KR100522844B1 - 표면 식각된 투명 전도성 산화막 오믹 전극을 이용한 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 다이오드에 관련된 것으로, 좀더 상세하게는 상기 질화물 반도체 발광 다이오드의 중요한 기술 중 하나인 오믹전극 형성에 관련된 것이다. 본 발명은 n-형 질화물 반도체층, 활성층, p-형 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서, 상기 질화물 반도체층위에 형성되는 오믹전극으로 요철이 형성된 투명 전도성 산화막을 이용하는 것을 제안한다.

상기 투명 전도성 산화막에 요철을 형성하기 위하여 습식 식각을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 투명 전도성 산화막 표면에 형성된 요철로 인하여 질화물 반도체층에서 생성된 빛이 외부로 탈출할 때에 빛의 입사각이 변하여 전반사 발생 빈도가 줄어든다. 따라서 요철을 형성하지 않은 투명 전도성 산화막 전극에서보다 광추출효율이 향상된다.

Description

표면 식각된 투명 전도성 산화막 오믹 전극을 이용한 질화물 반도체 발광 다이오드 및 그 제조방법{GaN Light Emitting Diode using Surface-Taxtured Indium-Tin-Oxide Transparent Ohmic Contacts and manufacturing thereof}

본 발명은 질화물 발광 다이오드(GaN-based semiconductor light emitting diode)에 관한 것으로, 상세하게는 상기 질화물 발광 다이오드의 질화물 반도체층에서 생성되었으나, 외부와의 전반사로 인하여 손실되는 빛을 효과적으로 외부로 탈출시켜 광 추출 효율을 개선한 질화물 발광 다이오드에 관한 것이다.질화물 발광 다이오드는 일정한 크기의 순 방향 전류를 인가하면 전류가 광으로 변환되어 빛을 발생하는 발광 다이오드의 일종이다. 발광 다이오드는 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP)등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합한 구조를 이용하여 적색 또는 녹색을 내는 발광 다이오드에 이어 청색 및 자외선 광을 발생시키는 발광 다이오드가 상용화됨으로서 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용 장치에 널리 이용되고 있으며, 근래에 들어서는 적, 녹, 청색의 3개의 칩을 이용하거나 형광체를 이용하여 백색을 내는 색변환 발광 다이오드가 개발되어 조명장치로도 그 응용범위가 넓어지고 있다.질화물 반도체층에서 생성된 빛은 질화물 반도체층과 상기 질화물 반도체층에 접하여 형성되어 질화물 반도체층에 전류가 흐르도록 하는 오믹전극을 통과하여 외부로 방출된다. 도 1은 종래의 질화물 발광 다이오드의 단면구조를 나타낸 것이다. 상기 도 1에 도시한 질화물 발광 다이오드는 기판(10)과 n-형 질화물 반도체층(20), 활성층(30), p-형 질화물 반도체층(40)을 포함하는 질화물 반도체층과 상기 n-형 질화물 반도체층(20)위에 형성하는 제2 오믹전극(60) 및 상기 p-형 질화물 반도체층(40) 위에 형성하는 제1 오믹전극(90)을 포함한다. 추가적으로 와이퍼 본딩에 유리하도록 상기 제1 오믹전극(90)위에 제1 전극패드(50)을 형성한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 질화물 발광 다이오드는 제1 오믹 전극을 평평하게(Flat) 형성하였다. 이하에서 별다른 언급이 없는 한 '오믹 전극'은 반도체층의 최상부면에 위치하여 상기 질화물 반도체층에서 생성한 빛이 외부로 방출되는 통로가 되는 부분을 의미한다. 도 1에서는 제1 오믹전극(50)이 오믹 전극이 된다.종래의 질화물 반도체 발광 다이오드의 오믹 전극은 니켈(Ni), 금(Au)등의 금속을 얇게 증착하여 형성하거나 또는, ITO(Indium-Tin-Oxide)등을 증착하였고, 상기 오믹 전극은 투명전극으로서 실질적으로 평평하게 형성하는 구조를 가졌다. 그러나 종래의 질화물 발광 다이오드의 구조로는 광 추출 효율(light extraction efficiency)이 낮다는 문제점이 있었다. 광 추출 효율이란 질화물 반도체층에서 생성된 빛과 상기 질화물 반도체층에서 외부로 방출되는 빛의 비율이다. 도 2는 종래의 질화물 발광 다이오드에서의 빛의 탈출 입사각을 예시적으로 나타낸 것이다. 도 2에서 θ1 및 θ2는 외부로 탈출한 반면, θ3은 전반사가 발생하여 외부로 탈출하지 못하였다. 이와 같이, 종래의 발광 다이오드의 구조가 광 추출 효율이 낮은 이유는 반도체와 외부와의 계면에서 빛이 전반사되어 다이오드 내부에 갇히는 경우가 발생하는 경우가 잦았기 때문이다. 이에 질화물 반도체층에서 생성된 빛이 전반사되어 소자안에 갇혀 손실되지 않도록 질화물 반도체층과 외부와의 입사각을 변화시키려는 노력이 계속되어 왔다.

