KR100999739B1 - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시 예에 따른 발광소자는, 제1 캐리어 주입층과, 제1 캐리어 주입층 위에 형성된 발광층과, 발광층 위에 형성된 보호층과, 보호층 위에 형성된 금속나노층과, 금속나노층 위에 형성된 제2 캐리어 주입층을 포함한다.

Description

발광소자 및 그 제조방법 {Light emitting device and method for fabricating the same}
실시 예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 넓은 밴드갭으로 인하여 커다란 관심을 받고 있다. 질화물 반도체 발광소자에 대한 연구는 발광효율 향상에 집중되고 있다. 발광효율을 향상시키기 위한 방안으로서 다음 두 가지 방안이 제시되고 있다.
하나는 발광층에서 주입된 전자와 정공의 발광결합 확률을 증대시키므로써 내부양자 효율을 개선하는 방안이다. 다른 하나는 발광층에서 형성된 빛이 효과적으로 외부로 빠져나올 수 있도록 광추출 효율을 증대시키는 방안이다.
그런데 광추출 효율을 증대시키기 위하여 정공주입층의 계면에 요철을 형성하는 방안은 내부양자 효율을 증대시키지 못하는 문제점이 있다. 이에 따라, 내부양자효율을 향상시키면서, 동시에 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 방안의 제시가 요청되고 있다.
실시 예는 내부양자 효율과 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
실시 예에 따른 발광소자는, 제1 캐리어 주입층; 상기 제1 캐리어 주입층 위에 형성된 발광층; 상기 발광층 위에 형성된 보호층; 상기 보호층 위에 형성된 금속나노층; 상기 금속나노층 위에 형성된 제2 캐리어 주입층; 을 포함한다.
실시 예에 따른 발광소자는, 전도성 지지대; 상기 전도성 지지대 위에 형성된 반사층; 상기 반사층 위에 형성된 제1 캐리어 주입층; 상기 제1 캐리어 주입층 위에 형성된 발광층; 상기 발광층 위에 형성된 보호층; 상기 보호층 위에 형성된 금속나노층; 상기 금속나노층 위에 형성된 제2 캐리어 주입층; 상기 제2캐리어 주입층 위에 형성된 제2전극층: 상기 전도성 지지대 아래에 형성된 제1 전극층; 을 포함한다.
실시 예에 따른 발광소자 제조방법은, 제1 캐리어 주입층을 형성하는 단계; 상기 제1 캐리어 주입층 위에 발광층을 형성하는 단계; 상기 발광층 위에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층 위에 금속나노층을 형성하는 단계; 상기 금속나노층 위에 제2 캐리어 주입층을 형성하는 단계; 를 포함한다.
실시 예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 내부양자 효율과 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 발광소자를 나타낸 도면이다.
실시 예에 따른 발광소자는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 캐리어 주입층(11)과, 상기 제1 캐리어 주입층(11) 위에 형성된 발광층(13)과, 상기 발광층(13) 위에 형성된 보호층(15)과, 상기 보호층(15) 위에 형성된 금속나노층(17)과, 상기 금속나노층(17) 위에 형성된 제2 캐리어 주입층(19)을 포함한다.
상기 제1 캐리어 주입층(11)은 전자주입층으로 형성되고, 상기 제2 캐리어 주입층(19)은 정공주입층으로 형성될 수 있다. 또한 상기 제1 캐리어 주입층(11)은 정공주입층으로 형성되고, 상기 제2 캐리어 주입층(19)은 전자주입층으로 형성될 수 있다. 이하의 설명에서는 상기 제1 캐리어 주입층(11)이 전자주입층으로 형성되고, 상기 제2 캐리어 주입층(19)이 정공주입층으로 형성된 예를 기준으로 설명한다.
