KR101220419B1 - 수직 구조 발광 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직 구조 발광 다이오드에 관한 것으로서, n형 전극에 의한 광자의 흡수 및 전류 폭주 효과를 최소화하여 고성능의 수직 구조 발광 다이오드를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 발광 다이오드의 최하부로부터 도전성 전극, 금속 지지층, p형 반도체층, 상기 p형 반도체층의 일부에 삽입된 전류 차단부, 활성층, n형 반도체층 및 n형 전극의 순서로 구성 요소를 포함하고, 상기 n형 전극이 Cr층을 포함한 둘 이상의 금속층을 포함하는 경우, 상기 n형 반도체층에 Cr층, Al층, Pt층, Au층의 순서로 가깝게 배열하는 것을 특징으로 하며, 다른 금속층의 두께가 일정할 경우, Cr층의 두께가 얇아짐에 따라 발광 다이오드의 광 반사율이 증가되는 것을 특징으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 발광 다이오드의 최하부로부터 도전성 전극, 금속 지지층, p형 반도체층, 상기 p형 반도체층의 일부에 삽입된 전류 차단부, 활성층, n형 반도체층 및 n형 전극의 순서로 구성 요소를 포함하고, 상기 n형 전극이 Cr층을 포함한 둘 이상의 금속층을 포함하는 경우, 상기 n형 반도체층에 Cr층, Al층, Pt층, Au층의 순서로 가깝게 배열하는 것을 특징으로 하며, 다른 금속층의 두께가 일정할 경우, Cr층의 두께가 얇아짐에 따라 발광 다이오드의 광 반사율이 증가되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 수직 구조 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 전류 폭주 효과를 방지하기 위한 전류 차단부와 빛의 흡수를 방지할 수 있는 반사 전극을 구비하고 있는 고성능 수직 구조 발광 다이오드에 관한 것이다.
다른 반도체에 비해 가시광의 좁은 파장 영역에서 고성능인 까닭에, 최근 질화갈륨(GaN)을 이용한 LED에 대한 많은 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 그러나, 질화갈륨계 LED의 내부 양자 효율뿐만 아니라, 광 방출 효율에 대한 개선도 여전히 요구되고 있는 상황이다.
플립칩 LED(Filp-Chip LED, FCLED), 공진 공동 LED(Resonant Cavity LED, RCLED), 그리고 수직 구조 LED(Vertical LED, VLED)와 같은 많은 LED 구조가 광 방출 효율을 향상시키기 위해 설계되어 오고 있다. 이 중에서, 수직 구조 LED는 현 제조 기술을 기반으로 광 방출 효율을 최대화할 수 있는 궁극적인 구조로서 인정되고 있다.
한편, 수직 구조 발광다이오드와 관련해서는, 한국공개특허 10-2011-0134715호(이하, '선행문헌') 외에 다수 출원 및 공개되어 있다.
선행문헌에 따른 수직 구조 발광다이오드는, 제 2전극; n형반도체층; p형반도체층; 제 1전극;을 포함하여 이루어지며, 상기 n형반도체층의 하부는 불균일한 것을 특징으로 한다.