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본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 질화물 반도체층과 외부와의 입사각을 변화시키기 위하여, 상기 질화물 반도체층에 접하여 형성되는 오믹전극을 표면에 요철을 형성한 투명 전도성 산화막 전극으로 형성하여 질화물 반도체 발광 다이오드의 광 추출 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 투명 전도성 산화막전극 표면의 식각으로 인해 발생하는 오믹전극의 저항 증가 문제를 해결하기 위하여, 상기 투명 전도성 산화막을 재증착하여 상기 투명 전도성 산화막의 전류 확산이 효과적으로 일어날 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 요철을 형성한 투명 전도성 산화막을 오믹 전극으로 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 투명전극 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 n-형 질화물 반도체층, 활성층, p-형 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체층과 오믹전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서, 상기 질화물 반도체층에서 생성한 빛의 입사각을 변화시켜 광 추출 효율을 향상시키기 위하여, 상기 오믹 전극으로 상기 질화물 반도체층에서 생성된 빛이 통과되도록 상기 질화물 반도체층의 최상부에 위치한 n-형 질화물 반도체층 또는 p-형 질화물 반도체층 위에 다결정성의 투명 전도성 산화막을 형성하고, 상기 투명 전도성 산화막은 상기 투명 전도성 산화막의 고유한 그레인 바운더리를 이용한 습식 식각을 통해 표면에 불규칙적인 요철을 형성한 후, 상기 습식 식각을 수행하여 감소하는 상기 투명 전도성 산화막의 수직 방향 단면적을 증가시켜서 최적의 전류 확산이 일어나도록 상기 투명 전도성 산화막을 재증착하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드를 제안한다.또한 본 발명은 n-형 질화물 반도체층, 활성층 및 p-형 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체층 및 오믹 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 제조방법에 있어서, a. 상기 오믹 전극을 형성하기 위하여, 상기 질화물 반도체층의 최상부에 위치한 n-형 질화물 반도체층 또는 p-형 질화물 반도체층 위에 투명 전도성 산화막을 형성하는 1차 투명 전도성 산화막 증착 단계; b. 상기 1차 증착된 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 상기 다결정성의 투명 전도성 산화막을 구성하는 고유의 그레인 바운더리를 이용한 습식 식각을 수행하여, 상기 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 불규칙적으로 요철을 형성하는 단계; 및 c. 상기 습식 식각을 통해 표면에 요철을 형성한 투명 전도성 산화막 전극 위에 투명 전도성 산화막을 재증착하는 2차 투명 전도성 산화막 증착 단계; 를 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 제조방법을 제안한다. 또한 상기 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 형성된 불규칙적인 요철은 원통형이거나 원뿔형 또는 상기 원통형 및 원뿔형 모두를 포함하는 형태를 가지는 것이 바람직하다.또한 상기 c 단계에서의 2차 투명 전도성 산화막 전극 증착은, 상기 b 단계를 수행하여 감소한 상기 투명 전도성 산화막의 수직 방향 단면적을 증가시켜 최적의 전류 확산이 일어나도록 투명 전도성 산화막을 재증착하는 것이 바람직하다. 상기 투명 전도성 산화막은 투명 전도성 산화막은 ITO(Indium-Tin-Oxide)인 것이 바람직하다.

