs light in the wavelength range of 230 nm
  • the ultraviolet light emitting element can be used for the gas sensor.
  • the embodiment can provide a light emitting device having improved ohmic characteristics.
  • a semiconductor device the first conductive semiconductor layer; A second conductivity type semiconductor layer; An active layer disposed between the second conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer; A first electrode electrically connected to the first conductive semiconductor layer; And a second electrode electrically connected to the second conductive semiconductor layer, wherein the first conductive semiconductor layer includes a first sub semiconductor layer, a third sub semiconductor layer, and a first sub semiconductor layer and a third sub semiconductor layer.
  • a second sub-semiconductor layer disposed between the semiconductor layers, wherein an aluminum composition of the first sub-semiconductor layer and a third sub-semiconductor layer is larger than that of the active layer, and the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer is The second sub-semiconductor layer is smaller than the aluminum composition of the first sub-semiconductor layer and the third sub-semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer includes a current injection layer whose aluminum composition decreases away from the active layer.
  • the second electrode is disposed on the second sub-semiconductor layer, and the second electrode is disposed on the current injection layer, and the average value of the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer and the current injection layer are known.
  • the ratio of the average value of the aluminum composition is 1: 0.12 to 1: 1.6.
  • the light output may be improved by improving the ohmic characteristics.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure
  • 3 is a graph measuring a change in ohmic characteristics with an increase in temperature
  • FIG. 9 is a conceptual diagram of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a plan view of FIG. 9,
  • 11A and 11B are plan views of a semiconductor device according to example embodiments of the inventive concept.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram of a semiconductor device package according to an embodiment of the present invention.
  • the light emitting structure according to the embodiment of the present invention may output light in the ultraviolet wavelength band.
  • the light emitting structure may output light in the near ultraviolet wavelength range (UV-A), may output light in the far ultraviolet wavelength range (UV-B), and emit light in the deep ultraviolet wavelength range (UV-C).
  • UV-A near ultraviolet wavelength range
  • UV-B far ultraviolet wavelength range
  • UV-C deep ultraviolet wavelength range
  • the wavelength range may be determined by the composition ratio of Al of the light emitting structure 120.
  • the light (UV-A) in the near ultraviolet wavelength band may have a wavelength in the range of 320 nm to 420 nm
  • the light in the far ultraviolet wavelength band (UV-B) may have a wavelength in the range of 280 nm to 320 nm
  • deep ultraviolet light Light in the wavelength band (UV-C) may have a wavelength in the range of 100nm to 280nm.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an aluminum composition of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a graph measuring a change in ohmic characteristics according to an increase in temperature
  • 4 is a graph measuring a change in ohmic characteristics according to a change in aluminum composition
  • FIG. 5 is an aluminum composition of a semiconductor device according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • a semiconductor device may include a first conductive semiconductor layer 124, a second conductive semiconductor layer 127, and a first conductive semiconductor layer 124 and a second conductivity.
  • the active layer 126 is disposed between the semiconductor layer 127.
  • the first conductive semiconductor layer 124 may be formed of a compound semiconductor such as a group III-V group or a group II-VI, and may be doped with a first dopant.
  • the first conductive semiconductor layer 124 is a semiconductor material having a composition formula of In x1 Al y1 Ga 1 -x1 -y1 N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1, 0 ⁇ x1 + y1 ⁇ 1), for example For example, it may be selected from GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN and the like.
  • the first dopant may be an n-type dopant such as Si, Ge, Sn, Se, or Te. When the first dopant is an n-type dopant, the first conductive semiconductor layer 124 doped with the first dopant may be an n-type semiconductor layer.
  • the active layer 126 may be disposed between the first conductivity type semiconductor layer 124 and the second conductivity type semiconductor layer 127.
  • the active layer 126 is a layer where electrons (or holes) injected through the first conductive semiconductor layer 124 meet holes (or electrons) injected through the second conductive semiconductor layer 127.
  • the active layer 126 transitions to a low energy level as electrons and holes recombine, and may generate light having an ultraviolet wavelength.
  • the active layer 126 includes a well layer 126a and a barrier layer 126b, and includes a single well structure, a multi well structure, a single quantum well structure, a multi quantum well structure (MQW), a quantum dot structure, or a quantum line
  • the structure may have any one structure, and the structure of the active layer 126 is not limited thereto.
  • the second conductive semiconductor layer 127 is formed on the active layer 126, and may be implemented as a compound semiconductor such as a group III-V group or a group II-VI.
  • the second conductive semiconductor layer 127 may be a second semiconductor layer 127.
  • Dopants may be doped.
  • a second conductive semiconductor layer 127 is a semiconductor material having a compositional formula of In x5 Al y2 Ga 1 -x5- y2 N (0 ⁇ x5 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1, 0 ⁇ x5 + y2 ⁇ 1) or AlInN , AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP may be formed of a material selected from.
  • the second dopant is a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, or Ba
  • the second conductive semiconductor layer 127 doped with the second dopant may be a p-type semiconductor layer.
  • the first electrode 142 and the second electrode 246 may be ohmic electrodes or pad electrodes.
  • the first electrode 142 and the second electrode 246 are indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium zinc tin oxide (IZTO), indium aluminum zinc oxide (IAZO), and indium gallium zinc oxide (IGZO).
  • IGTO Indium gallium tin oxide
  • AZO aluminum zinc oxide
  • ATO antimony tin oxide
  • GZO gallium zinc oxide
  • IZO IZO Nitride
  • AGZO Al-Ga ZnO
  • IGZO In-Ga ZnO
  • ZnO IrOx, RuOx, NiO, RuOx / ITO, Ni / IrOx / Au, or Ni / IrOx / Au / ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, At least one of Ru, Mg, Zn, Pt, Au, and Hf may be formed, but is not limited thereto.
  • the first conductive semiconductor layer 124 is disposed between the first sub-semiconductor layer 124a, the third sub-semiconductor layer 124c, and the first sub-semiconductor layer 124a and the third sub-semiconductor layer 124c.
  • the second sub-semiconductor layer 124b may be included. Each layer can be divided according to the aluminum composition.
  • the aluminum composition of the first sub-semiconductor layer 124a and the third sub-semiconductor layer 124c may be larger than the aluminum composition of the active layer 126.
  • the aluminum composition of the first sub-semiconductor layer 124a may be 50% to 90%
  • the aluminum composition of the third sub-semiconductor layer 124c may be 50% to 90%.
  • the aluminum composition of the first sub-semiconductor layer 124a and the aluminum composition of the third sub-semiconductor layer 124c may be the same or different.
  • the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b may be smaller than the aluminum composition of the first sub-semiconductor layer 124a and the third sub-semiconductor layer 124c.
  • the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b may be 30% to 79%.
  • the first electrode 142 may be in contact with a layer having a relatively low aluminum composition in the first conductivity type semiconductor layer 124 to improve ohmic characteristics. Therefore, the first electrode 142 may be in contact with the second sub-semiconductor layer 124b. When the first electrode 142 contacts the second sub-semiconductor layer 124b, electrical characteristics of the semiconductor device may be secured.
  • the active layer 126 may have a relatively high aluminum composition to generate light in a wavelength range of 230 nm or 255 nm.
  • the aluminum composition of the well layer 126a may be 75% or more.
  • the aluminum composition of the first sub-semiconductor layer 124a and the third sub-semiconductor layer 124c may be 80% to 90%, and the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b may be 60% to 79%.
  • the aluminum composition of the well layer 126a can be adjusted according to the desired output wavelength.
  • the I-V characteristics are improved as the temperature is increased as shown in FIG. 3 or as the composition of aluminum is lowered as shown in FIG. 4. Therefore, it can be seen that the electrical characteristics between the first conductivity type semiconductor layer 124 and the first electrode 142 are improved. This may be due to an improvement in ohmic characteristics between the first conductivity-type semiconductor layer 124 and the first electrode according to a change in temperature or aluminum composition. It can be seen that the change in aluminum composition is more effective in improving ohmic characteristics compared to the change in temperature. Therefore, in order to increase the ohmic characteristics of the first conductivity type semiconductor layer 124, it may be advantageous to lower the aluminum composition of the region where the first electrode 142 is disposed. According to the embodiment, since the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b is relatively low, ohmic characteristics may be improved.
  • the thickness of the first sub-semiconductor layer 124a may be 800 nm to 1500 nm, and the thickness of the third sub-semiconductor layer 124c may be 100 nm to 300 nm.
  • the thickness of the second sub-semiconductor layer 124b may be 100 nm to 400 nm.
  • the thickness of the second sub-semiconductor layer 124b is smaller than 100 nm, the thickness may be too thin to expose the second sub-semiconductor layer 124b by etching.
  • the thickness is greater than 400 nm, the average composition of aluminum of the first conductive semiconductor layer 124 is lowered, which may cause defects in the active layer 126.
  • the ratio of the total thickness of the first conductive semiconductor layer 124 to the thickness of the second sub-semiconductor layer 124b may be 1: 0.05 to 1: 0.4. Therefore, the second sub-semiconductor layer 124b may be disposed close to the active layer 126 based on the middle height C1 of the entire thickness of the first conductivity-type semiconductor layer 124. If the thickness ratio is greater than 1: 0.05, the current spreading characteristics of the second sub-semiconductor layer 124b may be improved. If the thickness ratio is less than 1: 0.4, the second sub-semiconductor layer 124b and the first sub-semiconductor layer 124a may be improved. In between, and between the second sub-semiconductor layer 124b and the third sub-semiconductor layer 124c, the problem of stress increase due to the aluminum composition difference can be improved.
  • the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b may include a first section S1 decreasing in the thickness direction, a second section S2 increasing in the thickness direction, and a section S3 having the lowest peak. ) May be included.
  • the aluminum composition may decrease, and the aluminum composition may increase again in a predetermined period.
  • An average composition of aluminum of the second sub-semiconductor layer 124b may be 30% to 79%.
  • the average aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b is less than 30%, lattice defects may occur in the active layer disposed thereon, and when the average composition is greater than 79%, ohmic characteristics may be deteriorated.
  • the second sub-semiconductor layer 124b may have an aluminum composition smaller than that of the well layer 126a. That is, the second sub-semiconductor layer 124b may absorb light emitted from the well layer 126a. Therefore, there may be a complementary relationship between the optical characteristics and the electrical characteristics of the semiconductor device, and in the present invention, it may have a structure that improves the electrical characteristics in a range in which the optical characteristics are not significantly reduced. For example, when the aluminum composition of the well layer 126a is 75% or less, the absorption region d1 may be defined as a region having an aluminum composition of less than 75%.
  • the thickness d2 of the absorption region of the second sub-semiconductor layer 124b may be 100 nm or less. When the thickness of the absorption region is greater than 100 nm, the amount of light absorbed may increase, resulting in a decrease in light output.
  • FIG. 6 is an aluminum composition of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an aluminum composition of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the second sub-semiconductor layer 124b may include a first grating layer 1220 and a second grating layer 1230 having different aluminum compositions.
  • the thickness of the first grating layer 1220 and the second grating layer 1230 is not particularly limited.
  • the thickness of the grating layer may be determined by dividing the total thickness of the second sub-semiconductor layer 124b by n.
  • the thicknesses of the first and second grating layers 124b-1 and 124b-2 may be 1 nm to 10 nm.
  • One layer may be formed when the thickness of the first grating layer 1220 and the second grating layer 1230 is thicker than 1 nm.
  • the superlattice layer function may be improved to relieve stress between the first sub-semiconductor layer 124a and the third sub-semiconductor layer 124c.
