KR101013724B1 - Nitride compound light emitting device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물계 화합물 발광소자에 관한 것으로, 기판 상부에 버퍼층, n타입 GaN층, 활성층과 p타입 GaN층이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 p타입 GaN층 상부에 InxGa1-xN층이 형성되어 있고; 상기 InxGa1-xN층에서 n타입 GaN층 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고; 상기 InxGa1-xN층 일부 상부에 요철 형상의 광 추출층(Light extraction layer)이 형성되어 있고; 상기 광 추출층을 감싸며, 상기 InxGa1-xN층의 상부에 투명전극이 형성되어 있고; 상기 광 추출층이 형성되지 않은 투명전극 상부에 p타입 금속층이 형성되어 있고; 상기 메사 식각된 n타입 GaN층 상부에 n타입 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a nitride compound light emitting device, in which a buffer layer, an n-type GaN layer, an active layer and a p-type GaN layer are sequentially stacked on a substrate; An In x Ga 1-x N layer is formed on the p-type GaN layer; Mesa is etched from the In x Ga 1-x N layer to a portion of the n-type GaN layer; An uneven light extraction layer is formed on a portion of the In x Ga 1-x N layer; A transparent electrode is formed on the light extracting layer and on the In x Ga 1-x N layer; A p-type metal layer is formed on the transparent electrode on which the light extraction layer is not formed; An n-type metal layer is formed on the mesa-etched n-type GaN layer.
따라서, 본 발명은 p타입 GaN층 상부에 InxGa1-xN층을 형성하고, 그 상부에 요철 형상의 광 추출층(Light extraction layer)을 형성함으로써, 임계각을 벗어나는 광이 소자 내부에서 갇히는 것을 줄여 외부양자효율을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다. Accordingly, the present invention forms an In x Ga 1-x N layer on the p-type GaN layer and a light extraction layer having an uneven shape on the upper portion thereof, whereby light outside the critical angle is trapped inside the device. By reducing the external quantum efficiency can be improved.
발광, 소자, 광, 추출층, 요철, 전반사Emission, element, light, extraction layer, irregularities, total reflection
Description
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 화합물 발광소자의 단면도1 is a cross-sectional view of a nitride compound light emitting device according to the prior art
도 2는 종래 기술에 따른 질화물계 화합물 발광소자에서 방출된 광이 전반사되어 내부에 갇히는 현상을 설명하기 위한 개념도2 is a conceptual view illustrating a phenomenon in which light emitted from a nitride compound light emitting device according to the related art is totally reflected and trapped inside
도 3은 본 발명에 따른 질화물계 화합물 발광소자의 단면도3 is a cross-sectional view of the nitride compound light emitting device according to the present invention
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 광 추출층의 개구들 및 돌출부들의 평면 형상을 도시한 도면4a to 4c show planar shapes of openings and protrusions of the light extraction layer according to the invention;
도 5는 본 발명에 따른 질화물계 화합물 발광소자에서 방출된 광이 요철 형상의 광 추출층에 의해 외부로 방출되는 상태를 도시한 개념도5 is a conceptual diagram showing a state in which light emitted from the nitride compound light emitting device according to the present invention is emitted to the outside by the light extraction layer having an uneven shape.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 기판 110 : 버퍼층100
120 : n타입 GaN층 130 : 활성층 120: n-type GaN layer 130: active layer
140 : p타입 GaN층 150 : InxGa1-xN층140: p-type GaN layer 150: In x Ga 1-x N layer
160 : 광 추출층(Light extraction layer) 161 : 개구160: light extraction layer 161: opening
162 : 돌출부 170 : 투명전극 162: protrusion 170: transparent electrode
180 : p타입 금속층 190 : n타입 금속층 180: p-type metal layer 190: n-type metal layer
201 : 스트라이프(Stripe) 202 : 원201: Stripe 202: Circle
203 : 다각형203 polygon
본 발명은 질화물계 화합물 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 p타입 GaN층 상부에 InxGa1-xN층을 형성하고, 그 상부에 요철 형상의 광 추출층(Light extraction layer)을 형성함으로써, 임계각을 벗어나는 광이 소자 내부에서 갇히는 것을 줄여 외부양자효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 화합물 발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride compound light emitting device, and more particularly, to form an In x Ga 1-x N layer on the p-type GaN layer, and to form an uneven light extraction layer (light extraction layer) Accordingly, the present invention relates to a nitride compound light emitting device capable of improving external quantum efficiency by reducing light trapped outside the critical angle inside the device.
III족 질화물계 화합물 발광소자는 밴드갭이 넓기 때문에, 다른 반도체를 이용한 소자보다 신뢰성이 뛰어 나고, 발광스펙트럼은 자외선에서 적외선에 이르기까지 넓은 영역의 발광소자의 개발이 가능하다. Since the group III nitride compound light emitting device has a wide band gap, it is more reliable than the device using other semiconductors, and the light emitting spectrum can be developed in a wide range of light emitting devices from ultraviolet rays to infrared rays.