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도 3은 표면에 요철을 형성한 투명 전도성 산화막 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 단면을 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기판(10), n-형 질화물 반도체층(20), 활성층(30), p-형 질화물 반도체층(40)을 포함하는 질화물 반도체층, 제1 오믹전극(100) 및 제2 오믹전극(60)을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서, 상기 질화물 반도체층의 최상부면(상기 n-형 또는 p-형 질화물 반도체층)에 위치하여 상기 질화물 반도체층에서 발생한 빛이 외부로 나가는 통로가 되는 부분인 오믹 전극을 요철을 형성한 투명 전도성 산화막 전극으로 형성하는 것을 특징으로 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 본 명세서에 있어서, 상기 '오믹 전극'은 반도체층의 최상부면에 위치하여 상기 질화물 반도체층에서 생성한 빛이 외부로 방출되는 통로가 되는 부분을 의미한다.도 3에서는 p-형 질화물 반도체층 위에 형성하는 제1 오믹전극을 오믹전극이라 지칭하였으나, 상기 질화물 반도체층의 최상부면은 n-형 질화물 반도체층일 수 있다는 것은 자명하며, 이에 따라 제2 오믹전극이 오믹전극이 될 수 있다.도 4는 표면에 요철을 형성한 투명 전도성 산화막 전극으로 오믹 전극을 형성한 질화물 반도체 발광 다이오드에서 나타나는 광 추출 효율 개선을 설명하기 위한 빛의 탈출 입사각을 예시적으로 나타낸 것이다. 상기 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 요철을 형성하는 까닭은, 상기 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 식각을 통해 형성된 요철로 인하여, 질화물 반도체층에서 생성된 빛이 공기중으로 탈출할 때 해당 투명 전도성 산화막 전극면에 입사하는 빛을 다중반사에 의해 투과도를 향상시키며, 난반사를 이용한 임계각 극복을 통하여 전반사 발생 빈도가 감소되어, 요철을 형성하지 않은 투명 전도성 산화막 전극에서보다 광추출효율이 향상되기 때문이다. 도 4에서, θ1, θ2, θ3는 질화물 반도체에서 생성된 빛의 경로 중 그 일부를 예시적으로 나타낸 것이다. 상기 도 2에서는 전반사에 의해 외부로 탈출하지 못하는 빛이 있었던 것에 비해, 도 4의 θ1, θ2, θ3은 요철에 의해 외부와의 입사각이 달라져서 전반사로 인한 손실이 감소된다. 도 4에 나타난 바와 같이, 질화물 반도체층에서 생성된 빛은 오믹 전극의 표면에 형성된 요철에 의해 입사각이 달라져서 외부로 탈출(도 4의 θ2, θ3)하거나 요철 안에 갇혀졌다가 상기 불규칙적으로 형성된 요철에 반사되다가(난반사) 외부로 탈출(도 4의 θ1)한다. 정리하자면 투명 전도성 산화막 전극 표면에 불규칙적으로 형성된 요철로 인해 질화물 반도체층과 외부와의 입사각이 변화하여 전반사로 인한 빛의 손실을 줄일 수 있어 광 추출 효율이 향상되었다.질화물 발광 다이오드를 제작하는 과정에는 기초기판 위에 질화물 반도체층을 형성한 뒤에, 상기 질화물 반도체층위에 오믹 전극을 형성하는 과정을 포함한 다. 상기 질화물 반도체층은 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)을 이용하여 In_x(Ga_yAl_1-y)N 질화물 반도체층을 성장시킨다. 상기 질화물계 반도체의 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 이다. 여기서 질화물 반도체층은 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition), 액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy), 수소액상성장법(hidride vapor phase epitaxy), 분자빔에피텍셜법(Molecular beam epitaxy), MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)로 성장하는 것도 가능하다. 성장하는 질화물 반도체 층은 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 단일층 또는 복수층으로 성장 할 수 있고 도전성질을 갖도록 Si, Mg, Zn군 중 어느 하나 또는 복수의 원소를 불순물을 첨가 할 수 있다. 바람직하게는 n-형 질화물 반도체층(20)을 만들기 위해서 Si를 첨가한다. 도핑농도는 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 다르며 10E15/㎤내지 10E21/㎤ 정도 도핑 할 수 있다. 따라서 도핑농도에 따라 질화물 반도체를 고저항체 또는 도전성으로 구분하며 고저항체인 경우 비저항은 1x100Ω㎝ 이상, 도전성인 경우는 1x10^-1Ω㎝이하가 되는 것이 바람직하다. 발광 다이오드를 제작하기 위하여 사파이어 기판위에 버퍼층, n-형 질화물 반도체층, 발광층, p-형 질화물 반도체층등을 포함하는 In_x(Ga_yAl_1-y)N 질화물 반도체층을 성장할 수 있다. 또한, 각층 마다 AlGaN, INGaN, AlGaInN 등으로 형성할 수 있다. 특히 활성층의 경우 In_x(Ga_yAl_1-y)N의 장벽층과 In_x(Ga_yAl_1-y)N의 우물층으로 이루어진 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조를 가질 수 있고, In, Ga, Al의 조성비를 조절함으로써 InN(~1.8eV) 밴드갭(band gap)을 갖는 장파장에서부터 AlN(~6.4eV) 밴드갭을 갖는 단파장의 발광다이오드까지 자유롭게 제작할 수 있다. 상기와 같이 기초기판위에 형성된 질화물 반도체층위에 제1 오믹 전극 및 제2 오믹전극을 형성한다. 우선 Mg등으로 도핑된 p-형 질화물 반도체층(40) 위에 제1 오믹 전극(100)을 형성한 뒤, 상기 제1 오믹 전극(100) 및 p-형 질화물 반도체층(40), 활성층(30)을 식각하여 Si가 도핑된 n-형 질화물 반도체층(20)의 일부를 노출시킨다. 상기 노출된 n-형 질화물 반도체층(20)위에 제2 오믹전극(60)을 형성한다.

