KR100696194B1 - Nitride semiconductor light emitting device and preparing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 통상적인 질화물 반도체 발광소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor light emitting device.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도.2A is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 2b는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도.Figure 2b is a plan view of a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention.
도 2c는 도 2b의 A-A' 단면도.FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2B;
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 원리를 설명하는 모식도.Figure 3 is a schematic diagram illustrating the principle of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 질화물 반도체의 제조방법을 순차적으로 설명하는 단면도. 4A to 4F are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a nitride semiconductor according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110 : 기판 111 : 버퍼층 110
112 : n형 전극층 113 : 활성층 112: n-type electrode layer 113: active layer
114 : p형 전극층 115 : 투명금속층 114: p-type electrode layer 115: transparent metal layer
116 : p형 금속 접촉층 117 : n형 금속 접촉층 116: p-type metal contact layer 117: n-type metal contact layer
119 : 반사층119: reflective layer
본 발명은 화합물 반도체에 관한 것으로 보다 상세하게는 질화물반도체를 이용하여 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a compound semiconductor, and more particularly, to a light emitting device using a nitride semiconductor and a method for manufacturing the same.
질화물계 화합물 반도체(III-Nitride 예컨데, GaN)는 직접 천이형 반도체로서 가시광선에서 자외선까지 파장 제어가 가능하며 높은 열적, 화학적 안정성, 높은 전자이동도 및 포화 전자속도, 큰 에너지 갭 등 기존의 GaAs나 InP계 화합물 반도체에 비하여 뛰어난 물성을 가지고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 가시광 영역의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)등의 광소자, 고출력 및 고주파 특성이 요구되는 차세대 무선통신 및 위성통신 시스템에 사용되는 전자소자 등 기존의 화합물 반도체로는 한계성을 가지는 분야로 응용범위가 확대되고 있다.Nitride-based compound semiconductors (III-Nitride, for example, GaN) are direct-transition semiconductors that can control wavelengths from visible light to ultraviolet light. It has superior physical properties compared to InP compound semiconductors. Based on these characteristics, existing compound semiconductors such as optical devices such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) in the visible region, and electronic devices used in next-generation wireless communication and satellite communication systems requiring high power and high frequency characteristics. The scope of application is expanding to areas with limitations.
도 1은 통상의 질화물계 화합물 반도체를 이용한 발광소자를 도시하고 있다. 발광소자는 기본적으로 질화물 반도체를 사용한 n형 전극층(12), p형 전극층(14) 및 상기 전극층들 사이에 형성되는 활성층(13)을 포함하여 구성된다. 이 때, 활성층(13)은 InGaN, InAlGaN 등으로 구성되며, 활성층(13)에서 방출된 빛을 외부로 끌어내는 p형 전극층(14)에 따라 발광특성이 좌우된다. 1 illustrates a light emitting device using a conventional nitride compound semiconductor. The light emitting element basically includes an n-type electrode layer 12 using a nitride semiconductor, a p-
그러나, 활성층과 전극층 사이의 격자 부정합 및 성장온도 차이 등으로 인하여 내부양자효율을 높이는 데 어려움이 있으며, 특히 p형 전극층의 정공농도 및 이동도를 높이는 데 한계가 있어, 고출력 발광소자를 제조하기 위하여 현재 발광소자의 외부양자효율을 높이기 위한 연구가 이루어지고 있다. However, it is difficult to increase the internal quantum efficiency due to the lattice mismatch between the active layer and the electrode layer, and the growth temperature. In particular, there is a limit in increasing the hole concentration and mobility of the p-type electrode layer, so as to manufacture a high output light emitting device. Currently, research is being conducted to increase the external quantum efficiency of light emitting devices.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 발광소자를 특정한 구조로 형성함으로써, 활성층에서 방출되는 빛의 외부양자효율이 증대되고, 소자의 동작온도가 감소되는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, the present invention by forming a light emitting device having a specific structure, the external quantum efficiency of light emitted from the active layer is increased, the operating temperature of the device is a nitride semiconductor light emitting device The purpose is to provide.
