KR100770681B1 - 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직구조 질화갈륨계 LED 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, n형 전극; 상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층이 순차적으로 형성된 질화갈륨계 LED 구조물; 상기 질화갈륨계 LED 구조물 하면의 일부분에 형성되어 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하는 광자반사막; 상기 광자반사막이 형성된 질화갈륨(GaN)계 LED 구조물 하면에 형성된 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막; 상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 하면에 형성된 도전성 접합층; 및 상기 도전성 접합층 하면에 형성된 도전성 기판을 포함하는 것을 주요한 특징으로 함으로써, 활성층에서의 광생성 효율 및 외부 양자 효율을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
LED, 수직구조 발광다이오드, 쇼트키 접촉막, 절연막, 금속막
Description
도 1 및 도 2는, 종래의 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 공정단면도
도 3a 내지 도 3c는 종래의 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자의 문제점을 설명하기 위한 설명도
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도
도 4c는 본 발명의 제1실시예에 의한 활성층에서 생성된 광자(Photon:P)의 외부 방출경로를 설명하기 위한 설명도
도 5 및 도 6a는 본 발명의 제1실시예의 변형예들로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도
도 6b는 활성층에서 생성된 광자(P)의 외부 방출 경로를 설명하기 위한 확대도
도 7은 본 발명의 제2실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도
도 8 내지 도 10은 본 발명의 제2실시예에 대한 변형예들로서의 수직구조 질 화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도
도 11은 본 발명의 제3실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
405 : 사파이어 기판
410, 510, 715, 820, 920, 1020, 1120 : n형 질화갈륨층
415, 515, 605, 720, 825, 925, 1025, 1125 : 활성층
420, 520, 610, 725, 930, 1030, 1130 : p형 질화갈륨층
425, 710: 광자반사막(쇼트키 접촉막)
430, 535, 730, 935, 1035, 1135 : p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막
*435, 540, 735, 940, 1040, 1140 : 도전성 접합층
440, 545, 740, 945, 1045, 1145 : 도전성 기판
445, 550, 705, 805, 905, 1005, 1105 : n형 전극
525, 815, 1115 : 절연막 530, 810 : 광자반사막(금속막)
1010, 1110 : 투명전도산화막 615, 910, 1015 : 적층식 광자반사막
본 발명은 수직구조(수직전극형) 질화갈륨계(GaN) 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성층에서의 전류 퍼짐(current spreading)을 향상시켜 광생성 효율을 증가시킨 수직구조 질화갈륨계 LED 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨계 LED는 사파이어 기판위에 성장하지만, 이러한 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화갈륨계 LED의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나 광출력 및 칩의 특성을 개선시키는데는 한계가 있었다. 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) 기술을 이용한 수직구조 질화갈륨계 LED가 제안되었다.
첨부된 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 수직구조 질화갈륨계 LED 의 제조공정을 살펴보면, 사파이어 기판(105)상에 n형 질화갈륨층(110), 활성층(115), p형 질화갈륨층(120)을 순차적으로 결정성장시키고, p형 질화갈륨층(120) 상에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막(125)을 형성한 후, 금속 공융(eutectic)접합층(130)을 형성한다. 이때, 상기 공융접합층(130)은 실리콘(Si) 기판(135)을 공융 접합법으로 부착하기 위하여 형성한 것이다.
그 다음, 상기 공융접합층(130)에 소정의 온도와 압력을 가한 후 상기 공융접합층(130) 상에 상기 실리콘(Si) 기판(135)을 접합하여 LED 구조물을 형성한다.
그 다음, 도 2에 도시한 바와 같이, LLO 공정을 통해 상기 사파이어 기판(105)을 제거한 후, 상기 n형 질화갈륨층(110)상에 n형 전극(205)을 형성하고 이 후 레이저 스크라이빙, 습식식각 또는 건식식각공정을 통하여 소자분리 공정을 수행하거나, 또는 소자분리 공정 후 상기 n형 전극(205)을 형성한다.