  • the current spreading characteristics of the second sub-semiconductor layer 124b may be excellent.
  • the aluminum composition of the first grating layer 1220 may be smaller than the aluminum composition of the second grating layer 1230.
  • the aluminum composition and the number of the first grating layer 1220 and the second grating layer 1230 may be appropriately adjusted to match the desired aluminum composition.
  • the aluminum composition of the first grating layer 1220 may be 30% to 70%
  • the aluminum composition of the second grating layer 1230 may be 40% to 88%. When the composition range is satisfied, light absorption may be reduced while lowering ohmic resistance.
  • the electrical characteristics may be better than when the first electrode 142 is in contact with the second grating layer 1230.
  • the thickness of the first grating layer 1220 is too thin, it may be difficult to secure a process margin in an etching process for disposing the first electrode 142. Therefore, the first electrode 142 may be in contact with the second grating layer 1230.
  • the first grating layer 1220 and the second grating layer 1230 may include a first section EA1 having a decreasing composition in the thickness direction and a second section EA2 having an increasing composition.
  • a first section EA1 having a decreasing composition in the thickness direction
  • a second section EA2 having an increasing composition.
  • have For example, when the aluminum composition of the n-th grating layer 1221 closest to the first sub-semiconductor layer 124a is 70%, and the composition of aluminum of the n-th second grating layer 1231 is 88%, The aluminum composition of the n + 1 th first lattice layer 1222 may be 68%, and the aluminum composition of the n + 1 th second lattice layer 1232 may be 86%.
  • the aluminum composition of the first lattice layer 1220 and the second lattice layer 1230 may be gradually decreased in the first section EA1, and the first lattice layer 1220 and the first layer in the second section EA2.
  • the aluminum composition of the second lattice layer 1230 may gradually increase.
  • the aluminum composition of the first grating layer 1220 and the second grating layer 1230 may be smaller than that of the well layer 126a. Accordingly, the second sub-semiconductor layer 124b may absorb light emitted from the well layer 126a.
  • the absorption region d1 may be defined as a region having an aluminum composition of less than 75%.
  • the thickness d2 of the absorption region d1 of the second sub-semiconductor layer 124b may be 100 nm or less. When the thickness d2 of the absorption region is greater than 100 nm, the amount of light to be absorbed increases and the light output may decrease.
  • An average composition of aluminum of the second sub-semiconductor layer 124b may be 30% to 79%.
  • the average aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b is less than 30%, lattice defects may occur in the active layer disposed thereon, and when the average composition is greater than 79%, ohmic characteristics may be deteriorated.
  • An average aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b may be smaller than the first sub-semiconductor layer 124a and the third sub-semiconductor layer 124c.
  • the aluminum composition of the third sub-semiconductor layer 124c may be smaller than that of the first sub-semiconductor layer 124a.
  • the aluminum composition of the first conductivity-type semiconductor layer 124 may include all of the configurations described with reference to FIGS. 2, 5, 6, and 7. 8 exemplarily illustrates the aluminum composition of FIG. 2.
  • the structure of the remaining layers will be described in detail.
  • the electron blocking layer 129 may have an aluminum composition of 50% to 100%. If the aluminum composition of the electron blocking layer 129 is less than 50%, the height of the energy barrier for blocking electrons may be insufficient and there may be a problem of absorbing light emitted from the active layer 126 in the electron blocking layer 129. .
  • the electron blocking layer 129 may include a first blocking layer 129a and a second blocking layer 129c.
  • the electron blocking layer 129 may include a second dopant.
  • the second dopant may include a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, and the like.
  • the electron blocking layer 129 may include a dopant such as the second conductive semiconductor layer 127.
  • the present invention is not limited thereto, and the electron blocking layer 129 may have the same polarity as that of the second conductive semiconductor layer 127.
  • the electron blocking layer 129 may include a second dopant different from the second conductive semiconductor layer 127.
  • the carrier blocking efficiency may be increased by the first blocking layer 129a and the second blocking layer 129c and the resistance may be lowered to improve the operating voltage Vf.
  • the aluminum composition of the first blocking layer 129a may be 80% to 100%. That is, the first blocking layer 129a may be AlGaN or AlN. Alternatively, the first blocking layer 129a may be a superlattice layer in which AlGaN and AlN are alternately arranged.
  • the thickness of the first blocking layer 129a may be about 0.1 nm to 4 nm. If the thickness of the first blocking layer 129a is thinner than 0.1 nm, there may be a problem in that the movement of electrons may not be effectively blocked. In addition, when the thickness of the first blocking layer 129a is greater than 4 nm, the efficiency of injecting holes into the active layer 126 may decrease.
  • a third blocking layer 129b not doped with Mg may be disposed between the first blocking layer 129a and the second blocking layer 129c.
  • the third blocking layer 129b may prevent the dopant from being diffused from the second conductive semiconductor layer 127 into the active layer 126.
  • the present invention is not limited thereto, and the third blocking layer 129b may diffuse the dopant of the second blocking layer 129c into the third blocking layer 129b, and thus the third blocking layer 129b may include the dopant. have.
  • the second conductive semiconductor layer 127 may include fourth to sixth sub-semiconductors 127a, 127b, and 127c.
  • the fourth sub-semiconductor layer 127a and the fifth sub-semiconductor 127b may be current injection layers
  • the sixth sub-semiconductor 127c may be current distribution layers.
  • the current injection layers 127a and 127b may be defined as sections in which the aluminum composition decreases away from the active layer 126.
  • the thickness of the fifth sub-semiconductor 127b may be greater than 10 nm and smaller than 50 nm.
  • the thickness of the fifth sub-semiconductor 127b may be 25 nm.
  • the resistance may increase in the horizontal direction, thereby lowering the current injection efficiency.
  • the thickness of the fifth sub-semiconductor 127b is larger than 50 nm, the resistance may increase in the vertical direction and current injection efficiency may decrease.
  • the aluminum composition of the fifth sub-semiconductor 127b may be higher than that of the well layer 126a.
  • the aluminum composition of the fifth sub-semiconductor 127b may be greater than 75%.
  • the aluminum composition of the fifth sub-semiconductor 127b may include an aluminum composition higher than that of the well layer 126a.
  • the aluminum composition of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be lower than that of the well layer 126a. That is, the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be defined as the thickness of the region smaller than the aluminum composition of the well layer 126a.
  • the resistance between the second electrodes is increased, so that sufficient ohmic is not achieved and current injection efficiency is inferior. Therefore, by controlling the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a, the electrical characteristics of the semiconductor device may be improved within a range in which the optical characteristics of the semiconductor device are not significantly reduced.
  • the aluminum composition of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be greater than 1% and less than 75%. If it is larger than 75%, sufficient ohmic may not be achieved with the second electrode. If the composition is smaller than 1%, there is a problem of absorbing light because it is almost close to the GaN composition.
  • the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be 1 nm to 30 nm, or 1 nm to 10 nm. As described above, since the fourth sub-semiconductor layer 127a has a low composition of aluminum for ohmic, it may absorb ultraviolet light. Therefore, it may be advantageous in terms of light output to control the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a as thin as possible.
  • the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a when the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a is controlled to 1 nm or less, the aluminum composition may change rapidly and crystallinity may decrease. In addition, since the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a is too thin, the sheet resistance may increase, and electrical characteristics of the semiconductor element may be degraded. In addition, when the thickness is greater than 30 nm, the amount of light absorbed by the fourth sub-semiconductor layer 127a may be so large that the light output efficiency may decrease.
  • the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be smaller than the thickness of the fifth sub-semiconductor 127b.
  • the thickness ratio of the fifth sub-semiconductor 127b and the fourth sub-semiconductor layer 127a may be 1.5: 1 to 20: 1. When the thickness ratio is smaller than 1.5: 1, the thickness of the fifth sub-semiconductor 127b may be too thin, thereby reducing current injection efficiency. In addition, when the thickness ratio is greater than 20: 1, the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be too thin, thereby reducing ohmic reliability.
  • the aluminum composition of the fifth sub-semiconductor 127b may be smaller as it moves away from the active layer 126.
  • the aluminum composition of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be smaller as it moves away from the active layer 126.
  • the aluminum reduction width of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be greater than the aluminum reduction width of the fifth sub-semiconductor 127b. That is, the rate of change in the thickness direction of the Al composition ratio of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be greater than the rate of change in the thickness direction of the Al composition ratio of the fifth sub-semiconductor 127b.
  • the aluminum composition should be higher than that of the well layer 126a, so that the decrease may be relatively slow.
  • the fourth sub-semiconductor layer 127a is thin and the variation in the aluminum composition is large, the reduction in the aluminum composition may be relatively large.
  • the sixth sub-semiconductor 127c may have a uniform aluminum composition.
  • the thickness of the sixth sub-semiconductor 127c may be 20 nm to 60 nm.
  • the aluminum composition of the sixth sub-semiconductor 127c may be larger than the active layer 126.
  • the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a is 1 nm to 10 nm
  • the thickness of the second-second conductive semiconductor layer 127b is 10 nm to 50 nm
  • the thickness of the sixth sub-semiconductor 127c is 20 nm.
  • the ratio of the total thickness of the second conductivity-type semiconductor layer 127 and the thickness of the fourth sub-semiconductor layer 127a may be 1: 0.008 to 1: 0.3.
  • the second electrode 246 may be in contact with the current injection layers 127a and 127b.
  • the average value of the aluminum composition of the current injection layers 127a and 127b may be 10% to 50%. When the average composition is higher than 10%, the amount of absorption of light emitted from the active layer may be reduced. If the average composition is lower than 50%, the resistance between the second electrode 246 and the current injection layer may be lowered, thereby improving electrical characteristics of the semiconductor device.
  • the average value of the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b may be 30% to 79%.
  • the average aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b is less than 30%, lattice defects may occur in the active layer disposed thereon, and when the average composition is greater than 79%, ohmic characteristics may be deteriorated.
  • the ratio of the aluminum composition of the second sub-semiconductor layer 124b and the aluminum composition of the current injection layers 127a and 127b may be 1: 0.12 to 1: 1.6.
  • the semiconductor device may have a ratio of aluminum composition within a range to balance the current by the first dopant and the current by the second dopant.
  • composition ratio is greater than 1: 0.12 and less than 1: 1.6, the electronic and hole characteristics of the semiconductor device may be improved by balancing the electrons and holes injected into the active layer when the semiconductor device operates.
  • the aluminum average composition of the second sub-semiconductor layer 124b may be larger than that of the fourth sub-semiconductor layer 127a. Since the fourth sub-semiconductor layer 127a is a surface of the light emitting structure in contact with the P-type electrode, it is preferable to control the ohmic characteristics by controlling the aluminum composition as low as possible, whereas the second sub-semiconductor layer 124b has the active layer 126 thereon. ) And so on, the crystal quality may be deteriorated when the aluminum composition is controlled lower than the fourth sub-semiconductor layer 127a.
  • FIGS. 10A and 10B are plan views of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
  • the light emitting structure 120 may have the same configuration as the above-described light emitting structure 120.
  • the plurality of recesses 128 may pass through the second conductivity-type semiconductor layer 127 and the active layer 126 to be disposed up to a portion of the first conductivity-type semiconductor layer 124.
  • the thickness of the second sub-semiconductor layer 124b may be 100 nm to 400 nm. When the thickness of the second sub-semiconductor layer 124b is smaller than 100 nm, the thickness may be so thin that it may be difficult to arrange the recess 128 in the second sub-semiconductor layer 124b. In addition, when the thickness is larger than 400 nm, the light absorption rate of the second sub-semiconductor layer 124b is increased, resulting in a decrease in light output.
