KR100832070B1

KR100832070B1 - 질화갈륨계 발광 다이오드 소자

Info

Publication number: KR100832070B1
Application number: KR20060075702A
Authority: KR
Inventors: 송호영; 김현경
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2008-05-27
Also published as: KR20080014253A

Abstract

본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드 소자에 관한 것으로서, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화갈륨층; 상기 n형 질화갈륨층 상의 일부분에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화갈륨층; 상기 p형 질화갈륨층 상에 형성되며 내부에 소정간격 이격된 복수의 음각 요철이 형성된 투명전도막; 상기 투명전도막 상에 형성된 p형 전극; 및 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화갈륨층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하는 질화갈륨계 발광 다이오드 소자를 제공한다.

LED, 광추출 효율, 투명전도막, 음각 요철

Description

질화갈륨계 발광 다이오드 소자{GaN type light emitting diode device}

도 1은 종래기술에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 음각 요철의 배열에 따른 전류 흐름 제어를 설명하기 위한 평면도.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 음각 요철의 크기에 따른 전류 흐름 제어를 설명하기 위한 평면도.

도 5의 (a) 및 (b)는 동일한 크기의 요철을 음각 및 양각으로 형성한 외관 형태 및 발광 상태를 나타낸 사진.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110: 기판 120: n형 질화갈륨층

130: 활성층 140: p형 질화갈륨층

150: 투명전도막 150a: 음각 요철

160: n형 전극 170: p형 전극

본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소자의 외부 양자효율을 향상시키는 동시에, 전기적 특성 및 광학적 특성을 개선할 수 있는 질화갈륨계 LED 소자에 관한 것이다.

일반적으로, LED는 소형, 저소비전력, 고신뢰성 등의 특징을 겸비하여 표시용 광원으로서 널리 이용되고 있고, 실용화되어 있는 LED의 재료로서는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 Ⅲ-Ⅴ족의 질화물을 이용한 화합물 반도체를 사용하고 있으며, 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 적색, 황색, 녹색 등의 발광원을 구성하여, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있다.

한편, 질화갈륨계 LED 소자에서 발생한 빛의 효율은 내부 양자효율과 외부 양자효율로 나누어지는데, 내부 양자효율은 활성층의 설계나 품질에 따라 결정되며, 외부 양자효율의 경우에는 활성층에서 발생된 빛이 질화갈륨계 LED 소자의 외부로 나오는 정도에 따라 결정된다.

이하, 도 1을 참조하여 외부 양자효율을 향상시키기 위한 종래기술에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 구조에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 종래기술에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 LED는 사파이어 기판(110)과 버퍼층(도시안함), n형 질화갈륨층(120), 활성층(130) 및 p형 질화갈륨층(140)이 순차 결정 성장되어 있으며, 상기 p형 질화갈륨층(140) 및 활성층(130)의 일부가 식각으로 제거되어, n형 질화갈륨층(120)의 일부를 노출시키고 있다.

상기 p형 질화갈륨층(140)의 상부에는, 표면에 소정 형상의 양각 요철이 형성된 투명전도막(150)이 형성되어 있다. 상기 양각 요철은, 통상적으로 상기 투명전도막(150)의 상부를 소정 두께만큼 식각하여 형성된다.

그리고, 상기 노출된 n형 질화갈륨층(120) 상에는 n형 전극(106)이 형성되어있으며, 투명전도막(150) 상에는 p형 전극(170)이 형성되어 있다.

상기와 같은 LED 소자는 이하와 같이 동작한다.

상기 p형 전극(170)을 통해 주입된 정공은 p형 전극(170)에서 횡방향으로 확대되어, p형 질화갈륨층(140)으로부터 활성층(130)으로 주입되고, n형 전극(160)을 통해 주입된 전자는 n형 질화갈륨층(120)으로부터 활성층(130)으로 주입된다. 그리고, 상기 활성층(130) 내에서 정공과 전자가 재결합되어 발광이 일어나게 된다. 이 광은 상기 투명전도막(150)을 통해 LED 소자 외부로 방출된다.

