KR101301847B1 - 질화물계 발광 다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드 및 이의 제조방법은 기판, 상기 기판상에 형성된 GaN 층, 상기 GaN 층 상부에서 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성되며 광도파로 구조가 포함된 n-형 하부접촉층, 상기 n-형 하부접촉층 상부에 형성되며 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 활성층, 상기 활성층 상부에 형성되며 p-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 p-형 상부접촉층, 상기 n-형 하부접촉층 상의 노출된 영역에 형성된 n-형 전극; 및 상기 p-형 상부접촉층 상에 형성된 p-형 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 발광 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 광도파로 구조를 가지면서 광추출효율을 증가시킬 수 있는 질화물계 발광 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 발광 소자로서 화합물 반도체의 특성을 이용하여 백라이트 광원, 표시 광원, 일반광원과 풀 칼라 디스플레이 등에 응용되는 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)가 널리 각광받고 있다. 이러한 LED의 재료로서 대표적으로 질화갈륨(GaN, Gallium Nitride), 질화알루미늄(AlN, Aluminum Nitride), 질화인듐(InN, Indium Nitride) 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체가 알려져 있는바, 상기 재료는 직접 천이형의 큰 에너지 밴드 갭(band gap)을 가지고 있어 질화물의 조성에 따라 거의 전파장 영역의 빛을 얻을 수 있다. 또한, ZnO 역시 LED 재료로서 주목받고 있는바, 60 meV의 높은 엑시톤(exciton) 결합 에너지를 갖고 있어 실온에서도 엑시톤의 재결합을 이용하여 고효율 발광소자를 제조할 수 있기 때문이다.
도 1은 일반적인 평면형(planar) LED(10)의 층 구조를 개략적으로 도시하는단면도이다. 상기 도면에 따르면, LED는 아래로부터 기판(substrate; 1), n-형 반도체층(2), 활성층(3) 및 p-형 반도체층(4)의 순으로 구성된다. 상기 p-형 반도체층(4)의 상부에는 p-전극(5)이 형성되는 한편, n-형 반도체층(2)의 노출면 상에 n-전극(6)이 형성되어 있다. 이때, 기판(1)으로서 통상 사파이어, SiC 또는 MgAl2O4 재질을 사용하며, 상기 기판과 n-형 반도체층 간의 격자 상수 부정합을 완화하고 2차원 성장을 유도하기 위하여 완충층(buffer layer; 미도시)이 그 사이에 형성될 수 있다. 상기 활성층(3)은 예를 들면, InGaN/GaN의 양자 우물(quantum well) 구조, 보다 전형적으로는 다중 양자 우물(multiple quantum well) 구조로 이루어져 있다. 상기 활성층 내에서는 p-형 반도체층(4)을 거쳐 유입되는 정공과 n-형 반도체층(2)을 거쳐 유입되는 전자가 결합(recombination)됨으로써 광을 발생시키게 된다. GaN를 기반으로 하는 질화물 반도체는 (0001) 면 위에 소자 구조를 제작할 경우 성장 방향 [0001]으로 자발 분극(spontaneous polarization)이 형성된다. 특히, 대표적인 InGaN/GaN의 다중 양자 우물 구조를 갖는 LED는 (0001)면에 구조를 성장할 경우 양자 우물 구조에 격자 부정합 등에 기인하는 내부 스트레인(strain)이 발생하고 이에 따른 압전기장(piezoelectric fields)에 의하여 양자 구속된 스타크 효과(quantum-confined Stark effect; QCSE)가 야기되므로 내부양자효율이 감소하게 된다.
