KR100640496B1

KR100640496B1 - 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자

Info

Publication number: KR100640496B1
Application number: KR1020050112162A
Authority: KR
Inventors: 장태성; 이수열; 최석범
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2025-11-23
Also published as: US7372078B2; US20070114552A1; JP2007142368A

Abstract

본 발명은 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자에 관한 것으로서, n형 전극과, 상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과 활성층 및 p형 질화갈륨층이 아래로 순차 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 하면에 형성된 p형 전극과, 상기 발광 구조물의 측면 및 하면을 덮고, 상기 p형 전극의 일부분을 노출하게 형성되어 있으며, 분산 브래그 반사기로 이루어진 보호막과, 상기 보호막 및 상기 p형 전극의 하면에 형성된 도금 시드층 및 상기 도금 시드층의 하면에 형성된 구조지지층을 포함하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자를 제공한다.

수직구조, LED, 측면반사, 보호막, DBR, 휘도

Description

수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자{VERTICALLY STRUCTURED GaN TYPE LED DEVICE}

도 1은 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보호막을 나타낸 부분 단면도.

도 4는 도 3에 도시된 보호막의 두께 변화에 따른 반사도의 변화를 나타낸 그래프.

도 5는 도 3에 도시된 보호막의 기준 파장에 따른 반사도의 변화를 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : n형 전극 120 : n형 질화갈륨층

130 : 활성층 140 : p형 질화갈륨층

150 : p형 전극 160 : 보호막

160a : 저 굴절률막 160b : 고 굴절률막

170 : 도금 시드층 170a : 접착층

170b : 반사층 200 : 구조지지층

210 : 제1 도금층 220 : 제2 도금층

본 발명은 수직구조(수직전극형) 질화갈륨계(GaN) 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 측면을 향하여 발광하는 광을 발광면으로 반사시켜 고휘도를 구현하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨계 LED는 사파이어 기판 상에 성장하지만, 이러한 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화갈륨계 LED의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광출력 및 칩의 특성을 개선시키는데 한계가 있다. 특히, LED의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이기 때문에 LED의 열 방출 문제를 해결하는 것이 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로, 종래에는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO; 이하, 'LLO' 라 칭함)를 이용하여 사파이어 기판을 제거한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자가 제안되었다.

그러면, 이하 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도로서, 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는, Cr/Au로 이루어진 n형 전극(110)과, 상기 n형 전극(110) 하면에 n형 질화갈륨층(120), 활성층(130),p형 질화갈륨층(140)이 아래로 순차 형성되어 있는 발광 구조물과 상기 발광 구조물의 하면에 형성되어 있으며, Cr/Au로 이루어진 p형 전극(150)을 포함하여 이루어진다.

또한, 외부 회로와 본딩되는 상기 p형 전극(150)의 일부분을 제외한 발광 구조물의 하면 및 측면에는 SiO₂와 같은 절연물로 이루어진 보호막(160)이 형성되어 있다. 이때, 상기 보호막(160)은 LED 소자가 그와 이웃하는 소자 간에 서로 전기적으로 단락되는 문제를 방지하는 역할을 한다.

또한, 상기 보호막(160) 및 상기 p형 전극(150)의 최외각 표면에는 최종적인 LED 소자의 지지층으로서의 역할을 수행하는 구조지지층(200)이 형성되어 있다.

여기서, 미설명한 도면부호 170은 구조지지층(200)이 전해 도금 또는 무전해 도금법을 통해 형성될 때, 도금 공정시, 도금 결정핵 역할을 하는 도금 시드층(seed layer)이고, 도면부호 210 및 220은 구조지지층(200)을 구성하는 제1 및 제2 도금층이다.

그런데, 종래 기술에 따른 상기 도금 시드층은 Au, Cu, Ta 및 Ni 등과 같은 금속으로 상기 발광 구조물의 하면과 측면을 둘러싸고 있는 바, 상기 발광 구조물에서 발광하는 광의 일부를 흡수하여 소자의 전체적인 발광효율을 저하시키는 문제가 있다. 즉, Au, Cu, Ta 및 Ni 등과 같은 금속으로 형성되어 있는 종래의 도금 시드층은 반사율이 낮기 때문에 활성층에서 발광하는 광 중 도금 시드층으로 향하는 광을 흡수하여 소멸시키므로, 광 추출 효율을 떨어뜨려 휘도를 감소시키는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 발광 구조물과 도금 시드층 사이에 형성된 보호막을 반사율이 높은 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; 이하, 'DBR'라 칭함)로 형성함으로써, 발광 구조물에서 발광하는 광의 일부가 도금 시드층으로 흡수 및 산란되는 것을 방지하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 n형 전극과, 상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과 활성층 및 p형 질화갈륨층이 아래로 순차 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 하면에 형성된 p형 전극과, 상기 발광 구조물의 측면 및 하면을 덮고, 상기 p형 전극의 일부분을 노출하게 형성되어 있으며, 분산 브래그 반사기로 이루어진 보호막과, 상기 보호막 및 상기 p형 전극의 하면에 형성된 도금 시드층 및 상기 도금 시드층의 하면에 형성된 구조지지층을 포함하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 DBR은, 저 굴절률막과 고 굴절률막이 순차 적층된 반도체 패턴이 하나 이상 적층되어 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 저 굴절률막은 고 굴절률막에 비해 상대적으로 굴절률이 낮은 굴절률막이며, 저 굴절률막과 상기 고 굴절률막은 기준 파장의 λ/4 두께를 가진다. 이때, 상기 DBR을 구성하는 반도체 패턴의 수는 LED 소자에서 발광시키고자 하는 빛의 파장에 따라 조절 가능하며 이에 따라, 상기 DBR로 이루어진 보호막의 반사율을 극대화할 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 금속 시드층은, 접착층과 반사층이 순차 적층되어 있는 이중층으로 이루어진 것이 바람직하다. 이때, 상기 접착층은, Cr, Ni, Ti 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어지며, 상기 반사층은, Ag, Al, Pt 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설 명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

