KR100960280B1 - 3족 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 전도성을 지니는 제1 3족 질화물 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 3족 질화물 반도체층, 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 복수개의 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 본딩 패드; 본딩 패드 위에 위치하는 보호막; 그리고, 본딩 패드와 보호막 사이에 위치하며, 본딩 패드가 노출되도록 형성되는 버퍼 패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
LED, 발광소자, 질화물, 반도체, 전극, 본딩, 패드, 버퍼, 접착, 보호막
Description
본 개시는 전체적으로 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 본딩 패드 측의 보호막의 손실을 개선할 수 있는 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 이루어진 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides backgound information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(300), n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(500), p형 3족 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 3족 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 3족 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/154454호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 기재되어 있다. 바람 직하게는 n형 3족 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않는 GaN층이 성장되며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 3족 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
n형 3족 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 기재되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 3족 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 3족 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 3족 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 3족 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도 록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 3족 질화물 반도체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 3족 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 3족 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 기재되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 기재되어 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성된다. 미국특허 제5,563,422호에는 광투과성 및 절연성을 지니는 보호막을, p측 본딩 패드와 n측 전극 사이에 형성하거나, p측 본딩 패드 및 n측 전극의 와이어 본딩부를 제외한 발광소자의 상면에 형성하는 기술이 기재되어 있다.
한편, n형 3족 질화물 반도체층(300)이나 p형 3족 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식 각을 통해 기판(100)을 3족 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
도 2는 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 본딩 패드 측 보호막의 일 예를 나타내는 사진으로서, p측 본딩 패드(700)와 보호막(900)의 접착이 좋지 못하여 보호막(900)이 쉽게 깨지거나 박리된 것(A)을 볼 수 있다. 이는, 패키지를 만들기 위해 본딩 패드(700)에 와이어 본딩을 할 때, 본딩 패드(700)와 와이어 간의 연결 불량을 발생시킬 수 있는 문제가 된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 제1 전도성을 지니는 제1 3족 질화물 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 3족 질화물 반도체층, 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층; 복수개의 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 본딩 패드; 본딩 패드 위에 위치하는 보호막; 그리고, 본딩 패드와 보호막 사이에 위치하며, 본딩 패드가 노출되도록 형성되는 버퍼 패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 3은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10), 기판(10) 위에 성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(30), n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층(40), 활성층(40) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(50), p형 3족 질화물 반도체층(50) 위에 형성되는 p측 전극(60), p측 전극(60) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(70), 적어도 p형 3족 질화물 반도체층(50) 및 활성층(40)이 식각되어 노출되는 n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 형성되는 n측 전극(80), p측 본딩 패드(70) 및 n측 전극(80) 위에 형성되는 버퍼 패드들(78,88), 그리고 발광소자의 상부에 형성되는 보호막(90)을 포함한다. 여기서, n측 전극(80)은 n형 3족 질화물 반도체층(30)에 전기를 공급할 뿐만 아니라 와이어 본딩을 위한 본딩 패드의 역할도 한다.
보호막(90)은 산화막으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 보호막(90)은 산화막으로서 SiO2, TiO2, Al2O3으로 이루어질 수 있다.
p측 본딩 패드(70)는 p측 전극(60)과의 연결 및 와이어 본딩을 위한 것으로, 예를 들어 p측 전극(60) 위에 순차적으로 Cr층(72), Ni층(74), Au층(76)으로 이루어질 수 있다.
버퍼 패드(78)는 p측 본딩 패드(70) 위에 형성되며, p측 본딩 패드(70)와 보호막(90) 간에 접착성이 낮은 것을 극복하기 위한 것으로, p측 본딩 패드(70) 및 보호막(90)과 접착 또는 결합 가능한 재질로 이루어진다. 이는, p측 본딩 패드(70)가 금속으로 이루어지고, 보호막(90)이 산화막으로 이루어지는 경우, 버퍼 패드(78)가 산화 가능한 금속으로 이루어질 수 있음을 의미한다. 예를 들어, p측 본딩 패드(70)의 상면이 Au층(76)으로 이루어지고, 보호막(90)이 SiO2로 이루어질 경우, 버퍼 패드(78)는 Au 뿐만 아니라 SiO2와도 양호한 접착을 할 수 있는 산화가능한 금속으로서, Ni 또는 Cr으로 이루어질 수 있다.