상기 제1 캐리어 주입층(11), 상기 발광층(13), 상기 제2 캐리어 주입층(19)은 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 질화물 반도체층은 III-V족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 발광층(13)은 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조로 형성될 수 있다. 상기 제2 캐리어 주입층(19)의 상부 표면은 요철 형상 으로 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 발광층(13)에서 발광된 빛이 외부로 추출되는 광추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 보호층(15)은 알루미늄을 포함하는 III-V족 질화물 반도체층을 적어도 하나 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 금속나노층(17)은 소정 형상으로 패터닝되어 형성될 수 있다. 상기 금속나노층(17)이 형성되지 않은 영역에서는 하부에 위치된 상기 보호층(15)이 노출된다.
상기 금속나노층(17)은 전도성 전자(conductive electron)를 포함하는 단일금속으로 형성되거나, 상기 단일금속을 포함하는 금속합금 또는 상기 단일금속을 포함하는 금속질화물로 형성될 수 있다. 부연하여 설명하면, 상기 금속나노층(17)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 철(Fe), 아연(Zn), 주석(Sn), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo)을 포함하는 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 단일금속으로 형성되거나, 상기 단일금속을 포함하는 금속합금 또는 상기 단일금속을 포함하는 금속질화물로 형성될 수 있다.
이하 도 2를 참조하여 실시 예에 따른 발광소자 구조와 제조방법을 설명한다. 도 2는 실시 예에 따른 발광소자의 단면을 나타낸 도면이다.
기판(20) 위에 제1 캐리어 주입층(21)을 형성한다. 상기 제1 캐리어 주입층(21)은 전자주입층으로 형성될 수 있다. 상기 전자주입층은 전자전도성 고품위 질화갈륨계열의 박막층(AlxInyGa1-x-yN, 0≤x, y≤1)으로 형성될 수 있다. 상기 기 판(20)은 이종기판의 경우 Si, 사파이어, SiC, ZnO 혹은 다른 금속산화물이 사용될 수 있고, 동종기판의 경우는 GaN 기판 등이 사용될 수 있다. 상기 제1 캐리어 주입층(21)은 단일층 또는 조성이 서로 다른 다중층으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 캐리어 주입층(21) 위에 발광층(23)을 형성한다. 상기 발광층(23)은 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 발광층(23)은 상기 제1 캐리어 주입층(21)과 제2 캐리어 주입층(29)을 통하여 주입된 전자와 정공이 결합되어 빛을 생성하는 층이다. 상기 발광층(23)은 질화갈륨계열의 단일 박막층 혹은 다중 박막층으로 형성될 수 있다. 전자와 정공이 결합하여 빛을 생성하는 양자우물의 반도체 에너지 밴드갭은 양자벽의 에너지 밴드갭 보다 작게 이루어진다. 에너지 밴드갭의 크기는 양자우물과 양자벽에 적용되는 질화갈륨계열 박막층의 조성을 조절하므로써 제어될 수 있다.
그리고, 상기 발광층(23) 위에 보호층(25)을 형성한다. 상기 보호층(25)은 상기 발광층(23)을 보호한다. 상기 보호층(25)은 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 보호층(25)은 질화갈륨계열의 단일 박막층 또는 조성이 서로 다른 다중층으로 형성될 수 있다.
상기 보호층(25)은 금속나노층(27)을 형성하는 단계에서 화학적 혹은 열적 에칭과 산화 혹은 오염으로부터 상기 발광층(23)을 보호하는 기능을 한다. 상기 보호층(25)의 두께는 100nm 이하로 형성되도록 한다.
상기 보호층(25)의 두께가 얇을 수록 상기 금속나노층(27)의 표면 플라즈몬과 상기 발광층(23) 내의 엑시톤 간에 발광 상호작용은 더욱 커질 수 있게 된다. 이에 따라 상기 발광층(23)에서의 내부 발광효율은 더욱 증대될 수 있다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동(collective wavelike motions)이다. 또한, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다. 이러한 현상을 나타내는 금속으로 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등과 같은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 사용될 수 있다.