본 발명은 기판상에 순차적으로 적층되는 n형 전극층, 활성층, 및 p형 전극층을 포함하는 질화물반도체 발광소자에 있어서, 상기 p형 전극층 및 상기 활성층을 통과하는 홀을 구비하는 것을 특징으로 한다. According to the present invention, a nitride semiconductor light emitting device including an n-type electrode layer, an active layer, and a p-type electrode layer sequentially stacked on a substrate is characterized by including a hole passing through the p-type electrode layer and the active layer.
이 때, 상기 홀은 상기 n형 전극층까지 연장되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. At this time, the hole is preferably characterized in that extending to the n-type electrode layer.
이 때, 상기 홀의 벽면이 기판면과 이루는 경사각(θ)은 0<θ< 90°이고, 적어도 하나 이상 구비되는 것이 바람직하다. At this time, the inclination angle θ formed by the wall surface of the hole with the substrate surface is 0 <θ <90 °, and at least one or more angles are preferably provided.
이 때, 상기 홀은 동일한 간격으로 일정하게 배열되는 것이 바람직하다. At this time, the holes are preferably arranged at regular intervals.
또한, 상기 홀들이 발광영역에서 차지하는 총면적은 전체 발광영역면적의 30 ~ 70% 인 것이 바람직하다. In addition, the total area occupied by the holes in the light emitting area is preferably 30 to 70% of the total light emitting area.
또한, 상기 홀의 저면에는 발광된 빛을 반사시키는 반사층이 더 구비되는 것이 바람직하다. In addition, the bottom of the hole is preferably provided with a reflective layer for reflecting the emitted light.
또한, 상기 반사층은 상기 활성층의 높이보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the reflective layer is preferably formed lower than the height of the active layer.
또한, 상기 반사층은 금속, 타이타늄 산화물, 및 규소산화물로 구성되는 군 에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다. In addition, the reflective layer may be formed of at least one material selected from the group consisting of metal, titanium oxide, and silicon oxide.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 기판상에 n형 전극층, 활성층, 및 p형 전극층을 순차적으로 적층하는 공정을 포함하는 제 1 단계, 상기 n형 전극층에 n형 금속접촉층을 접촉시키기 위한 노출영역을 형성하는 제 2 단계, 상기 p형 전극층 및 상기 활성층을 관통하고, 상기 n형 전극층의 일정깊이까지 연장되는 홀을 형성하는 제 3 단계, 상기 홀의 저면에 반사층을 형성하는 제 4 단계, 상기 노출영역에 n형 금속 접촉층을 형성하는 제 5 단계, 상기 p형 전극층 상에 투명금속층을 형성하는 제 6 단계, 및 상기 투명금속층 상에 p형 금속 접촉층을 형성하는 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes a step of sequentially laminating an n-type electrode layer, an active layer, and a p-type electrode layer on a substrate, and an n-type metal contact layer on the n-type electrode layer. A second step of forming an exposed area for contacting; a third step of forming a hole penetrating through the p-type electrode layer and the active layer and extending to a predetermined depth of the n-type electrode layer; and a forming of a reflective layer on a bottom surface of the hole A fourth step of forming an n-type metal contact layer in the exposed region, a sixth step of forming a transparent metal layer on the p-type electrode layer, and a seventh step of forming a p-type metal contact layer on the transparent metal layer Characterized in that it comprises a step.
이 때, 상기 홀은 건식식각법으로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 반사층은 상기 반사층은 스퍼터링법, E-beam 증착법, 및 원자층 증착방법(ALD)으로 구성되는 군에서 선택되는 것이 바람직하다 In this case, the hole is preferably formed by a dry etching method, and the reflective layer is preferably selected from the group consisting of a sputtering method, an E-beam deposition method, and an atomic layer deposition method (ALD).
이하에서는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 실시예를 도 2a 내지 도 2c를 참조하면서 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2A to 2C.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도이며, 도 2c는 도 2b의 A-A' 단면도이다.2A is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2B is a plan view of a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, and FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2B.
