KR100926280B1 - 발광 효율 향상을 위한 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광추출 효율이 향상된 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 질화물 발광 소자 제조 방법은, (a) 기판에 질화물층을 형성하는 단계; 및 (b) 동일한 곡률을 갖는 복수의 요홈부가 형성되도록 상기 질화물층의 상부에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명은 투명 전극층의 표면에 동일한 곡률을 갖는 요홈부를 형성함으로써, 활성층에서 발생된 빛이 투명 전극층으로 입사된 후, 투명 전극층의 표면에서 산란되어 외부로 방출된다. 따라서, 표면산란 효과를 통한 빛 추출 효율을 향상시키기 위하여 이용되는 종래 기술의 Surface texturing 방식과 동일한 빛 추출 효율 향상 효과가 나타난다. 또한, 본 발명은 투명 전극층 표면 패턴을 조절함으로써 투명 전극층으로부터 2D 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 효과를 얻을 수 있는데, 이는 기존의 단일층 투명 전극층과 공기(또는 epoxy) 층에서 발생하는 전반사로 인해 빛의 추출 효율이 감소되었던 종래 기술과는 달리, 투명 전극층의 평면 방향으로 향하는 빛을 회절시켜 표면에 대해서 수직 방향으로 방출시킴으로써 빛 추출 효율을 향상시키는 효과가 나타난다.

Description

발광 효율 향상을 위한 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법{Gallium nitride light emitting diode and method for manufacturing the same}

본 발명은 질화물 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 효율 향상을 위한 GaN계 물질로 이루어지는 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

청색, 녹색, UV광을 방출하는 GaN계 발광 다이오드(LED)는 소형 및 대형 전광판 뿐만 아니라, Indicator, LCD 장치의 백라이트, 및 휴대폰 키패드의 백라이트 등 사회 전반에 걸쳐 그 응용범위가 점차 넓어지고 있다.

현재는 청록색 LED 가 기존 신호등을 대체하고 있고, 다양한 LED가 자동차용 및 간접조명용 광원으로 사용되고 있으며, 광효율이 더 높은 백색 LED가 개발되면 현재 사용되는 전등도 LED로 대체될 수 있을 것이다.

이렇게 다양한 분야에 이용되는 LED를 제조하기 위해서, 종래에는 GaN 물질로 LED를 구성하기 위해 박막을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)등의 방식으로 사파이어 기판 또는 SiC 기판 위에 형성하였다.

도 1a 및 도 1b 는 종래의 기술에 따라서 이용하여 발광소자를 제조하는 방 법을 설명하는 도면이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 방식은 사파이어, SiC, GaN 등의 기판(11) 위에 MOCVD 방식에 의해 버퍼층(Un-doped GaN;12)을 형성하고, 버퍼층(12) 위에 N-GaN 층(13), 활성층(In_xGa_1-xN(x=0~1);14), P-GaN층(15)을 차례로 형성한다(도 1a의 (a) 참조).

그 후, P-GaN층(15)의 불순물의 활성화를 위해서 약 600℃에서 약 20분간 열처리를 수행한 후, N형 전극을 형성하기 위해서 N-GaN층(13)의 일부분이 드러나도록 P-GaN층(15)부터 아래로 식각을 수행한다(도 1a 의 (b) 참조).

그 후, P-GaN층(15)의 전면에 얇은 ohmic contact 용 메탈(또는 투명 전도 박막;16)을 형성하고(도 1a의 (c) 참조), 그 위에 칩의 조립시 본딩을 하기 위한 패드용 P형 ohmic contact(17)을 형성한다(도 1b의 (d) 참조).

그 후, 식각된 N-GaN층(13) 위에도 ohmic 및 패드 메탈로 동시에 이용되는 전극층(18)을 형성하여 칩을 완성한다(도 1b 의 (e) 참조).

완성된 LED 칩은 패키징과 몰딩 과정을 거쳐 SMD, lamp, 고출력 LED PKG 의 형태로 만들어 진다.

한편, LED 의 구동과정을 설명하면, N 및 P 형 전극을 통해서 전압이 인가되면, N-GaN층(13) 및 P-GaN층(15)으로부터 전자 및 정공이 활성층(14)으로 유입되고, 활성층(14)에서 전자와 정공의 결합이 일어나면서 발광하게 된다.