상기 발광층(23) 내에서 전자-정공 쌍(pairs) 즉 엑시톤의 에너지가 금속의 표면 플라즈몬 에너지와 비슷할 때, 상기 발광층(23) 내의 엑시톤들은 질화갈륨과 인접하고 있는 금속의 표면 플라즈몬과 강한 상호작용을 하게 된다. 이때, 상기 발광층(23) 내 전자-정공 쌍들은 효과적으로 금속의 표면 플라즈몬들을 여기시키고 여기된 플라즈몬은 다시 효과적으로 빛을 방출하게 된다.
이와 같은 상기 발광층(23) 내 엑시톤과 금속 표면 플라즈몬간의 강한 상호작용은 결국, 상기 발광층(23) 내에서 엑시톤의 자발 발광결합 속도를 높이므로써 발광소자의 내부 발광 양자 효율을 크게 증대시키게 된다.
나노미터 크기의 패터닝된 상기 금속나노층(27)의 표면 플라즈몬이 효과적으로 상기 발광층(23)의 내부 발광 양자 효율을 증대시키기 위해서 상기 보호층(25)의 두께는 50nm 혹은 그 이하로 형성된다. 상기 보호층(25)의 결정성이 우수하여 효과적으로 상기 발광층(23)을 보호할 수 있다면 그 두께는 10nm 혹은 그 이하로 형성될 수 있다.
한편 실시 예에 의하면, 상기 금속나노층(27)을 이용하여 상기 보호층(25) 위에 선택적으로 표면 요철을 갖는 제2 캐리어 주입층(29)을 고온에서 성장시킬 수 있다. 이때, 상기 보호층(25)의 두께가 5nm 이하가 될 경우에는 열화학적 에칭에 의해서 상기 보호층(25)이 상기 발광층(23)을 효과적으로 보호하지 못하게 된다.
이에 따라 실시 예에 의하면, 열화학적 에칭으로부터 효과적으로 상기 발광층(23)을 보호하기 위하여, 상기 보호층(25)은 알루미늄(Al)을 포함하는 질화갈륨계열의 박막으로 형성되도록 할 수 있다. 또한 상기 보호층(25)이 다중층으로 형성되는 경우에, 적어도 한층은 알루미늄(Al)을 포함하는 질화갈륨계열의 박막으로 형성되도록 할 수 있다.
이어서, 상기 보호층(25) 위에 금속나노층(27)을 형성한다. 상기 금속나노층(27)은 전기적으로 전도성을 갖는 금속나노 마스크로 형성될 수 있다. 상기 금속나노층(27)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 혹은 그 원소중 적어도 하나 이상이 포함되는 금속 화합물로 형성될 수 있다.
상기 금속나노층(27)은 전도성 전자(conductive electron)를 갖고 있는 단일금속 혹은 그 단일 금속 원소중 적어도 하나 이상이 포함되는 금속합금 혹은 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기의 전도성 전자를 갖는 단일 금속 물질로 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 철(Fe), 아연(Zn), 주석(Sn), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo) 등이 적용될 수 있다.
상기 금속나노층(27)을 형성하는 물질은 상기 발광층(23)에서 방출되는 빛의 파장에 따라서 선택될 수 있다. 실시 예에 따르면, 자외선 및 가시광선 영역의 빛의 파장에 대해서는 상기 금속나노층(27)은 백금, 팔라듐, 크롬, 니켈, 코발트, 아연, 갈륨, 알루미늄, 은, 금, 구리를 포함하는 그룹 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있다. 또는 상기 금속나노층(27)은 상기 그룹 중에서 적어도 하나의 물질이 포함되는 금속합금 또는 금속질화물로 형성될 수 있다.