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앞서 언급한 바와 같이, 질화물 반도체층에서 생성된 빛이 외부로 통과되는 위치에 요철을 형성한 투명 전도성 산화막으로 구성한 오믹전극을 형성한다. 예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 기초 기판(10), n-형 질화물 반도체층(20), 활성층(30), p-형 질화물 반도체층(40)이 순차적으로 형성된 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서, 상기 질화물 반도체층의 최상층에 위치한 p-형 질화물 반도체층(40)위에 형성할 수 있다. 더욱 바람직하게는 따로 도시하지 않았으나, 상기 p-형 질화물 반도체층 위에 n-형 질화물 반도체층을 터널링층으로 포함하여 상기 터널링 층 바로 위에 상기 요철을 형성한 투명 전도성 산화막으로 구성하는 오믹전극을 형성할 수 있다. 또한 수직형 질화물 반도체 발광 다이오드일 경우에 있어서도 n-형 질화물 반도체층(20)이 질화물 반도체층의 최상부인 경우에는 n-형 질화물 반도체층(20)위에, p-형 질화물 반도체층(40)이 질화물 반도체층의 최상부인 경우에는 p-형 질화물 반도체층(40) 또는 n-형 질화물 반도체층으로 구성되는 터널링층 위에 상기 요철을 형성한 투명 전도성 산화막으로 구성하는 오믹전극을 형성할 수 있다.도 5(a)내지 도 5(c)는 투명 전도성 산화막 표면에 요철을 형성하는 과정을 예시적으로 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 요철을 형성하는 과정은 다음과 같다.상기 오믹 전극을 형성할 때에는 상기 질화물 반도체층의 두께에 비례하도록 투명 전도성 산화막을 1차 증착한다.(도 5(a))(1차 투명 전도성 산화막 증착) 상기 투명 전도성 산화막은 그레인 바운더리(grain boundary)의 집합인 다결정질인 것이 바람직하며, 상기 투명 전도성 산화막의 예시로는 ITO(Indium-Tin-Oxide), ZnO(Zinc Oxide), SnO₂(Tin Oxide) 또는 AZO(Al doped ZnO)등이 있다. 이후, 도 5(b)에 도시한 바와 같이, 상기 증착된 투명 전도성 산화막 전극의 표면을 식각한다. 본 발명에서는 상기 투명 전도성 산화막 전극에 요철을 형성하기 위하여 상기 투명 전도성 산화막을 구성하는 그레인 바운더리를 이용한 습식 식각을 사용하며, 패턴을 형성하기 위한 별도의 식각 마스크 과정은 거치지 않는다. 상기 투명 전도성 산화막의 표면 식각과정에서는 투명 전도성 산화막을 전부를 식각하여 질화물 반도체층이 노출되는 부분이 없도록 하고, 표면에 원뿔 모양 또는 원기둥모양의 요철이 불규칙적으로 생성되도록 수행한다. 식각은 습식식각으로 수행하는 것이 바람직하며, 식각액은 HCl, H₂SO₄, H₂O₂, HNO₃, HF, FeCl₃ 중 어느 하나의 단일용액 또는 둘이상을 포함하는 혼합용액인 것이 바람직하다. 그러나 상기 나열한 식각용액은 단지 예시일 뿐이며, 투명 전도성 산화막을 식각할 수 있는 용액이라면 본 발명에 포함될 수 있다는 것은 자명하다.

