KR100761324B1

KR100761324B1 - 발광 다이오드의 최적화된 전극구조

Info

Publication number: KR100761324B1
Application number: KR1020060053108A
Authority: KR
Inventors: 진용성
Original assignee: (주)더리즈
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2007-09-27

Abstract

본 발명에 따른 발광 다이오드의 전극구조는 기판, 상기 기판상에 순차적으로 적층된 n-형 반도체층, 활성층, p-형 반도체층, 및 p-형 투명전극층을 구비한 발광 다이오드에 있어서, 상기 p-형 투명전극층의 일측 가장자리 중앙부에 형성된 p-형 전극패드와, 상기 p-형 전극패드의 양측에서 상기 일측 가장자리를 따라 뻗어나오며, 상기 p-형 투명전극층의 가장자리를 따라 대향측을 향해 이어지는 p-형 보조전극과, 상기 p-형 전극패드와 대향하는 측에 상기 활성층, 상기 p-형 반도체층, 및 상기 p-형 투명전극층의 일부를 식각하여 상기 n-형 반도체층 상에 형성된 n-형 전극패드와, 상기 n-형 전극패드의 양측에서 뻗어 나오며, 상기 p-형 보조전극과 평행하는 방향으로 이어지는 n-형 보조전극을 포함하는 것이 특징이다.

본 발명은 발광 다이오드의 외부에 p-형 전극패드를 형성하고, 발광 다이오드의 내부에 n-형 전극패드를 형성함으로써, 전류가 흐르는 길이를 단축시켜 동작 전압 및 저항을 감소시키고, 전류 밀도를 보다 균일하게 분포시키는 발광 다이오드 전극구조의 최적화를 목적으로 한다.

발광 다이오드, 전극구조, 전류분포, p-n접합부, 보조전극

Description

발광 다이오드의 최적화된 전극구조{optimizing electrode construction of Light Emitting Diode}

도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 전극구조를 나타내는 도면이고,

도 2는 도 1의 발광 다이오드의 A ― B 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전극구조를 나타내는 도면이고,

도 4는 도 3의 발광 다이오드의 A′― B′단면도이고,

도 5는 도 4의 A′― B′단면에 대한 저항-다이오드 등가회로를 나타내는 도면이고,

도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 V-I곡선을 나타내는 도면이고,

도 7은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 제작하여 실험한 결과로서 V-I곡선을 나타내는 도면이고,

도 8은 도 2의 발광 다이오드의 A ― B단면에 대한 전류밀도 분포도를 나타내는 도면이고,

도 9는 도 5의 발광 다이오드의 A′― B′단면에 대한 전류밀도 분포도를 나타내는 도면이고,

도 10은 본 발명에 따른 발광 다이오드 및 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 인가전류에 대한 광 출력량의 그래프를 비교하여 나타내는 도면이다.

본 발명은 발광 다이오드의 전극구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 균일한 전류 분포를 유도하여 고출력을 구현할 수 있고, 전류가 흐르는 길이를 감소시킴으로서 전류량 증가 및 저항 감소 효과를 얻고자 한다.

발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)란 갈륨비소 등의 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자이다. LED는 컴퓨터 본체에서 하드디스크가 돌아갈 때 깜박이는 작은 불빛, 도심의 빌딩 위에 설치된 대형 전광판, TV리모컨 버튼을 누를 때마다 TV본체에 신호를 보내는 눈에 보이지 않는 광선 등을 만들 때 필요한 것이다. 일반적으로 층 구조에 질화물 반도체를 포함하는 발광 다이오드(LED)는, 고휘도 순녹색 발광 다이오드, 청색 발광 다이오드로서 전면 색상의 발광 다이오드 디스플레이 교통신호 등, 백라이트 등, 여러 가지 분야에서 폭넓게 이용되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 전극구조를 나타내는 도면이다.

도면을 참조하면, 발광 다이오드는 사파이어와 같은 절연체 기판(10), n-형 반도체층(11), 활성층(12), p-형 반도체층(13), p-형 투명전극층(14), p-형 전극패드(15), 및 n-형 전극패드(16)를 구비한다.

