KR101058649B1 - 투광성 기판을 구비하는 발광다이오드 - Google Patents

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발광다이오드를 제공한다. 상기 발광다이오드는 적어도 적색영역의 광에 대해 투광성을 보이는 기판, 상기 기판 상에 배치된 제1형 반도체층, 상기 제1형 반도체층 상에 배치되되 다중 양자점 구조를 가지는 활성층 및 상기 활성층 상에 배치된 제2형 반도체층을 포함한다.
발광다이오드, 다중 양자점 구조, S-K 성장 모드

Description

투광성 기판을 구비하는 발광다이오드{Light emitting diode including light transmitting substrate}
본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투광성 기판을 구비하는 발광다이오드에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 소자로서, 디스플레이 소자의 광원으로 주로 이용되고 있다. 이러한 발광다이오드는 기존의 광원에 비해 극소형이며, 소비전력이 적고, 수명이 길며, 반응속도가 빠른 등 매우 우수한 특성을 나타낸다. 이와 더불어서, 수은 및 기타 방전용 가스를 사용하지 않으므로 환경 친화적이다.
또한, 상기 발광다이오드는 자외선, 가시광선 또는 적외선의 다양한 파장광을 확보할 수 있기 때문에 널리 이용되고 있다. 그 중에서도 적외선 발광다이오드를 제조하기 위해 종래에는 기판으로서 GaAs가 사용되었고, 에피층으로서 상기 GaAs 기판과의 격자 상수 차이가 적은 [AlxGa1-x]yIn1-y가 주로 사용되었다.
그러나, 상기 GaAs 기판은 밴드갭 에너지가 1.42eV로 매우 낮아 적색 파장광 을 흡수하는 특징이 있어, 외부양자효율이 현저하게 감소하는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기 GaAs 기판을 제거하는 공정이 추가되었으나, 이에 따라, 제조공정의 복잡화와 더불어, 제조비용이 증가되는 추가적인 문제점이 발생될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 제조공정의 단순화와 더불어 제조비용을 절감할 수 있는 발광다이오드를 제공함에 있다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 외부양자효율을 향상시킬 수 있는 발광다이오드를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 발광다이오드를 제공한다. 상기 발광다이오드는 적어도 적색영역의 광에 대해 투광성을 보이는 기판, 상기 기판 상에 배치된 제1형 반도체층, 상기 제1형 반도체층 상에 배치되되 다중 양자점 구조를 가지는 활성층 및 상기 활성층 상에 배치된 제2형 반도체층을 포함한다.
상기 활성층은 장벽층 및 양자점층을 구비하되, 상기 장벽층 및 상기 양자점층을 교번적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 양자점층은 상기 기판과의 격자상수 차이가 1% 내지 3%인 물질을 사용할 수 있다. 일 예로서, 상기 양자점층은 GayIn1-yP층(0<Y<1)일 수 있다. 상기 장벽층은 상기 기판과 격자정합을 이루는 물질 을 사용할 수 있다. 일 예로서, 상기 장벽층은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)일 수 있다.
상기 기판은 GaP 기판 또는 AlP 기판일 수 있고, 상기 제1형 반도체층은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)일 수 있고, 상기 제2형 반도체층은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)일 수 있다. 상기 발광다이오드는 상기 제2형 반도체층 상에 배치된 전류 스프레딩층을 더 포함할 수 있다. 상기 전류 스프레딩층은 ITO층, ZnO층 또는 MgO층일 수 있다.
상술한 바와 같이, 적어도 적색영역의 광에 대해 투광성을 보이는 기판을 사용함으로써 상기 기판을 제거하는 공정이 요구되지 않으므로, 제조공정을 단순화 시키고, 제조비용의 절감을 꾀할 수 있다.
이에 더하여, 적어도 적색영역의 광에 대해 투광성을 보이는 기판을 사용함으로써 상기 기판으로부터 흡수되는 광이 줄어들 수 있으므로, 종래의 AsGa 기판에 비해 외부양자효율이 향상될 수 있다.
이에 더하여, 상기 활성층을 다중 양자점 구조로 구비함으로써 반도체층 내의 전자와 정공의 공간상의 운동을 세 방향에서 모두 제한하여 삼차원적 퍼텐셜 우물을 형성할 수 있기 때문에 상기 활성층을 2차원의 다중양자우물 구조로 형성하는 것에 비해 내부양자효율이 향상될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태 로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(10)이 제공된다. 상기 기판(10)은 적어도 적색영역, 구체적으로 적색영역 내지 녹색영역 일부의 광에 대해 투광성을 보이는 기판일 수 있다. 상기 기판(10)은 적색영역 내지 녹색영역 일부의 광을 투과할 수 있도록 밴드갭 에너지가 2.2eV 이상인 물질을 사용할 수 있다. 일 예로서, 상기 기판(10)은 GaP 기판 또는 AlP 기판일 수 있으며, 바람직하게는 GaP 기판, 더 바람직하게는 n형 GaP기판일 수 있다.