은의 플라즈몬 에너지는 3.76 전자볼트(eV)이다. 그러나, 은이 질화갈륨과 인접하고 있을 때 그 표면 플라즈몬 에너지는 대략 3 전자볼트 정도가 된다. 이때, 3 전자볼트는 빛의 파장으로 약 410nm 에 대응되는 에너지다. 표면 플라즈몬 에너지는 인접하고 있는 금속과 유전체의 그 유전상수들에 의해서 결정된다.
금의 경우는 질화갈륨과 인접하고 있을 때 그 표면 플라즈몬에너지는 대략 2.2 전자볼트 (대략 560nm 파장) 이하이다. 알루미늄의 경우는 그 표면 플라즈몬 에너지가 대략 5 전자볼트 (대략 250nm 파장) 정도가 된다.
따라서 상기 금속나노층(27)을 형성함에 있어, 빛의 파장이 400nm 정도 혹은 그 이하인 발광소자의 경우에는, 알루미늄(Al)을 사용하거나, 알루미늄(Al)을 포함하는 금속합금 또는 알루미늄을 포함하는 금속 질화물을 사용할 수 있다.
빛의 파장이 400 내지 500nm 영역인 발광소자의 경우는 은(Ag) 또는 은(Ag)을 포함하는 금속합금으로 상기 금속나노층(27)을 형성할 수 있다. 빛의 파장이 500nm 이상되는 발광소자의 경우는 금(Au) 혹은 이를 포함하는 금속 합금을 사용하여 상기 금속나노층(27)을 형성할 수 있다.
상기 금속나노층(27)은 박막성장 장비 내에서 형성되거나 혹은 박막성장 장비 밖에서 추가적인 공정을 통하여서 형성될 수 있다.
첫째, 박막성장 장비 내에서 형성하는 방법은 상기 보호층(25)을 성장한 후에 해당 금속 물질의 원료를 장비 내부로 주입하여 나노미터 두께의 금속 입자를 형성하는 방법이다.
금속 입자의 크기는 1nm 내지 300nm 정도로 형성될 수 있다. 금속 입자의 크기가 300nm 보다 클 경우에는, 추후 성장되는 고품위 정공주입층의 면적이 감소될 수 있으며, 이에 따라 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 금속 입자의 크기가 1nm 보다 작은 경우에는, 정공주입층 표면의 요철이 효과적으로 형성되지 않을 수 있다.
성장장비의 온도가 높을 경우, 금속 입자들은 반구 모양의 입자 형상을 나타낸다. 성장온도가 낮을 경우는 금속 원소들은 상기 보호층(25) 위에 박막형태로 형성된다. 나노미터 두께의 이러한 박막 형태의 금속층은 성장장비의 온도를 올려서 열처리를 해주므로써 나노미터 크기의 금속 입자들로 변환시킬 수 있다.
둘째, 성장장비 밖에서 상기 금속나노층(27)을 형성하는 방법은 일반적인 패턴 제작 공정으로 수행될 수 있다. 즉 유전물질 패턴 형성 및 금속 증착공정 등을 이용하여 형성될 수 있다.
이 경우 상기 금속나노층(27)은 일정 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 외부 금속 증착공정을 통하여 상기 보호층(25) 위에 나노미터 두께의 금속 박막층을 증착한 경우는 열처리 공정을 통하여 박막층을 금속 입자형태로 전환 시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 금속나노층(27)을 형성하는 물질은 금속 질화물을 포함한다. 금속 질화물은 단일금속 혹은 금속 합금을 성장장비 내에서 질소 원료 가스 분위기 하에 노출시키는 질화처리 공정을 통하여 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기의 질화처리 공정은 상기 금속나노층(27)의 일부 또는 전부를 금속 질화물로 전환시킬 수 있다.