최근에는 III족 질화물계 화합물 반도체 기술이 향상됨에 따라 많은 상업적인 부분에서 적용되고 있다. Recently, the Group III nitride compound semiconductor technology has been applied in many commercial areas.
이러한, III족 질화물계 화합물 발광소자는 MOCVD에 의해 성장이 이루어지며, 기판으로는 사파이어와 실리콘 카바이드 등이 사용되어진다. The group III nitride compound light emitting device is grown by MOCVD, and sapphire, silicon carbide, and the like are used as the substrate.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 화합물 발광소자의 단면도로서, 사파이어 기판(10) 상부에 버퍼층(11), n타입 GaN층(12), 활성층(13)과 p타입 GaN층(14)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 p타입 GaN층(14)에서 n타입 GaN층(12) 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고; 상기 p타입 GaN층(14) 상부에 투명전극(15)이 형성되어 있고; 상기 투명전극(15) 상부에 p타입 금속층(16)이 형성되어 있고; 상기 메사 식각된 n타입 GaN층(12) 상부에 n타입 금속층(17)이 형성되어 있다.1 is a cross-sectional view of a nitride compound light emitting device according to the prior art, in which a
상기 p타입 GaN층(14) 상부의 투명전극(15)은 전류의 확산과 오믹 접촉(Ohmic contact)을 위해 NiAu와 같은 얇은 금속을 열처리하여 만든다. The
그러나, 이 투명전극(15)은 투과율이 높지 않아, 발생된 광에서 일부분만 투과하여 나오게 되는 문제점이 있다.However, this
그러한 문제점을 해결하기 위하여, 투명전극으로 투과율이 좋은 TCO(투명 도전 산화물)를 사용하는 시도가 있으나, p타입 GaN층 상부에 직접 접착하는 것은 구동전압이 높아지는 문제가 있어서 실용성이 거의 없다.In order to solve such a problem, there has been an attempt to use TCO (transparent conductive oxide) having good transmittance as a transparent electrode, but direct adhesion on the p-type GaN layer has a problem that the driving voltage becomes high, so there is little practicality.
최근에는 p타입 GaN층 상부에 n타입 InxGa1-xN층을 얇게 형성하여, TCO계의 투명전극의 사용에도 구동전압을 낮출 수 있게 되었다. Recently, by forming a thin n-type In x Ga 1-x N layer on the p-type GaN layer, it is possible to lower the driving voltage even when using a TCO-based transparent electrode.
이는 터널접합의 원리를 이용한 것으로, 발광효율도 어느 정도 향상을 가져 다 준다. This uses the principle of tunnel junction, which brings some improvement in luminous efficiency.
그러나, 이 경우에도 모든 광을 투과시키지는 못한다. However, even this case does not transmit all the light.
도 2는 종래 기술에 따른 질화물계 화합물 발광소자에서 방출된 광이 전반사되어 내부에 갇히는 현상을 설명하기 위한 개념도로서, 먼저, 굴절율이 다른 두 매질 사이에서 통과하는 광은 그 경계면에서 반사와 투과가 일어나는데, 입사각이 어 떤 각보다 커지게 되면 투과는 이루어지지 않고 전반사가 일어난다. 이때 각을 임계각이라고 한다.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a phenomenon in which light emitted from a nitride compound light emitting device according to the prior art is totally reflected and trapped therein. First, light passing between two media having different refractive indices is reflected and transmitted at an interface thereof. If the angle of incidence is greater than any angle, transmission does not occur and total reflection occurs. The angle is called a critical angle.
이러한, 전반사 현상에 의하여, 종래 기술에 따른 질화물계 화합물 발광소자의 활성층(13)에서 방출된 광이 임계각 이상의 각도를 갖으며 투명전극(15)에 진행되면, 광은 투명전극(15)에서 전반사되어 소자의 내부에 갇히게 되어, 소자의 에피층과 사파이어 기판에 흡수되게 됨으로써, 소자의 외부양자효율은 낮아지게 되는 문제점이 발생된다. When the light emitted from the
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, p타입 GaN층 상부에 InxGa1-xN층을 형성하고, 그 상부에 요철 형상의 광 추출층(Light extraction layer)을 형성함으로써, 임계각을 벗어나는 광이 소자 내부에서 갇히는 것을 줄여 외부양자효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 화합물 발광소자를 제공하는 데 목적이 있다.In order to solve the problems described above, the present invention forms an In x Ga 1-x N layer on the p-type GaN layer and a light extraction layer having an uneven shape on the upper portion thereof, thereby providing a critical angle. It is an object of the present invention to provide a nitride-based compound light emitting device capable of improving external quantum efficiency by reducing light trapped inside the device.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판 상부에 버퍼층, n타입 GaN층, 활성층과 p타입 GaN층이 순차적으로 적층되어 있고; According to a preferred aspect of the present invention, a buffer layer, an n-type GaN layer, an active layer and a p-type GaN layer are sequentially stacked on a substrate;
상기 p타입 GaN층 상부에 InxGa1-xN층이 형성되어 있고; An In x Ga 1-x N layer is formed on the p-type GaN layer;