이러한 선행문헌과 같은 종래 기술은, 수직 구조 LED에서, p형과 n형 전극들은 LED 칩에서 대향하는 위치에 형성된다. p형 전극은 칩의 일면에 형성되며, n형 전극은 빛의 전파 경로의 중간에 위치하게 된다. 또한 전류가 주입되는 n형 전극 아래의 활성층에서는 전류의 직접 주입에 따른 전류 폭주(current crowding) 현상이 나타날 뿐만 아니라 n형 전극 자체의 광 흡수로 인하여 수직 구조 LED의 광 출력을 저하시키기도 한다. 따라서, 수직 구조 LED의 광 출력을 향상시키기 위하여 n형 전극에 의한 빛의 흡수와 전류 폭주 문제는 해결되어야만 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, n형 전극에 의한 광자의 흡수 및 전류 폭주 효과를 최소화하여 고성능의 수직 구조 발광 다이오드를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 수직 구조 발광 다이오드에 관한 것으로서, 발광 다이오드의 최하부로부터 도전성 전극, 금속 지지층, p형 반도체층, 상기 p형 반도체층의 일부에 삽입된 전류 차단부, 활성층, n형 반도체층 및 n형 전극의 순서로 구성 요소를 포함하고, 상기 n형 전극이 Cr층을 포함한 둘 이상의 금속층을 포함하는 경우, 상기 n형 반도체층에 Cr층, Al층, Pt층, Au층의 순서로 가깝게 배열하는 것을 특징으로 하며, 다른 금속층의 두께가 일정할 경우, Cr층의 두께가 얇아짐에 따라 발광 다이오드의 광 반사율이 증가되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, n형 전극에 의한 광자의 흡수 및 전류 폭주 효과를 최소화하여 고성능의 수직 구조 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 구조를 나타내는 단면도.
도 2 는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 구조를 나타내는 상면도.
도 3 은 본 발명에 따른 전류 및 광의 흐름도.
도 4 는 종래의 비합금 Cr/Au 및 본 발명에 따른 Cr/Al/Pt/Au에 의한 n형 전극의 반사율을 측정한 결과를 보이는 그래프.
도 5 는 종래의 Cr/Au에 의한 n형 전극과 본 발명에 따른 Cr/Al/Pt/Au에 의한 n형 전극의 n형 반도체상에서의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프.
도 6 은 4가지 종류의 수직 구조 발광 다이오드의 전류에 따른 광출력 특성을 나타낸 그래프.
도 7 은 전류 차단부 적용 여부에 따른 전류 밀도를 시뮬레이션한 결과를 보이는 그래프.
도 8 은 4가지 종류의 수직 구조 발광 다이오드의 광출력을 시뮬레이션한 결과를 보이는 그래프.
도 2 는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 구조를 나타내는 상면도.
도 3 은 본 발명에 따른 전류 및 광의 흐름도.
도 4 는 종래의 비합금 Cr/Au 및 본 발명에 따른 Cr/Al/Pt/Au에 의한 n형 전극의 반사율을 측정한 결과를 보이는 그래프.
도 5 는 종래의 Cr/Au에 의한 n형 전극과 본 발명에 따른 Cr/Al/Pt/Au에 의한 n형 전극의 n형 반도체상에서의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프.
도 6 은 4가지 종류의 수직 구조 발광 다이오드의 전류에 따른 광출력 특성을 나타낸 그래프.
도 7 은 전류 차단부 적용 여부에 따른 전류 밀도를 시뮬레이션한 결과를 보이는 그래프.
도 8 은 4가지 종류의 수직 구조 발광 다이오드의 광출력을 시뮬레이션한 결과를 보이는 그래프.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2 는 상면도이다.
도 1 과 도 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드는 최하부로부터 p형 전극으로서의 역할을 하는 Ti와 Au로 이루어진 도전성 전극(10), 금속 지지층(Metal Receptor, 20), 확산 방지 및 접합용 금속층(Barrier/Bonding Metal, 30), 오믹/리플렉터층(Ohmic/Reflector층, 40), p형 반도체층(50), 활성층(60), n형 반도체층(70) 및 n형 전극(80)의 순서로 포함되어 있다.
상기 오믹/리플렉터층(40)은 오믹층과 리플렉터층의 2개의 층으로 구성되어 질 수도 있으며, 오믹층과 리플렉터층이 하나의 층에 의해 구성되어 질 수도 있다.
또한, 상기 p형 반도체층(50)과 n형 반도체층(70)은 질화갈륨(GaN)계인 것을 특징으로 한다.