  • the first electrode 142 may be disposed on an upper surface of the recess 128 to be electrically connected to the first conductive semiconductor layer 124.
  • the first electrode 142 may be electrically connected to the second sub-semiconductor layer 124b of the first conductivity-type semiconductor layer 124.
  • the second sub-semiconductor layer 124b may have the lowest aluminum composition in the first conductivity-type semiconductor layer 124. Therefore, ohmic bonding between the first electrode 142 and the second sub-semiconductor layer 124b may be easy.
  • the top surface of the first electrode 142 may be disposed higher than the top surface of the recess 128 in the recess 128.
  • the upper surface of the first electrode 142 is removed.
  • the top surface of the recess 128 may be disposed higher, and the top surface of the sub recess (not shown) may be disposed higher than the top surface of the recess 128.
  • the second electrode 246 may be formed under the second conductive semiconductor layer 127.
  • the second electrode 246 may be electrically connected to the fourth sub-semiconductor layer 127a.
  • the current injection layer in contact with the second electrode 246 may be easily connected ohmic because the average composition of aluminum is 10% to 50%.
  • the fourth sub-semiconductor layer 127a is larger than 1 nm and smaller than 30 nm, the amount of light absorption may be small.
  • the first electrode 142 and the second electrode 246 may be ohmic electrodes.
  • the first electrode 142 and the second electrode 246 are indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium zinc tin oxide (IZTO), indium aluminum zinc oxide (IAZO), and indium gallium zinc oxide (IGZO).
  • IGTO Indium gallium tin oxide
  • AZO aluminum zinc oxide
  • ATO antimony tin oxide
  • GZO gallium zinc oxide
  • IZO IZO Nitride
  • AGZO Al-Ga ZnO
  • IGZO In-Ga ZnO
  • ZnO IrOx, RuOx, NiO, RuOx / ITO, Ni / IrOx / Au, or Ni / IrOx / Au / ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, At least one of Ru, Mg, Zn, Pt, Au, and Hf may be formed, but is not limited thereto.
  • the second electrode pad 166 may be disposed in one corner area of the semiconductor device.
  • the second electrode pad 166 may have a recessed portion and a convex portion at an upper surface thereof because the center portion is recessed. Wires (not shown) may be bonded to the recesses of the upper surface. Therefore, the adhesive area is widened, and the second electrode pad 166 and the wire may be more firmly bonded.
  • the second electrode pad 166 may function to reflect light, the closer the light emitting structure 120 is to the second electrode pad 166, the light extraction efficiency may be improved.
  • the height of the convex portion of the second electrode pad 166 may be higher than that of the active layer 126. Accordingly, the second electrode pad 166 may reflect light emitted in the horizontal direction of the device from the active layer 126 to the top to improve light extraction efficiency and to control the direction angle.
  • the first insulating layer 131 may be partially opened under the second electrode pad 166 to electrically connect the second conductive layer 150 and the second electrode 246.
  • the passivation layer 180 may be formed on the top and side surfaces of the light emitting structure 120. The passivation layer 180 may contact the first insulating layer 131 in a region adjacent to the second electrode 246 or under the second electrode 246.
  • the width d22 of a portion where the first insulating layer 131 is opened so that the second electrode 246 contacts the second conductive layer 150 may be, for example, about 40 ⁇ m to about 90 ⁇ m. If the thickness is smaller than 40 ⁇ m, the operating voltage may be increased. If the thickness is larger than 90 ⁇ m, it may be difficult to secure a process margin for not exposing the second conductive layer 150 to the outside. When the second conductive layer 150 is exposed to the outer region of the second electrode 246, the reliability of the device may be degraded. Accordingly, the width d22 may be 60% to 95% of the total width of the second electrode pad 166.
  • the first insulating layer 131 may electrically insulate the first electrode 142 from the active layer 126 and the second conductive semiconductor layer 127. In addition, the first insulating layer 131 may electrically insulate the second electrode 246 and the second conductive layer 150 from the first conductive layer 165.
  • the first insulating layer 131 may be formed by selecting at least one selected from the group consisting of SiO 2 , SixOy, Si 3 N 4 , Si x N y , SiO x N y , Al 2 O 3 , TiO 2 , AlN, and the like. However, it is not limited thereto.
  • the first insulating layer 131 may be formed in a single layer or multiple layers.
  • the first insulating layer 131 may be a distributed Bragg reflector (DBR) having a multilayer structure including silver Si oxide or a Ti compound.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the present invention is not limited thereto, and the first insulating layer 131 may include various reflective structures.
  • light extraction efficiency may be improved by reflecting light emitted from the active layer 126 toward the side upward.
  • light extraction efficiency may be more effective.
  • the second conductive layer 150 may cover the second electrode 246. Accordingly, the second electrode pad 166, the second conductive layer 150, and the second electrode 246 may form one electrical channel.
  • the second conductive layer 150 completely surrounds the second electrode 246 and may be in contact with the side surface and the top surface of the first insulating layer 131.
  • the second conductive layer 150 is made of a material having good adhesion to the first insulating layer 131, and at least one material selected from the group consisting of materials such as Cr, Al, Ti, Ni, Au, and the like. It may be made of an alloy, it may be made of a single layer or a plurality of layers.
  • the thermal and electrical reliability of the second electrode 246 may be improved.
  • it may have a reflection function to reflect light emitted between the first insulating layer 131 and the second electrode 246 to the top.
  • the second conductive layer 150 may also be disposed between the first insulating layer 131 and the second electrode 246 at a second separation distance, which is a region where the second conductive semiconductor layer is exposed.
  • the second conductive layer 150 may contact the side and top surfaces of the second electrode 246 and the side and top surfaces of the first insulating layer 131 at the second separation distance.
  • a region in which a Schottky junction is formed by contacting the second conductive layer 150 and the second conductive semiconductor layer 127 within the second separation distance may be disposed, and current is easily dispersed by forming a Schottky junction. Can be done.
  • the second insulating layer 132 electrically insulates the second electrode 246 and the second conductive layer 150 from the first conductive layer 165.
  • the first conductive layer 165 may be electrically connected to the first electrode 142 through the second insulating layer 132.
  • the first conductive layer 165 and the bonding layer 160 may be disposed along the shape of the lower surface of the light emitting structure 120 and the recess 128.
  • the first conductive layer 165 may be made of a material having excellent reflectance.
  • the first conductive layer 165 may include aluminum.
  • the light emitting efficiency may be improved by reflecting light emitted from the active layer 126 upward.
  • the bonding layer 160 may comprise a conductive material.
  • the bonding layer 160 may include a material selected from the group consisting of gold, tin, indium, aluminum, silicon, silver, nickel, and copper, or an alloy thereof.
  • the substrate 170 may be made of a conductive material.
  • the substrate 170 may include a metal or a semiconductor material.
  • the substrate 170 may be a metal having excellent electrical conductivity and / or thermal conductivity. In this case, heat generated during the operation of the semiconductor device may be quickly released to the outside.
  • the substrate 170 may include a material selected from the group consisting of silicon, molybdenum, silicon, tungsten, copper, and aluminum, or an alloy thereof.
  • Unevenness may be formed on the upper surface of the light emitting structure 120. Such unevenness may improve extraction efficiency of light emitted from the light emitting structure 120.
  • the unevenness may have a different average height according to the ultraviolet wavelength, and in the case of UV-C, the light extraction efficiency may be improved when the UV-C has a height of about 300 nm to 800 nm and an average of about 500 nm to 600 nm.
  • the semiconductor device may include a side reflector Z1 disposed at an edge thereof.
  • the side reflector Z1 may be formed by protruding the second conductive layer 150, the first conductive layer 165, and the substrate 170 in a thickness direction (Y-axis direction). Referring to FIG. 11A, the side reflector Z1 may be disposed along an edge of the semiconductor device to surround the light emitting structure.
  • the second conductive layer 150 of the side reflector Z1 may protrude higher than the active layer 126 to reflect upwardly the light L2 emitted from the active layer 124. Therefore, the light emitted in the horizontal direction (X-axis direction) can be upwardly reflected by the TM mode at the outermost part without forming a separate reflective layer.
  • An inclination angle of the side reflector Z1 may be greater than 90 degrees and smaller than 145 degrees.
  • the inclination angle may be an angle between the second conductive layer 150 and the horizontal plane (XZ plane). When the angle is smaller than 90 degrees or larger than 145 degrees, the efficiency of reflecting light moving toward the side upwards may be inferior.
  • the second electrode 246 may be deposited on the fourth sub-semiconductor layer 127a.
  • the fourth sub-semiconductor layer 127a may be in contact with oxygen. Therefore, aluminum disposed on the surface of the fourth sub-semiconductor layer 127a may react with oxygen to form aluminum oxide.
  • nitrides such as NO or oxides of Ga 2 O 3 may be further formed.
  • 11A and 11B are plan views of semiconductor devices according to some embodiments of the inventive concept.
  • TM mode GaN-based blue light emitting device
  • the GaN semiconductor emitting the wavelength band of the ultraviolet region may form the first electrode 142 by forming a larger number of recesses 128 than the GaN semiconductor emitting blue for current diffusion. .
  • the effective light emitting region P21 can be narrowed.
  • the effective light emitting area P21 may be defined as an area up to a boundary point having a current density of 40% or less, based on the current density at a nearby point of the first electrode 142 having the highest current density.
  • the effective emission region P21 may be adjusted according to the level of the injection current and the composition of Al in the range of 5 ⁇ m to 40 ⁇ m from the center of the recess 128.
  • the low current density region P31 between the neighboring first electrodes 142 has a low current density and hardly contributes to light emission. Therefore, in the exemplary embodiment, the light output may be improved by further disposing the first electrode 142 in the low current density region P31 having a low current density.
  • the GaN semiconductor layer since the current dispersion characteristics are relatively excellent, it is preferable to minimize the area of the recess 128 and the first electrode 142. This is because the area of the active layer 126 decreases as the area of the recess 128 and the first electrode 142 increases.
  • the Al composition is high and current diffusion characteristics are relatively low, it is desirable to reduce the low current density region P31 by increasing the number of the first electrodes 142 even at the expense of the area of the active layer 126. Can be.
  • the recesses 128 when the number of the recesses 128 is 48, the recesses 128 may not be disposed in a straight line in the horizontal and vertical directions but may be arranged in a zigzag manner. In this case, the area of the low current density region P31 is further narrowed so that most active layers can participate in light emission.
  • the number of the recesses 128 is 82 to 110, the current may be more efficiently distributed, thereby lowering the operating voltage and improving the light output.
  • the semiconductor device emitting UV-C if the number of recesses 128 is less than 82, the electrical and optical properties may be degraded. If the number of the recesses 128 is more than 110, the electrical and optical properties may be improved, but the volume of the light emitting layer may be reduced, resulting in optical characteristics. This can be degraded.
  • the first area where the plurality of first electrodes 142 contact the first conductive semiconductor layer 122 is not less than 7.4% and not more than 20%, or not less than 10% and not more than 20% of the horizontal maximum cross-sectional area of the light emitting structure 120. Can be.
  • the first area may be the sum of the areas where each of the first electrodes 142 contacts the first conductivity type semiconductor layer 122.
  • the first area of the plurality of first electrodes 142 is less than 7.4%, the light output may not be sufficient due to insufficient current spreading characteristics. If the first area of the plurality of first electrodes 142 is greater than 20%, the areas of the active layer and the second electrode may be excessively reduced. Therefore, there is a problem that the operating voltage rises and the light output decreases.