실시예 1

먼저, 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보호막을 나타낸 부분 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 최상부에는 외부 소자와 전기적으로 연결하기 위한 n형 본딩 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다.

상기 n형 본딩 패드의 하면에는 n형 전극(110)이 형성되어 있다. 이때, 상기 n형 전극(110)은 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하도록 반사율이 높은 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 n형 전극(110) 하면에는 n형 질화갈륨층(120)이 형성되어 있으며, 보다 상세하게, 상기 n형 질화갈륨층(120)은 n형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다.

한편, 전류 퍼짐 현상을 향상시키기 위해, 본 발명은 상기 n형 전극(110)과 접하고 있는 상기 n형 질화갈륨층(120) 상에는 n형 투명전극(도시하지 않음)을 더 구비하고 있다.

상기 n형 질화갈륨층(120) 하면에는 활성층(130) 및 p형 질화갈륨층(140)이 아래로 순차 적층되어 발광 구조물을 이룬다. 이때, 상기 발광 구조물 중 활성층(130)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성될 수 있으며, 상기 p형 질화갈륨층(140)은 상기 n형 질화갈륨층(120)과 마찬가지로 p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다.

상기 질화갈륨계 LED 구조물의 p형 질화갈륨층(140) 하면에는 p형 전극(150)이 형성되어 있다. 상기 p형 전극(150)도 상기 n형 전극(110)과 마찬가지로 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하도록 반사율이 높은 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 외부 회로와 본딩되는 상기 p형 전극(150)의 일부분을 제외한 발광 구조물의 하면 및 측면에는 소자가 그와 이웃하는 소자 간에 서로 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위한 보호막(160)이 형성되어 있다.

특히, 본 발명에 따른 상기 보호막(160)은 DBR로 이루어져 있다. 상기 DBR은 λ를 빛의 파장이라 하고, n을 매질의 굴절률이라 하며, m을 홀수라 할 때, 서로 굴절률이 다른 두 매질을 mλ/4n 의 두께로 교대로 적층하여 특정 파장대(λ)의 빛 에서 95% 이상의 반사율을 얻을 수 있는 반도체 패턴으로 형성된 반사기로서, 발진 파장보다 밴드갭 에너지(bandgap energy)가 커 흡수가 일어나지 않도록 하고, 상기 반도체 패턴을 이루는 두 매질 간의 굴절률 차이가 클수록 반사율이 커진다.

이에 따라서, 본 발명에 따라 DBR로 이루어진 보호막(160)은 도 3에 도시한 바와 같이, 저 굴절률막(160a)과 고 굴절률막(160b)이 순차 적층된 반도체 패턴이 하나 이상 적층되어 있다. 이때, 상기 저 굴절률막(160a)과 상기 고 굴절률막(160b)은 기준 파장의 λ/4 두께를 가진다.

보다 상세하게, 상기 보호막(160)을 구성하는 상기 저 굴절률막(160a)은 고 굴절률막(160b)에 비하여 상대적으로 굴절률이 작으면 된다. 예를 들어, 일반적으로 저 굴절률막(200a)으로는 SiO₂(n=1.4), Al₂O₃(n=1.6) 등이 사용되며, 고 굴절률막(200b)으로는 Si₃N₄(n=2.05~2.25), TiO₂(n=2.1), Si-H(n=3.2) 등이 사용된다.

본 실시예에서는 저 굴절률막(160a)으로 Al₂O₃(n=1.6)를 사용하고, 고 굴절률막(160b)로 Si₃N₄(n=2.05~2.25)를 사용하고 있다.

한편, 상기 DBR을 구성하는 저 굴절률막(160a)과 고 굴절률막(160b)이 순차 적층된 반도체 패턴의 수는 LED 소자에서 발광시키고자 하는 빛의 파장에 따라 조절 가능하며 이에 따라, 본 발명은 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 DBR로 이루어진 보호막의 반사율을 극대화하여 할 수 있다.

여기서, 도 4는 도 3에 도시된 보호막의 두께 변화에 따른 반사도의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5는 도 3에 도시된 보호막의 기준 파장에 따른 반사도의 변 화를 나타낸 그래프이다. 본 실시예서는 보호막의 기준 파장으로 460nm의 파장을 선택하고 있으며, 그에 따라 보호막의 두께를 변화시켰다.