한편, 버퍼 패드(78)는 p측 본딩 패드(70)와 와이어 간의 본딩을 위해 p측 본딩 패드(70)의 중앙부(70c)가 노출되도록 환형(annular)을 이룬다. 버퍼 패드(78)는 p측 본딩 패드(70)와 와이어 간의 본딩을 위한 면적을 최대한 확보할 수 있도록 p측 본딩 패드(70)의 상면 외곽에 형성되는 것이 바람직하다.
n측 전극(80)은 n형 3족 질화물 반도체층(30)과의 연결 및 와이어 본딩을 위한 것으로, 예를 들어 n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 순차적으로 Cr층(82), Ni층(84), Au층(86)으로 이루어질 수 있다. 이때, n측 전극(80) 위에 형성되는 버퍼 패드(88)는 p측 본딩 패드(70) 위에 형성되는 버퍼 패드(78)와 동일한 구성으로 형성될 수 있으며, 설명을 생략한다.
보호막(90)은 버퍼 패드들(78,88) 위에 형성되는데, p측 본딩 패드(70) 및 n측 전극(80)에 와이어 본딩을 위해서 버퍼 패드(78)에 의해 노출되는 p측 본딩 패 드(70), 그리고 버퍼 패드(88)에 의해 노출되는 n측 전극(80)을 제외하는 발광소자의 상부에 형성되어 있다.
이하에서, 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 일 예를 나타내는 도면이다.
먼저, 기판(10) 위에 복수개의 3족 질화물 반도체층(20,30,40,50)을 성장시킨다(도 4의 (a)참조).
다음으로, p형 3족 질화물 반도체층(50) 및 활성층(40)을 n형 3족 질화물 반도체층(30)이 노출되도록 식각한다(도 4의 (b)참조).
다음으로, p측 전극(60)을 형성한다(도 4의 (b)참조). p측 전극(60)의 형성은 p형 3족 질화물 반도체층(50)의 상면 전체에 걸쳐 형성될 수 있고, 일부에 형성될 수도 있다. p측 전극(60)의 형성은 p형 3족 질화물 반도체층(50) 및 활성층(40)의 식각 전에 이루어질 수도 있다.
다음으로, p측 본딩 패드(70)와 n측 전극(80)을 형성한다(도 4의 (c)참조). 여기서, p측 본딩 패드(70)와 n측 전극(80)의 형성은 별도의 공정을 통해 각각 이루어질 수도 있다. p측 전극(60)의 형성은 별도의 공정으로 p형 3족 질화물 반도체층(50) 및 활성층(40)의 식각 전에 이루어질 수도 있다. p측 본딩 패드(70)는, 예를 들어, 전자빔증착법을 이용하여 p측 전극(60) 위에 Cr, Ni, Au층들이 순차적으로 적층되어 1㎛ 내지 2㎛ 의 두께로 형성될 수 있다. n측 전극(80)도 동일하게 형 성될 수 있다.
다음으로, p측 본딩 패드(70) 위에 버퍼 패드(78)를 형성한다(도 4의 (d)참조). 예를 들어, 버퍼 패드(78)는 전자빔증착법을 이용하여 p측 본딩 패드(70) 위에 10Å 내지 200Å의 두께의 Ni층으로 형성될 수 있다. 버퍼 패드(88)도 동일하게 형성될 수 있다.
다음으로, 보호막(90)을 형성한다. 예를 들어, 보호막(90)은 SiO2, TiO2, Al2O3으로 이루어질 수 있다(도 4의 (d)참조).
다음으로, 버퍼 패드들(78,88)의 상면에 위치하는 보호막(90)의 일부를 제거한다(도 4의 (e)참조). 보호막(90)의 제거는 건식식각 또는 습식식각을 통해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 보호막(90)은, SiO2로 이루어지는 경우, CF4를 함유하는 가스를 이용하여 약 250초 동안 건식식각을 하거나, HF를 포함하는 용액을 이용하여 1 내지 2분 동안 습식식각을 하여 제거될 수 있다.