  • the total area of the plurality of recesses 128 may be 13% or more and 30% or less of the horizontal maximum cross-sectional area of the light emitting structure 120. If the total area of the recess 128 does not satisfy the above condition, it is difficult to control the total area of the first electrode 142 to 7.4% or more and 20% or less. In addition, there is a problem that the operating voltage increases and the light output decreases.
  • the second area where the second electrode 246 contacts the second conductive semiconductor layer 126 may be 35% or more and 70% or less of the horizontal maximum cross-sectional area of the light emitting structure 120.
  • the second area may be a total area where the second electrode 246 contacts the second conductivity type semiconductor layer 126.
  • the second area is less than 35%, the area of the second electrode may be excessively small, resulting in an increase in operating voltage and inferior injection efficiency of the second carrier (for example, holes). If the second area exceeds 70%, the first area cannot be effectively expanded, and thus, the injection efficiency of the first carrier (for example, electrons) is lowered.
  • the first area and the second area have an inverse relationship. That is, when increasing the number of recesses to increase the number of first electrodes, the area of the second electrode is reduced. In order to increase the light output, the dispersion characteristics of electrons and holes must be balanced. Therefore, it is important to determine an appropriate ratio between the first area and the second area.
  • the ratio (first area: second area) of the first area where the plurality of first electrodes contact the first conductive semiconductor layer and the second area where the second electrode contacts the second conductive semiconductor layer is 1: 3. To 1:10.
  • the area ratio When the area ratio is larger than 1:10, the first area may be relatively small, which may deteriorate the current dispersion characteristic. In addition, when the area ratio is smaller than 1: 3, there is a problem that the second area is relatively small.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram of a semiconductor device package according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor element is composed of a package and can be used in a curing apparatus of resin, resist, SOD or SOG.
  • the semiconductor device package may be used for medical treatment or in an electronic device such as a sterilizer such as an air purifier or a water purifier.
  • the semiconductor device package is disposed on the body 2 having the groove 3, the semiconductor device 1 disposed on the body 2, and the body 2 to be electrically connected to the semiconductor device 1. It may include a pair of lead frames (5a, 5b) to be connected.
  • the semiconductor device 1 may include all of the above configurations.
  • the body 2 may include a material or a coating layer that reflects ultraviolet light.
  • the body 2 may be formed by stacking a plurality of layers 2a, 2b, 2c, and 2d.
  • the plurality of layers 2a, 2b, 2c, and 2d may be the same material or may include different materials.
  • the groove 3 may be wider as it is farther from the semiconductor device, and a step 3a may be formed on the inclined surface.
  • the light transmitting layer 4 may cover the groove 3.
  • the light transmitting layer 4 may be made of glass, but is not limited thereto.
  • the light transmitting layer 4 is not particularly limited as long as it is a material that can effectively transmit ultraviolet light.
  • the inside of the groove 3 may be an empty space.
  • the semiconductor device may be used as a light source of an illumination system, or may be used as a light source of an image display device or a light source of an illumination device. That is, the semiconductor device may be applied to various electronic devices disposed in a case to provide light. For example, when the semiconductor device and the RGB phosphor are mixed and used, white light having excellent color rendering (CRI) may be realized.
  • CRI color rendering
  • the above-described semiconductor device may be configured as a light emitting device package and used as a light source of an illumination system.
  • the semiconductor device may be used as a light source or a light source of an image display device.
  • a backlight unit of an image display device When used as a backlight unit of an image display device, it can be used as an edge type backlight unit or a direct type backlight unit, when used as a light source of a lighting device can be used as a luminaire or bulb type, and also used as a light source of a mobile terminal. It may be.
  • the light emitting element includes a laser diode in addition to the light emitting diode described above.
  • the laser diode may include the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer having the above-described structure.
  • an electroluminescence phenomenon is used in which light is emitted when a current flows, but the difference in the direction and phase of the emitted light is different. have. That is, a laser diode may emit light having a specific wavelength (monochromatic beam) in the same direction with the same phase by using a phenomenon called stimulated emission and a constructive interference phenomenon. Due to this, it can be used for optical communication, medical equipment and semiconductor processing equipment.
  • a photodetector may be a photodetector, which is a type of transducer that detects light and converts its intensity into an electrical signal.
  • Such photodetectors include photovoltaic cells (silicon, selenium), photoelectric devices (cadmium sulfide, cadmium selenide), photodiodes (e.g. PD having peak wavelength in visible blind or true blind spectral regions) Transistors, photomultipliers, phototubes (vacuum, gas encapsulation), infrared (Infra-Red) detectors, and the like, but embodiments are not limited thereto.
  • a semiconductor device such as a photodetector may generally be manufactured using a direct bandgap semiconductor having excellent light conversion efficiency.
  • the photodetector has various structures, and the most common structures include a pin photodetector using a pn junction, a Schottky photodetector using a Schottky junction, a metal semiconductor metal (MSM) photodetector, and the like. have.
  • MSM metal semiconductor metal
  • a photodiode may include a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer having the above-described structure, and have a pn junction or pin structure.
  • the photodiode operates by applying a reverse bias or zero bias. When light is incident on the photodiode, electrons and holes are generated and current flows. In this case, the magnitude of the current may be approximately proportional to the intensity of light incident on the photodiode.
  • Photovoltaic cells or solar cells are a type of photodiodes that can convert light into electrical current.
  • the solar cell may include the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer having the above-described structure, similarly to the light emitting device.
  • a general diode using a p-n junction it may be used as a rectifier of an electronic circuit, it may be applied to an ultra-high frequency circuit and an oscillation circuit.
  • the semiconductor device described above is not necessarily implemented as a semiconductor and may further include a metal material in some cases.
  • a semiconductor device such as a light receiving device may be implemented using at least one of Ag, Al, Au, In, Ga, N, Zn, Se, P, or As, and may be implemented by a p-type or n-type dopant. It may also be implemented using a doped semiconductor material or an intrinsic semiconductor material.

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Abstract

실시 예는, 제1 도전형 반도체층; 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 도전형 반도체층은 제1 서브 반도체층, 제3 서브 반도체층, 및 제1 서브 반도체층과 제3 서브 반도체층 사이에 배치되는 제2 서브 반도체층을 포함하고, 상기 제1 서브 반도체층 및 제3 서브 반도체층의 알루미늄 조성은 상기 활성층의 알루미늄 조성보다 크고, 상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 조성은 상기 제1 서브 반도체층 및 상기 제3 서브 반도체층의 알루미늄 조성보다 작고, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 활성층에서 멀어질수록 알루미늄 조성이 감소하는 전류주입층을 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 제2 서브 반도체층상에 배치되고, 상기 제2 전극은 상기 전류주입층상에 배치되고, 상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 조성의 평균값과 상기 전류 주입층의 알루미늄 조성의 평균값의 비는 1:0.12 내지 1:1.6인 반도체 소자를 개시한다.

Description

반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지
실시 예는 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지에 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, 반도체 소자는 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, 반도체 소자는 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
특히, 자외선 발광소자는 경화작용이나 살균 작용을 하여 경화용, 의료용, 및 살균용으로 사용될 수 있다. 또한, 차량의 배기 가스는 230nm 파장대의 광을 흡수하므로 자외선 발광소자는 가스 센서에도 이용될 수 있다.
그러나, 자외선 파장대의 광을 생성하기 위해서는 알루미늄 조성이 커져 오믹 특성이 저하되는 문제가 있다.
실시 예는 오믹 특성이 향상된 발광소자를 제공할 수 있다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자는, 제1 도전형 반도체층; 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 도전형 반도체층은 제1 서브 반도체층, 제3 서브 반도체층, 및 제1 서브 반도체층과 제3 서브 반도체층 사이에 배치되는 제2 서브 반도체층을 포함하고, 상기 제1 서브 반도체층 및 제3 서브 반도체층의 알루미늄 조성은 상기 활성층의 알루미늄 조성보다 크고, 상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 조성은 상기 제1 서브 반도체층 및 상기 제3 서브 반도체층의 알루미늄 조성보다 작고, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 활성층에서 멀어질수록 알루미늄 조성이 감소하는 전류주입층을 포함하고, 상기 제1전극은 상기 제2 서브 반도체층상에 배치되고, 상기 제2전극은 상기 전류주입층상에 배치되고, 상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 조성의 평균값과 상기 전류 주입층의 알루미늄 조성의 평균값의 비는 1:0.12 내지 1:1.6이다.
실시 예에 따르면 오믹 특성을 향상시켜 광 출력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이고,
도 3은 온도 증가에 따른 오믹 특성 변화를 측정한 그래프이고,
도 4는 알루미늄 조성 변화에 따른 오믹 특성 변화를 측정한 그래프이고,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이고,
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이고,
도 7은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이고,
도 8은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이고,
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고,
도 10은 도 9의 평면도이고,
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이고,
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이다.
본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 발광 구조물은 자외선 파장대의 광을 출력할 수 있다. 예시적으로 발광 구조물은 근자외선 파장대의 광(UV-A)을 출력할 수도 있고, 원자외선 파장대의 광(UV-B)을 출력할 수 도 있고, 심자외선 파장대의 광(UV-C)을 출력할 수 있다. 파장범위는 발광 구조물(120)의 Al의 조성비에 의해 결정될 수 있다.
예시적으로, 근자외선 파장대의 광(UV-A)는 320nm 내지 420nm 범위의 파장을 가질 수 있고, 원자외선 파장대의 광(UV-B)은 280nm 내지 320nm 범위의 파장을 가질 수 있으며, 심자외선 파장대의 광(UV-C)은 100nm 내지 280nm 범위의 파장을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이고, 도 3은 온도 증가에 따른 오믹 특성 변화를 측정한 그래프이고, 도 4는 알루미늄 조성 변화에 따른 오믹 특성 변화를 측정한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 반도체 소자는 제1 도전형 반도체층(124), 제2 도전형 반도체층(127), 및 제1 도전형 반도체층(124)과 제2 도전형 반도체층(127) 사이에 배치되는 활성층(126)을 포함한다.
제1 도전형 반도체층(124)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(124)은 Inx1Aly1Ga1 -x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 그리고, 제1도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1도펀트가 n형 도펀트인 경우, 제1도펀트가 도핑된 제1 도전형 반도체층(124)은 n형 반도체층일 수 있다.
활성층(126)은 제1 도전형 반도체층(124)과 제2 도전형 반도체층(127) 사이에 배치될 수 있다. 활성층(126)은 제1 도전형 반도체층(124)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2 도전형 반도체층(127)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(126)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 자외선 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(126)은 우물층(126a)과 장벽층(126b)을 포함하고, 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 활성층(126)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
제2 도전형 반도체층(127)은 활성층(126) 상에 형성되며, Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(127)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(127)은 Inx5Aly2Ga1 -x5- y2N (0≤x5≤1, 0≤y2≤1, 0≤x5+y2≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2 도전형 반도체층(127)은 p형 반도체층일 수 있다.
제1 전극(142)과 제2 전극(246)은 오믹전극 또는 패드전극일 수 있다. 제1 전극(142)과 제2 전극(246)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
제1 도전형 반도체층(124)은 제1 서브 반도체층(124a), 제3 서브 반도체층(124c), 및 제1 서브 반도체층(124a)과 제3 서브 반도체층(124c) 사이에 배치되는 제2 서브 반도체층(124b)을 포함할 수 있다. 각 층은 알루미늄 조성에 따라 구분될 수 있다.