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이후 도 5(c)에 도시한 바와 같이, 상기 식각을 마친 투명 전도성 산화막 전극위에 투명 전도성 산화막을 2차 증착한다.(2차 투명 전도성 산화막 증착) 상기 투명 전도성 산화막의 표면에 요철을 형성하기 위한 습식 식각을 수행한 후에는 상기 투명 전도성 산화막의 수직 방향 단면적이 감소되어 투명 전도성 산화막의 저항이 단면적에 반비례하여 커진다. 상기 문제점을 해결하기 위하여 상기 투명 전도성 산화막의 2차 증착을 수행하여 투명 전도성 산화막의 수직 방향 단면적을 증가시켜 투명 전도성 산화막이 최적의 전류 확산이 생겨나도록 한다.따라서 상기 투명 전도성 산화막의 2차 증착은 상기 투명 전도성 산화막의 수직방향 단면적이 넓어지도록 수행되는 것이 바람직하다. 상기 투명 전도성 산화막의 단면적이 넓어지면서 투명 전도성 산화막의 면저항이 감소되며, 이로 인하여 전류확산 효과가 식각하기 전과 비교하였을 때, 큰 차이가 나지 않는다. 증착시간 및 증착량 또한 상기 목적에 맞게 결정한다.

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실시예 본 발명의 제1 실시예는 상기 투명 전도성 산화막이 ITO(Indium-Tin-Oxide)인 것을 제안한다.상기 서술한 바와 같이, 상기 투명 전도성 산화막이 ITO인 경우에도 요철을 형성하는 과정은 도 5(a)내지 도 5(c)에 도시된 바와 같다.도 5(a)에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체층위에 오믹전극을 형성하기 위하여 우선적으로 ITO 전극을 1차 증착한다. 상기 ITO의 1차 증착에서는 질화물 반도체층의 발광파장 따라 ITO의 두께도 다르게 증착시킨다. 도 6은 질화물 반도체층위에 ITO를 증착한 후 상기 ITO전극의 박막 표면 사진이다. 도 6에 도시된 바와 같이, ITO는 다결정질 구조인 것이 바람직하며, 그레인 바운더리(grain boundary)의 형태 및 특성을 가지고 있다. 그레인 바운더리란 그레인이라는 단위를 기본으로 하여 다수개의 그레인이 배열되어 결합을 이루는 형태를 일컫는다. 이후 도 5(b)에 도시한 바와 같이, 질화물 반도체층위에 증착한 ITO전극의 표면을 식각한다. 요철을 형성하기 위한 ITO전극의 표면 식각은 습식식각인 것이 바람직하며, 식각액으로는 HCl, H₂SO₄, H₂O₂, HNO₃, HF, FeCl₃ 중 어느 하나인 단일용액이거나 혹은 둘 이상의 혼합용액인 것이 바람직하다. 그러나 상기는 예시일 뿐, 당업자가 보기에 ITO를 표면 식각할 수 있는 용액이라면 본 발명에 포함될 수 있다는 것은 자명하다. ITO의 표면 식각은 표면에 불규칙적인 요철을 형성하기 위한 것으로, ITO는 그레인 바운더리(grain boundary)의 특성을 가지고 있어, 식각시에는 상기 그레인 바운더리의 결합을 따라 식각된다. 따라서 그레인 바운더리의 결합을 끊는 방향으로 식각이 진행되기 때문에, 버섯 모양의 그레인 바운더리가 버섯의 자루만 남아 있는 원통형(도 7(a))이거나, 좀더 식각되어 원뿔 모양(도 7(b))으로 변해가면서 식각이 진행된다. 또한 식각이 진행될수록 상기의 요철은 불규칙적으로 생성된다. 식각 시간 및 식각 두께는 목적에 따라 결정된다. 입사각의 불규칙적인 변화를 위하여 요철은 불규칙적으로 생성되는 것이 바람직하다. 또한 원뿔모양의 요철인 것이 입사각의 변화를 위하여 더욱 바람직하나, 원통형인 것도 무방하다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 ITO의 표면에 요철을 형성하기 위한 식각과정에 있어서, 상기 ITO가 갖고 있는 그레인 바운더리의 특성을 이용한 습식 식각을 통해 요철을 형성하며, 별도의 식각 마스크 과정은 거치지 않는다. 상기 습식 식각에 사용되는 식각액은 앞서 언급한 바와 같다.