일반적인 LED의 경우 내부양자효율은 거의 100%에 이르지만(I.Schnitzer 외 4명, Appl. Phys. Lett. 78, 3379) 실제 소자 밖으로 나오는 외부양자효율은 3~30% 이하이다(M. G. Craford, Semiconductor and Semimetals, 64(Academic press, 2000)). LED 내부의 다중 양자 우물에서 발생한 빛이 외부로 방출될 때, 질화 갈륨(굴절률: 약 2.4)과 공기(굴절률 : 약 1)와의 굴절률 차이로 인하여 빛이 방출될 수 있는 임계각(critical angle)이 감소하는데, 이러한 내부 전반사에 의하여 빛의 손실도 야기되며 측면을 통하여 방출되는 빛이 층 내부에서 이동하면서 흡수되어 손실되는 현상도 발생하여 종래의 LED에서의 광추출 효율은 매우 낮다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, P-형 질화갈륨에 마스크 없이 비선택 식각공정을 통하여 표면거칠기를 형성시켜 윗면으로 진행하는 빛이 거친 표면에 도달하였을 때 입사각을 임계각보다 작게 하여 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있게 함으로써 광추출 효율을 증대시킨 예가 있다. 그리고 p-형 질화갈륨을 마스크를 사용하여 건식 식각하여 돌출부를 형성시킴으로써 윗면으로 진행하는 돌출부에 도달하였을 때 입사각을 임계각보다 작게 하여 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져나올 수 있게 함으로써 광추출 효율을 증대시킨 예가 있다.
또한, 미국 특허 US6,842,403호에서는 발광 다이오드의 p-형 질화갈륨 표면에 주기적인 굴절률의 차이를 줌으로써 포토닉 밴드갭이 형성된 광결정을 만들어 줌으로써 빛이 질화갈륨 화합물의 내부에 갇히는 빛의 모드를 바꾸어 주어 빛이 안에 갇히지 않고 밖으로 빠져나올 수 있게 하여 빛의 광추출 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 발광 다이오드 측면에서 나오는 빛을 제어할 수 있도록 하였다. 하지만 실제로 이런 구조를 응용한 논문 Appl. Phys. Lett. 87, 203508(2005)에 따르면 그 구조는 p-형 질화갈륨 박막을 식각하여야 하기 때문에 p-형 오믹층을 형성시키는 면적이 작아져서 시리즈 저항이 커지는 문제점이 발생한다. 한편, 그 구조들은 광결정을 오직 p-형 질화갈륨에 형성하였기 때문에 측면에 갇히는 빛을 꺼낼 수 있는 공간도 오직 p-형 질화갈륨 박막의 두께에 국한되므로, 실제 광추출 효율의 증가는 크지 않다.
최근에는 질화물계 반도체를 이용하여 그 성장 구조 또는 제작 공정을 개선할 수 있는 고효율의 LED 제작 시도가 이루어지고 있다. 이러한 시도의 대표적인 예로써 나로로드 LED를 들 수 있는바, 나노구조의 LED는 종래의 평면형(plannar) 구조에서 야기되는 문제점들을 효과적으로 완화시킬 수 있는 장점을 갖고 있다. 이러한 나노 구조를 형성하기 위한 방안의 하나로서, 국내특허공개번호 제10-2008-30042호는 기판상에 n-형 나노로드, AlInGaN의 다중 양자 우물 및 p-형 나노로드를 순차적으로 성장시키는 기술을 제시하고 있다. 또한 미국특허공개번호 제2009-0146142호는 기판상에 제 1 전극, 기저층(basal layer), 수직으로 형성된 복수의 나노로드(n-형으로 도핑된 바닥부, 활성층 및 p-형으로 도핑된 상단부로 이루어짐), 나노로드 사이에 형성된 절연 영역 및 상기 나노로드와 절연 영역상에 형성된 제 2 전극 순으로 형성하는 LED 제조방법을 개시하고 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
광도파로 구조를 가지면서도 p-형 질화갈륨 박막이 n-형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성 및 광추출 효율을 증가시킬 수 있는 질화물계 발광 다이오드 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 질화물계 발광 다이오드는 기판; 상기 기판상에 형성된 GaN 층; 상기 GaN 층 상부에서 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성되며 광도파로 구조가 포함된 n-형 하부접촉층; 상기 n-형 하부접촉층 상부에 형성되며 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 활성층; 상기 활성층 상부에 형성되며 p-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 p-형 상부접촉층; 상기 n-형 하부접촉층 상의 노출된 영역에 형성된 n-형 전극; 및 상기 p-형 상부접촉층 상에 형성된 p-형 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 n-형 하부접촉층과 활성층 사이에 GaN과 AlxGa1 - xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 n-형 클래드층을 더 포함하고, 상기 p-형 상부접촉층과 활성층 사이에 GaN 과 AlxGa1 - xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 p-형 클래드층을 더 포함할 수 있다.