이때, 상기와 같은 종래 LED 소자의 구조에서는, 상기 투명전도막(150)의 표면에 형성된 양각 요철에 의해, 투명전도막(150)이 평면부와 공기의 계면에 대한 법선으로부터의 각도가 임계굴절각보다 큰 광이라 할지라도, 양각 요철이 형성된 부분으로 입사되면, 입사각도가 임계굴절각보다 작아지는 경우가 있을 수 있다. 따라서, 활성층(130)에서 발생한 광이 전반사되지 않고 LED 소자 외부로 방출될 확률이 높아지게 되므로, 결국 외부 양자효율을 향상시킬 수 있었다.

그런데, 이와 같은 종래의 LED 소자에 있어서, 도 1에 도시한 바와 같이, 투명전도막(150)의 표면에 돌기 형태의 양각 요철을 형성할 경우, 상기 양각 요철의 상부, 즉 투명전도막(150)의 상면이 서로 연결되지 않고 서로 분리되기 때문에, p형 전극(170)을 통해 외부로부터 인가되는 전류는, 실질적으로, 상기 투명전도막(150)의 전체 두께 중에서 양각 요철이 형성된 부위를 제외한 하부의 얇은 두께에 해당하는 부위로만 흐르게 된다.

이 경우, 상기 투명전도막(150)의 면저항(sheet resistance; Rs)이 상승되는 바, 소자의 동작전압이 상승되고, 전극 주변부에 발광이 집중되는 등 전체적인 발광 효율을 향상시키는데 어려움이 있었다.

즉, 종래에는 외부 양자효율을 향상시키기 위해 투명전도막의 표면에 형성하는 양각 요철에 의해 소자의 전기적 특성 및 광학적 특성이 열화되는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 소자의 외부 양자효율을 향상시키는 동시에, 전기적 특성 및 광학적 특성을 개선할 수 있는 질화갈륨계 발광 다이오드 소자를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 의한 질화갈륨계 LED 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화갈륨층; 상기 n형 질화갈륨층 상의 일부분에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화갈륨층; 상기 p형 질화갈륨층 상에 형성되며 내부에 소정간격 이격된 복수의 음각 요철이 형성된 투명전도막; 상기 투명전도막 상에 형성된 p형 전극; 및 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화갈륨층 상에 형성된 n형 전극;을 포함한다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2실시예에 의한 질화갈륨계 LED 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화갈륨층; 상기 n형 질화갈륨층 상의 일부분에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 내부에 소정간격 이격된 복수의 음각 요철이 형성된 p형 질화갈륨층; 상기 p형 질화갈륨층 상에 형성된 투명전도막; 상기 투명전도막 상에 형성된 p형 전극; 및 상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화갈륨층 상에 형성된 n형 전극;을 포함한다.

여기서, 상기 음각 요철은, 적어도 상기 p형 전극과 상기 n형 전극 간의 최단거리 상에 배치된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 음각 요철의 크기는, 상기 p형 전극과 상기 n형 전극 간의 최단거리 상으로부터 상기 기판의 외곽부로 갈수록 점점 작아지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 음각 요철은, 원형 또는 다각형의 평면 형상을 갖는 것을 특징으 로 한다.

또한, 상기 p형 질화갈륨층과 상기 투명전도막의 사이에 형성된 p+형 질화갈륨층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

< 제1실시예 >

먼저, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자는, 도 2에 도시한 바와 같이, 기판(110) 상에 버퍼층(도시안함), n형 질화갈륨층(120), 활성층(130) 및 p형 질화갈륨층(140)이 순차 적층되어 있다.

상기 기판(110)은, 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며, 사파이어 이외에도 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 또는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층은 GaN로 형성될 수 있으며, 이는 생략 가능하다.

상기 n형 또는 p형 질화갈륨층(120,140)은 각 도전형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성되며, 상기 활성층(130)은 InGaN/GaN층으로 구성된 MQW 구조로 형성된다.

상기 p형 질화갈륨층(140)과 상기 활성층(130)의 일부는, 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어 상기 n형 질화갈륨층(120)의 일부를 드러내고 있다.