제1 서브 반도체층(124a) 및 제3 서브 반도체층(124c)의 알루미늄 조성은 활성층(126)의 알루미늄 조성보다 클 수 있다. 예시적으로 제1 서브 반도체층(124a)의 알루미늄 조성은 50% 내지 90%일 수 있고, 제3 서브 반도체층(124c)의 알루미늄 조성은 50% 내지 90%일 수 있다. 제1 서브 반도체층(124a)의 알루미늄 조성과 제3 서브 반도체층(124c)의 알루미늄 조성은 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.
제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 조성은 제1 서브 반도체층(124a) 및 제3 서브 반도체층(124c)의 알루미늄 조성보다 작을 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 조성은 30% 내지 79%일 수 있다. 제1 전극(142)은 오믹 특성을 향상시키기 위해 제1 도전형 반도체층(124)에서 알루미늄 조성이 상대적으로 적은 층과 접촉할 수 있다. 따라서, 제1 전극(142)은 제2 서브 반도체층(124b)과 접촉할 수 있다. 제1 전극(142)이 제2 서브 반도체층(124b)과 접촉하는 경우 반도체 소자의 전기적 특성을 확보할 수 있다.
활성층(126)은 230nm 또는 255nm의 파장대의 광을 생성하기 위해 알루미늄 조성이 상대적으로 높을 수 있다. 예시적으로 우물층(126a)의 알루미늄 조성은 75%이상일 수 있다. 이 경우 제1 서브 반도체층(124a)과 제3 서브 반도체층(124c)의 알루미늄 조성은 80% 내지 90%일 수 있고, 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 조성은 60% 내지 79%일 수 있다. 그러나, 우물층(126a)의 알루미늄 조성은 원하는 출력 파장에 따라 조절될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3과 같이 온도를 증가시키거나 도 4와 같이 알루미늄의 조성을 낮출수록 I-V 특성이 향상됨을 알 수 있다. 따라서, 제1 도전형 반도체층(124)과 제1 전극(142) 사이의 전기적 특성이 개선됨을 알 수 있다. 이는 온도 또는 알루미늄 조성 변화에 따라 제1 도전형 반도체층(124)과 제1 전극 사이의 오믹 특성이 향상되었기 때문일 수 있다. 온도 변화에 비해 알루미늄 조성 변화가 상대적으로 오믹 특성 개선에 효과가 큼을 알 수 있다. 따라서, 제1 도전형 반도체층(124)의 오믹 특성을 높이기 위해서는 제1 전극(142)이 배치되는 영역의 알루미늄 조성을 낮추는 것이 유리함을 알 수 있다. 실시 예에 따르면, 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 조성이 상대적으로 낮으므로 오믹 특성이 향상될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제1 서브 반도체층(124a)의 두께는 800nm 내지 1500nm일 수 있고, 제3 서브 반도체층(124c)의 두께는 100nm 내지 300nm일 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 두께는 100nm 내지 400nm일 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 두께가 100nm보다 작아지는 경우 두께가 너무 얇아 식각에 의해 제2 서브 반도체층(124b)을 노출시키는 것이 어려워질 수 있다. 또한 두께가 400nm보다 큰 경우 제1도전형 반도체층(124)의 알루미늄 평균 조성이 낮아져 활성층(126)에 결함이 발생할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(124)의 전체 두께와 제2 서브 반도체층(124b)의 두께의 비는 1:0.05 내지 1:0.4일 수 있다. 따라서, 제2 서브 반도체층(124b)은 제1 도전형 반도체층(124)의 전체 두께의 중간 높이(C1)를 기준으로 활성층(126)에 가까이 배치될 수 있다. 두께 비가 1:0.05보다 크면 제2 서브 반도체층(124b)의 전류 확산 특성을 향상시킬 수 있고, 두께비가 1:0.4보다 작으면 제2 서브 반도체층(124b)과 제1 서브 반도체층(124a)의 사이, 및 제2 서브 반도체층(124b)과 제3 서브 반도체층(124c) 사이에서 알루미늄 조성차에 의해 응력이 커지는 문제를 개선할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 조성은 두께 방향으로 감소하는 제1구간(S1), 두께 방향으로 증가하는 제2구간(S2) 및 최저 피크를 갖는 사이 구간(S3)을 포함할 수 있다. 예시적으로 제2 서브 반도체층(124b)은 제1 서브 반도체층(124a)에서 멀어질수록 알루미늄 조성이 감소하다가 일정 구간에서 다시 알루미늄 조성이 증가할 수 있다.
제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 평균 조성은 30% 내지 79%일 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 평균 조성이 30%보다 작은 경우 그 위에 배치되는 활성층에 격자 결함이 발생할 수 있으며, 평균 조성이 79%보다 큰 경우 오믹 특성이 저하될 수 있다.
제2 서브 반도체층(124b)은 일부 영역에서 알루미늄 조성이 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 작을 수 있다. 즉, 제2 서브 반도체층(124b)은 우물층(126a)에서 출사되는 광을 흡수할 수도 있다. 따라서, 반도체 소자의 광학적 특성과 전기적 특성 사이에는 상보 관계가 있을 수 있으며, 본 발명에서는 광학적 특성이 크게 저하되지 않는 범위에서 전기적 특성을 개선하는 구조를 가질 수 있다. 예시적으로 우물층(126a)의 알루미늄 조성이 75%이하인 경우 흡수 영역(d1)은 알루미늄 조성이 75%보다 작은 영역으로 정의할 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 흡수 영역의 두께(d2)는 100nm이하일 수 있다. 흡수 영역의 두께가 100nm보다 커지는 경우 흡수하는 광량이 많아져 광 출력이 저하될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이고, 도 7은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이다.
도 6을 참조하면, 제2 서브 반도체층(124b)은 알루미늄 조성이 다른 제1 격자층(1220) 및 제2 격자층(1230)을 포함할 수 있다. 제1 격자층(1220)과 제2 격자층(1230)의 두께는 특별히 한정하지 않는다. 격자층의 두께는 제2 서브 반도체층(124b)의 전체 두께를 n으로 나눈 값으로 정해질 수 있다.
예시적으로 제1, 제2 격자층(124b-1, 124b-2)의 두께는 1nm 내지 10nm일 수 있다. 제1 격자층(1220) 및 제2 격자층(1230)의 두께가 1 nm보다 두꺼울 때 하나의 층을 형성할 수 있다. 또한, 10 nm보다 두께가 얇은 경우 초격자층 기능이 향상되어 제1 서브 반도체층(124a)과 제3 서브 반도체층(124c) 사이의 응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 제2 서브 반도체층(124b)의 전류 확산 특성이 우수해질 수 있다.
제1 격자층(1220)의 알루미늄 조성은 제2 격자층(1230)의 알루미늄 조성보다 작을 수 있다. 제1 격자층(1220)과 제2 격자층(1230)의 알루미늄 조성 및 개수는 원하는 알루미늄 조성을 맞추기 위해 적절히 조절될 수 있다. 예시적으로, 제1 격자층(1220)의 알루미늄 조성은 30% 내지 70%이고, 제2 격자층(1230)의 알루미늄 조성은 40% 내지 88%일 수 있다. 이러한 조성 범위를 만족하는 경우 오믹 저항을 낮추면서도 광 흡수율을 줄일 수 있다.
제1 전극(142)이 제1 격자층(1220)과 접하는 경우 제1 전극(142)이 제2 격자층(1230)과 접하는 경우보다 전기적 특성이 우수할 수 있다. 그러나, 제1 격자층(1220)의 두께가 너무 얇기 때문에 제1 전극(142)을 배치하기 위한 식각 공정에서 공정 마진을 확보하기 어려울 수 있다. 따라서 제1 전극(142)은 제2 격자층(1230)과 접할 수도 있다.
도 7을 참조하면, 제1 격자층(1220)과 제2 격자층(1230)은 두께 방향으로 조성이 감소하는 제1구간(EA1) 및 조성이 증가하는 제2구간(EA2)을 포함할 수 있다. 예시적으로 제1 서브 반도체층(124a)에 가장 가까운 n번째 제1 격자층(1221)의 알루미늄 조성은 70%이고, n 번째 제2 격자층(1231)의 알루미늄의 조성은 88%인 경우, n+1번째 제1 격자층(1222)의 알루미늄 조성은 68%이고, n+1번째 제2 격자층(1232)의 알루미늄의 조성은 86%일 수 있다.
즉, 제1구간(EA1)에서는 제1 격자층(1220) 및 제2 격자층(1230)의 알루미늄 조성은 점차 작아질 수 있고, 제2구간(EA2)에서는 제1 격자층(1220) 및 제2 격자층(1230)의 알루미늄 조성이 점차 증가할 수 있다.
흡수 영역(d1)에서 제1 격자층(1220)과 제2 격자층(1230)의 알루미늄 조성은 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 작아질 수 있다. 따라서, 제2 서브 반도체층(124b)은 우물층(126a)에서 출사되는 광을 흡수할 수도 있다. 예시적으로 우물층(126a)의 알루미늄 조성이 75% 이하인 경우 흡수 영역(d1)은 알루미늄 조성이 75%보다 작은 영역으로 정의할 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 흡수 영역(d1)의 두께(d2)는 100nm이하일 수 있다. 흡수 영역의 두께(d2)가 100nm보다 커지는 경우 흡수하는 광량이 많아져 광 출력이 저하될 수 있다.
제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 평균 조성은 30% 내지 79%일 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 평균 조성이 30%보다 작은 경우 그 위에 배치되는 활성층에 격자 결함이 발생할 수 있으며, 평균 조성이 79%보다 큰 경우 오믹 특성이 저하될 수 있다.
제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 평균 조성은 제1 서브 반도체층(124a) 및 제3 서브 반도체층(124c)보다 작을 수 있다. 또한, 제3 서브 반도체층(124c)의 알루미늄 조성은 제1 서브 반도체층(124a)보다 작을 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 조성이다.
도 8을 참조하면, 제1 도전형 반도체층(124)의 알루미늄 조성은 도 2, 5, 6, 7에서 설명한 구성이 모두 포함될 수 있다. 도 8에서는 예시적으로 도 2의 알루미늄 조성을 도시하였다. 이하에서는 나머지 층의 구조에 대해 자세히 설명한다.
전자 차단층(129)은 알루미늄 조성이 50% 내지 100%일 수 있다. 전자 차단층(129)의 알루미늄 조성이 50% 미만일 경우 전자를 차단하기 위한 에너지 장벽의 높이가 부족할 수 있고 활성층(126)에서 방출하는 광을 전자 차단층(129)에서 흡수하는 문제가 있을 수 있다.
전자 차단층(129)은 제1차단층(129a)과 제2차단층(129c)을 포함할 수 있다. 전자 차단층(129)은 제2도펀트를 포함할 수 있다. 제2도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트를 포함할 수 있다. 제2도펀트를 포함하는 경우, 전자 차단층(129)은 제2 도전형 반도체층(127)과 같은 도펀트를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정하지 않고, 전자 차단층(129)은 제2 도전형 반도체층(127)과 같은 극성을 가질 수 있다. 또한, 전자 차단층(129)은 제2 도전형 반도체층(127)과 다른 제2도펀트를 포함할 수 있다.
제1차단층(129a)과 제2차단층(129c)에 의해 캐리어 주입 효율이 증가하고, 저항은 낮아져 동작 전압(Vf)이 개선될 수 있다. 제1차단층(129a)은 제2 도전형 반도체층(127)에 가까워질수록 알루미늄 조성이 높아질 수 있다. 제1차단층(129a)의 알루미늄 조성은 80% 내지 100%일 수 있다. 즉, 제1차단층(129a)은 AlGaN일 수도 있고 AlN일 수도 있다. 또는 제1차단층(129a)은 AlGaN과 AlN이 교대로 배치되는 초격자층일 수도 있다.