그러나, 상기와 같은 LLO 공정을 이용한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 따르면, 도 3a에 도시한 바와 같이, 전류가 p형 전극(325)에서 n형 전극(305)으로 직선적으로 흐르기 때문에 n형 전극(305)이 형성된 아래쪽 부분에만 전류가 집중되는 커런트 크라우딩(current crowding)현상이 발생하게 된다(도 3a의 화살표 C 참조). 이러한 커런트 크라우딩 현상에 의해 전류가 활성층(315) 전체로 퍼지지 못하게 되어 LED 소자의 광생성 효율을 저하시키는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화갈륨층(320)과 상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막(325) 사이에 절연물질(SiO2)을 사용한 커런트 블록킹(current blocking)막(330)을 형성하여 전류의 흐름을 양쪽으로 분산시킴으로써, 상기 활성층(315)에 전류가 골고루 흐르도록 하여 광생성 효율을 증가시켰다(도 3b의 화살표 D 참조).
그러나, 상기 커런트 블록킹막(330)이 절연물질(SiO2)로 되어있기 때문에 상기 커런트 블록킹막(330) 위에 있는 상기 활성층(315) 부근에는 저항의 증가로 인해 전류가 흐르지 않게 되어 이 부분에서는 광자(P)를 발생시키지 못하는 문제점이 있었다.
또한, 도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 활성층(315)에서 생성된 광자(P)는 상기 절연부(330)를 통과한 후 상기 반사막(325)에서 반사되어 외부로 방출되고, 그로 인하여 그 방출경로가 길어짐으로써 외부 양자 효율(활성층에서 발생된 광자가 외부로 나오는 정도)의 저하를 가져오는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 쇼트키(Schottky) 특성을 가지는 접촉막 및 다층 구조의 절연막 등을 적용하여 커런트 블록킹막과 반사막으로서의 역할을 동시에 만족시키는 구조를 형성함으로써 활성층에서의 광생성 효율과 외부 양자 효율을 높일 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는, n형 전극; 상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층이 순차적으로 형성된 질화갈륨계 LED 구조물; 상기 질화갈륨계 LED 구조물 하면의 일부분에 형성되어 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하는 광자반사막; 상기 광자반사막이 형성된 질화갈륨(GaN)계 LED 구조물 하면에 형성된 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막; 상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 하면에 형성된 도전성 접합층; 및 상기 도전성 접합층 하면에 형성된 도전성 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 광자반사막은, p형 전극에서 n형 전극으로 흐르는 전류를 분산 및 통과시키는 쇼트키 접촉(Schottky Contact)막으로서, 금속과 투명전도산화물(TCO)중 적어도 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광자반사막은, 금속막 및 상기 금속막의 상면 또는 하면에 형성된 절연막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광자반사막은, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사막인 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 다른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는, n형 전극; 상기 n형 전극 하면의 일부분에 형성되어 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하는 광자반사막; 상기 광자반사막 하면에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층이 순차적으로 형성된 질화갈륨계 LED 구조물; 상기 질화갈륨계 LED 구조물 하면에 형성된 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막; 상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 하면에 형성된 도전성 접합층; 및 상기 도전성 접합층 하면에 형성된 도전성 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 광자반사막은, p형 전극에서 n형 전극으로 흐르는 전류를 분산 및 통과시키는 쇼트키 접촉막으로서, 금속과 투명전도산화물(TCO)중 적어도 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광자반사막은, 금속막 및 상기 금속막의 상면 또는 하면에 형성된 절연막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광자반사막은, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사막인 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 또 다른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는, n형 전극; 상기 n형 전극 하면에 형성된 투명전도산화막; 상기 투명전도산화막 하면의 일부분에 형성된 절연막; 상기 절연막 하면에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층이 순차적으로 형성된 질화갈륨계 LED 구조물; 상기 질화갈륨계 LED 구조물 하면에 형성된 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막; 상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 하면에 형성된 도전성 접합층; 및 상기 도전성 접합층 하면에 형성된 도전성 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 절연막은, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사막인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는, 상기 절연막의 상면 또는 하면에 형성된 금속막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법은, 사파이어 