상기 기판은 사파이어, SiC, GaAs, Si 또는 ZnO 재질인 것이 좋다.
상기 GaN 층은 Ga1 -x-yInxAlyN(0≤x,y≤1, x+y<1)로 형성된 것이 바람직하고, 상기 n-형 하부접촉층은 GaN 층의 상부에서 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 1차 n-형 하부층, 상기 1차 n-형 하부층의 일부면을 선택적 에칭 처리함으로써 형성된 광도파로 구조, 상기 광도파로 구조 상부에서 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 2차 n-형 하부층으로 구성될 수 있다.
여기서 상기 광도파로 구조는 상기 GaN 층 또는 1차 n-형 하부층 상에 연장 형성될 수 있다.
상기 활성층은 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 장벽층과 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 n-형 전극 및 p-형 전극은 투명 전도성 산화물로 형성되며, 산화인듐주석, 산화인듐아연, 산화갈륨아연, 산화알루미늄아연 또는 이들의 조합인 것이 좋다.
상기 광도파로 구조는 직사각형(cubic) 배열 또는 육각형(hexagonal) 배열이고, 홀의 모양은 원형 또는 다각형인 것이 좋고, 상기 광도파로 구조는 E-beam 리소그라피법, 레이져 광의 홀로그램법 또는 나노 임프린트법을 이용하여 형성되는 것이 좋다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 제조방법은 a) 기판상에 LP-유기금속화학증착기(LP-MOCVD, low Pressure Metal OgaRnic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 GaN 층을 형성하는 단계(S110); b) 상기 GaN 층의 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 1차 n-형 하부층을 적층하고 선택적 에칭 처리함으로써 광도파로 구조를 형성하는 단계(S120); c) 상기 광도파로 구조 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 2차 n-형 하부층을 적층하는 단계(S130); d) 상기 2차 n-형 하부층 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 활성층을 적층하는 단계(S140); e) 상기 활성층 상부에 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 p-형 상부접촉층을 적층하는 단계(S150); f) 상기 n-형 하부접촉층 상의 노출된 영역에 n-형 전극 및 상기 p-형 상부접촉층 상에 p-형 전극을 형성하는 단계(S160);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단계 S120 에서, 광도파로 구조는 상기 1차 n-형 하부층 상에 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 산화금속물(ITO, ZnO)을 형성하며, 형성된 산화물층에 크롬(Cr) 등의 메탈층을 형성한 후, 나노임프린트 마스크를 구비하며 마스크를 이용함으로써 유도형 플라즈마 반응기에서 Cl2 또는 BCl3 가 포함된 가스로 GaN 층 표면을 건식 식각함으로써 구현되는 것이 좋다.
또한, 상기 2차 n-형 하부층과 활성층 사이에 GaN과 AlxGa1 - xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 n-형 클래드층을 형성하는 단계(S135)를 더 포함하고, 상기 p-형 상부접촉층과 활성층 사이에 GaN 과 AlxGa1 - xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 p-형 클래드층을 형성하는 단계(S145)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기판은 사파이어, SiC, GaAs, Si 또는 ZnO 재질인 것이 좋다.
상기 GaN 층은 Ga1 -x-yInxAlyN(0≤x,y≤1, x+y<1)로 형성된 것이 좋고, 상기 활성층은 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 장벽층과 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 n-형 전극 및 p-형 전극은 투명 전도성 산화물로 형성되며, 산화인듐주석, 산화인듐아연, 산화갈륨아연, 산화알루미늄아연 또는 이들의 조합인 것이 좋다.
상기 광도파로 구조는 직사각형(cubic) 배열 또는 육각형(hexagonal) 배열이고, 홀의 모양은 원형 또는 다각형이며, 상기 광도파로 구조는 E-beam 리소그라피법, 레이져 광의 홀로그램법 또는 나노 임프린트법을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드 및 이의 제조방법에 의하면, 광도파로 구조를 n-형 하부접촉층에 형성함으로써 광도파로 구조를 가지면서도 p-형 질화갈륨 박막이 n-형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성할 수 있고 광추출 효율을 증가시킬 수 있다.