다음으로, 보호막(90)이 제거되어 노출된 버퍼 패드들(78,88)을 제거한다(도 4의 (f)참조). 노출된 버퍼 패드들(78,88)의 제거는 습식식각을 통해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 노출된 버퍼 패드(78,88)는, Ni층으로 이루어지는 경우, HCl을 포함하는 용액에 수십초 동안 습식식각을 하여 제거될 수 있다.
다음으로, 어닐링을 한다. 예를 들어, 어닐링은 425℃에서 약 1분간 이루어질 수 있다.
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 본딩 패드 측 보호막 의 일 예를 나타내는 사진으로서, 버퍼 패드(78)에 의해 중앙부가 노출된 p측 본딩 패드(70)를 볼 수 있고, 버퍼 패드(78) 위에 형성된 보호막(90)의 박리가 개선된 것을 볼 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 보호막과 본딩 패드 사이에 버퍼 패드를 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자. 이에 의해, 본딩 패드와 보호막 간의 접착불량을 개선할 수 있다.
(2) 본딩 패드 위에 밴드 형상의 패드를 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자. 이에 의해, 본딩 패드에 와이어 본딩을 할 수 있다.
(3) 본딩 패드와 보호막 사이에 산화가능한 금속층을 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자. 이에 의해, 금속층으로 이루어지는 본딩 패드와 산화막으로 이루어지는 보호막 간의 접착을 개선할 수 있다.
(4) 본딩 패드와 보호막 사이에 Ni층을 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자. 이에 의해, 금속층으로 이루어지는 본딩 패드와 이산화규소로 이루어지는 보호막과의 접착을 개선할 수 있다.
(5) 본딩 패드와 보호막 사이에 Cr층을 구비하는 3족 질화물 반도체 발광소자. 이에 의해, 금속층으로 이루어지는 본딩 패드와 이산화규소로 이루어지는 보호막과의 접착을 개선할 수 있다.
본 개시에 따른 하나의 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 본딩 패드와 보호막의 접착성을 향상시킬 수 있다.
본 개시에 따른 다른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 본딩 패드에 와 이어 본딩을 함과 동시에 본딩 패드와 보호막의 접착성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 본딩 패드 측 보호막의 일 예를 나타내는 사진,
도 3은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 본딩 패드 측 보호막의 일 예를 나타내는 사진.
Claims (6)
- 제1 전도성을 지니는 제1 3족 질화물 반도체층, 제1 전도성과 다른 제2 전도성을 지니는 제2 3족 질화물 반도체층, 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층 사이에 위치하여 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수개의 3족 질화물 반도체층;복수개의 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 본딩 패드;본딩 패드 위에 위치하는 보호막; 그리고,본딩 패드와 보호막 사이에 위치하며, 본딩 패드가 노출되도록 형성되는 버퍼 패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 청구항 1에서,보호막은 산화막으로 이루어지며,버퍼 패드는 산화가능한 금속인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 청구항 1에서,보호막은 SiO2로 이루어지며,본딩 패드는 상면이 Au으로 이루어지고,버퍼 패드는 Ni 또는 Cr으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 청구항 1에서,버퍼 패드는 환형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 청구항 1에서,복수개의 3족 질화물 반도체층은 제1 3족 질화물 반도체층이 노출되도록 적어도 제2 3족 질화물 반도체층 및 활성층이 식각되고,본딩 패드는 제1 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 본딩 패드와, 제2 3족 질화물 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 본딩 패드를 구비하고,버퍼 패드는 보호막 및 본딩 패드와 접착되며, 제1 본딩 패드가 노출되도록 제1 본딩 패드 위에 밴드 형상으로 형성되는 제1 버퍼 패드와, 제2 본딩 패드가 노출되도록 제2 본딩 패드 위에 밴드 형상으로 형성되는 제2 버퍼 패드를 구비하고,보호막은 발광소자의 상부를 덮도록 형성되되, 제1 버퍼 패드에 의해 노출되는 제1 본딩 패드 및 제2 버퍼 패드에 의해 노출되는 제2 본딩 패드의 상측이 개방되어 제1 버퍼 패드 및 제2 버퍼 패드 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
- 청구항 5에서,보호막은 SiO2로 이루어지고,본딩 패드는 상면이 Au으로 이루어지며,버퍼 패드는 Ni 또는 Cr으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
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