기판상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨계 LED 구조물 상의 소정 부분에 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하는 광자반사막을 형성하는 단계; 상기 광자반사막이 형성된 상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막을 형성하는 단계; 상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 상에 도전성 기판을 접합하는 단계; 및 상기 사파이어 기판을 LLO 공정으로 제거한 후, 상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층 상에 n형 전극 을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 다른 제조방법은, 사파이어 기판상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막을 형성하는 단계; 상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 상에 도전성 기판을 접합하는 단계; 상기 사파이어 기판을 LLO 공정으로 제거한 후, 상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨(GaN)층 상의 소정 부분에 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하는 광자반사막을 형성하는 단계; 및 상기 광자반사막 상에 상기 질화갈륨계 LED 구조물과 접촉하는 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 광자반사막은, p형 전극에서 n형 전극으로 흐르는 전류를 분산 및 통과시키는 쇼트키 접촉(Schottky Contact)막으로서, 금속과 투명전도산화물(TCO)중 적어도 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법은, 상기 광자반사막의 상면 또는 하면에, 상기 광자반사막보다 크지않은 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 광자반사막은, Al, Ag, Pt, Cr, Ni, Co, Ta, Mo, W, Fe, Pd, Au을 포함하는 금속과 상기 금속을 이용한 합금 중 어느 하나를 사용하여 형성된 금속막인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광자반사막은 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사막인 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 또 다른 제조방법은, 사파이어 기판상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨)층을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막을 형성하는 단계; 상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 상에 도전성 기판을 접합하는 단계; 상기 사파이어 기판을 LLO 공정으로 제거한 후, 상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층 상의 소정 부분에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막이 형성된 n형 질화갈륨층 상에 투명전도산화막을 형성하는 단계; 및 상기 투명전도산화막 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 절연막은, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사막인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 또 다른 제조방법은, 상기 절연막의 상면 또는 하면에 금속막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 의한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하되, 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.
<제1실시예>
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이고, 도 4c는 본 발명의 제1실시예에 의한 활성층에서 생성된 광자(P)의 외부 방출경로를 설명하기 위한 설명도이다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(405)상에 n형 질화갈륨층(410), 활성층(415), p형 질화갈륨층(420)을 순차적으로 결정성장시켜 질화갈륨계 LED 구조물을 형성한 후, 상기 p형 질화갈륨층(420) 상의 일부분에 상기 활성층(415)에서 생성된 광자를 반사하는 광자반사막(425)을 형성한다.
이때, 상기 광자반사막(425)으로서는 일반적인 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)에 사용되는 쇼트키 베리어(Schottky Barrier)를 사용한다. 상기 쇼트키 베리어의 대표적인 것으로는 금속을 들 수 있고, 그 이외에 인듐-주석계 산화물(ITO), 인듐 산화물(IO), 주석계 산화물(SnO2), 아연계 산화물(ZnO), 인듐-아연계 산화물(IZO) 등의 투명전도산화물을 상기 쇼트키 베리어로 사용할 수 있다. 이하, 본 실시예에 의한 상기 p형 질화갈륨층(420) 위에 형성된 광자반사막(425)을 쇼트키 접촉(Schottky Contact)막(425)으로 정의하기로 한다.
그 다음, 상기 p형 질화갈륨층(420) 및 상기 쇼트키 접촉막(425) 상면에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막(430)을 형성한 후, 도전성 접합층(435)을 형성한다. 이때, 상기 도전성 접합층(435)은 도전성 기판(440)을 공융(eutectic) 접합법으로 부착하기 위하여 형성하는 것이다.
그 다음, 상기 도전성 접합층(435)에 소정의 온도와 압력을 가하여 상기 도 전성 접합층(435) 상에 상기 도전성 기판(440)을 접합한다. 이때, 상기 도전성 기판(440)은 최종적인 LED 소자의 지지층 및 전극으로서의 역할을 수행하는 것으로서, 실리콘(Si) 기판, GaAs 기판, Ge 기판 또는 금속층 등을 사용할 수 있다. 여기서 상기 금속층은 전해 도금, 무전해 도금, 열증착(Thermal evaporator), 전자선증착(e-beam evaporator), 스퍼터(Sputter), 화학기상증착(CVD) 등의 방식을 통하여 형성할 수 있다.