도 8은 식각하지 않은 ITO전극과 식각에 의해 ITO 전극의 표면에 형성된 요철의 형태에 따른 광학적 특성의 차이를 나타낸 그래프이다. 또한 표 1은 상기 도 8의 그래프를 표로서 나타낸 것이다.

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	식각안함(도 6)	ITO 표면의 요철의 형상
		원통형 요철(도 7(a))	원뿔형 요철(도 7(b))
광도(상대값)	92.28	105.84	126.17
상승률[%](식각안함대비)	0	15	37

도 8 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 20㎃일 때 각각의 광학적 특성을 살펴보면, 표면을 식각하지 않은 ITO 전극은 92.28인 반면에 원통형 요철은 105.84, 원뿔형 요철은 126.17로서 식각하지 않은 ITO전극에서보다 광학적 특성이 약 15% ~ 40%정도 상승된 것을 확인할 수 있다. 이는 ITO 전극의 표면에 불규칙적으로 생성된 요철로 인하여 질화물 반도체층에서 생성된 빛이 전반사로 인해 손실되는 량이 줄어든다는 것을 증명한다. 또한 원통형 요철보다 원뿔형 요철의 광학적 특성이 더 나은 것은 원뿔형일때에는 입사각이 변할 수 있는 변수가 크기 때문인 것으로 판단된다.

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	식각안함(도 6)	ITO 표면의 요철의 형상
		원통형 요철(도 7(a))	원뿔형 요철(도 7(b))
순방향전압	3.32	3.52	3.7
Delta[V](식각안함대비)	0	0.2	0.38

그러나 상기와 같이 ITO전극을 식각한 후에는, 도 9 및 표 2에 도시된 바와 같이, ITO 전극의 면저항이 증가하는 문제점이 발생하였다. 도 9은 식각하지 않은 ITO전극과 식각에 의해 ITO전극의 표면에 형성된 요철의 형태에 따른 전기적 특성의 차이를 나타낸 그래프이며, 표 2는 상기 도 9를 표로서 나타낸 것이다.표 2에 나타낸 바와 같이, 20㎃일 때의 각각의 전기적 특성은 식각하지 않았을 때에는 3.32V인 반면에 원통형 요철은 3.52V, 원뿔형 요철은 3.7V로서 0.2~0.4V가 증가되었다. 이는 식각으로 인한 ITO전극의 단면적의 감소로 인해 발생하는 면 저항 증가 때문인 것으로 판단되며, 이는 전류 확산 효과를 떨어뜨려 질화물 반도체 발광 다이오드의 특성에도 좋지 않은 영향을 끼치게 된다. 따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 도 5(c)에 도시한 바와 같이 상기 표면을 식각하여 요철을 형성한 ITO전극위에 2차 ITO 증착을 수행하는 것을 제안한다.