상기 InxGa1-xN층에서 n타입 GaN층 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고; Mesa is etched from the In x Ga 1-x N layer to a portion of the n-type GaN layer;
상기 InxGa1-xN층 일부 상부에 요철 형상의 광 추출층(Light extraction layer)이 형성되어 있고; An uneven light extraction layer is formed on a portion of the In x Ga 1-x N layer;
상기 광 추출층을 감싸며, 상기 InxGa1-xN층의 상부에 투명전극이 형성되어 있고; A transparent electrode is formed on the light extracting layer and on the In x Ga 1-x N layer;
상기 광 추출층이 형성되지 않은 투명전극 상부에 p타입 금속층이 형성되어 있고; A p-type metal layer is formed on the transparent electrode on which the light extraction layer is not formed;
상기 메사 식각된 n타입 GaN층 상부에 n타입 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물계 화합물 발광소자가 제공된다.A nitride-based compound light emitting device is characterized in that an n-type metal layer is formed on the mesa-etched n-type GaN layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 질화물계 화합물 발광소자의 단면도로서, 기판(100) 상부에 버퍼층(110), n타입 GaN층(120), 활성층(130)과 p타입 GaN층(140)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 p타입 GaN층(140) 상부에 InxGa1-xN층(150)이 형성되어 있고; 상기 InxGa1-xN층(150)에서 n타입 GaN층(120) 일부까지 메사(Mesa)식각되어 있고; 상기 InxGa1-xN층(150) 일부 상부에 요철 형상의 광 추출층(Light extraction layer)(160)이 형성되어 있고; 상기 광 추출층(160)을 감싸며, 상기 InxGa1-xN층(150)의 상부에 투명전극(170)이 형성되어 있고; 상기 광 추출층(160)이 형성되지 않은 투명전극(170) 상부에 p타입 금속층(180)이 형성되어 있고; 상기 메사 식각된 n타입 GaN층(120) 상부에 n타입 금속층(190)이 형성되어 있다.
3 is a cross-sectional view of a nitride compound light emitting device according to the present invention, in which a
이 때, 상기 기판(100)은 사파이어 기판이 바람직하다.At this time, the
여기서, 상기 광 추출층(160)은 상기 InxGa1-xN층(150)을 노출시키는 복수개의 개구들(161)을 갖는 막 또는 상기 InxGa1-xN층(150) 상부에 상호 이격된 복수개의 돌출부들(162)로 이루어진 막으로 형성할 수 있다.Here, the
그리고, 상기 개구들(161) 및 돌출부들(162)의 평면 형상은 도 4a와 같이, 스트라이프(Stripe)(201), 도 4b와 같이, 원(202), 도 4c와 같이, 다각형(203) 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. In addition, the planar shape of the
또한, 상기 광 추출층(160)은 GaN, ITO, ZnO, IZO, AZO, CdO와 MgO 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성할 수 있으며, 상기 광 추출층(160)의 굴절률은 상기InxGa1-xN층(150) 굴절률의 0.2배보다는 크고, InxGa1-xN층 굴절률의 1.2배보다는 작은 것이 바람직하다.In addition, the
게다가, 상기 투명전극(170)은 TCO(투명 도전 산화물)계열의 ITO, ZnO, IZO, AZO, CdO와 MgO 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성한다.In addition, the
한편, 종래 기술과 같이, 상기 p타입 GaN층(140) 상부에 TCO계열의 광 추출층을 형성하면 발광 소자의 구동전압이 높아지기 때문에, 본 발명에서는 p타입 GaN층(140) 상부에 InxGa1-xN층(150)을 형성한 다음, 광 추출층(160)을 형성하는 것이다.On the other hand, as in the prior art, since the driving voltage of the light emitting device is increased when the light extraction layer of the TCO series is formed on the p-
도 5는 본 발명에 따른 질화물계 화합물 발광소자에서 방출된 광이 요철 형상의 광 추출층에 의해 외부로 방출되는 상태를 도시한 개념도로서, 광 추출층이 요철 형상으로 형성되어 있어, 임계각 이상의 각도로 진행하는 광도 상방향으로 잘 방출할 수 있게 되어, 광출력을 향상시킴으로써 외부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다. 5 is a conceptual view showing a state in which light emitted from the nitride compound light emitting device according to the present invention is emitted to the outside by the uneven shape light extraction layer, the light extraction layer is formed in the uneven shape, the angle above the critical angle The light proceeding in the above can be emitted well in the upward direction, and the external quantum efficiency can be improved by improving the light output.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 p타입 GaN층 상부에 InxGa1-xN층을 형성하고, 그 상부에 요철 형상의 광 추출층(Light extraction layer)을 형성함으로써, 임계각을 벗어나는 광이 소자 내부에서 갇히는 것을 줄여 외부양자효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention forms an In x Ga 1-x N layer on the p-type GaN layer and a light extraction layer having an uneven shape on the upper portion thereof, thereby preventing light from escaping the critical angle. By reducing the trapped inside the device it is possible to improve the external quantum efficiency.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
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