그 다음, LLO 공정을 통해 상기 사파이어 기판(405)을 제거한 후, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 n형 질화갈륨층(410)상에 n형 전극(445)을 형성하고 이후 레이저 스크라이빙, 습식식각 또는 건식식각공정을 통하여 소자분리 공정을 수행하거나, 또는 소자분리 공정 후 상기 n형 전극(445)을 형성함으로써, 본 발명의 제1실시예에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 완성한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화갈륨층(420) 하면의 중앙 일부분에 상기 쇼트키 접촉막(425)을 형성함으로써 상기 p형 전극(430)에서 상기 n형 전극(445)으로 흐르는 전류가 상기 쇼트키 접촉막(425) 부근의 저항성으로 인해 상기 활성층(415)에 고루 퍼지게 되고(도 4b의 A 화살표 참조), 또한 상기 쇼트키 접촉막(425)의 도전성으로 인해 상기 쇼트키 접촉막(425) 바로 윗 방향으로도 전류가 흐르게 된다(도 4b의 B 화살표 참조).
따라서, 상기 활성층(415)의 거의 모든 부분에 전류가 흐르게 되고, 그로 인해 상기 활성층(415)에서의 광생성 효율의 증가를 가져온다.
또한, 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 쇼트키 접촉막(425)은 반사막으로서 의 작용도 하기 때문에, 상기 활성층(415)에서 발생한 광자(P)가 상기 쇼트키 접촉막(425)에서 반사되어 외부로 방출됨으로써 외부 양자 효율의 증가를 가져온다.
<제1실시예의 변형예 1>
도 5는 본 발명의 상술한 제1실시예의 변형예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
먼저, 사파이어 기판상에 n형 질화갈륨층(510), 활성층(515), p형 질화갈륨층(520)을 순차적으로 결정성장시키고, p형 질화갈륨층(520) 위의 중앙 일부분에 절연막(525)을 형성한다.
상기 절연막(525)으로서는 SiO2 , TiO2 , Al2O3 등의 절연 성질을 가지는 산화물을 사용한다.
그 다음, 상기 절연막(525)의 상면에 광자반사막(530)을 형성한다.
그러나, 경우에 따라서는 상기 광자반사막(530)을 상기 p형 질화갈륨층(520) 위의 중앙 일부분에 먼저 형성하고, 상기 광자반사막(530) 상에 상기 절연막(525)을 형성할 수도 있다(본 구조는 미도시).
여기서, 상기 광자반사막(530)은 Al, Ag, Pt, Cr, Ni, Co, Ta, Mo, W, Fe, Pd, Au 을 포함하는 금속과 상기 금속을 이용한 합금 중 어느 하나를 사용하여 형성된 금속막이다. 한편, 상기 광자반사막(530)은 전해 도금, 무전해 도금, 열증착(Thermal evaporator), 전자선증착(e-beam evaporator), 스퍼터(Sputter), 화학 기상증착(CVD) 등의 방식을 통하여 형성한다.
그 다음, 상기 절연막(525) 및 광자반사막(530)이 형성된 상기 p형 질화갈륨층(520) 상에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막(535), 도전성 접합층(540) 및 도전성 기판(545)을 순차적으로 형성한 후, LLO 공정을 통하여 상기 사파이어 기판을 제거한다.
그 다음, 상기 제1실시예에서와 마찬가지로 n형 전극(550) 형성 및 소자 분리 공정을 실행하면, 도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 제1실시예의 변형예 1에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 완성한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 p형 질화갈륨층(520) 하면의 중앙 일부분에 상기 절연막(525) 및 금속을 사용한 광자반사막(530)을 형성함으로써, 상기 활성층(515)에서 생성된 광자(P)가 상기 광자반사막(530)에서 반사되어 외부로 방출(도 6의 화살표 참조)됨으로써 외부 양자 효율의 증가를 가져온다.
또한, 상기 절연막(525)의 절연 성질로 인해 상기 활성층(515)에서의 전류 퍼짐 현상도 발생하여 커런트 크라우딩(Current Crowding) 현상을 방지할 수 있다.
<제1실시예의 변형예 2>
도 6a는 상술한 제1실시예에 대한 다른 변형예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도이고, 도 6b는 활성층에서 생성된 광자(P)의 외부 방출 경로를 설명하기 위한 확대도이다.
본 변형예는, 상술한 제1실시예의 쇼트키 접촉막을 형성하는 공정을 제외한 다른 공정이 동일하게 적용된다.
즉, 도 6a에 도시한 바와 같이, p형 질화갈륨층(610) 하면 중앙 일부분에 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연물질이 적층되어 형성된 절연막(615)을 형성한다. 상기 한 쌍의 절연물질의 굴절률은 그 굴절율 차이가 클수록 바람직하다.