이에 따르면, 질화물 반도체 발광소자는 기판(110), 버퍼층(111), n형 전극층(112), 활성층(113), p형 전극층(114)이 순차적으로 적층되고, n형 전극층(112)의 노출영역 상에 n형 금속접촉층(117)이 구비되고, p형 전극층위에 투명금속층 (115) 및 p형 금속접촉층(116)이 순차적으로 구비된다. 또한, p형 전극층(114) 및 활성층(113)을 관통하고, n형 전극층(112)의 일정깊이까지 연장되는 홀(118)을 구비하며, 상기 홀(118)의 바닥에는 반사층(119)이 구비된다. Accordingly, in the nitride semiconductor light emitting device, the
상기한 구성의 질화물 반도체 발광소자에서, 기판(110), 버퍼층(111), n형 전극층(112), 활성층(113), p형 전극층(114), 및 투명금속층(115)의 구조 및 재료는 본 발명에서 비제한적이고, 그 구성이 주지되어 있으므로 지면상 상세한 설명은 생략한다.In the nitride semiconductor light emitting device having the above-described configuration, structures and materials of the
본 실시예에서 홀(118)은 p형 전극층(114)의 낮은 정공농도 및 이동도로 인하여 발생되는 발광특성의 불균일성을 감소시키기 위해 형성된다. 따라서, 홀(118)은 도 2b에서 보이고 있는 바와 같이 복수로 형성되고, 형성된 홀(118)들은 균일한 간격으로 배열되는 것이 바람직하다. 이 때, 배열되는 방식은 비제한적임을 당업자는 인식할 것이다.In this embodiment, the
상기 홀(118)들이 발광영역에서 차지하는 면적은 비제한적으로 전체 발광영역 면적의 30 ~ 70% 사이인 것이 바람직하다. 30%미만에서는 발광의 불균일성을 해소하는 효과가 작고, 70%를 초과할 경우 발광하는 유기발광층이 차지하는 면적이 작아져 발광효율이 좋지 못하기 때문이다. 이 때, 발광면적에서 홀(118)들이 차지하는 면적은 상대적으로 전극층의 사용을 감소시켜, 소자의 발열을 줄이므로, 동작온도를 낮추는 효과가 있다. The area occupied by the
또한, 홀(118)은 상부로부터 n형 전극층(112)까지 연장되는 것이 바람직한데, 대부분의 빛이 p형 전극층(114)과 활성층(113) 사이에서 가장 많이 발생되지 만, 활성층(113)의 조건에 따라 n형 전극층(115)과 활성층(113)의 접촉부분에서 발생되므로, n형 전극층(115)까지 홀을 형성하는 것이 외부 양자효율을 좀 더 높일 수 있기 때문이다. In addition, the
홀(118)은 상부에서 하부로 갈수록 직경이 작아지도록, 즉 기판면을 기준으로 홀 벽면의 경사각(θ)이 0°<θ<90°로 되도록 제작될 수 있다. 경사각은 발광소자의 파장 및 발광소자의 적층구조에서 외부로의 빛의 굴절현상을 최대화 할 수 있게 결정되는 것이 바람직한데, 이로써 외부양자효율을 증대시킬 수 있다. The
홀(118)의 형상은 본 실시예에서 원형으로 도시되어 있지만 이에 제한되지 아니하며, 사각형 또는 삼각형의 형상을 가지는 것도 가능할 것이다.The shape of the
또한, 홀(118) 저면에는 반사층(119)이 형성되는데, 반사층(119)의 재료는 발광파장을 반사시킬 수 있는 금속(예컨데, 금), 타이타늄 산화물, 규소 산화물이 이용될 수 있다. 이 때, 반사층(119)의 두께는 10 ~ 100nm 정도로서, 활성층(113)의 높이 이하로 형성되는 것이 바람직하다. In addition, a
도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 원리를 설명하는 모식도로서 이를 참조하면서, 본 실시예에서 적용되는 홀과 반사층의 작용을 보다 상세히 설명한다.3 is a schematic diagram illustrating the principle of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, and the operation of the hole and the reflective layer applied in this embodiment will be described in more detail.