활성층(14)에서 발생된 빛은 활성층(14)의 위와 아래로 진행하게 되고, 위로 진행된 빛은 P-GaN층(15)위에 얇게 형성된 투명전극을 통해서 밖으로 방출되고, 아 래로 진행된 빛의 일부분은 칩의 외부로 방출되고, 나머지는 기판 아래쪽으로 진행하여 LED 칩의 조립시에 이용되는 솔더(solder)에 흡수되거나, 반사되어 다시 위쪽으로 진행하여 일부는 활성층(14)에 다시 흡수되기도 하고, 다른 일부는 활성층(14)을 지나 투명전극을 통해서 칩 외부로 방출된다.

이 LED Chip으로 다른 파장을 구현하기 위해서는 조립시 LED Chip 상부에 파장 변환 물질인 포스포를 형성하게 하여 다파장의 색을 구현하게 되면 파장이 변환된 특정 파장, 혼합파장 및 White 의 LED를 구현할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은, 종래의 LED 구조에서는, GaN 물질의 큰 밴드갭 에너지로 인해 p-GaN층과 금속간 오믹접촉의 구현을 위해서는 7.5 eV 정도의 큰 일함수(work function)를 갖는 금속소재를 사용해야 한다.

일반적으로 높은 일함수를 갖는 Ni 등이 p-GaN 오믹 물질로 사용되고 있으나, 최근에는 광흡수가 적으면서 오믹접촉이 가능한 투명성전극 소재들을 이용한 p-GaN/투명 전도성 산화막 (Transparent Conductive Oxide, TCO) 형태의 구현을 위한 많은 연구가 진행되고 있는데, TCO (ITO, IZO, CIO, ZnO 등) 소재들 중에서도 인듐틴옥사이드(ITO) 투명전극은 전기 전도도가 우수하면서 Band-gap이 2.5 eV이상으로 가시광역에서 투명하기 때문에 현재 LED의 투명전극 물질로 각광받고 있다.

인듐틴옥사이드(ITO) 투명전극을 생성하기 위한 종래기술로는 Single layer ITO 박막 필름을 주로 사용되고 있다. 하지만, 이러한 ITO 투명전극을 포함한 투명 전극층을 형성하는 방식은 다음과 같은 문제점이 있다.

투명 전극의 경우 90 % 정도의 빛 투과율에 대한 장점을 가지는 반면, 단일 층으로 형성된 투명 전극은 P-GaN 층과 공기층 등과 같은 인접한 층들과의 굴절율의 차이로 인해서 제한된 입사각의 빛만을 투과시킨다는 점 등에서 광추출 효율이 저하되는 문제점이 있다.

구체적으로 설명하면, GaN LED의 활성층에서 나온 빛이 p-GaN을 지나 투명 전극을 통과할 때, p-GaN 층과 투명 전극층의 계면에서 굴절률 차이 (p-GaN층=2.4, 투명 전극층 (ITO)=2.0)에 의해 스넬의 법칙(snell's law)에 따라 제한된 입사각의 빛만이 통과한다는 점에서 한계를 갖는다.

또한, 도 2 에 도시된 바와 같이, 투명 전극층(16)의 굴절률은 투명 전극층 전체적으로 균일하게 약 2.0 정도이기 때문에 빛이 투명 전극층(16)을 통과하여 공기(굴절률=1.0)층으로 빠져나갈 때, 빛의 입사각이 임계각(Θ)보다 작은 경우에는 투명 전극층(16) 외부로 통과하지만(도 2 의 ①), 임계각 이상인 경우(도 2 의 ② 및 ③)에는 투명 전극층(16)과 공기층의 경계면에서 스넬의 법칙에 따른 전반사가 일어나 추출되는 빛의 양이 현저하게 감소되는 문제점이 존재한다.

따라서, 종래의 투명전극보다 더 높은 투과율과 좋은 막질을 갖고, 공기층으로의 빛 추출 효율도 향상시킬 수 있는 새로운 투명 전극층의 개발이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래 기술의 발광 소자보다 광추출 효율이 향상된 질화물 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 이루기 위한 본 발명의 질화물 발광 소자는, n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층을 포함하는 질화물 반도체층이 형성된 반도체 기판; 및 동일한 곡률을 갖는 복수의 요홈부가 형성되도록 상기 질화물 반도체층의 상부에 형성된 투명 전극층을 포함한다.