상기 한 쌍의 절연물질은 SiO2 , TiO2 , Al2O3의 그룹으로부터 선택된 두 개의 물질을 한 쌍으로 하여 두 개의 층을 형성하고, 상기 두 개의 층을 2 내지 100 회 정도 중첩하여 형성함으로써 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조를 가지도록 한다. 여기서, 상기 한 쌍의 절연물질이 중첩적으로 형성된 절연막(615)은 반사 특성을 나타내기 때문에 적층식 광자반사막(615)으로 정의하기로 한다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 활성층(605)에서 생성된 광자(P)는 상기 적층식 광자반사막(615)에서 반사되어 외부로 방출되므로, 외부 양자 효율의 증가를 가져온다.
또한, 상기 적층식 광자반사막(615)의 절연 성질로 인해 상기 활성층(605)에서의 전류 퍼짐 현상도 발생하여 커런트 크라우딩(Current Crowding) 현상을 방지할 수 있다.
<제2실시예>
도 7은 본 발명의 제2실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 먼저 사파이어 기판상에 n형 질화갈륨층(715), 활성층(720), p형 질화갈륨층(725), p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막(730), 도전성 접합층(735) 및 도전성 기판(740)을 순차적으로 형성한다.
그 다음 상기 사파이어 기판을 LLO 공정으로 제거한 후, 상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층(715) 상의 소정 부분에 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하는 광자반사막(710)을 형성하고, 상기 광자반사막(710) 상에 n형 전극(705)을 형성함으로써 본 실시예에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 완성한다.
다만, 상기 n형 전극(705)을 상기 광자반사막(710)보다 넓게 형성하여 상기 n형 전극(705)과 상기 n형 질화갈륨층(715)이 서로 접촉되도록 함으로써 전류의 흐름을 원활히 함이 바람직하다.
이때, 상기 광자반사막(710)으로서는 일반적인 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)에 사용되는 쇼트키 베리어(Schottky Barrier)를 사용한다. 상기 쇼트키 베리어의 대표적인 것으로는 금속을 들 수 있고, 그 이외에 투명전도산화물을 상기 쇼트키 베리어로 사용할 수 있다. 이하, 본 실시예에 의한 상기 n형 질화갈륨층(715) 상에 형성된 광자반사막(710)을 쇼트키 접촉(Schottky Contact)막(710)으로 정의하기로 한다.
본 실시예에서는, 상기 제1실시예에서 설명한 바와 같이, 상기 쇼트키 접촉막(710) 부근의 저항성으로 인해 상기 활성층(720)에서의 전류 퍼짐 현상이 발생하여, 상기 제1실시예와 유사한 전류의 흐름을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1실시예와 유사한 작용 및 효과를 볼 수 있다.
또한, 상기 쇼트키 접촉막(710)은 상기 제1실시예와 마찬가지로 반사막으로서의 작용도 하게 된다(도 7의 화살표 참조).
<제2실시예의 변형예 1>
도 8은 상술한 제2실시예에 대한 변형예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
상기 제2실시예에서는 n형 전극 하면에 광자반사막으로서의 쇼트키접촉막을 형성하였으나, 변형예에 따라서는 도 8에 도시한 바와 같이, n형 전극(805) 하면에 광자반사막으로서의 금속막(810) 및 절연막(815)을 형성할 수 있으며, 여기서 상기 금속막(810)은 상기 절연막(815)의 면적 이하의 넓이로서 상기 절연막(815)의 상면 또는 하면에 형성할 수 있다.
상기 n형 전극(805) 하면에 상기 광자반사막으로서의 금속막(810) 및 절연막(815)을 형성하는 본 변형예에서는 활성층(825)에서 생성된 광자(P)가 상기 광자반사막으로서의 금속막(810)에서 반사되어 외부로 방출되고, 또한 상기 절연막(815)의 절연 성질로 인해 상기 활성층(825)에서의 전류 퍼짐 현상도 발생하여 커런트 크라우딩(Current Crowding) 현상을 방지할 수 있다.
다만, 본 변형예에서는 상기 n형 전극(805)을 상기 광자반사막으로서의 금속막(810) 및 절연막(815)보다 넓게 형성하여 n형 질화갈륨층(820)과 접촉되도록 함으로써 전류를 도통시킨다.