일반적인 발광 다이오드는 p-n접합으로 전류를 흘리기 위해 p-형 반도체층 상부와 n-형 반도체층과 연결된 기판 하부에 전극패드를 형성하지만, 상기 기판으로 사용되는 사파이어는 절연체이므로 전류가 통하지 않아 사파이어 기판에 전극패드를 형성할 수 없다. 따라서 n-형 반도체층상에 직접 전극패드를 형성하여야 한다. 이를 위해, 종래 기술에 따른 발광 다이오드는 n-형 전극패드가 형성될 부분의 p-형 반도체층(13), p-형 투명전극층(14), 및 활성층(12)의 일부 식각하고, 드러난 n-형 반도체층(11) 상부에 n-형 전극패드(15)를 형성한다. 이로 인해, p-형 전극패드(14)로 주입된 전류가 수평방향으로 이동하여 n-형 전극패드(15)로 흘러야 하므로, 전류가 흘러가는 길이가 상당히 긴 편이다.

도 2는 도 1의 발광 다이오드를 A ― B면으로 자른 단면도로서, p-형 전극패드(14)에서 n-형 전극패드(15)로 전류가 흐르는 경로를 나타내었다.

종래의 발광 다이오드의 일반적인 크기는 250㎛×250㎛ ~ 400㎛×400㎛으로, 전류가 흘러가야하는 길이는 약 250 ~ 400㎛에 달하므로, 이 길이가 증가할수록 저항이 커진다는 문제점이 있고, 이러한 저항의 증가는 동작 전압의 증가를 초래한다. 또한, 발광 다이오드 상부에 p-형 전극패드와 n-형 전극패드를 모두 위치시키는 경우, p-형 전극패드와 n-형 전극패드가 서로 다른 면에 평행하게 위치한 일반적인 다이오드 구조에 비해 전류 분포가 균일하지 못하다는 문제점이 있다. 전류가 균일하지 않게 분포되면 소자표면에서 발광 세기와 파장의 균일도가 떨어진다는 것을 의미한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 균일한 전류 분포를 유도하고, 발광 다이오드 상부에 p-형 전극패드와 n-형 전극패드를 형성함으로써, 전류가 흐르는 길이를 단축시켜 저항을 줄이고 동작전압을 줄이고자 한다. 또한, n-형 보조전극을 둠으로써 n-형 보조전극을 따라 전류밀도가 분산되는 효과를 얻어 전류밀도 분포를 더 균일하게 함으로써 최적화된 전극구조를 갖춘 발광 다이오드를 통해 광소자의 신뢰성을 확보하고, 차세대 광소자의 상업화를 촉진시키고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전극구조는 기판, 상기 기판상에 순차적으로 적층된 n-형 반도체층, 활성층, p-형 반도체층, 및 p-형 투명전극층을 구비한 발광 다이오드에 있어서, 상기 p-형 투명전극층의 일측 가장자리 중앙부에 형성된 p-형 전극패드와, 상기 p-형 전극패드의 양측에서 상기 일측 가장자리를 따라 뻗어 나오며, 상기 p-형 투명전극층의 가장자리를 따라 대향측을 향해 이어지는 p-형 보조전극과, 상기 p-형 전극패드와 대향하는 측에 상기 활성층, 상기 p-형 반도체층, 및 상기 p-형 투명전극층의 일부를 식각하여 상기 n-형 반도체층 상에 형성되고 p-형 반도체층에 둘러싸인 n-형 전극패드와, 상기 n-형 전극패드의 양측에서 뻗어나오며, 상기 p-형 보조전극과 평행하는 방향으 로 이어지는 n-형 보조전극을 포함하는 형태인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 기판은 사파이어와 같은 절연물질을 사용할 수 있다.

여기서, 상기 p-형 보조전극은 상기 p-형 전극패드와 동일한 두께의 것으로, 상기 p-형 전극패드를 중심으로 상기 p-형 투명전극층의 상부 가장자리에 ㄷ자 모양으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 n-형 보조전극은 상기 n-형 전극패드와 동일한 두께로, 상기 활성층, 상기 p-형 반도체층, 및 상기 p-형 투명전극층의 일부를 식각하여 드러난 상기 n-형 반도체층 상부에, 상기 n-형 전극패드를 중심으로 ㄷ자 모양으로 형성될 수 있으며, 상기 n-형 전극패드 및 상기 n-형 보조전극은 상기 p-형 보조전극과 대칭되는 형태로 상기 p-형 투명전극의 가장자리를 둘러싸고 있는 상기 p-형 보조전극의 내부에 속한 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

일반적으로, 전류를 수평방향으로 균일하게 흐르게 하고 전류이동을 원활하게 하기 위하여, 상기 p-형 반도체층 상부 전면에 전류확산층인 얇은 투명전극을 형성하여 상기 p-형 반도체층 전면으로 전류가 전달될 수 있도록 한다. 이때, 전류확산층으로는 저항이 작은 금속 종류가 적합하나, 금속은 LED 내부의 활성층에서 발생된 빛을 흡수하는 단점이 있고, 투명전극의 경우 빛이 투과될 수 있도록 하기 위해 약 10㎛ 두께의 매우 얇은 금속 박막으로 형성되므로 저항이 높아 p-형 반도 체층 전면으로 전류가 골고루 전달하는데 한계가 있다. 그래서, 저항이 큰 투명전극 대신 ITO(Indium-Tin-Oxide)를 사용하기도 한다. ITO는 투명하기 때문에 200㎛ 이상 두껍게 형성해도 되므로 저항이 낮아 투명전극에 비해 전류를 잘 전달하고 다이오드의 전기적 특성도 비교적 뛰어나다.