또한, 상술한 투명 전극층은 인듐틴옥사이드(ITO) 물질로 형성될 수 있다.

또한, 상술한 투명 전극층의 표면에는 복수의 요홈부가 형성될 수 있다.

또한, 상술한 복수의 요홈부는 동일한 곡률을 갖을 수 있다.

한편, 상술한 과제를 이루기 위한 본 발명의 질화물 발광 소자 제조 방법은, (a) 기판에 n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층을 포함하는 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 (b) 동일한 곡률을 갖는 복수의 요홈부가 형성되도록 상기 질화물 반도체층의 상부에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.

또한, 상술한 (b) 단계는 (b1) 질화물층에 투명 전극층 형성 물질로 박막을 형성하는 단계; (b2) 박막위에 구형의 입자들을 배치하는 단계; (b3) 구형의 입자들 사이에 Sol-Gel 방식으로 투명 전극층 형성 물질을 채우고, 투명 전극층 형성 물질을 결정화시키는 단계; 및 (b4) 입자들을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상술한 (b2) 단계는, 입자들이 포함된 용액을 박막위에 도포하고, 용액을 용매를 증발시켜 입자들을 박막위에 배치할 수 있다.

또한, 상술한 (b3) 단계는 투명 전극층 형성 물질을 입자 크기의 절반까지 채운후 결정화하고, 상술한 (b4) 단계는 입자를 구성하는 재질에 따라서 BOE 에칭 공정 또는 버닝(Burning) 공정을 수행하여 입자들을 제거할 수 있다.

또한, 상술한 (b3) 단계는 투명 전극층 형성 물질을 입자가 침적되도록 채운후 결정화하고, 상술한 (b4) 단계는 입자들을 덮는 투명 전극층 형성 물질의 상부와 입자들의 상부를 반응성 이온 식각(RIE) 또는 습식 식각 방법으로 제거한 후, 입자를 구성하는 재질에 따라서 BOE 에칭 공정 또는 버닝(Burning) 공정을 수행하여 입자들을 제거할 수 있다.

또한, 상술한 입자들은 라텍스 계열의 재료 또는 실리카 계열의 재료로 구성될 수 있다.

또한, 상술한 투명 전극층 형성 물질은 인듐틴옥사이드(ITO)일 수 있다.

본 발명은 투명 전극층에 동일한 곡률을 갖는 복수의 요홈부를 형성함으로써, 활성층에서 발생된 빛이 투명 전극층으로 입사된 후, 투명 전극층의 표면에서 산란되어 외부로 방출된다. 따라서, 표면산란 효과를 통한 빛 추출 효율을 향상시키기 위하여 이용되는 종래 기술의 Surface texturing 방식과 동일한 빛 추출 효율 향상 효과가 나타난다.

또한, 본 발명은 투명 전극층 표면 패턴을 조절함으로써 투명 전극층으로부터 2D 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 효과를 얻을 수 있는데, 이는 기존의 단일층 투명 전극층과 공기(또는 epoxy) 층에서 발생하는 전반사로 인해 빛의 추출 효율이 감소되었던 종래 기술과는 달리, 투명 전극층의 평면 방향으로 향하는 빛을 회절시켜 표면에 대해서 수직 방향으로 방출시킴으로써 빛 추출 효율을 향상시키는 효과가 나타난다.

결론적으로, 종래 기술의 평탄한 표면을 갖는 투명 전극층에 비하여, 본 발명은 공기층과 맞닿는 투명 전극층의 표면에서 발생하는 빛의 전반사를 현저하게 감소시켜 발광 소자의 빛 추출 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 나타난다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

다만, 본 발명은 P-GaN 층위에 형성된 전극층의 구조 및 그 형성 방법에 특징이 있는 것으로서, 그 이외의 발광 소자를 제조하는 공정은 상술한 종래 기술과 유사하다. 따라서, P-GaN 층위에 전극층을 형성하는 과정을 중심으로 본 발명의 설명한다.

도 3a 내지 3f 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 투명 전극층을 형성하는 과정을 설명하는 도면이다.

먼저, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 발광 소자를 제조하기 위해서 사파이어, SiC, GaN 등의 기판위에 질화물층(버퍼층(Un-doped GaN), N-GaN층, 활성층, P-GaN층이 차례로 형성되어 질화물층을 구성함)이 형성된 반도체 기판(300)을 마련한다. 다만, 이 단계에서 N형 전극을 형성하기 위해서 N-GaN층의 일부분이 드러나도록 P-GaN층부터 아래로 식각을 수행한 후에 후술하는 공정을 수행할 수도 있다.