도 2는 격자 상수 및 밴드갭 에너지 사이의 관계를 나타내는 상태도이다.
도 2를 참조하면, 녹색영역은 530㎚~570㎚, 황색영역은 570㎚~600㎚, 주황색영역은 600㎚~630㎚, 적색영역은 630㎚~780㎚의 범위를 가진다. 만약, 밴드갭 에너지가 2.2eV 이상인 기판을 사용하는 경우, 상기 2.2eV 이하의 광, 즉, 560nm 이상의 파장을 갖는 광은 상기 기판을 투과할 수 있다. 그 결과, 녹색영역의 일부, 황색영역, 주황색 영역 및 적색영역의 광을 확보할 수 있다.
다시, 도 1b를 참조하면, 상기 기판(10) 상에 제1형 반도체층(22)을 형성한다. 상기 제1형 반도체층(22)은 제1형 분순물 예를 들어, n형 불순물이 주입된 반도체층일 수 있다. 상기 n형 불순물은 Si 및 Te 중 적어도 어느 하나를 함유할 수 있으며, 상기 반도체층은 상기 기판(10)과 격자정합을 이루는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체층일 수 있다. 일 예로서, 상기 반도체층은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)일 수 있다.
상기 제1형 반도체층(22)은 MOCVD 기술을 사용하여 형성할 수 있다. 이를 위해, Ⅲ족 소오스 및 Ⅴ족 소오스를 사용할 수 있다. 상기 Ⅲ족 소오스는 TMGa 및 TMAl일 수 있으며, 상기 Ⅴ족 소오스는 PH3 가스일 수 있다.
상기 제1형 반도체층(22)은 650℃ 내지 850℃ 사이, 바람직하게는 700℃ 내지 850℃ 사이의 온도에서, 20mbar 내지 200mbar 사이, 바람직하게는 20mbar 내지 30mbar 사이의 압력을 가하여 형성할 수 있다. 상기 제1형 반도체층(22)은 0.2㎛ 내지 10㎛ 의 두께로 형성될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 제1형 반도체층(22) 상에 다중 양자점 구조(Multi Quantum Dot Structure)를 가지는 활성층(24)을 형성한다. 상기 활성층(24)은 상기 제1형 반도체층(22)의 표면 상에 균일하게 성장된 장벽층(24a)과, 상기 장벽층(24a) 상에 다수개의 양자점들을 구비하는 양자점층(24b)을 적어도 2층 이상 교번시켜 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 양자점들은 3차원적 아일랜드형상 예를 들어, 피라미드 형상을 가질 수 있다.
상기 장벽층(24a)은 상기 기판(10)과의 격자정합을 이루는 물질을 사용하여 형성할 수 있으며, 상기 양자점층(24b)은 상기 기판(10)과 격자 부정합을 이루는 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 즉, 상기 양자점층(24b)은 상기 장벽층(24a) 상에 배치되지만, 상기 장벽층(24a), 상기 제1형 반도체층(22) 및 상기 기판(10)은 서로 격자 정합을 이루기 때문에, 상기 양자점층(24b)은 상기 기판(10)과 격자 부정합을 이룰 수 있다.
상기 기판(10)과 격자 부정합을 이루는 물질을 사용하여 상기 양자점층(24b)을 형성하는 경우, 상기 격자 부정합에 의한 응력에 의해 피라미드 형상의 양자점이 자발적으로 형성될 수 있다.
이러한 자발적 양자점은 S-K(Stranski-Krastanow mode) 성장모드에 의해 설명될 수 있다. 구체적으로, 양자점층(24b)을 이루기 위한 박막의 표면 에너지가 작고, 상기 양자점층(24b)을 이루는 원자와 상기 기판(10)을 이루는 원자와의 격자 부정합도가 클 때, 상기 양자점층(24b)은 초기에 균일한 박막으로 성장되다가 일정 두께 이상이 되면, 에너지적으로 안정성을 가지기 위해 3차원적 아일랜드로 성장된다.
이와 같은 양자점층(24b)은 반도체층들(22, 26) 내의 전자와 정공의 공간상의 운동을 세 방향에서 모두 제한하여 3차원적 퍼텐셜 우물을 형성하기 때문에 상기 활성층(24)을 2차원의 다중양자우물 구조로 형성하는 것에 비해 내부양자효율이 향상될 수 있다.
상기 양자점층(24b)은 상기 기판(10)과 적어도 1% 내지 3%의 격자 부정합도를 가질 수 있으며, 바람직하게는 2% 내지 3%의 격자 부정합도를 가질 수 있다.
일 예로서, 상기 장벽층(24a)은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)일 수 있으며, 상기 양자점층(24b)은 GayIn1-yP층일 수 있다. 여기서, 상기 양자점층(24b)이 상기 기판(10)과 적어도 1% 내지 3%의 격자 부정합도를 가지기 위해, 상기 Y는 0<Y<1, 바람직하게는 0.5<Y<0.9를 가질 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 활성층(24) 상에 제2형 반도체층(26)을 형성한다. 상기 제2형 반도체층(26)은 제2형 분순물 예를 들어, p형 불순물이 주입된 반도체층일 수 있다. 상기 p형 불순물은 Mg일 수 있다. 상기 반도체층은 상기 기판(10)과의 격자정합을 이루는 물질층일 수 있다. 일 예로서, 상기 제2형 반도체층(26)은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)일 수 있다.
도 1e를 참조하면, 상기 제2형 반도체층(26) 상에 전류 스프레딩층(28)을 형성할 수 있다. 상기 전류 스프레딩층(28)은 투명 도전막 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide)막, ZnO막 또는 MgO막일 수 있다.