도 10은 표면 식각에 의해 나빠진 ITO전극의 전기적 특성을 향상시키기 위하여, 2차 ITO 증착을 수행한 후 ITO전극 표면 사진이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 표면 식각 처리한 ITO전극에 2차 ITO 증착을 하면, 요철형태는 유지되면서도 ITO전극을 구성하는 각각의 그레인 바운더리끼리 서로 연결되어 ITO전극의 단면적이 증가된다. 따라서 ITO전극을 표면 식각한 경우에 비해 ITO전극의 전기적 특성이 향상된다.

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도 11은 ITO 표면 식각 전 및 ITO 2차 증착 전, 후의 전기적 특성의 차이를 나타낸 그래프이며 도 12는 ITO 표면 식각 전 및 2차 ITO증착 전, 후의 광학적 특성의 차이를 나타낸 그래프이다. 또한 표 3은 상기 도 11 및 도 12를 표로서 나타낸 것이다. 표 3 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 20㎃에 대한 전기적 특성을 살펴보면, 각각 표면을 식각하지 않은 ITO 전극(도 6)은 3.4V, 표면에 원뿔형의 요철이 불규칙적으로 생성되도록 표면을 식각한 ITO전극(도 7(b))은 3.92V이며, 상기 원뿔형의 요철이 표면에 생성한 후 ITO 2차 증착을 수행한 ITO전극(도 10)은 3.46으로 나타난다. 이 같은 결과로 미루어볼 때, 표면을 식각한 후에는 전기적 특성이 떨어지지만 2차 증착을 하고난 이후에는 전기적 특성이 표면 식각한 ITO전극보다 향상되어 식각하지 않은 ITO전극에 비해 크게 떨어지지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 도 11에서 식각안함그래프의 기울기와 2차증착그래프의 기울기가 거의 흡사한 것으로도 확인할 수 있다.

또한 표 3 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 20㎃에 대한 광학적 특성을 살펴보면, 각각 표면을 식각하지 않은 ITO 전극(도 6)은 광도값이 89.8, 표면에 원뿔형의 요철이 불규칙적으로 생성되도록 표면을 식각한 ITO전극(도 7(b))은 125.82이며, 상기 원뿔형의 요철이 표면에 생성한 후 ITO 2차 증착을 수행한 ITO전극(도 10)은 124로 나타난다. 상기 결과를 비율로서 다시 살펴보면 표면 식각만을 수행한 ITO전극은 표면 식각하지 않은 ITO전극에 비해 광학적 특성이 40% 증가하였고, 2차 증착을 한 후의 ITO전극의 광학적 특성은 표면 식각하지 않은 ITO전극에 비해 38%가 증가되었다. 이는 ITO 2차 증착을 수행한 이후에도 2차 증착을 수행하지 않은 것과 비교하여 광학적 특성이 떨어지지 않는다는 것을 의미한다. 이는 도 12에서의 식각(원뿔형)그래프와 2차증착그래프의 기울기가 거의 흡사한 것으로도 알 수 있다.