그 후, 반도체 기판(300)에 형성된 P-GaN 층위에(이하에서는 "반도체 기판"으로만 약칭한다) 투명 전극층을 형성하는 물질을 5~200nm 두께로 스핀 코팅하여 박막(310)을 형성한다. 이 때, 투명 전극층을 형성하는 물질로서는 종래기술에서 투명 전극층을 형성하기 위해서 이용되는 모든 물질이 이용될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예는 ITO 물질을 이용하여 투명 전극층을 형성하고, 이하에서도 ITO 물질로 투명 전극층을 형성하는 것으로 예시적으로 설명한다.

반도체 기판(300)위에 전극층 형성 물질의 박막(310)이 형성된 후, 도 3b 에 도시된 바와 같이, 일정한 크기의 직경을 갖는 구형 입자들(322)을 내부에 포함하는 용액(320)을 박막(310)위에 도포한다. 이 때, 입자들의 크기는 50~200nm 의 직경을 갖는 것이 바람직하고, 입자들은 라텍스 계열의 재료 또는 실리카 계열의 재료로 구성될 수 있다. 또한, 입자들을 포함한 용액의 용매는 휘발성 물질인 것이 바람직하다.

입자들이 포함된 용액이 도포된 후, 용액에 포함된 휘발성 용매를 증발시키면, 도 3c 에 도시된 바와 같이, 박막(310)이 형성된 반도체 기판(300) 위에는 입자들(322)이 배치된다.

그 후, 박막(310) 형성에 이용된 물질과 동일한 물질(본 발명에서는 ITO 물질)을 졸 겔(Sol-Gel) 방식으로 반도체 기판(300)위에 코팅한다. 그러면, 도 3d 에 도시된 바와 같이, ITO 물질이 배치된 입자들 사이로 침투되어 입자들 사이의 공간을 채우게 되고, 침투된 ITO 물질을 결정화시키기 위해서 firing 과 어닐링을 수행하면, 입자들 사이로 침투된 ITO 물질(330)은 박막(310)과 함께 투명 전극층(330)을 형성한다.

이 때, ITO 졸이 코팅되는 두께는, ITO 졸이 입자들의 높이 중간정도까지 채워지도록 코팅될 수 있고, 도 3d 에 도시된 바와 같이, 입자들이 전부 침적되는 높이까지 코팅될 수도 있다. 이하에서는 후자의 경우를 예시적으로 설명하며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 40~400nm 의 두께로 ITO 졸이 코팅된다.

한편, ITO 졸이 코팅되고 결정화된 후, 도 3e 에 도시된 바와 같이, 입자들(322)을 덮은 ITO 물질(330)의 상부와, 입자들(322)의 상부를 반응성 이온 식각(RIE) 또는 습식 식각 방법으로 제거한다.

그 후, BOE(Buffered Oxide Etch) 에칭이나 버닝(burning) 공정을 수행하여 잔존하는 입자들(322)을 제거하여, 도 3f 에 도시된 바와 같은, 투명 전극층을 완성한다. 이 때, 입자들(322)이 실리카 계열의 재료로 구성된 경우에는 BOE 에칭을 수행하여 입자들(322)을 제거하고, 입자들(322)이 라텍스 계열의 재료로 구성된 경우에는 버닝(burning) 공정을 수행하여 입자들(322)을 제거한다.

상술한 과정을 통해서 투명 전극층(330)이 형성되면, 종래 기술의 도 1a 의 (b)에 도시된 바와 같이, N형 전극을 형성하기 위해서 N-GaN층의 일부분이 드러나도록 투명 전극층(330)부터 아래로 식각을 수행하고, 투명 전극층(330)과 N-GaN 층에 패드를 형성하여 발광 소자를 완성한다. 물론, 상술한 바와 같이, 투명 전극층(330)이 형성되기 이전에, 패드를 형성하기 위해서 질화물층의 일부를 N-GaN층이 드러나도록 식각하고, 상술한 투명 전극층(330) 형성 공정을 수행할 수도 있다.