다음으로, 상기 금속나노층(27) 위에 제2 캐리어 주입층(29)을 형성한다. 상기 제2 캐리어 주입층(29)은 정공주입층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 캐리어 주입층(29)은 상기 금속나노층(27) 사이로 노출된 상기 보호층(25) 위에 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 캐리어 주입층(29)의 상부 표면에 요철이 형성되도록 할 수 있다. 상기 제2 캐리어 주입층(29)의 표면 요철은 상기 발광층(23)에서 생성된 빛을 효과적으로 박막 밖으로 추출해 내도록 작용하여 소자의 광추출 효율을 크게 개선한다.
질화갈륨계열의 정공주입층은 상기 금속나노층(27) 위에 본질적으로 증착되지 않는다. 상기 정공주입층은 상기 금속나노층(27) 사이로 노출된 상기 보호층(25) 위에 우선적으로 형성된다. 그리고, 상기 정공주입층은 그 두께가 상기 금속나노층(27)을 이루는 금속입자의 높이보다 커질 때, 두께 증가와 동시에 측면성장도 하게 된다. 정공주입층의 이러한 측면 성장은 금속나노 입자의 일부 혹은 전체를 덮을 수 있다. 이때, 정공주입층의 상부 표면에 요철이 형성된다.
한편, 정공주입층의 상부 표면에 요철이 형성되도록 하기 위한 방안으로서, 실리콘 질화물(SiN) 혹은 마그네슘질화물(MgN) 등의 절연체 나노 마스크를 적용할 수도 있다. 그러나 이러한 절연체 나노 마스크를 적용하는 경우에 요철을 형성할 수는 있지만 소자의 작동전압을 증가시키는 문제점을 갖는다.
따라서 실시 예에서는, 절연체 나노 마스크가 아닌 금속 나노 마스크를 이용하여 정공주입층 표면에 요철을 형성하였다. 이에 따라 실시 예에 의하면 발광소자의 작동전압을 더욱 낮출 수 있는 장점을 갖는다.
실시 예에 의하면, 정공주입층은 금속의 표면 플라즈몬 에너지보다 더 큰 에너지 밴드갭을 갖고 P-형 전도성을 갖는 금속산화물로 형성될 수 있다. 예로서 P-형 전도성을 갖는 금속산화물로는 p-형 아연산화물이 적용될 수 있다.
또한 정공을 균일하게 그리고 효과적으로 주입하기 위하여, 표면 요철을 갖는 정공주입층 위에 투명한 금속산화물층을 형성할 수 있다. 투명한 금속산화물로는 아연산화물(ZnO), 니켈산화물(NiO) 혹은 인듐주석산화물(InSnO) 등을 사용할 수 있다.
상기 발광층(23)에서 나오는 빛을 흡수하지 않으면서 정공을 효과적으로 균일하게 소자내에 주입하기 위하여 상기의 투명한 전도성 금속 산화물층을 적용하는 경우는, 표면 요철을 갖는 정공주입층의 최상위층에 0.25nm 내지 10nm 두께의 질화물 반도체 오믹층을 형성할 수 있다. 상기의 질화물 반도체 오믹층은 질화갈륨계열의 단일층 혹은 다중층으로 형성될 수 있다. 상기의 질화물 반도체 오믹층은 인듐(In)을 포함하는 질화갈륨계열의 물질로 형성될 수 있다. 상기의 질화물 반도체 오믹층은 n-형 도펀트인 실리콘(Si) 혹은 p-형 도펀트인 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 캐리어 주입층(21)에는 제1 전극(22)이 형성되고, 상기 제2 캐리어 주입층(29)에는 제2 전극(24)이 형성된다.
실시 예에 따른 발광소자는 전기적으로 전도성을 갖는 패터닝된 금속나노층을 사용하므로써, 발광소자에 낮은 전기저항 특성을 제공할 수 있다. 또한, 패터닝된 금속나노층이 갖고 있는 표면 플라즈몬과 발광층 속의 엑시톤 간의 상호 작용은 내부양자효율의 획기적인 개선을 제공한다.