상기 n형 전극(80)은 하나 이상의 금속층에 의해 이루어지며, 하나 이상의 금속층은 Cr층, Al층, Pt층, Ni층, Ti층, Mo층 및 Au층 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 n형 전극(80)이 둘 이상의 금속층을 포함하는 경우 n형 반도체층(70)에 Cr층, Al층, Pt층, Au층의 순서로 가깝게 배열하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 p형 반도체층(50)의 내부에는 상기 n형 전극(80)으로부터 하부로 흐르는 전류 밀도가 높아지는 것에 의해 발생할 수 있는 전류 폭주 효과(Current Crowding Effect)를 최소화하기 위해 전류 차단부(90)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 3 에 본 발명에 따른 전류 및 광의 흐름도를 나타내었다
도 3 에 따라 본 발명의 바람직한 일실시예의 반사막 특성을 갖는 상기 n형 전극(80)과 상기 전류 차단부(90)에 의한 광자의 흡수 및 전류 폭주 효과의 방지에 대해 더욱 자세히 설명하기로 한다.
도 3 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 우선 상기 n형 전극(80)이 반사율이 높은 경우에 상기 n형 전극(80)으로 입사한 광(도 3 의 ①)의 많은 부분은 상기 오믹/리플렉터층(40)에 의해 다시 반사되게 되고(도 3 의 ②), 반사된 광은 상기 n형 전극(80)이 위치하지 않은 곳을 통해 방출되게 되어(도 3 의 ③) 결과적으로 높은 광 출력 효율을 기대할 수 있다.
또한, 상기 전류 차단부(90)는 상기 p형 반도체층의 일부를 제거한 후, 제거된 부분에 절연성 SiO2 또는 SiNx 를 PECVD 또는 스퍼터링 기법에 의해 증착하는 것에 의해 형성될 수 있다. 상기 전류 차단부(90)의 절연 특성에 의해, 상기 전류 차단부(90)로는 상기 n형 전극(80)으로부터 전류가 흐르지 않게 되어, 전류 밀도가 상기 n형 전극(80)의 바로 아랫 부분에서 폭주하는 현상을 방지할 수 있게 된다.
특성 측정을 위한 시제품의 제작
하기에 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 특성 측정을 위한 시제품의 제조 방법에 대해 주요 특징적인 부분에 대해 개략적으로 설명하기로 한다.
먼저, c-plane 사파이어 기판 위에 LED 에피 구조(epitaxial structure)가 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 기법에 의해 형성된다. 그리고, 수직 구조 발광 다이오드(1mm*1mm 크기)의 제조를 위해, p형 GaN층(50)의 표면이 ICP(inductively coupled plasma) 기법에 의해 일부가 에칭된다. 에칭되는 두께는 p형 GaN층(50)의 두께에 의해 결정되며 p형 GaN층(50)의 두께는 50 ~ 200nm 정도로 형성되는 것이 일반적이므로 상기 두께의 범위에서 에칭을 실시한다. 다음으로, 절연성의 100nm 두께의 SiO2 전류 차단부(90)가 스퍼터링 기법에 의해 에칭된 층에 증착된다. 그 다음 50nm 두께의 ITO(indium tin oxide)가 p형 GaN층(50) 위에 증착되고, 오믹 접촉(Ohmic Contact)을 형성하기 위해 650℃ 정도에서 약 1분간 열처리된다. 이후 리플렉터층을 형성한다. 상기 오믹접촉층과 리플렉터층을 한번에 증착한후 오믹형성을 위하여 열처리를 진행할 수도 있다. 이후 오믹/리플렉터층(40)상에 확산방지 및 접합용 금속층(30)을 형성한다. 상기 확산방지 및 접합용 금속층(30)은 금속 지지층(20)과 상기 발광 구조물을 접합하는 매개 역할을 한다.
상기 확산방지 및 접합용 금속층(30)은 Ag, Ni, Al, Ti, Pd, Pt, Ru, Au, Rh, Ir, Ta, Cu, Ta로 이루어진 적어도 하나 이상의 층을 포함하는 시드 금속층과, Au-Sn, Sn, In, Au-Au, Pd-Sn 및 Pd-In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 도전성 접착층을 포함할 수 있다. 이후 레이저광을 이용하여 성장 기판층으로 사용한 사파이어 기판을 제거한다. 상기 기판을 제거하고 난 후 n형 GaN층(70) 상에 n형 전극(80)을 결합할 수 있도록 n형 GaN층(70)이 노출되도록 일면을 세정하고 식각한다.