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 형성된 전극층의 평면도이다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 상술한 전극층 형성 과정을 수행하면, 전극층(330)의 표면에는 입자들(322)의 표면이 전사되어 입자들의 곡률과 동일한 곡률을 갖는 복수의 요홈부(330-1)가 형성되고, 요홈부(330-1)들 사이에 투명 전극층(330)의 상부 표면(330-2)이 형성되어 있다.

본 발명에서, 입자의 크기와, 반도체 기판의 ITO 박막(310)에 도포되는 용액에 포함되는 입자의 밀도를 조절하면, 투명 전극층 표면의 패턴을 조절할 수 있고, 이로 인해, 본 발명에 따라서 형성된 투명 전극층으로부터 2D 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 효과를 얻을 수 있는데, 이는 기존의 단일층 ITO와 공기(또는 epoxy) 층에서 발생하는 전반사로 인해 빛의 추출 효율이 감소되었던 종래 기술과는 달리, x, y 축으로 향하는 빛을 회절시켜 z 축으로 방출시키기 때문에 빛의 추출 효율이 향상되는 효과가 나타난다.

도 5 는 본 발명의 투명 전극층을 통해서 빛이 추출되는 현상을 도시하는 도면이다. 도 5 를 참조하면, 반도체 기판에 형성된 활성층에서 발생된 빛이 P-GaN층(300-1)을 통하여 투명 전극층(330)으로 입사되고, 그 빛은 투명 전극층(330)의 표면에서 산란되어 외부로 방출된다.

따라서, 본 발명의 투명 전극층(330)에서는, 표면산란 효과를 통한 빛 추출 효율을 향상시키기 위한 방법으로 기존에 사용되던 Surface texturing 효과가 자연 스럽게 달성되는 효과가 있다.

결론적으로, 종래 기술의 평탄한 표면을 갖는 투명 전극층에 비하여, 본 발명은 공기층과 맞닿는 투명 전극층의 표면에서 발생하는 빛의 전반사를 현저하게 감소시켜 발광 소자의 빛 추출 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 나타난다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1a 및 도 1b 는 종래기술에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하는 도면이다.

도 2 는 종래 기술에 따라서 발생하는 광추출 효율의 문제점을 설명하는 도면이다.

도 3a 내지 도 3f 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 투명 전극층을 형성하는 과정을 구체적으로 설명하는 도면이다.

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 형성된 투명 전극층의 평면을 도시한 도면이다.

도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 형성된 투명 전극층에서의 빛 추출 효율을 설명하는 도면이다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. (a) 기판에 n형 질화물층, 활성층, 및 p형 질화물층을 포함하는 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및

   (b) 동일한 곡률을 갖는 복수의 요홈부가 형성되도록 상기 질화물 반도체층의 상부에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 (b) 단계는

   (b1) 상기 질화물 반도체층에 투명 전극층 형성 물질로 박막을 형성하는 단계;

   (b2) 상기 박막위에 구형의 입자들을 배치하는 단계;

   (b3) 상기 구형의 입자들 사이에 Sol-Gel 방식으로 투명 전극층 형성 물질을 채우고, 상기 투명 전극층 형성 물질을 결정화시키는 단계; 및

   (b4) 상기 입자들을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 (b2) 단계는

   상기 입자들이 포함된 용액을 상기 박막위에 도포하고, 상기 용액의 용매를 증발시켜 상기 입자들을 상기 박막위에 배치하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 (b3) 단계는 상기 투명 전극층 형성 물질을 상기 입자 크기의 절반까지 채운후 결정화하고,

   상기 (b4) 단계는 상기 입자를 구성하는 재질에 따라서 BOE 에칭 공정 또는 버닝(Burning) 공정을 수행하여 상기 입자들을 제거하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자 제조 방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 (b3) 단계는 상기 투명 전극층 형성 물질을 상기 입자가 침적되도록 채운후 결정화하고,

   상기 (b4) 단계는 상기 입자들을 덮는 투명 전극층 형성 물질의 상부와 입자들의 상부를 반응성 이온 식각(RIE) 또는 습식 식각 방법으로 제거한 후, 상기 입자를 구성하는 재질에 따라서 BOE 에칭 공정 또는 버닝(Burning) 공정을 수행하여 상기 입자들을 제거하는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자 제조 방법.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 입자들은

    라텍스 계열의 재료 또는 실리카 계열의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자 제조 방법.
11. 제 6 항에 있어서, 상기 투명 전극층 형성 물질은 인듐틴옥사이드(ITO)인 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자 제조 방법.

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