또한, 상기 제2형 반도체층(26)과 상기 투명 도전막 사이에 오믹콘택층(미도시)이 더 배치될 수 있다. 상기 오믹콘택층은 Cu, Zn 또는 Mg를 함유하는 인듐산화막일 수 있다. 나아가, 상기 제2형 반도체층(26)을 통해 광이 방출되지 않는 경우 즉, 상기 제1형 반도체층(22)을 통해 광이 방출되는 경우에, 상기 투명 도전막 상에 광반사층(미도시)이 더 배치될 수 있다. 상기 광반사층(미도시)은 Al, Ag, Rh, Ru Pt 또는 Pd를 함유하는 층일 수 있다.
상술한 바와 같이, 적어도 적색영역의 광에 대해 투광성을 기판을 사용함으 로써 상기 기판을 제거하는 공정이 요구되지 않으므로, 제조공정을 단순화 시키고, 제조비용의 절감을 꾀할 수 있다.
이에 더하여, 적어도 적색영역의 광에 대해 투광성을 나타내는 기판을 사용함으로써 상기 기판으로부터 흡수되는 광이 줄어들 수 있으므로, 종래의 AsGa기판에 비해 외부양자효율이 향상될 수 있다.
이에 더하여, 상기 활성층을 다중 양자점 구조로 구비함으로써 반도체층 내의 전자와 정공의 공간상의 운동을 세 방향에서 모두 제한하여 삼차원적 퍼텐셜 우물을 형성할 수 있기 때문에 상기 활성층을 2차원의 다중양자우물 구조로 형성하는 것에 비해 내부양자효율이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
기판과 양자점층과의 격자부정합도에 따른 상기 양자점층의 표면 변화도를 알아보기 위해, 기판으로서 GaP 기판을 사용하고, 상기 GaP 기판과의 격자상수 차가 1.5%인 Ga0.8In0.2P 물질과, 상기 GaP 기판과의 격자상수 차가 3.0%인 Ga0.61In0.39P 물질을 준비하여, 상기 기판 상에 양자점층으로서 각각 Ga0.8In0.2P층 및 Ga0.61In0.39P 층을 형성하였다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판과 양자점층 간의 격자부정합도에 따른 양자점층의 표면 변화도를 나타내는 AFM 이미지들이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, GaP 기판과 격자상수 차가 1.5%인 Ga0.8In0.2P를 양자점층으로 형성한 경우, 상기 양자점층들에 구비된 양자점들의 평균 종횡비는 0.08인데 반해(도 3a), GaP 기판과 격자상수 차가 3.0%인 Ga0.61In0.39P를 양자점층으로 형성한 경우, 상기 양자점층에 구비된 양자점들의 평균 종횡비는 0.23으로 나타났다(도 3b).
이와 같은 결과를 통해 상기 양자점의 종횡비는 상기 GaP 기판과 GaxIn1-xP 층과의 격자상수 차가 3.0%에 가까울수록 증가되는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 2는 격자 상수 및 밴드갭 에너지 사이의 관계를 나타내는 상태도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판과 양자점층 간의 격자부정합도에 따른 양자점층의 표면 변화도를 나타내는 AFM 이미지들이다.

Claims (11)

  1. 적어도 적색영역의 광에 대해 투광성을 보이는 GaP 기판 또는 AlP 기판;
    상기 기판 상에 배치된 제1형 반도체층;
    상기 제1형 반도체층 상에 배치되되 다중 양자점 구조를 가지는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치된 제2형 반도체층을 포함하는 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 장벽층 및 양자점층을 구비하되,
    상기 장벽층 및 상기 양자점층이 교번적으로 적층된 구조를 가지는 발광다이오드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양자점층은 상기 기판과의 격자상수 차이가 1% 내지 3%인 물질을 사용하는 발광다이오드.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 양자점층은 GayIn1-yP층(0<Y<1)인 발광다이오드.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 장벽층은 상기 기판과 격자정합을 이루는 물질을 사용하는 발광다이오드.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 장벽층은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)인 발광다이오드.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1형 반도체층은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)인 발광다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2형 반도체층은 AlxGa1-xP층(0≤X≤1)인 발광다이오드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2형 반도체층 상에 배치된 전류 스프레딩층을 더 포함하는 발광다이오드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전류 스프레딩층은 ITO층, ZnO층 또는 MgO층인 발광다이오드.
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