또한 단일 또는 다중 양자 우물구조의 활성층이나 p-형 질화갈륨 박막이 건식 식각에 의한 데미지를 입지 않으므로 종래 발광다이오드의 전기적 및 광학적 특성이 나빠지는 문제를 해결할 수 있고 또한 고효율 및 고출력 발광소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 제조순서를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 개략도,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 제조방법을 나타낸 순서도,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 Full Wave 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면, 및
도 4b는 광도파로가 형성되지 않은 경우의 Full Wave 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 개략도,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 제조방법을 나타낸 순서도,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 Full Wave 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면, 및
도 4b는 광도파로가 형성되지 않은 경우의 Full Wave 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 질화물계 발광 다이오드 및 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서를 위해서, 도면에서의 동일한 참조번호들은 달리 지시하지 않는 한 동일한 구성부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 제조순서를 나타낸 개략도이고 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 개략도이며 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 제조방법을 나타낸 순서도이고 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 Full Wave 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면, 및 도 4b는 광도파로가 형성되지 않은 경우의 Full Wave 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 살펴보면, 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드는 기판(100), 기판(100) 상에 형성된 GaN 층(200), GaN 층(200) 상부에서 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성되며 광도파로 구조가 포함된 n-형 하부접촉층(300), n-형 하부접촉층(300) 상부에 형성되며 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 활성층(500), 활성층(500) 상부에 형성되며 p-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 p-형 상부접촉층(700), n-형 하부접촉층(300) 상의 노출된 영역에 형성된 n-형 전극(910) 및 p-형 상부접촉층(700) 상에 형성된 p-형 전극(920)을 포함하여 구성된다.
여기서 n-형 하부접촉층(300)과 활성층(500) 사이에 GaN과 AlxGa1 - xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 n-형 클래드층(400)이 추가적으로 더 포함될 수 있고, p-형 상부접촉층(700)과 활성층(500) 사이에 GaN 과 AlxGa1 - xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 p-형 클래드층(600)이 추가적으로 더 포함될 수 있다.
기판(100)으로서 사파이어, SiC, GaAs, Si 또는 ZnO 재질을 사용하며, 현재 주로 사파이어가 주로 사용되고 있다. 이러한 이유는 사파이어 위에 성장한 GaN 박막의 결정성이 양호하고 경제적이기 때문이다.
상기 기판(100)과 n-형 하부접촉층(300) 간의 격자 상수 부정합을 완화하고 2차원 성장을 유도하기 위하여 완충층(buffer layer; 미도시)이 그 사이에 형성될 수 있다.
여기서 기판(100)은 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광다이오드의 제조 후 제거될 수 있으며, n-형 클래드층(400) 및 p-형 클래드층(600)은 필요에 따라 생략될 수 있다.
GaN 층(200)은 Ga1 -x-yInxAlyN(0≤x,y≤1, x+y<1)로 형성되며, 상기 활성층(500)은 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 장벽층과 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 것이 바람직하다
상기 활성층(500)은 예를 들면, InGaN/GaN의 양자 우물(quantum well) 구조, 보다 전형적으로는 다중 양자 우물(multiple quantum well) 구조로 이루어져 있으며 n-형 하부접촉층(300)의 소정영역 상에 형성된다. n-형 클래드층(400)이 형성되는 경우에는 n-형 클래드층(400)이 n-형 하부접촉층(300) 상의 소정영역에 형성되고 n-형 클래드층(400) 상에 활성층(500)이 형성된다. p-형 클래드층(600)을 가지는 경우에는 p-형 클래드층(600)이 활성층(500) 상의 소정영역에 형성되고 p-형 클래드층(600) 상에 p-형 상부접촉층(700)이 형성된다.