상기 메사 식각에 의해 제거되지 않은 p형 질화갈륨층(140) 상에는 전류 확산 효과를 향상시키기 위한 투명전도막(150)이 형성되어 있고, 상기 투명전도막(150)의 내부에는 소정간격 이격된 복수의 음각 요철(150a)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 투명전도막(150)은 주로 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진다.

상기 투명전도막(150) 상에는 p형 전극(170)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 메사 식각에 의해 드러난 n형 질화갈륨층(120) 상의 소정부분, 즉 상기 활성층(130)이 형성되지 않은 n형 질화갈륨층(120) 상에는 n형 전극(160)이 형성되어 있다. 상기 n형 전극(160) 및 상기 p형 전극(170)은, Cr/Au 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 제1실시예에 따르면, 투명전도막(150)에 요철을 형성하되, 앞서 도 1을 참조하여 설명한 종래의 양각 요철과는 반대로, 상기한 바와 같은 음각 요철(150a)을 형성함으로써, LED 소자의 외부 양자효율을 향상시키고 있다.

이 때, 본 실시예에서는, 상기 음각 요철(150a)의 평면 형상을 원형으로 나타내었으나, 상기 음각 요철(150a)의 형상은 원형에만 한정되지 않고 본 발명의 기술사상 범위 내에서, 예를 들어 삼각 이상의 다각형의 형상을 포함하여 다양하게 변형될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은, 상기 투명전도막(150)에 외부 양자효율의 향상을 위한 요철을 형성하였음에도 불구하고, 상기 요철(음각 요철, 150a)이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역의 투명전도막(150) 상면이 서로 연결되어 있기 때문에, p형 전극(170)을 통해 외부로부터 인가되는 전류는, 상기 투명전도막(150)의 상면에서 하면에 이르는 전체적인 두께에 해당하는 부위를 통해 흐르게 됨으로써, 투명전도막(150)의 면저항 상승을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 소자의 동작전압이 상승되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 음각 요철(150a)의 배열 및 크기를 적절히 조절하여, 칩 전체에 걸쳐 균일한 전류가 흐르도록 함으로써, LED 소자의 발광효율을 개선할 수 있다.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 음각 요철의 배열에 따른 전류 흐름 제어를 설명하기 위한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 음각 요철의 크기에 따른 전류 흐름 제어를 설명하기 위한 평면도이다.

우선, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 상기 음각 요철(150a)은, 적어도 상기 p형 전극(170)과 n형 전극(160) 간의 최단거리(경로 1) 상에 배치되는 것이 바람직하다.

이는, 일반적인 투명전도막(150)의 경우 그 두께가 일정하다면 그 층의 면저항(Rs)이 균일한 것으로 인해 상기 p형 및 n형 전극(170,160) 간의 최단거리(경로 1) 상에 전류가 집중되는데, 상기와 같이 음각 요철(150a)을 두 전극(170,160)간의 최단거리(경로 1) 상에 배치하게 되면, 이 경로(경로 1)에 집중되는 전류를 다른 경로(경로 2, 3)로 분산시킬 수 있기 때문이다.

그리고, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 음각 요철(150a)의 크기는, 상기 p형 전극(170)과 n형 전극(160) 간의 최단거리(경로 1) 상으로부터 상기 기판(110)의 외곽부로 갈수록 점점 작아지는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 상기 p형 전극(170)과 n형 전극(160)간의 최단거리(경로 1) 에 상대적으로 큰 면저항을 형성시킴으로써, 상기 경로(경로 1)에 집중되는 전류를 다른 경로(경로 2)로 분산시킬 수 있는 바, 칩 전체에 걸쳐 균일한 전류가 흐르도록 하여, LED 소자의 발광효율을 극대화할 수 있다.

한편, 도 5의 (a) 및 (b)는 동일한 크기의 요철을 음각 및 양각으로 형성한 외관 형태 및 발광 상태를 나타낸 사진으로서, 도 5의 (a)는 본 발명의 음각 요철을 형성한 것이고, 도 5의 (b)는 종래의 양각 요철을 형성한 것이다.