하지만, p-형 반도체층과 n-형 반도체층의 저항 차이에 의해 n-전극의 주변에 전류가 몰리는 전류 몰림 현상이 발생할 수 있다. 즉, 일반적인 발광 다이오드에서, p-형 전극패드에서 n-형 전극패드로 전류가 흐르는 경로는 도 2에 도시한 바와 같이 크게 두 가지로 분류될 수 있는데, p-형 반도체층은 n-형 반도체층에 비해 저항이 커서 p-형 반도체층 전체로 전류가 균일하게 흐르기가 더욱 어렵기 때문에, 전류가 n-전극 주변에만 몰리는 현상이 발생될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전극구조를 나타내는 도면이다.

도 3은 편의상 하나의 p-형 전극패드와 n-형 전극패드를 형성한 발광 다이오드를 도시한 것으로, 기판(20)의 상부에 n-형 반도체층(21), 활성층(22), p-형 반도체층(23), p-형 투명전극층(24)이 순서대로 적층되어 있고, p-형 투명전극층(24) 상부의 일측 가장자리 중앙부에 p-형 전극패드(25)가 형성되어 있다. 그리고, n-형 전극패드(27)는 p-형 전극패드(25)에 대항하는 측에 상기 활성층, p-형 반도체층, p-형 투명전극층 일부가 식각되어 드러나는 n-형 반도체층(21)의 상부에 형성되어 있다. 이때, p-형 전극패드(25)와 n-형 전극패드(27) 사이의 거리를 줄이고 등간격을 유지할수록, 전류가 흐르는 평균 길이가 줄어들고 저항이 감소되며, 전류 분포 가 균일해진다.

여기서, p-형 전극패드(25)에는 상기 p-형 전극패드 양측에서 뻗어 나온 형태로 p-형 투명전극층(24)의 가장자리 3면을 ㄷ자 모양으로 둘러싼 p-형 보조전극(26)이 전기적으로 연결되어 있다. 또한. n-형 전극패드(27)에는 상기 n-형 전극패드 양측에서 뻗어 나온 형태로 상기 p-형 보조전극과 평행한 방향으로 형성된 n-형 보조전극(28)이 전기적으로 연결되어 있다. 상기 n-형 보조전극 역시, p-형 투명전극층, p-형 반도체층(23) 및 활성층(22)의 일부가 식각되어 드러난 n-형 반도체층(21)의 상부에 ㄷ자 모양으로 위치한다.

상기와 같은 배열에 의해, p-형 전극패드(25)로부터 n-형 전극패드(27)로 흐르는 전류의 길이를 단축시켜 발광 다이오드의 저항을 줄이고 결과적으로 동작 전압을 줄이는 것이 가능하게 된다. 특히, 발광 다이오드의 안쪽에 n-형 전극패드(27)로부터 뻗어 나온 n-형 보조전극을 위치시키고 발광 다이오드의 외곽에 p-형 전극패드(25)로부터 뻗어 나온 p-형 보조전극을 위치시킴으로써, n-전극과 p-전극 사이의 거리를 줄여 발광 다이오드의 전체적인 저항을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 도 3의 발광 다이오드의 A′― B′단면을 나타내는 도면이며, 도 5는 도 4의 발광 다이오드의 A′― B′단면에 대한 저항-다이오드 등가회로를 나타내는 도면이다. 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 구조를 보다 상세하게 설명한다.