상기 활성층 내에서는 p-형 상부접촉층(700)을 거쳐 유입되는 정공과 n-형 하부접촉층(300)을 거쳐 유입되는 전자가 결합(recombination)됨으로써 광을 발생시키게 된다.
n-형 전극(910) 및 p-형 전극(920)은 투명 전도성 산화물로 형성되며, 산화인듐주석, 산화인듐아연, 산화갈륨아연, 산화알루미늄아연 또는 이들의 조합인 것이 좋다. n-형 전극(910)은 n-형 하부접촉층(300)에 있어서 활성층(500) 또는 n-형 클래드층(400)과 활성층(500)이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되고 p-형 전극(920)은 p-형 상부접촉층(700) 상에 형성된다. 또한, n-형 전극(910)은 광도파로 구조의 하단보다 낮게 위치하는 상태로 1차 n-형 하부층(310)의 광도파로 구조를 형성하지 않은 영역에 형성된다.
n-형 하부접촉층(300)은 GaN 층(200)의 상부에서 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 1차 n-형 하부층(310), 1차 n-형 하부층(310)의 일부면을 선택적 에칭 처리함으로써 형성된 광도파로 구조(320), 광도파로 구조(320) 상부에서 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 2차 n-형 하부층(330)으로 구성된다. 또한 광도파로 구조는 상기 GaN 층(200) 또는 1차 n-형 하부층(310) 상에 연장 형성될 수 있다.
여기서 광도파로 구조(320)는 굴절률이 같은 구조를 주기적으로 배열함으로써 도파로를 형성하는 구조를 일컫는 것으로서, 직사각형(cubic) 배열 또는 육각형(hexagonal) 배열로 형성될 수 있고, 홀의 모양은 원형 또는 다각형인 것이 좋으며, 상기 광도파로 구조(320)는 E-beam 리소그라피법, 레이져 광의 홀로그램법 또는 나노 임프린트법을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다. 이외에도 최근에 수백 nm 직경의 작은 구들이 자체결합(self assembly) 방법에 대한 연구가 이루어지고 있다.
도 3을 참고로 하여 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드의 제조방법을 살펴보면, a) 기판(100)상에 LP-MOCVD(low pressure metal oganic chemical vapor deposition)를 이용하여 GaN 층(200)을 형성하는 단계(S110), b) GaN 층(200)의 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 1차 n-형 하부층(310)을 적층하고 선택적 에칭 처리함으로써 광도파로 구조(320)를 형성하는 단계(S120), c) 광도파로 구조(320) 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 2차 n-형 하부층(330)을 적층하는 단계(S130), d) 2차 n-형 하부층(330) 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 활성층(500)을 적층하는 단계(S140), e) 활성층(500) 상부에 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 p-형 상부접촉층(700)을 적층하는 단계(S150), f) n-형 하부접촉층(300) 상의 노출된 영역에 n-형 전극(910) 및 p-형 상부접촉층(700) 상에 p-형 전극(920)을 형성하는 단계(S160)를 포함한다.
여기서 2차 n-형 하부층(330)과 활성층(500) 사이에 GaN과 AlxGa1 - xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 n-형 클래드층(400)을 형성하는 단계(S135) 및 p-형 상부접촉층(700)과 활성층(500) 사이에 GaN 과 AlxGa1 - xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 p-형 클래드층(600)을 형성하는 단계(S145)를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 S120 에서, 광도파로 구조(320)는 상기 1차 n-형 하부층(310) 상에 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 산화금속물(ITO, ZnO)을 형성하며, 형성된 산화물층에 크롬(Cr) 등의 메탈층을 형성한 후, 나노임프린트 마스크를 구비하며 마스크를 이용함으로써 유도형 플라즈마 반응기에서 Cl2 또는 BCl3 가 포함된 가스로 GaN 층 표면을 건식 식각하여 형성된다.
또한 n-형 하부접촉층(300) 상의 노출된 영역에 n-형 전극을 형성하는 단계(S160)는, 광도파로 구조를 형성하지 않은 동시에 광도파로 구조의 하단보다 낮게 위치한 1차 n-형 하부층(310)의 영역에 n-형 전극(910)을 형성하는 과정을 포함한다.