다음으로, 상기 n형 전극(80)을 n형 GaN층(70)에 증착한다. 이때 n형 GaN층(70)에 가까운 순서로 배열할 경우, Cr층, Al층, Pt층, Au층의 순서로 된다. 여기서 Cr층은 n형 전극(80)의 가장 아래 부분에 빛의 흡수를 최소화하기 위해 약 5 ~ 20Å 정도로 얇게 증착되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드에 따른 n형 전극(80)의 표면 커버리지(surface coverage)는 약 15%이다.
종래 기술에 의한 수직 구조 발광 다이오드에서 n형 Cr/Au(50nm/1000nm) 전극은 전류 차단부(90)의 존재 여부에 관계없이 같은 제조 기법에 의해 형성되었다.
특성 측정 결과
상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 수직 구조 발광 다이오드의 특성에 대해 측정한 결과를 하기에 설명하기로 한다.
먼저, 도 4 에 종래의 Cr/Au 및 본 발명에 따른 Cr/Al/Pt/Au에 의한 n형 전극의 반사율을 측정한 결과를 나타내었다. 도 4 로부터 알 수 있는 바와 같이, 모든 파장 영역에서 종래 Cr/Au에 의한 n형 전극보다, 본 발명에 따른 Cr/Al/Pt/Au에 의한 n형 전극의 반사율이 더 높게 나타났다.
Cr/Al/Pt/Au(1/250/10/1000nm), Cr/Al/Pt/Au(1.5/250/10/1000nm), Cr/Al/Pt/Au(2.5/250/10/1000nm)에 의한 n형 전극의 측정된 반사율은 각각 460nm에서 76%, 72%, 62%이다. 반면 종래의 Cr/Au(50/1000nm)에 의한 n형 전극은 460nm에서 겨우 38%의 반사율을 나타내었다. 오믹 접촉을 위해 Cr층이 필요하지만, 그 두께는 n형 전극에 의한 빛의 흡수를 방지하기 위해 얇을수록 바람직하다는 것이 실험적으로 증명되었다.
도 5 에 종래 Cr/Au에 의한 n형 전극과 본 발명에 따른 Cr/Al/Pt/Au n형 전극의 n형 GaN 상에서의 전류-전압 특성을 나타내었다.
도 5 로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래 Cr/Au에 의한 n형 전극과 본 발명에 따른 Cr/Al/Pt/Au에 의한 n형 전극 모두 좋은 오믹 특성을 나타내었다. 다만, Cr/Au에 의한 n형 전극이 Cr/Al/Pt/Au에 의한 n형 전극에 비해 약간 더 나은 전기적 특성을 나타내고 있다.
도 6 에 4가지 수직 구조 발광 다이오드에 대한 전류에 따른 광출력 특성을 측정한 결과를 나타내었다.
도 6 의 측정을 위해 4가지 종류의 수직 구조 발광 다이오드를 제조하였고, 각각 패키지 후의 20개의 칩에 대한 평균값을 산출하였다. 도 6 으로부터 Cr/Al/Pt/Au에 따른 n형 전극 및 전류 차단부의 구비에 따라 수직 구조 다이오드의 광출력 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 7 은 전류 차단부의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 7 을 위해 SPECLED 시뮬레이터가 이용되었다. 도 7 의 (a)는 전류 차단부가 없는 경우의 활성층에서의 전류 밀도의 분포를, 도 7 의 (b)는 전류 차단부를 구비하고 있는 경우의 활성층에서의 전류 밀도 분포를 각각 보여주고 있다. 도 7 의 (a)로부터 알 수 있는 바와 같이 전류 차단부가 없는 경우 전류는 주로 n형 전극의 바로 아랫 부분에만 집중되어 있으나, 도 7 의 (b)로부터 p형 GaN 내부에 전류 차단부가 구비된 경우 전류밀도의 분포가 실제로 발광하는 영역에서의 더 높은 것을 알 수 있다.