도 4의 발광 다이오드는 도 5에 도시된 바와 같이 저항과 다이오드로 구성된 등가 회로로 해석 될 수 있다. 여기서, Rt는 p-형 투명전극 또는 ITO를 흐르는 전류가 느끼는 저항으로서, p-형 투명전극층(24)의 비저항에 비례하고 상기 p-형 투명전극층의 두께에 반비례한다. 그리고, Rv는 p-n 접합면을 통과하는 전류가 느끼는 저항으로서, p-형 투명전극층(24)과 p-형 반도체층(23) 사이의 접촉저항과 p-형 반도체층(23) 비저항에 비례하고 상기 p-형 반도체층의 두께에 비례한다. 또한, Rn은 n-형 반도체층(21)을 흐르는 전류가 느끼는 저항으로서, n-형 반도체층(21)의 비저항에 비례하고 상기 n-형 반도체층의 두께에 반비례한다. 여기서, 키르히호프의 전압/전류 원리를 이용하여 각각의 다이오드로 흐르는 전류를 계산할 수 있으며, p-형 전극패드(25)와 n-형 전극패드(27)의 위치와 크기에 따른 다이오드를 흐르는 전류분포를 계산하여 최적화된 전극 구조를 찾을 수 있다.

한편, 도 5를 참고하면, 발광 다이오드 상부에 위치한 p-형 전극패드(25)에서 n-형 전극패드(27)로 전류가 흐를 때, 그 경로는 크게 두 가지로 분류된다. 즉, n-형 전극패드에서 멀리 떨어진 p-n 접합부를 통해 전류가 흐른 뒤 n-형 반도체층을 따라 수평으로 흐르는 전류 흐름(전류흐름 1)과, p-형 전극패드로부터 p-형 투명전극을 통해 n-형 전극패드 근처까지 전류가 흐르고 n-형 전극패드 근처에서 다이오드의 p-n 접합부를 통해 전류가 흐른 뒤 n-형 전극패드에 도달하는 전류흐름(전류흐름 2)으로 분류할 수 있는데, 보통 n-형 반도체층(21)의 저항이 p-형 투명전극층(24)보다 더 높으므로 전류 흐름 1이 더 많이 발생하게 된다.

따라서, n-형 전극발광 다이오드 상부에 p-형 전극패드(25)를 위치시키고, 발광 다이오드 양측에 위치한 p-형 전극패드(25) 사이의 중앙부에 n-형 전극패드(27)를 위치시킴으로써, 상기 n-형 전극패드에서 먼 곳보다는 가까운 곳에서 p-n접합부로 흐르는 전류량을 분산시킬 수 있고, 양전극간의 전류가 흐르는 평균길이를 줄임에 따라, 전류 몰림 현상도 해결할 수 있다. 그리고, p-형 보조전극(26)와 n-형 보조전극(28)을 형성함으로써, 상기 p-형 보조전극와 n-형 보조전극 사이에 전류가 흐를 수 있도록 하여 추가적인 저항 감소 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 n-형 보조전극을 따라 전류밀도가 분산되는 효과를 얻어 전류 밀도 분포를 보다 더 균일하게 하는 효과가 있고, 이에 따라 소자표면에서 발광 세기와 파장의 균일도도 향상시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 V-I곡선을 나타내는 도면이다.

상기 발광 다이오드에 대한 저항-다이오드 네트워크 분석을 통해 인가한 전압에 대한 전류량을 계산한 것으로, 동일한 인가전압에서 종래기술에 따른 발광 다이오드보다 더 많은 전류를 통과시키는 것임을 알 수 있다. 전류량의 증가는 발광 다이오드의 저항이 감소한다는 것을 의미한다.

도 7은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 제작하여 실험한 결과로서 V-I곡선을 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전극구조대로 형성할 경우, 종래기술에 따른 발광 다이오드의 것보다 약 0.3V 정도 동작 전압이 감소한다. 동작전압이 감소한다는 것은 저항이 감소한다는 것을 의미하고, 좀 더 낮은 인가전압에도 빠른 동작을 기대할 수 있다.

도 8 및 도 9는 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 전류밀도 분포도와 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전류밀도 분포도를 나타내는 도면이다.

도 8의 전류 밀도 분포도는 도 2의 발광 다이오드의 A ― B단면에 대한 등가회로를 통해 전류값을 계산하고, 이를 토대로 전류밀도 분포도를 등고선 형태로 나타낸 것으로, 최대 전류 밀도를 1로 정규화하였다. 최대 전류 값이 1에 가까울수록 전류 분포가 균일함을 의미한다. 도 8을 참고하면 종래 기술에 따른 발광 다이오드는 n-형 전극패드(15)가 놓인 부분을 중심으로 전류 밀도가 집중되어 다른 위치보다 전류밀도가 높은 것을 알 수 있다. 전류 밀도 분포가 완벽하게 균일할 때와 비교했을 때 전류 밀도 분표율은 54.7%이다.