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본 발명에 의한 질화물 반도체 발광 다이오드는 표면을 식각처리하여 불규칙한 요철을 형성한 투명 전도성 산화막을 이용하여 오믹전극을 형성하여, 질화물 반도체층에서 발생한 빛과 외부와의 입사각을 변화시켜 전반사로 인하여 손실되는 빛을 줄여 광추출효율이 향상될 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 상기 투명 전도성 산화막을 식각할 때, 상기 투명 전도성 산화막의 다결정구조를 이용한 습식 식각을 활용하여 패턴형성에 필요한 과정을 거치지 않고도 용이하게 요철을 형성할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 표면에 요철을 형성하기 위하여 식각과정을 수행한 투명 전도성 산화막 전극에 상기 투명 전도성 산화막 2차 증착과정을 수행하여 면저항이 증가하는 단점을 해결하여 전기적 특성을 감소시키지 않고도 광추출효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드의 단면을 나타낸 것이다.도 2는 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드에서의 빛의 탈출 입사각을 예시적으로 나타낸 것이다.도 3은 표면에 요철을 형성한 투명 전도성 산화막 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 단면을 나타낸 것이다.도 4는 표면에 요철을 형성한 투명 전도성 산화막 전극으로 오믹 전극을 형성한 질화물 반도체 발광 다이오드에서 나타나는 광 추출 효율 개선을 설명하기 위한 빛의 탈출 입사각을 예시적으로 나타낸 것이다.도 5는 본 발명의 투명 전도성 산화막 표면에 요철을 형성하는 과정의 예시를 나타낸 것이다.도 6는 본 발명의 제 1 실시예인 ITO전극의 박막 표면 사진이다.도 7는 ITO전극을 표면 식각한 후의 박막 표면 사진이다.도 8은 식각하지 않은 ITO전극과 식각에 의해 ITO전극의 표면에 형성된 요철의 형태에 따른 광학적 특성의 차이를 나타낸 그래프이다.도 9은 식각하지 않은 ITO전극과 식각에 의해 ITO전극의 표면에 형성된 요철의 형태에 따른 전기적 특성의 차이를 나타낸 그래프이다.도 10는 ITO 2차 증착 이후의 ITO전극의 표면사진이다.도 11은 ITO 표면 식각 전 및 ITO 2차 증착 전, 후의 전기적 특성의 차이를 나타낸 그래프이다.도 12은 ITO 표면 식각 전 및 2차 ITO증착 전, 후의 광학적 특성의 차이를 나타낸 그래프이다.*도면의 주요부분*10 기판20 n-형 질화물 반도체층30 활성층40 p-형 질화물 반도체층50 제1 전극패드60 제2 오믹전극90 제1 오믹전극100 요철을 형성한 투명 전도성 산화막으로 구성한 오믹전극

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Claims (14)

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6. n-형 질화물 반도체층, 활성층, p-형 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체층과 오믹전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서,

   상기 질화물 반도체층에서 생성한 빛의 입사각을 변화시켜 광 추출 효율을 향상시키기 위하여,

   상기 오믹 전극으로 상기 질화물 반도체층에서 생성된 빛이 통과되도록 상기 질화물 반도체층의 최상부에 위치한 n-형 질화물 반도체층 또는 p-형 질화물 반도체층 위에 다결정성의 투명 전도성 산화막을 형성하고, 상기 투명 전도성 산화막은 상기 투명 전도성 산화막의 고유한 그레인 바운더리를 이용한 습식 식각을 통해 표면에 불규칙적인 요철을 형성한 후, 상기 습식 식각을 수행하여 감소하는 상기 투명 전도성 산화막의 수직 방향 단면적을 증가시켜서 최적의 전류 확산이 일어나도록 상기 투명 전도성 산화막을 재증착하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
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8. n-형 질화물 반도체층, 활성층 및 p-형 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체층 및 오믹 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 제조방법에 있어서,

   a. 상기 오믹 전극을 형성하기 위하여, 상기 질화물 반도체층의 최상부에 위치한 n-형 질화물 반도체층 또는 p-형 질화물 반도체층 위에 투명 전도성 산화막을 형성하는 1차 투명 전도성 산화막 증착 단계;

   b. 상기 1차 증착된 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 상기 다결정성의 투명 전도성 산화막을 구성하는 고유의 그레인 바운더리를 이용한 습식 식각을 수행하여, 상기 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 불규칙적으로 요철을 형성하는 단계; 및

   c. 상기 습식 식각을 통해 표면에 요철을 형성한 투명 전도성 산화막 전극 위에 투명 전도성 산화막을 재증착하는 2차 투명 전도성 산화막 증착 단계;

   를 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
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11. 제 8항에 있어서, 상기 투명 전도성 산화막 전극의 표면에 형성된 불규칙적인 요철은 원통형이거나 원뿔형 또는 상기 원통형 및 원뿔형 모두를 포함하는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
12. 제 8항에 있어서, 상기 c 단계에서의 2차 투명 전도성 산화막 전극 증착은, 상기 b 단계를 수행하여 감소한 상기 투명 전도성 산화막의 수직 방향 단면적을 증가시켜 최적의 전류 확산이 일어나도록 투명 전도성 산화막을 재증착하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.
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14. 제 8항, 제 11항 및 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투명 전도성 산화막 전극은 ITO(Indium-Tin-Oxide)인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드의 제조방법.