활성층(113)에서 발광된 빛은 전(全)방향으로 전파되고, 그 중 수평으로 전파된 빛은 굴절율이 다른 홀측으로 진입하게 되어 진행방향을 전환하게 되며, 다시 반사층에서 반사되어 상부로 향하게 되고, 또한, 활성층(113)의 저면으로 비스듬하게 전파된 빛은 n 형전극층(112)에 의해 반사되어 굴절율이 다른 홀 내부으로 진입 하게 되어 상부로 향하게 되어 발광효율이 상승된다. The light emitted from the
이하에서는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 도 4a 내지 도 4f를 참조하면서 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 4A to 4F.
도 4a는 기판 상에 n형 전극층(112), 활성층(113), 및 p형 전극층(114)을 순차적으로 적층하는 단계로, 기판재료로는 사파이어가 이용될 수 있으며, n형 질화물반도체로 n형 전극층(112)을 형성하고, n형 전극층(112) 상에 InGaN등의 활성층(113)을 형성하고, 활성층(113) 상에 p형 질화물 반도체로 p형 전극층(114)을 형성한다. 각 층은 각종 공지된 여러 증착법을 사용하여 형성될 수 있다. 4A illustrates a step of sequentially stacking an n-
도 4b는 n형 전극층(112)에 전원을 인가하는 n형 금속접촉층(117)을 접촉시키기 위한 노출영역을 형성하는 단계를 도시한다. 4B illustrates a step of forming an exposed region for contacting the n-type
도 4c는 p형 전극층(114) 및 활성층(113)을 관통하고, 상기 n형 전극층(112)까지 연장되는 홀(118)을 형성하는 단계로서, 홀(118)은 바람직하게 건식식각법을 이용하며, 경사각은 식각조건 및 식각패턴을 고려하여 형성될 수 있다. 4C is a step of forming a
도 4d는 상기 홀의 저면에 반사층을 형성하는 단계를 도시한다. 반사층(119)은 금속(예컨데, 금), 타이타늄산화물, 규소산화물을 스퍼터링법, E-beam 증착법등을 사용하여 형성한다.4D illustrates the step of forming a reflective layer on the bottom of the hole. The
도 4e는 p형 전극층(114) 상에 투명금속층(115)을 형성하는 단계로서, 투명금속층은 홀(118)상부에는 형성되지 않는다. 또한, 도 4f는 투명금속층(115)상에 p형 금속접촉층(116)을 형성하는 단계를 도시한다. 4E is a step of forming the
본 발명은 상기 실시예를 기준으로 주로 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범 위를 벗어나지 않고 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어 질 수 있다. 예컨데, 홀의 형상의 변경, 반사층의 두께, 재료등의 한정등이 용이하게 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. Although the present invention has been described primarily with reference to the above embodiments, many other possible modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention. For example, those skilled in the art will recognize that the shape of the hole, the thickness of the reflective layer, the limitation of the material, etc. can be easily made.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 P형 전극층을 관통하는 홀을 구비함으로써 발광의 불균일성을 감소시켜 대면적 소자의 제조를 가능하게 하는 효과가 있다. 또한, 발광면적에서 금속전극이 차지하는 면적을 감소시킴으로써, 동작온도를 낮출 수 있는 효과가 있고, 발광된 빛이 굴절 및 반사됨으로써, 외부 양자효율이 증대되는 효과가 있다. The nitride semiconductor light emitting device according to the present invention is provided with a hole penetrating through the P-type electrode layer to reduce the nonuniformity of light emission, thereby enabling the manufacture of a large area device. In addition, by reducing the area occupied by the metal electrode in the light emitting area, there is an effect that the operating temperature can be lowered, and the emitted light is refracted and reflected, thereby increasing the external quantum efficiency.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 청구범위에서 정해지는 것으로서, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다. The scope of the above-described invention is defined in the following claims, not bound by the description in the text of the specification, all modifications and variations belonging to the equivalent scope of the claims will fall within the scope of the invention.
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