한편, 도 9는 도 5의 본 발명에 따른 발광 다이오드의 A′― B′단면에 대한 등가회로를 통해 전류값을 계산하고, 이를 토대로 전류밀도 분포도를 등고선 형태로 나타낸 도면으로, 최대 전류 밀도를 1로 정규화하였다. 도 9를 참고하면, n-형 전극패드(27)에 연결된 n-형 보조전극(28)에 의해 전류 밀도가 거의 수평을 이루면서 고르게 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 전류 밀도 분포가 완벽하게 균일할 때와 비교해보면, 전류 밀도 분포율은 58.8%로 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전류는 종래 기술이 따른 발광 다이오드에서보다 더 균일하게 분포한다.

만약, p-형 전극패드와 n-형 전극패드 사이의 간격을 줄이게 되면, p-n접합면의 면적이 줄어들어 전류 밀도는 균일해질 수는 있으나, 발광면적이 줄어들게 되어 그에 따른 광출력도 종래 발광 다이오드의 광출력의 약 97%정도로 다소 감소하게 된다. 그러나, 광전변환 효율(광출력/인가된 전기에너지)면에서는 종래 발광 다이오드의 광전변환 효율이 약 10.9%인데 비해 약 11.5%로 증가하므로, 결과적으로는 더 탁월한 효율성을 보인다.

한편, 발광 다이오드에 p-형 전극패드와 n-형 전극패드를 많이 둘수록 저항을 줄이고 전류 밀도 분포를 균일하게 할 수 있으나, n-형 전극패드가 놓이는 부분은 활성층이 제거된 면이고, p-형 전극패드는 빛을 흡수하기 때문에 n-형 전극패드와 p-형 전극패드는 저항-다이오드 네트워크를 이용하여 저항을 줄이면서도 활성층의 면적을 크게 줄이지 않는 적절한 n-전극과 p-전극의 배열을 선택하는 것이 바람직하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 총상의 지식을 가진 자라 면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조는 p-형 전극패드와 n-형 전극패드의 위치를 적절하게 배열함으로써 전류가 흐르는 길이를 단축시켜 발광 다이오드의 저항을 줄이고동작 전압을 줄이며 전류 밀도 분포를 고르게 하고자 하는 것이다.

또한, p-형 전극패드와 n-형 전극패드에서 돌출된 형태로 보조전극을 형성하여 n-형 보조전극과 p-형 보조전극 사이에 전류가 흐를 수 있도록 하여 추가적인 저항 감소 효과를 얻을 뿐만 아니라, n-형 보조전극을 따라 전류 밀도가 분산되는 효과를 얻어 전류 밀도 분포를 보다 더 균일하게 하는 효과를 가져온다.

Claims

기판, 상기 기판상에 순차적으로 적층된 n-형 반도체층, 활성층, p-형 반도체층, 및 p-형 투명전극층을 구비한 발광 다이오드의 전극구조에 있어서,

상기 p-형 투명전극층의 일측 가장자리 중앙부에 형성된 p-형 전극패드;

상기 p-형 전극패드의 양측에서 상기 일측 가장자리를 따라 뻗어나오며, 상기 p-형 투명전극층의 가장자리를 따라 대향측을 향해 이어지는 p-형 보조전극;

상기 p-형 전극패드와 대향하는 측에 상기 활성층, 상기 p-형 반도체층, 및 상기 p-형 투명전극층의 일부를 식각하여 상기 n-형 반도체층 상에 형성되고, p-형 반도체층에 둘러싸인 n-형 전극패드; 및

상기 n-형 전극패드의 양측에서 뻗어나오며, 상기 p-형 보조전극과 평행하는 방향으로 이어지는 n-형 보조전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 최적화된 전극구조.
제 1항에 있어서,

상기 기판은 사파이어와 같은 절연물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 최적화된 전극구조.
제 1항에 있어서,

상기 p-형 보조전극은 상기 p-형 전극패드와 동일한 두께의 것으로, 상기 p- 형 전극패드를 중심으로 상기 p-형 투명전극층의 상부 가장자리에 ㄷ자 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 최적화된 전극구조.
제 1항에 있어서,

상기 n-형 보조전극은 상기 n-형 전극패드와 동일한 두께로, 상기 활성층, 상기 p-형 반도체층, 및 상기 p-형 투명전극층의 일부를 식각하여 드러난 상기 n-형 반도체층 상부에, 상기 n-형 전극패드를 중심으로 ㄷ자 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 최적화된 전극구조.
제 4항에 있어서,

상기 n-형 전극패드 및 상기 n-형 보조전극은 상기 p-형 보조전극과 대칭되는 형태로 상기 p-형 투명전극의 가장자리를 둘러싸고 있는 상기 p-형 보조전극의 내부에 속한 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 최적화된 전극구조.