상기 보호막(160) 및 상기 p형 전극(150)의 최외각 표면에는 도금 시드층(170)이 형성되어 있으며, 이는 후술하는 구조지지층을 전해 도금 또는 무전해 도금법을 통해 형성할 때, 도금 공정시, 도금 결정핵 역할을 하는 것으로, Au, Cu, Ta 및 Ni 등과 같은 금속으로 이루어져 있다.

한편, 종래에는 Au, Cu, Ta 및 Ni 등과 같은 금속으로 이루어진 상기 도금 시드층(170)으로 발광 구조물에서 발광하는 광의 일부를 흡수되어 소멸하는 문제가 있었으나, 본 발명은 상기 도금 시드층(170)과 발광 구조물 사이에 위치하는 DBR로 이루어진 보호막(160)을 통해 도금 시드층(170)으로 향하는 광을 반사시켜 외부로 방출시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(도 2 참조)는 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자(도 1 참조)에 비해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있어 휘도를 개선할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 실시예에 따른 구조지지층(200)은 제1 도금층(210)과 제2 도금층(220)으로 구분되어 있으며, 상기 제1 도금층(210)은 최종 LED 소자를 지지하는 지지층 역할을 하고, 상기 제2 도금층(220)은 이웃하는 LED 소자 간을 서로 연결하는 역할을 하여 LED 소자의 제조 공정 시, 소자의 대량 이동을 용이하게 할 수 있다.

실시예 2

도 6을 참고로, 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명하기로 한다. 다만, 제2 실시예의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨 LED 소자와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, 구조지지층을 전해 도금 또는 무전해 도금법을 통해 형성할 때, 도금 공정시, 도금 결정핵 역할을 하는 도금 시드층(170)이 Au, Cu, Ta 및 Ni 등과 같은 금속을 사용하여 단일층으로 이루어진 것이 아니라, 접착층(170a)과 반사층(170b)이 순차 적층되어 있는 이중층으로 이루어져 있다.

이때, 제2 실시예에 따른 상기 도금 시드층(170)을 구성하는 상기 접착층(170a)은, 산화물과 접착성이 우수한 금속 즉, Cr, Ni, Ti 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어져 상기 보호막(160)과의 접착력을 더욱 우수하게 할 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 반사층(170b)은, 반사율이 높은 금속 즉, Ag, Al, Pt 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어지며, 이에 따라, 상기 발광 구조물에서 발광하는 광을 반사층(170b)을 통해 반사시켜 발광면으로 향하게 하는 것이 가능하여 광 추출 효율을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

이러한 제2 실시예는 제1 실시예에서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 제1 실시예에 비하여 상기 도금 시드층(170)이 접착층(170a)과 반사층(170b)으로 이루어진 이중층으로 형성되어 있기 때문에 발광 구조물에서 발광하는 광이 도금 시드층(170) 내부로 흡수 또는 산란되는 것을 방지할 수 있어 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 휘도 및 보호막과 도금 시드층과의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다는 점에서 제1 실시예보다 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 상기 보호막을 반사율이 높은 DBR로 형성함으로써, 도금 시드층을 향하여 발광하는 광을 반사시켜 도금 시드층으로 흡수 또는 산란되어 소멸되는 광을 확보하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 도금 시드층을 접착층과 반사층이 순차 적층되어 있는 이중층으로 형성함으로써, 상기 도금 시드층과 보호막과의 접착력을 향상시키고, 도금 시드층으로 광이 흡수되어 소멸되는 것을 최소화하여 광 추출 효율을 더욱 향 상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 고휘도를 구현하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제공할 수 있다.

Claims

n형 전극;

상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과 활성층 및 p형 질화갈륨층이 아래로 순차 형성된 발광 구조물;

상기 발광 구조물 하면에 형성된 p형 전극;

상기 발광 구조물의 측면 및 하면을 덮고, 상기 p형 전극의 일부분을 노출하게 형성되어 있으며, 분산 브래그 반사기로 이루어진 보호막;

상기 보호막 및 상기 p형 전극의 하면에 형성된 도금 시드층; 및

상기 도금 시드층의 하면에 형성된 구조지지층;을 포함하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제1항에 있어서,

상기 분산 브래그 반사기는, 저 굴절률막과 고 굴절률막이 순차 적층된 반도체 패턴이 하나 이상 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제2항에 있어서,

상기 저 굴절률막은 고 굴절률막에 비해 상대적으로 굴절률이 낮은 굴절률막인 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제2항에 있어서,

상기 저 굴절률막과 상기 고 굴절률막은 기준 파장의 λ/4 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제1항에 있어서,

상기 금속 시드층은, 접착층과 반사층이 순차 적층되어 있는 이중층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제5항에 있어서,

상기 접착층은, Cr, Ni, Ti 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
제5항에 있어서,

상기 반사층은, Ag, Al, Pt 및 이들이 하나 이상 혼합된 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.