따라서, 실시 예에 따른 발광소자는 종래의 p-형 질화갈륨 박막 표면 형상제어 기술들의 근본적 문제점들을 효과적으로 극복하고 광추출 효율 증대와 동시에 내부 양자효율을 증대시키므로써 광소자의 외부 양자 효율을 극대화하여 고광도의 질화갈륨 발광소자를 제공할 수 있다.
한편, 상기 발광층(23)과 상기 제1 캐리어 주입층(21) 사이에 금속나노층이 형성되도록 하므로서 표면 플라즈몬 효과를 활용할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우에는 상기 제1 캐리어 주입층(21) 위에 위치된 금속나노층에 의하여 상기 발광층(23)이 형성되면서 내부에 결정결함이 발생된다. 이에 따라 발광소자의 전기적 특성 및 신뢰성을 저하시키게 된다.
그러나, 실시 예에 의하면, 상기 금속나노층(27)이 상기 보호막(25) 위에 형성되도록 하므로써, 상기 금속나노층(27)의 존재가 상기 발광층(23)의 성장에 부정적인 영향을 미치지 않을 수 있게 된다. 또한 상기 금속나노층(27)에 의하여 표면 플라즈몬 효과가 발생되어 상기 발광층(23) 내에서의 내부 양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 도 3은 실시 예에 따른 수직형 발광소자를 나타낸 도면이다.
실시 예에서는 질화물 반도체 박막성장을 위해서 유기금속 화학 기상 증착 시스템을 사용한다. 기판으로는 사파이어를 사용한다. 암모니아를 질소원으로 사용하고 수소와 질소를 운반가스로 사용한다. 갈륨과 인듐, 알루미늄은 유기금속 소스를 사용한다. n-형 도펀트는 실리콘(Si)을 사용하고 p-형 도펀트는 마그네슘(Mg)을 사용한다.
먼저, 사파이어 기판을 준비하고 제1 캐리어 주입층(31)을 형성한다. 상기 제1 캐리어 주입층(31)은 5㎛ 두께의 n-형 질화물 반도체 전자주입층으로 형성될 수 있다.
다시 상기 제1 캐리어 주입층(31) 위에 발광층(33)을 형성한다. 상기 발광층(33)은 일곱쌍의 질화인듐갈륨/질화갈륨(InGaN/GaN) 다중양자우물구조로 형성될 수 있다.
상기 발광층(33) 위에 보호층(35)을 형성한다. 상기 보호층(35)은 20nm 두께의 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 보호층(35)은 질화갈륨/질화알루미늄갈륨/질화갈륨의 다중층으로 형성될 수 있다.
다음, 상기 보호층(35) 위에 금속나노층(37)을 형성한다. 상기 금속나노층(37)은 5nm 두께의 은(Ag)으로 형성될 수 있다. 다음, 840℃ 온도에서 3분간 열처리를 실시한다.
이어서, 상기 금속나노층(37) 위에 제2 캐리어 주입층(39)을 형성한다. 상기 제2 캐리어 주입층(39)으로 0.5㎛ 두께의 표면 요철을 갖는 P-형 질화갈륨층이 성 장될 수 있다. 그리고 그 상단에 오믹 특성 향상을 위해 1nm 두께의 n-형 질화인듐갈륨층이 형성될 수 있다.
또한 전자를 균일하고 용이하게 주입하기 위해 상기 제2 캐리어 주입층(39) 위에 제2 투명금속산화물층(43)을 형성한다. 상기 제2 투명금속산화물층(43)으로 인듐주석 산화물이 0.2㎛ 두께로 증착될 수 있다.