도 8 은 RATRO라는 소프트웨어를 사용하여 4가지 종류의 수직 구조 발광 다이오드의 광출력을 시뮬레이션한 결과를 도시하고 있다.
전류 차단부와 Cr/Al/Pt/Au에 의한 반사율이 높은 n형 전극은 광출력면에서도 종래 기술과 비교하여 효과적임을 알 수 있다. 또한, 전류 차단부 또는 반사율이 높은 n형 전극 중 어느 한 요소만 구비하고 있는 경우에 비해, 전류 차단부와 반사율이 높은 n형 전극의 시너지(Synergy) 효과를 도 8 로부터 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전류 차단부와 Cr/Al/Pt/Au에 의한 반사율이 높은 n형 전극의 특성에 따라, 수직 구조 발광 다이오드의 성능 향상에 높은 기여를 할 수 있음을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10 : 도전성 전극 20 : 금속 지지층(Metal Receptor)
30 : 확산방지 및 접합용 금속층(Barrier/Bonding Metal)
40 : 오믹/리플렉터층(Ohmic/Reflector층)
50 : p형 반도체층 60 : 활성층
70 : n형 반도체층 80 : n형 전극
90 : 전류 차단부
30 : 확산방지 및 접합용 금속층(Barrier/Bonding Metal)
40 : 오믹/리플렉터층(Ohmic/Reflector층)
50 : p형 반도체층 60 : 활성층
70 : n형 반도체층 80 : n형 전극
90 : 전류 차단부
Claims (4)
- 수직 구조 발광 다이오드에 있어서,
발광 다이오드의 최하부로부터 도전성 전극(10), 금속 지지층(Metal Receptor)(20), 확산방지 및 접합용 금속층(Barrier/Bonding Metal)(30), 오믹/리플렉터층(Ohmic/Reflector)(40), p형 반도체층(50), 상기 p형 반도체층의 일부에 삽입된 전류 차단부(90), 활성층(60), n형 전극(80)과 결합할 수 있도록 그 일면이 세정 식각된 n형 반도체층(70) 및 n형 전극(80)의 순서로 구성 요소를 포함하고,
상기 n형 전극(80)이 Cr층을 포함한 둘 이상의 금속층을 포함하는 경우, 상기 n형 반도체층(70)에 Cr층, Al층, Pt층, Au층의 순서로 가깝게 배열하는 것을 특징으로 하며, 다른 금속층의 두께가 일정할 경우, Cr층의 두께가 얇아짐에 따라 발광 다이오드의 광 반사율이 증가되는 것을 특징으로 하되,
상기 확산방지 및 접합용 금속층(30)은,
Ag, Ni, Al, Ti, Pd, Pt, Ru, Au, Rh, Ir, Ta, Cu, Ta로 이루어진 적어도 하나 이상의 층을 포함하는 시드 금속층과, Au-Sn, Sn, In, Au-Au, Pd-Sn 및 Pd-In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 도전성 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 구조 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 p형 반도체층(50)과 n형 반도체층(70)은,
질화갈륨(GaN)계인 것을 특징으로 하는 수직 구조 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전류 차단부(90)는,
상기 n형 전극(80)으로부터 상기 발광 다이오드의 하부로 흐르는 전류의 폭주 현상을 차단하기 위하여, 상기 p형 반도체층(50)의 일부를 제거하고 그 내부에 절연체 물질로 채워 넣는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 구조 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전류 차단부(90)는,
상기 p형 반도체층(50)의 일부를 제거한 후, 제거된 부분에 절연성 SiO2 또는 SiNx 를 PECVD 또는 스퍼터링 기법에 의해 증착하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 구조 발광 다이오드.
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