제1차단층(129a)의 두께는 약 0.1nm 내지 4nm일 수 있다. 제1차단층(129a)의 두께가 0.1nm보다 얇을 경우 전자의 이동을 효율적으로 차단하지 못하는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 제1차단층(129a)의 두께가 4nm보다 두꺼울 경우 활성층(126)으로 정공이 주입되는 효율이 저하될 수 있다.
제1차단층(129a)과 제2차단층(129c) 사이에는 Mg가 도핑되지 않은 제3차단층(129b)이 배치될 수 있다. 제3차단층(129b)은 도펀트가 제2 도전형 반도체층(127)으로부터 활성층(126)으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 하지만 이에 한정되지 않고, 제3차단층(129b)은 제2차단층(129c)의 도펀트가 제3차단층(129b)으로 확산될 수 있고 따라서 제3차단층(129b)은 도펀트를 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(127)은 제4 서브 반도체 내지 제6 서브 반도체(127a, 127b, 127c)을 포함할 수 있다. 제4 서브 반도체층(127a)과 제5 서브 반도체(127b)은 전류 주입층일 수 있으며, 제6 서브 반도체(127c)은 전류분산층일 수 있다. 전류주입층(127a, 127b)은 활성층(126)에서 멀어질수록 알루미늄 조성이 감소하는 구간으로 정의할 수 있다.
제5 서브 반도체(127b)의 두께는 10nm 보다 크고 50nm보다 작을 수 있다. 예시적으로 제5 서브 반도체(127b)의 두께는 25nm일 수 있다. 제5 서브 반도체(127b)의 두께가 10nm보다 작은 경우 수평 방향으로 저항이 증가하여 전류 주입 효율이 저하될 수 있다. 또한, 제5 서브 반도체(127b)의 두께가 50nm보다 큰 경우 수직 방향으로 저항이 증가하여 전류 주입 효율이 저하될 수 있다.
제5 서브 반도체(127b)의 알루미늄 조성은 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 높을 수 있다. 230nm의 자외선 광을 생성하기 위해 우물층(126a)의 알루미늄 조성이 약 75%인 경우 제5 서브 반도체(127b)의 알루미늄 조성은 75%보다 클 수 있다.
만약, 제5 서브 반도체(127b)의 알루미늄 조성이 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 낮은 경우 제5 서브 반도체(127b)이 광을 흡수하기 때문에 광 추출 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 제5 서브 반도체(127b)의 알루미늄 조성은 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 높은 알루미늄 조성을 포함할 수 있다.
제4 서브 반도체층(127a)의 알루미늄 조성은 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 낮을 수 있다. 즉, 제4 서브 반도체층(127a)의 두께는 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 작은 영역의 두께로 정의할 수 있다. 제4 서브 반도체층(127a)의 알루미늄 조성이 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 높은 경우 제2 전극 사이의 저항이 높아져 충분한 오믹이 이루어지지 않고, 전류 주입 효율이 떨어지는 문제가 있다. 따라서 제4 서브 반도체층(127a)의 두께를 제어하여 반도체 소자의 광학적 특성이 크게 저하되지 않는 범위 내에서 반도체 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있다.
제4 서브 반도체층(127a)의 알루미늄 조성은 1%보다 크고 75%보다 작을 수 있다. 75%보다 큰 경우 제2 전극과 충분한 오믹이 이루어지지 않을 수 있고, 조성이 1%보다 작은 경우 거의 GaN 조성과 가까워져 광을 흡수하는 문제가 있다.
제4 서브 반도체층(127a)의 두께는 1nm 내지 30nm, 또는 1nm 내지 10nm일 수 있다. 전술한 바와 같이 제4 서브 반도체층(127a)은 오믹을 위해 알루미늄의 조성이 낮으므로 자외선 광을 흡수할 수 있다. 따라서, 최대한 제4 서브 반도체층(127a)의 두께를 얇게 제어하는 것이 광 출력 관점에서 유리할 수 있다.
그러나 제4 서브 반도체층(127a)의 두께가 1nm이하로 제어되는 경우 급격하게 알루미늄 조성이 변화하여 결정성이 저하될 수 있다. 또한, 제4 서브 반도체층(127a)의 두께가 너무 얇기 때문에 면저항이 커지고, 반도체 소자의 전기적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 두께가 30nm보다 큰 경우 제4 서브 반도체층(127a)이 흡수하는 광량이 너무 커져 광 출력 효율이 감소할 수 있다.
제4 서브 반도체층(127a)의 두께는 제5 서브 반도체(127b)의 두께보다 작을 수 있다. 제5 서브 반도체(127b)과 제4 서브 반도체층(127a)의 두께비는 1.5:1 내지 20:1일 수 있다. 두께비가 1.5:1보다 작은 경우 제5 서브 반도체(127b)의 두께가 너무 얇아져 전류 주입 효율이 감소할 수 있다. 또한, 두께비가 20:1보다 큰 경우 제4 서브 반도체층(127a)의 두께가 너무 얇아져 오믹 신뢰성이 저하될 수 있다.
제5 서브 반도체(127b)의 알루미늄 조성은 활성층(126)에서 멀어질수록 작아질 수 있다. 또한, 제4 서브 반도체층(127a)의 알루미늄 조성은 활성층(126)에서 멀어질수록 작아질 수 있다.
이때, 제4 서브 반도체층(127a)의 알루미늄 감소폭은 제5 서브 반도체(127b)의 알루미늄 감소폭보다 클 수 있다. 즉, 제4 서브 반도체층(127a)의 Al 조성비의 두께 방향에 대한 변화율은 제5 서브 반도체(127b)의 Al 조성비의 두께 방향에 대한 변화율보다 클 수 있다.
제5 서브 반도체(127b)의 두께는 제4 서브 반도체층(127a)보다 두꺼운 반면, 알루미늄 조성은 우물층(126a)보다 높아야 하므로 감소폭이 상대적으로 완만할 수 있다. 그러나, 제4 서브 반도체층(127a)은 두께가 얇고 알루미늄 조성의 변화폭이 크므로 알루미늄 조성의 감소폭이 상대적으로 클 수 있다.
제6 서브 반도체(127c)은 균일한 알루미늄 조성을 가질 수 있다. 제6 서브 반도체(127c)의 두께는 20nm 내지 60nm일 수 있다. 제6 서브 반도체(127c)의 알루미늄 조성은 활성층(126)보다 클 수 있다.
전술한 바와 같이 제4 서브 반도체층(127a)의 두께는 1nm 내지 10nm이고, 제2-2도전형 반도체층(127b)의 두께는 10nm 내지 50nm이고, 제6 서브 반도체(127c)의 두께는 20nm 내지 60nm일 수 있다. 따라서, 제2 도전형 반도체층(127)의 전체 두께와 제4 서브 반도체층(127a)의 두께의 비는 1:0.008 내지 1: 0.3일 수 있다.
제2 전극(246)은 전류주입층(127a, 127b)에 접할 수 있다. 전류주입층(127a, 127b)의 알루미늄 조성의 평균값은 10% 내지 50%일 수 있다. 평균 조성이10%보다 높아야 활성층에서 발광하는 광의 흡수량을 줄일 수 있고, 50%보다 낮아야 제2 전극(246)과 전류주입층 사이의 저항이 낮아져 반도체 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있다.
이에 반해 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 조성의 평균값은 30% 내지 79%일 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 평균 조성이 30%보다 작은 경우 그 위에 배치되는 활성층에 격자 결함이 발생할 수 있으며, 평균 조성이 79%보다 큰 경우 오믹 특성이 저하될 수 있다.
따라서, 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 조성과 전류주입층(127a, 127b)의 알루미늄 조성의 비는1:0.12 내지 1:1.6일 수 있다. 반도체 소자가 자외선을 발광하는 경우, 반도체 소자에 주입되는 제1 도펀트에 의한 전류와 제2 도펀트에 의한전류의 균형을 맞추기 위해 범위 내의 알루미늄 조성의 비율을 가질 수 있다.
조성비가 1:0.12보다 크고 1:1.6보다 낮으면 반도체 소자가 동작할 때 활성층에 주입되는 전자와 정공의 균형이 맞아 반도체 소자의 전기적, 광학적 특성이 개선될 수 있다.
이때, 제2 서브 반도체층(124b)의 알루미늄 평균 조성은 제4 서브 반도체층(127a)보다 클 수 있다. 제4 서브 반도체층(127a)은 P형 전극과 접촉하는 발광구조물의 표면이므로 가능한 알루미늄 조성을 최대한 낮게 제어하여 오믹 특성을 제어하는 것이 바람직한 반면, 제2 서브 반도체층(124b)은 그 위에 활성층(126) 등이 더 배치되므로 알루미늄 조성을 제4 서브 반도체층(127a)보다 낮게 제어하는 경우 결정 품질이 악화될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고, 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이다.
도 9를 참조하면, 발광 구조물(120)은 전술한 발광 구조물(120)의 구성이 그대로 적용될 수 있다. 복수 개의 리세스(128)는 제2 도전형 반도체층(127)과 활성층(126)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(124)의 일부 영역까지 배치될 수 있다.
제2 서브 반도체층(124b)의 두께는 100nm 내지 400nm일 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)의 두께가 100nm보다 작아지는 경우 두께가 너무 얇아 리세스(128)을 제2 서브 반도체층(124b)의 내부에 배치하기 어려워질 수 있다. 또한 두께가 400nm보다 큰 경우 제2 서브 반도체층(124b)의 광 흡수율이 높아져 광 출력이 저하되는 문제가 있다.
제1 전극(142)은 리세스(128)의 상면에 배치되어 제1 도전형 반도체층(124)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극(142)은 제1 도전형 반도체층(124)의 제2 서브 반도체층(124b)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 서브 반도체층(124b)은 알루미늄 조성이 제1 도전형 반도체층(124) 내에서 가장 낮을 수 있다. 따라서, 제1 전극(142)과 제2 서브 반도체층(124b)은 오믹 접합이 용이할 수 있다.
제1 전극(142)에 대한 다른 실시 예로는 제1 전극(142)의 상면은 리세스(128) 내에서 리세스(128)의 상면보다 높게 배치될 수 있다.
공정 과정에 있어서 리세스(128) 내에 서브 리세스(미도시)를 배치한 후 서브 리세스(미도시) 내에 제1 전극(142)을 배치할 경우, 제1 전극(142)의 상면이 리세스(128)의 상면보다 높게 배치될 수 있고, 서브 리세스(미도시)의 상면이 리세스(128)의 상면보다 높게 배치될 수 있다.
제2 전극(246)은 제2 도전형 반도체층(127)의 하부에 형성될 수 있다.
제2 전극(246)은 제4 서브 반도체층(127a)과 접촉하여 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 전극(246)과 접촉하는 전류주입층은 알루미늄의 평균 조성이 10% 내지 50%이므로 오믹 연결이 용이할 수 있다. 또한, 제4 서브 반도체층(127a)은 두께가 1nm보다 크고 30nm보다 작으므로 광 흡수량이 적을 수 있다.
제1 전극(142)과 제2 전극(246)은 오믹전극일 수 있다. 제1 전극(142)과 제2 전극(246)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
반도체 소자의 일측 모서리 영역에는 제2 전극패드(166)가 배치될 수 있다. 제2 전극패드(166)는 중앙 부분이 함몰되어 상면이 오목부와 볼록부를 가질 수 있다. 상면의 오목부에는 와이어(미도시)가 본딩될 수 있다. 따라서, 접착 면적이 넓어져 제2 전극패드(166)와 와이어가 더 견고히 본딩될 수 있다.