다음, 레이저 공정을 이용하여 사파이어 기판을 제거한다. 그리고, 노출된 상기 제1 캐리어 주입층(31) 표면을 1㎛ 두께 정도 식각한다. 이어서, 노출된 상기 제1 캐리어 주입층(31)에 제1 투명금속산화물층(41)을 형성한다. 상기 제1 투명금속산화물층(41)으로 인듐주석 산화물이 0.1㎛ 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 투명금속산화물층(41)에 반사층(45)을 형성한다. 상기 반사층(45)은 금속으로 형성될 수 있다. 또한 상기 결과물을 실리콘(Si) 혹은 금속 등의 전자전도성 지지대(49) 위에 결합층(47)을 이용하여 결합한다. 상기 결합층(47)은 공융(eutectic) 금속을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 결과물에 제1 전극(32)과 제2 전극(34)을 형성한다.
실시 예에 따른 발광소자는 전기적으로 전도성을 갖는 금속나노 입자를 사용하므로써, 발광소자에 낮은 전기저항 특성을 제공할 수 있다. 또한, 금속나노 마스크가 갖고 있는 표면 플라즈몬과 발광층 속의 엑시톤간의 상호 작용은 내부양자효율의 획기적인 개선을 제공한다. 실시 예에 따른 발광소자는 광추출 효율 증대와 동시에 내부 양자효율을 증대시키므로써 광소자의 외부 양자 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 기술적 사상을 한정하는 것이 아니며, 실시 예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 발광소자의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시 예에 따른 수직형 발광소자를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21, 31... 제1 캐리어 주입층 13, 23, 33... 발광층
15, 25, 35... 보호층 17, 27, 37... 금속나노층
19, 29, 39... 제2 캐리어 주입층 20... 기판
22, 32... 제1 전극 24, 34... 제2 전극
41... 제1 투명금속산화물층 43... 제2 투명금속산화물층
45... 반사층 47... 결합층
49... 전도성 지지대

Claims (20)

  1. 제1 캐리어 주입층;
    상기 제1 캐리어 주입층 위에 형성된 발광층;
    상기 발광층 위에 형성된 보호층;
    상기 보호층 위에 위치된 금속나노 입자를 포함하는 금속나노층;
    상기 금속나노 입자와, 상기 금속나노 입자 사이에 노출된 상기 보호층 위에 형성되고, 상부 표면이 요철 형상으로 형성된 제2 캐리어 주입층;
    을 포함하고,
    상기 금속나노층은 상기 발광층의 전자-정공 쌍과 상호 작용하여 표면 플라즈몬 파를 발생시키고, 상기 제2 캐리어 주입층 형성 시에 상기 금속나노 입자 사이에 노출된 상기 보호층으로부터 상기 제2 캐리어 주입층이 성장되도록 하여 상기 금속나노 입자 위에 오목부가 위치되고 상기 금속나노 입자 사이의 영역 위에 볼록부가 위치되도록 하며, 상기 제2 캐리어 주입층의 볼록부의 두께는 상기 나노입자의 두께보다 더 큰 발광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 캐리어 주입층은 전자주입층이고, 상기 제2 캐리어 주입층은 정공주입층인 발광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 캐리어 주입층은 정공주입층이고, 상기 제2 캐리어 주입층은 전자주입층인 발광소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 캐리어 주입층, 상기 제2 캐리어 주입층, 상기 발광층은 III-V족 질화물 반도체층으로 형성된 발광소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 캐리어 주입층은 전도성 금속산화물 반도체층으로 형성된 발광소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 보호층은 5 nm 내지 100 nm 두께로 형성된 발광소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 보호층은 알루미늄을 포함하는 III-V족 질화물 반도체층을 포함하는 발광소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 금속나노층은 전도성 전자(conductive electron)를 포함하는 단일금속으로 형성되거나, 상기 단일금속을 포함하는 금속합금 또는 상기 단일금속을 포함하는 금속질화물로 형성된 발광소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속나노층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 철(Fe), 아연(Zn), 주석(Sn), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo)을 포함하는 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 단일금속으로 형성되거나, 상기 단일금속을 포함하는 금속합금 또는 상기 단일금속을 포함하는 금속질화물로 형성된 발광소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속나노층은 1nm 내지 300nm 크기의 금속 입자로 형성된 발광소자.