한편, 상기 절연막(815) 및 상기 광자반사막으로서의 금속막(810)의 재질 및 형성방법은 상술한 제1실시예의 변형예 1에 기재된 재질 및 형성방법과 동일하다.
<제2실시예의 변형예 2 및 3>
도 9 및 도 10은 상술한 제2실시예에 대한 다른 변형예들로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
상술한 제1실시예의 변형예 2에서는 p형 질화갈륨층 하면에 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조의 적층식 광자반사막을 형성하였으나, 본 변형예에서는 도 9에 도시한 바와 같이, n형 전극(905) 하면에 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조의 적층식 광자반사막(910)을 형성한다.
상기 n형 전극(905) 하면에 상기 적층식 광자반사막(910)을 형성하는 본 변형예에서는 상술한 제2실시예와 마찬가지로, 활성층(925)에서 생성된 광자(P)가 상기 적층식 광자반사막(910)에서 반사되어 외부로 방출되고(도 9의 화살표 참조), 또한 상기 적층식 광자반사막(910)의 절연 성질로 인해 상기 활성층(925)에서의 전류 퍼짐 현상도 발생하여 커런트 크라우딩(Current Crowding) 현상을 방지할 수 있다.
다만, 본 변형예에서는 상기 n형 전극(905)을 상기 적층식 광자반사막(910) 보다 넓게 형성하여 n형 질화갈륨층(920)과 접촉되도록 함으로써 전류를 도통시킨다.
또한, 다른 변형예로서 도 10에 도시한 바와 같이, n형 전극(1005)과 적층식 광자반사막(1015) 사이에 상기 적층식 광자반사막(1015)의 상면보다 넓은 투명전도 산화막(1010)을 형성하여 전류를 도통시킬 수 있다.
한편, n형 질화갈륨층(920)(1020), 활성층(925)(1025), p형 질화갈륨층(930)(1030), p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막(935)(1035), 도전성 접합층(940)(1040) 및 도전성 기판(945)(1045)의 순차적으로 형성하는 공정은 상술한 제2실시예와 동일하게 적용된다.
그리고, 상기 적층식 광자반사막(910)(1015)의 재질 및 그 형성방법은 상술한 제1실시예의 변형예 2와 동일하고, 상기 투명전도산화막(1010)의 재질은 상기 제1실시예에서 예시한 투명전도산화물과 동일하다.
<제3실시예>
도 11은 본 발명의 제3실시예로서의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
본 실시예는 도 11에 도시한 바와 같이, n형 전극(1105)과 절연막(1115) 사이에 상기 절연막(1115)보다 넓은 투명전도산화막(1110)을 형성한다.
상기 투명전도산화막(1110)의 재질은 상기 제1실시예에서 예시한 투명전도산화물과 동일하고, 상기 절연막(1115)의 재질은 상술한 제1실시예의 변형예 1의 절연막과 동일하다.
한편, 상기 절연막(1115)의 상면 또는 하면에 광자반사막으로서의 금속막(미도시)을 형성할 수도 있으며, 이때 상기 금속막(미도시)의 재질 및 형성방법은 상술한 제1실시예의 변형예 1에 기재된 금속막의 재질 및 형성방법과 동일하다.
그 이외의 n형 질화갈륨층(1120),활성층(1125), p형 질화갈륨층(1130), p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막(1135), 도전성 접합층(1140) 및 도전성 기판(1145)을 순차적으로 형성하는 공정은 상술한 제2실시예와 동일하게 적용된다.
상기 p형 전극(1135)으로부터 흐르는 전류는 활성층(1125) 및 n형 질화갈륨층(1120)을 지나 상기 투명전도산화막(1110)을 통과하여 상기 n형 전극(1105)으로 흐르게 된다.