도 5를 참조하면, 양각 요철을 형성한 경우에는, 전극의 주변부에 발광이 집 중되는 반면, 음각 요철을 형성한 경우에는 발광이 칩 전면에 걸쳐 고르게 일어나는 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제1실시예에 의하면, 투명전도막(150)의 내부에 음각 요철(150a)을 형성함으로써, 소자의 외부 양자효율을 향상시키는 동시에, 전기적 특성 및 광학적 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

< 제2실시예 >

도 6을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 제2실시예의 구성 중 제1실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자는, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, 투명전도막(150)의 내부에 음각 요철(150a)이 형성되어 있지 않고, p형 질화갈륨층(140)의 내부에 음각 요철(140a)이 형성되어 있으며, 상기 p형 질화갈륨층(140)과 투명전도막(150)의 사이에는 고농도로 도핑된 p형 질화갈륨층(이하, "p+형 질화갈륨층"이라 칭함, 145)이 더 형성되어 있다는 점에서만 제1실시예와 다르다.

즉, 제2실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자의 p형 질화갈륨층(140) 내부에는 소정간격 이격된 복수의 음각 요철(140a)이 형성되어 있고, 상기 음각 요철(140a) 을 포함한 상기 p형 질화갈륨층(140)의 표면을 따라 p+형 질화갈륨층(145) 및 투명전도막(150)이 차례로 형성되어 있는 것이다.

상기 p+형 질화갈륨층(145)이 추가로 형성됨에 따라, 상기 투명전도막(150)과 p형 질화갈륨층(140)간의 접촉면적이 증가될 수 있으므로, 이들의 접촉 저항을 감소시켜 소자의 동작전압을 더욱 감소시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 질화갈륨계 LED 소자는, 앞서 상술한 제1실시예에서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 소자의 동작전압을 더욱 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드 소자에 의하면, 투명전도막 또는 p형 질화갈륨층 내부에 음각 요철을 형성함으로써, 소자의 외부 양자효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기와 같이 외부 양자효율을 향상시킴과 동시에, 소자의 동작전압의 상승을 방지하여 전기적 특성을 개선할 수 있고, 또한 상기 투명전도막의 전류 확산 효과를 향상시켜 칩 전체에 균일한 전류가 흐르게 할 수 있으므로, 발광효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims

기판;

상기 기판 상에 형성된 n형 질화갈륨층;

상기 n형 질화갈륨층 상의 일부분에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화갈륨층;

상기 p형 질화갈륨층 상에 형성되며, 내부에 소정간격 이격된 복수의 음각 요철이 형성된 투명전도막;

상기 투명전도막 상에 형성된 p형 전극; 및

상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화갈륨층 상에 형성된 n형 전극;

을 포함하여 이루어지되, 상기 음각 요철들을 둘러싸는 상기 투명전도막의 상면이 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 소자.
기판;

상기 기판 상에 형성된 n형 질화갈륨층;

상기 n형 질화갈륨층 상의 일부분에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성되며, 내부에 소정간격 이격된 복수의 음각 요철이 형성된 p형 질화갈륨층;

상기 p형 질화갈륨층 상에 형성된 투명전도막;

상기 투명전도막 상에 형성된 p형 전극; 및

상기 활성층이 형성되지 않은 상기 n형 질화갈륨층 상에 형성된 n형 전극;

을 포함하여 이루어지되, 상기 음각 요철들을 둘러싸는 상기 p형 질화갈륨층의 상면이 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 음각 요철은, 적어도 상기 p형 전극과 상기 n형 전극 간의 최단거리 상에 배치된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 음각 요철의 크기는, 상기 p형 전극과 상기 n형 전극 간의 최단거리 상으로부터 상기 기판의 외곽부로 갈수록 점점 작아지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 음각 요철은, 원형 또는 다각형의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 소자.
제2항에 있어서,

상기 p형 질화갈륨층과 상기 투명전도막의 사이에 형성된 p+형 질화갈륨층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드 소자.