  11. 삭제
  12. 전도성 지지대;
    상기 전도성 지지대 위에 형성된 반사층;
    상기 반사층 위에 형성된 제1 캐리어 주입층;
    상기 제1 캐리어 주입층 위에 형성된 발광층;
    상기 발광층 위에 형성된 보호층;
    상기 보호층 위에 위치된 금속나노 입자를 포함하는 금속나노층;
    상기 금속나노 입자와, 상기 금속나노 입자 사이에 노출된 상기 보호층 위에 형성되고, 상부 표면이 요철 형상으로 형성된 제2 캐리어 주입층;
    상기 제2캐리어 주입층 위에 형성된 제2전극층:
    상기 전도성 지지대 아래에 형성된 제1 전극층;
    을 포함하고,
    상기 금속나노층은 상기 발광층의 전자-정공 쌍과 상호 작용하여 표면 플라즈몬 파를 발생시키고, 상기 제2 캐리어 주입층 형성 시에 상기 금속나노 입자 사이에 노출된 상기 보호층으로부터 상기 제2 캐리어 주입층이 성장되도록 하여 상기 금속나노 입자 위에 오목부가 위치되고 상기 금속나노 입자 사이의 영역 위에 볼록부가 위치되도록 하며, 상기 제2 캐리어 주입층의 볼록부의 두께는 상기 나노입자의 두께보다 더 큰 발광소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 반사층과 상기 전도성 지지대를 결합하는 결합층을
    포함하는 발광소자
  14. 제12항에 있어서, 상기 반사층과 상기 제1 캐리어 주입층 사이에 제1 투명금속산화물층을 포함하는 발광소자.
  15. 제12항에 있어서, 상기 금속나노층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 철(Fe), 아연(Zn), 주석(Sn), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo)을 포함하는 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 단일금속으로 형성되거나, 상기 단일금속을 포함하는 금속합금 또는 상기 단일금속을 포함하는 금속질화물로 형성된 발광소자.
  16. 제1 캐리어 주입층을 형성하는 단계;
    상기 제1 캐리어 주입층 위에 발광층을 형성하는 단계;
    상기 발광층 위에 보호층을 형성하는 단계;
    상기 보호층 위에 금속나노 입자를 포함하는 금속나노층을 형성하는 단계;
    상기 금속나노 입자와, 상기 금속나노 입자 사이에 노출된 상기 보호층 위에 형성되고, 상부 표면이 요철 형상으로 형성되며 상기 금속나노 입자 위에 오목부가 위치되도록 제2 캐리어 주입층을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 금속나노층은 상기 발광층의 전자-정공 쌍과 상호 작용하여 표면 플라즈몬 파를 발생시키고, 상기 제2 캐리어 주입층 형성 시에 상기 금속나노 입자 사이에 노출된 상기 보호층으로부터 상기 제2 캐리어 주입층이 성장되도록 하여 상기 금속나노 입자 위에 오목부가 위치되고 상기 금속나노 입자 사이의 영역 위에 볼록부가 위치되도록 하며, 상기 제2 캐리어 주입층의 볼록부의 두께는 상기 나노입자의 두께보다 더 큰 발광소자 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 캐리어 주입층은 전자주입층으로 형성되고, 상기 제2 캐리어 주입층은 정공주입층으로 형성되는 발광소자 제조방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제2 캐리어 주입층은 전도성 금속산화물 반도체층으로 형성되는 발광소자 제조방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 보호층은 알루미늄을 포함하는 III-V족 질화물 반도체층을 포함하여 형성되는 발광소자 제조방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 금속나노층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 철(Fe), 아연(Zn), 주석(Sn), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo)을 포함하는 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 단일금속으로 형성되거나, 상기 단일금속을 포함하는 금속합금 또는 상기 단일금속을 포함하는 금속질화물로 형성되는 발광소자 제조방법.
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