상기 투명전도산화막(1110)을 형성함으로써 상기 p형 전극(1135)으로부터 상기 n형 전극(1105)까지 전류를 도통시킬 수 있고, 또한, 상기 절연막(1115)의 절연 성질로 인해 상기 활성층(1125)에서의 전류 퍼짐 현상도 발생하여 커런트 크라우딩(Current Crowding) 현상을 방지할 수 있으며, 상기 활성층(1125)에서 생성된 광자가 상기 금속막(미도시)에서 반사되어 외부로 방출됨으로써 외부 양자 효율의 증가를 가져온다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 의하면, 쇼트키 접촉막 및 절연막의 형성에 의한 활성층에서의 전류 퍼짐 현상을 증가시켜 활성층에서의 광생성 효율을 증가시킬 수 있고, 상기 쇼트키 접촉 막을 반사막으로도 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 절연막 상면 또는 하면에 금속을 사용하여 광자반사막을 형성함으로써 활성층에서 생성된 광자의 외부 방출경로를 줄일 수 있고, 그로 인하여 외부 양자 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 절연 물질을 사용하여 다층구조의 광자반사막을 형성함으로써, 활성층에서 생성된 광자를 효과적으로 반사시켜 외부 양자 효율을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
Claims (10)
- n형 전극;상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층이 순차적으로 형성된 질화갈륨계 LED 구조물;상기 질화갈륨계 LED 구조물 하면의 일부분에 형성되어 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하되, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사층;상기 적층식 광자반사층이 형성된 질화갈륨(GaN)계 LED 구조물 하면에 형성된 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막;상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 하면에 형성된 도전성 접합층; 및상기 도전성 접합층 하면에 형성된 도전성 기판;을 포함하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자.
- n형 전극;상기 n형 전극 하면의 일부분에 형성되되, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사층;상기 적층식 광자반사층을 포함하는 결과물의 하부에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층이 순차적으로 형성된 질화갈륨계 LED 구조물;상기 질화갈륨계 LED 구조물 하면에 형성된 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막;상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 하면에 형성된 도전성 접합층; 및상기 도전성 접합층 하면에 형성된 도전성 기판;을 포함하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자.
- n형 전극;상기 n형 전극 하면에 형성된 투명전도산화막;상기 투명전도산화막 하면의 일부분에 형성된 광자반사층;상기 광자반사층을 포함하는 결과물의 하부에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층이 순차적으로 형성된 질화갈륨계 LED 구조물;상기 질화갈륨계 LED 구조물 하면에 형성된 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막;상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 하면에 형성된 도전성 접합층; 및상기 도전성 접합층 하면에 형성된 도전성 기판;을 포함하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자.
- 제3항에 있어서,상기 광자반사층은, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자.
- 제3항에 있어서,상기 광자반사층의 상면 또는 하면에 형성된 금속막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자.
- 사파이어 기판상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계;상기 질화갈륨계 LED 구조물 상의 소정 부분에 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하되, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사층을 형성하는 단계;상기 적층식 광자반사층이 형성된 상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막을 형성하는 단계;상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 상에 도전성 기판을 접합하는 단계; 및상기 사파이어 기판을 LLO(Laser Lift-Off) 공정으로 제거한 후, 상기 사파 이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층 상에 n형 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 사파이어 기판상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계;상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막을 형성하는 단계;상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 상에 도전성 기판을 접합하는 단계;상기 사파이어 기판을 LLO(Laser Lift-Off) 공정으로 제거한 후, 상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층 상의 소정 부분에 상기 활성층에서 생성된 광자를 반사하되, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식 광자반사층을 형성하는 단계; 및상기 적층식 광자반사층 상에 상기 질화갈륨계 LED 구조물과 접촉하는 n형 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 사파이어 기판상에 n형 질화갈륨층, 활성층, p형 질화갈륨층을 순차적으로 형성하여 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 단계;상기 질화갈륨계 LED 구조물 상에 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막을 형성하는 단계;상기 p형 전극 또는 p형 전극 및 반사막 상에 도전성 기판을 접합하는 단계;상기 사파이어 기판을 LLO(Laser Lift-Off) 공정으로 제거한 후, 상기 사파이어 기판이 제거된 n형 질화갈륨층 상의 소정 부분에 광자반사층을 형성하는 단계;상기 광자반사층이 형성된 n형 질화갈륨층 상에 투명전도산화막을 형성하는 단계; 및상기 투명전도산화막 상에 n형 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 광자반사층은, 굴절율이 서로 다른 한 쌍의 절연막이 하나 이상 적층된 구조를 갖는 적층식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 광자반사층의 상면 또는 하면에 금속막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법.
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2007
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US5789768A (en) * | 1997-06-23 | 1998-08-04 | Epistar Corporation | Light emitting diode having transparent conductive oxide formed on the contact layer |
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