제2 전극패드(166)는 광을 반사하는 작용을 할 수 있으므로, 제2 전극패드(166)는 발광 구조물(120)과 가까울수록 광 추출효율이 향상될 수 있다.
제2 전극패드(166)의 볼록부의 높이는 활성층(126)보다 높을 수 있다. 따라서 제2 전극패드(166)는 활성층(126)에서 소자의 수평방향으로 방출되는 광을 상부로 반사하여 광 추출효율을 향상시키고, 지향각을 제어할 수 있다.
제2 전극패드(166)의 하부에서 제1절연층(131)이 일부 오픈되어 제2도전층(150)과 제2 전극(246)이 전기적으로 연결될 수 있다. 패시베이션층(180)은 발광 구조물(120)의 상부면과 측면에 형성될 수 있다. 패시베이션층(180)은 제2 전극(246)과 인접한 영역이나 제2 전극(246)의 하부에서 제1절연층(131)과 접촉할 수 있다.
제1절연층(131)이 오픈되어 제2 전극(246)이 제2도전층(150)과 접촉하는 부분의 폭(d22)은 예를 들면 40㎛ 내지 90㎛일 수 있다. 40㎛보다 작으면 동작 전압이 상승하는 문제가 있고, 90㎛보다 크면 제2도전층(150)을 외부로 노출시키지 않기 위한 공정 마진 확보가 어려울 수 있다. 제2도전층(150)이 제2 전극(246)의 바깥 영역으로 노출되면, 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 따라서, 바람직하게 폭(d22)는 제2 전극패드(166)의 전체 폭의 60% 내지 95%일 수 있다.
제1절연층(131)은 제1 전극(142)을 활성층(126) 및 제2 도전형 반도체층(127)과 전기적으로 절연시킬 수 있다. 또한, 제1절연층(131)은 제2 전극(246)과 제2도전층(150)을 제1도전층(165)과 전기적으로 절연시킬 수 있다.
제1절연층(131)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 등으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되어 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 제1절연층(131)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 예시적으로 제1절연층(131)은 은 Si 산화물이나 Ti 화합물을 포함하는 다층 구조의 DBR(distributed Bragg reflector) 일 수도 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하지 않고 제1절연층(131)은 다양한 반사 구조를 포함할 수 있다.
제1절연층(131)이 절연기능을 수행하는 경우, 활성층(126)에서 측면을 향해 방출되는 광을 상향 반사시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 후술하는 바와 같이 자외선 반도체 소자에서는 리세스(128)의 개수가 많아질수록 광 추출 효율은 더 효과적일 수 있다.
제2도전층(150)은 제2 전극(246)을 덮을 수 있다. 따라서, 제2 전극패드(166)와, 제2도전층(150), 및 제2 전극(246)은 하나의 전기적 채널을 형성할 수 있다.
제2도전층(150)은 제2 전극(246)을 완전히 감싸며 제1절연층(131)의 측면과 상면에 접할 수 있다. 제2도전층(150)은 제1절연층(131)과의 접착력이 좋은 물질로 이루어지며, Cr, Al, Ti, Ni, Au 등의 물질로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 단일층 혹은 복수의 층으로 이루어질 수 있다.
제2도전층(150)이 제1절연층(131)의 측면과 상면에 접하는 경우, 제2 전극(246)의 열적, 전기적 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, 제1절연층(131)과 제2 전극(246) 사이로 방출되는 광을 상부로 반사하는 반사 기능을 가질 수 있다.
제2도전층(150)은 제1절연층(131)과 제2 전극(246) 사이에 제2 도전형 반도체층이 노출되는 영역인 제2이격거리에도 배치될 수 있다. 제2도전층(150)은 제2이격 거리에서 제2 전극(246)의 측면과 상면 및 제1절연층(131)의 측면과 상면에 접할 수 있다.
또한, 제2 이격 거리 내에서 제2도전층(150)과 제2 도전형 반도체층(127)이 접하여 쇼트키 접합이 형성되는 영역이 배치될 수 있으며, 쇼트키 접합을 형성함으로써 전류 분산이 용이해질 수 있다.
제2절연층(132)은 제2 전극(246), 제2도전층(150)을 제1도전층(165)과 전기적으로 절연시킨다. 제1도전층(165)은 제2절연층(132)을 관통하여 제1 전극(142)과 전기적으로 연결될 수 있다.
발광 구조물(120)의 하부면과 리세스(128)의 형상을 따라 제1도전층(165)과 접합층(160)이 배치될 수 있다. 제1도전층(165)은 반사율이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 예시적으로 제1도전층(165)은 알루미늄을 포함할 수 있다. 제1도전층(165)이 알루미늄을 포함하는 경우, 활성층(126)에서 방출되는 광을 상부로 반사하는 역할을 하여 광 추출 효율을 향상할 수 있다.
접합층(160)은 도전성 재료를 포함할 수 있다. 예시적으로 접합층(160)은 금, 주석, 인듐, 알루미늄, 실리콘, 은, 니켈, 및 구리로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
기판(170)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예시적으로 기판(170)은 금속 또는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 기판(170)은 전기 전도도 및/또는 열 전도도가 우수한 금속일 수 있다. 이 경우 반도체 소자 동작시 발생하는 열을 신속이 외부로 방출할 수 있다.
기판(170)은 실리콘, 몰리브덴, 실리콘, 텅스텐, 구리 및 알루미늄으로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
발광 구조물(120)의 상면에는 요철이 형성될 수 있다. 이러한 요철은 발광 구조물(120)에서 출사되는 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 요철은 자외선 파장에 따라 평균 높이가 다를 수 있으며, UV-C의 경우 300 nm 내지 800 nm 정도의 높이를 갖고, 평균 500nm 내지 600nm 정도의 높이를 가질 때 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
반도체 소자는 가장자리에 배치된 측면 반사부(Z1)를 포함할 수 있다. 측면 반사부(Z1)는 제2도전층(150), 제1도전층(165), 및 기판(170)이 두께 방향(Y축 방향)으로 돌출되어 형성될 수 있다. 도 11a를 참조하면 측면 반사부(Z1)은 반도체 소자의 가장자리를 따라 배치되어, 발광 구조물을 감싸면서 배치될 수 있다.
측면 반사부(Z1)의 제2도전층(150)은 활성층(126)보다 높게 돌출되어 활성층(124)에서 방출된 광(L2)을 상향 반사할 수 있다. 따라서, 별도의 반사층을 형성하지 않더라고 최외각에서 TM모드로 인해 수평 방향(X축 방향)으로 방출되는 광을 상향 반사할 수 있다.
측면 반사부(Z1)의 경사 각도는 90도 보다 크고 145도보다 작을 수 있다. 경사 각도는 제2도전층(150)이 수평면(XZ 평면)과 이루는 각도일 수 있다. 각도가 90도 보다 작거나 145도 보다 큰 경우에는 측면을 향해 이동하는 광을 상측으로 반사하는 효율이 떨어질 수 있다.
제2 전극(246)은 제4 서브 반도체층(127a)에 증착 형성될 수 있다. 제2 전극(246)이 ITO와 같은 금속 산화물인 경우 제4 서브 반도체층(127a)은 산소와 접촉할 수 있다. 따라서, 제4 서브 반도체층(127a)의 표면에 배치된 알루미늄이 산소와 반응하여 산화 알루미늄을 형성할 수 있다. 이외에도 NO 등의 질화물 또는 Ga2O3의 산화물 등이 더 형성될 수도 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이다.
발광 구조물(120)은 Al 조성이 높아지면, 발광 구조물(120) 내에서 전류 확산 특성이 저하될 수 있다. 또한, 활성층(126)은 GaN 기반의 청색 발광 소자에 비하여 측면으로 방출하는 광량이 증가하게 된다(TM 모드). 이러한 TM모드는 자외선 반도체 소자에서 발생할 수 있다.
실시 예에 따르면, 자외선 영역의 파장대를 발광하는 GaN 반도체는 전류 확산을 위해 청색 발광하는 GaN 반도체에 비해 상대적으로 많은 개수의 리세스(128)를 형성하여 제1 전극(142)을 배치할 수 있다.
도 11a를 참고하면, Al의 조성이 높아지면 전류 분산 특성이 악화될 수 있다. 따라서, 각각의 제1 전극(142)에 인근지점에만 전류가 분산되며, 거리가 먼 지점에서는 전류밀도가 급격히 낮아질 수 있다. 따라서, 유효 발광 영역(P21)이 좁아질 수 있다. 유효 발광 영역(P21)은 전류 밀도가 가장 높은 제1 전극(142)의 인근 지점에서의 전류 밀도를 기준으로 전류 밀도가 40%이하인 경계지점까지의 영역으로 정의할 수 있다. 예를 들어, 유효 발광 영역(P21)은 리세스(128)의 중심으로부터 5㎛ 내지 40㎛의 범위에서 주입 전류의 레벨, Al의 조성에 따라 조절될 수 있다.
특히, 이웃한 제1 전극(142) 사이인 저전류밀도영역(P31)은 전류밀도가 낮아서 발광에 거의 기여하지 못한다. 따라서, 실시 예는 전류밀도가 낮은 저전류밀도영역(P31)에 제1 전극(142)을 더 배치하여 광 출력을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 GaN 반도체층의 경우 상대적으로 전류 분산 특성이 우수하므로 리세스(128) 및 제1 전극(142)의 면적을 최소화하는 것이 바람직하다. 리세스(128)와 제1 전극(142)의 면적이 커질수록 활성층(126)의 면적이 작아지기 때문이다. 그러나, 실시 예의 경우 Al의 조성이 높아 전류 확산 특성이 상대적으로 떨어지므로 활성층(126)의 면적을 희생하더라도 제1 전극(142)의 개수를 증가시켜 저전류밀도영역(P31)을 줄이는 것이 바람직할 수 있다.
도 11b를 참고하면, 리세스(128)의 개수가 48개인 경우에는 리세스(128)가 가로 세로 방향으로 일직선으로 배치되지 못하고, 지그재그로 배치될 수 있다. 이 경우 저전류밀도영역(P31)의 면적은 더욱 좁아져 대부분의 활성층이 발광에 참여할 수 있다. 리세스(128)의 개수가 82개 내지 110개가 되는 경우 전류가 더 효율적으로 분산되어 동작 전압이 더 낮아지고 광 출력은 향상될 수 있다. UV-C를 발광하는 반도체 소자에서는 리세스(128)의 개수가 82개보다 적을 경우 전기적 광학적 특성이 저하될 수 있고, 110개보다 많을 경우 전기적 특성은 향상될 수 있지만 발광층의 부피가 줄어들어 광학적 특성이 저하될 수 있다.
복수 개의 제1 전극(142)이 제1 도전형 반도체층(122)과 접촉하는 제1면적은 발광 구조물(120)의 수평방향 최대 단면적의 7.4% 이상 20% 이하, 또는 10% 이상 20%이하일 수 있다. 제1면적은 각각의 제1 전극(142)이 제1 도전형 반도체층(122)과 접촉하는 면적의 합일 수 있다.
복수 개의 제1 전극(142)의 제1면적이 7.4% 미만인 경우에는 충분한 전류 확산 특성을 가질 수 없어 광 출력이 감소하며, 20%를 초과하는 경우에는 활성층 및 제2 전극의 면적이 과도하게 감소하여 동작 전압이 상승하고 광 출력이 감소하는 문제가 있다.
또한, 복수 개의 리세스(128)의 총면적은 발광 구조물(120)의 수평방향 최대 단면적의 13% 이상 30% 이하일 수 있다. 리세스(128)의 총면적이 상기 조건을 만족하기 못하면 제1 전극(142)의 총면적을 7.4% 이상 20% 이하로 제어하기 어렵다. 또한, 동작 전압이 상승하고 광 출력이 감소하는 문제가 있다.
제2 전극(246)이 제2 도전형 반도체층(126)과 접촉하는 제2면적은 발광 구조물(120)의 수평방향 최대 단면적의 35% 이상 70% 이하일 수 있다. 제2면적은 제2 전극(246)이 제2 도전형 반도체층(126)과 접촉하는 총면적일 수 있다.
제2면적이 35% 미만인 경우에는 제2 전극의 면적이 과도하게 작아져 동작 전압이 상승하고, 제2캐리어(예: 정공)의 주입 효율이 떨어지는 문제가 있다. 제2면적이 70%를 초과하는 경우에는 제1면적을 효과적으로 넓힐 수 없어 제1캐리어(예: 전자)의 주입 효율이 떨어지는 문제가 있다.
제1면적과 제2면적은 반비례 관계를 갖는다. 즉, 제1 전극의 개수를 늘리기 위해서 리세스의 개수를 늘리는 경우 제2 전극의 면적이 감소하게 된다. 광 출력을 높이기 위해서는 전자와 홀의 분산 특성이 균형을 이루어야 한다. 따라서, 제1면적과 제2면적의 적정한 비율을 정하는 것이 중요하다.
복수 개의 제1 전극이 제1 도전형 반도체층에 접촉하는 제1면적과 제2 전극이 제2 도전형 반도체층에 접촉하는 제2면적의 비(제1면적: 제2면적)는 1:3 내지 1:10일 수 있다.
면적비가 1:10보다 커지는 경우에는 제1면적이 상대적으로 작아 전류 분산 특성이 악화될 수 있다. 또한, 면적비가 1:3보다 작아지는 경우 상대적으로 제2면적이 작아지는 문제가 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이다.
반도체 소자는 패키지로 구성되어, 수지(resin)나 레지스트(resist)나 SOD 또는 SOG의 경화 장치에 사용될 수 있다. 또는, 반도체 소자 패키지는 치료용 의료용으로 사용되거나 공기 청정기나 정수기 등의 살균 장치와 같은 전자 장치에 사용될 수도 있다.
도 12를 참고하면, 반도체 소자 패키지는 홈(3)이 형성된 몸체(2), 몸체(2)에 배치되는 반도체 소자(1), 및 몸체(2)에 배치되어 반도체 소자(1)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드 프레임(5a, 5b)을 포함할 수 있다. 반도체 소자(1)는 전술한 구성을 모두 포함할 수 있다.
몸체(2)는 자외선 광을 반사하는 재질 또는 코팅층을 포함할 수 있다. 몸체(2)는 복수의 층(2a, 2b, 2c, 2d)을 적층하여 형성할 수 있다. 복수의 층(2a, 2b, 2c, 2d)은 동일한 재질일 수도 있고 상이한 재질을 포함할 수도 있다.
홈(3)은 반도체 소자에서 멀어질수록 넓어지게 형성되고, 경사면에는 단차(3a)가 형성될 수 있다.
투광층(4)은 홈(3)을 덮을 수 있다. 투광층(4)은 글라스 재질일 있으나, 반드시 이에 한정하지 않는다. 투광층(4)은 자외선 광을 유효하게 투과할 수 있는 재질이면 특별히 제한하지 않는다. 홈(3)의 내부는 빈 공간일 수 있다.
반도체 소자는 조명 시스템의 광원으로 사용되거나, 영상표시장치의 광원이나 조명장치의 광원으로 사용될 수 있다. 즉, 반도체 소자는 케이스에 배치되어 광을 제공하는 다양한 전자 디바이스에 적용될 수 있다. 예시적으로, 반도체 소자와 RGB 형광체를 혼합하여 사용하는 경우 연색성(CRI)이 우수한 백색광을 구현할 수 있다.
상술한 반도체 소자는 발광소자 패키지로 구성되어, 조명 시스템의 광원으로 사용될 수 있는데, 예를 들어 영상표시장치의 광원이나 조명 장치 등의 광원으로 사용될 수 있다.
영상표시장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때 에지 타입의 백라이트 유닛으로 사용되거나 직하 타입의 백라이트 유닛으로 사용될 수 있고, 조명 장치의 광원으로 사용될 때 등기구나 벌브 타입으로 사용될 수도 있으며, 또한 이동 단말기의 광원으로 사용될 수도 있다.
발광 소자는 상술한 발광 다이오드 외에 레이저 다이오드가 있다.
레이저 다이오드는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 그리고, p-형의 제1 도전형 반도체와 n-형의 제2 도전형 반도체를 접합시킨 뒤 전류를 흘러주었을 때 빛이 방출되는 전계발광 현상을 이용하나, 방출되는 광의 방향성과 위상에서 차이점이 있다. 즉, 레이저 다이오드는 여기 방출(stimulated emission)이라는 현상과 보강간섭 현상 등을 이용하여 하나의 특정한 파장(단색광, monochromatic beam)을 가지는 빛이 동일한 위상을 가지고 동일한 방향으로 방출될 수 있으며, 이러한 특성으로 인하여 광통신이나 의료용 장비 및 반도체 공정 장비 등에 사용될 수 있다.
수광 소자로는 빛을 검출하여 그 강도를 전기 신호로 변환하는 일종의 트랜스듀서인 광 검출기(photodetector)를 예로 들 수 있다. 이러한 광 검출기로서, 광전지(실리콘, 셀렌), 광 출력전 소자(황화 카드뮴, 셀렌화 카드뮴), 포토 다이오드(예를 들어, visible blind spectral region이나 true blind spectral region에서 피크 파장을 갖는 PD), 포토 트랜지스터, 광전자 증배관, 광전관(진공, 가스 봉입), IR(Infra-Red) 검출기 등이 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 광검출기와 같은 반도체 소자는 일반적으로 광변환 효율이 우수한 직접 천이 반도체(direct bandgap semiconductor)를 이용하여 제작될 수 있다. 또는, 광검출기는 구조가 다양하여 가장 일반적인 구조로는 p-n 접합을 이용하는 pin형 광검출기와, 쇼트키접합(Schottky junction)을 이용하는 쇼트키형 광검출기와, MSM(Metal Semiconductor Metal)형 광검출기 등이 있다.
포토 다이오드(Photodiode)는 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있고, pn접합 또는 pin 구조로 이루어진다. 포토 다이오드는 역바이어스 혹은 제로바이어스를 가하여 동작하게 되며, 광이 포토 다이오드에 입사되면 전자와 정공이 생성되어 전류가 흐른다. 이때 전류의 크기는 포토 다이오드에 입사되는 광의 강도에 거의 비례할 수 있다.
광전지 또는 태양 전지(solar cell)는 포토 다이오드의 일종으로, 광을 전류로 변환할 수 있다. 태양 전지는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, p-n 접합을 이용한 일반적인 다이오드의 정류 특성을 통하여 전자 회로의 정류기로 이용될 수도 있으며, 초고주파 회로에 적용되어 발진 회로 등에 적용될 수 있다.
또한, 상술한 반도체 소자는 반드시 반도체로만 구현되지 않으며 경우에 따라 금속 물질을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수광 소자와 같은 반도체 소자는 Ag, Al, Au, In, Ga, N, Zn, Se, P, 또는 As 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있으며, p형이나 n형 도펀트에 의해 도핑된 반도체 물질이나 진성 반도체 물질을 이용하여 구현될 수도 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    제2 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
    상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 도전형 반도체층은 제1 서브 반도체층, 제3 서브 반도체층, 및 제1 서브 반도체층과 제3 서브 반도체층 사이에 배치되는 제2 서브 반도체층을 포함하고,
    상기 제1 서브 반도체층 및 제3 서브 반도체층의 알루미늄 조성은 상기 활성층의 알루미늄 조성보다 크고,
    상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 조성은 상기 제1 서브 반도체층 및 상기 제3 서브 반도체층의 알루미늄 조성보다 작고,
    상기 제2 도전형 반도체층은 상기 활성층에서 멀어질수록 알루미늄 조성이 감소하는 전류주입층을 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 제2 서브 반도체층상에 배치되고,
    상기 제2 전극은 상기 전류주입층상에 배치되고,
    상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 조성의 평균값과 상기 전류 주입층의 알루미늄 조성의 평균값의 비는 1:0.12 내지 1:1.6인 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 서브 반도체층의 두께는 100nm 이상 400nm 이하인 반도체 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 서브 반도체층은 두께 방향으로 알루미늄 조성이 감소하는 제1구간 및 알루미늄 조성이 증가하는 제2구간을 포함하고,
    상기 제2 서브 반도체층에서 알루미늄 조성이 상기 활성층의 알루미늄 조성보다 작은 구간의 두께는 100nm이하인 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 서브 반도체층은 알루미늄 조성이 다른 제1격자층 및 제2격자층을 포함하고,
    상기 제1격자층의 알루미늄 조성은 30% 내지 70%이고,
    상기 제2격자층의 알루미늄 조성은 40% 내지 88%이고,
    상기 제1격자층과 제2격자층은 두께 방향으로 알루미늄 조성이 감소하는 제1구간 및 알루미늄 조성이 증가하는 제2구간을 포함하는 반도체 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전류 주입층은 상기 제2 전극이 배치되는 제4 서브 반도체층을 포함하고,
    상기 제4 서브 반도체층은 상기 제2 서브 반도체층보다 얇고,
    상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 평균 조성은 상기 제4 서브 반도체층 보다 큰 반도체 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전류 주입층은 상기 제4 서브 반도체층과 상기 활성층 사이에 배치되는 제5 서브 반도체를 포함하고,
    상기 제4 서브 반도체층과 상기 제5 서브 반도체의 알루미늄 조성은 상기 활성층에서 멀어질수록 작아지는 반도체 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제4 서브 반도체층의 알루미늄 감소폭은 상기 제5 서브 반도체의 알루미늄 감소폭보다 큰 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 서브 반도체층은 두께 방향으로 알루미늄 조성이 상기 활성층의 알루미늄 조성보다 작은 구간을 포함하는 반도체 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 전체 두께와 제2 서브 반도체층의 두께의 비는 1:0.05 내지 1:0.4인 반도체 소자.
  10. 캐비티를 포함하는 몸체; 및
    상기 캐비티에 배치되는 반도체 소자를 포함하고,
    상기 반도체 소자는,
    제1 도전형 반도체층;
    제2 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
    상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 도전형 반도체층은 제1 서브 반도체층, 제3 서브 반도체층, 및 제1 서브 반도체층과 제3 서브 반도체층 사이에 배치되는 제2 서브 반도체층을 포함하고,
    상기 제1 서브 반도체층 및 제3 서브 반도체층의 알루미늄 조성은 상기 활성층의 알루미늄 조성보다 크고,
    상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 조성은 상기 제1 서브 반도체층 및 상기 제3 서브 반도체층의 알루미늄 조성보다 작고,
    상기 제2 도전형 반도체층은 상기 활성층에서 멀어질수록 알루미늄 조성이 감소하는 전류주입층을 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 제2 서브 반도체층상에 배치되고,
    상기 제2 전극은 상기 전류주입층상에 배치되고,
    상기 제2 서브 반도체층의 알루미늄 조성의 평균값과 상기 전류 주입층의 알루미늄 조성의 평균값의 비는 1:0.12 내지 1:1.6인 반도체 소자 패키지.
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