또한 n-형 하부접촉층(300) 상의 노출된 영역에 n-형 전극을 형성하는 단계(S160)는, 광도파로 구조를 형성하지 않은 동시에 광도파로 구조의 하단보다 낮게 위치한 1차 n-형 하부층(310)의 영역에 n-형 전극(910)을 형성하는 과정을 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드에 의해 광추출 효율이 얼마나 증가하는지를 확인하기 위한 Full Wave 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 방법으로는 유전알고리즘(genetic algorism)을 적용한 유한차분시간영역(FDTD, finite difference time domain) 계산툴을 이용하였고 이로써 광도파로가 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 광추출 효율 증가의 결과를 예측할 수 있다. 도 4를 살펴보면, 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드의 경우에는 빛이 발광다이오드 내부에서 공기로 수직성분과 수평성분으로 각각 도파되고, 특히 광도파로가 내부에 형성된 본 발명에 따른 질화물계 발광다이오드의 경우 수직성분으로 도파되는 빛의 양이 크게 증가되는 것을 알 수 있다. 이 값을 정량적으로 측정했을 때 광결정이 없는 구조(b)에 비해 본 발명에 의할 경우 광추출 효율이 2~3배 이상 증가됨을 하단의 그래프를 통하여 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물계 발광 다이오드 및 이의 제조방법에 의하면, 광도파로 구조를 n-형 하부접촉층에 형성함으로써 광도파로 구조를 가지면서도 p-형 질화갈륨 박막이 n-형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성할 수 있고 광추출 효율을 증가시킬 수 있다.
또한 단일 또는 다중 양자 우물구조의 활성층이나 p-형 질화갈륨 박막이 건식 식각에 의한 데미지를 입지 않으므로 종래 발광다이오드의 전기적 및 광학적 특성이 나빠지는 문제를 해결할 수 있고 또한 고효율 및 고출력 발광소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.
100 : 기판 200 : GaN 층
300 : n-형 하부접촉층 310 : 1차 n-형 하부층
320 : 광도파로 구조 330 : 2차 n-형 하부층
400 : n-형 클래드층 500 : 활성층
600 : p-형 클래드층 700 : p-형 상부접촉층
910 : n-형 전극 920 : p-형 전극
300 : n-형 하부접촉층 310 : 1차 n-형 하부층
320 : 광도파로 구조 330 : 2차 n-형 하부층
400 : n-형 클래드층 500 : 활성층
600 : p-형 클래드층 700 : p-형 상부접촉층
910 : n-형 전극 920 : p-형 전극
Claims (17)
- 기판, 상기 기판상에 형성된 GaN 층, 상기 GaN 층 상부에 형성되는 n-형 하부접촉층, 상기 n-형 하부접촉층의 상부에 형성되는 GaN 및 AlxGa1-xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 n-형 클래드층, 상기 n-형 클래드층의 상부에 형성되며 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 활성층, 상기 활성층의 상부에 형성되는 GaN 및 AlxGa1-xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 p-형 클래드층, 상기 p-형 클래드층의 상부에 형성되는 p-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 p-형 상부접촉층, 상기 n-형 하부접촉층 상의 노출된 영역에 형성된 n-형 전극, 상기 p-형 상부접촉층 상에 형성된 p-형 전극을 포함하는 질화물계 발광다이오드에 있어서,
상기 n-형 하부접촉층은 상기 GaN 층의 상부에서 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 1차 n-형 하부층, 상기 1차 n-형 하부층의 상면으로부터 일부면이 선택적 에칭 처리되어 형성되는 직사각형(cubic) 배열 또는 육각형(hexagonal) 배열인 동시에 홀의 모양이 원형 또는 다각형인 광도파로 구조, 상기 광도파로 구조 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 2차 n-형 하부층으로 구성되고,
상기 n-형 전극은 상기 광도파로 구조의 하단보다 낮게 위치하는 상태로 상기 1차 n-형 하부층의 상기 광도파로 구조를 형성하지 않은 영역에 형성되며,
상기 기판은 GaAs, Si 또는 ZnO 재질인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 GaN 층은 Ga1 -x-yInxAlyN(0≤x,y≤1, x+y<1)로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 장벽층과 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드. - 삭제
- 기판상에 LP-유기금속화학증착기(LP-MOCVD, low Pressure Metal OgaRnic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 GaN 층을 형성하는 단계, 상기 GaN 층의 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 n-형 하부접촉층을 적층하는 단계, 상기 n-형 하부접촉층의 상부에 GaN과 AlxGa1-xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 n-형 클래드층을 형성하는 단계, 상기 n-형 클래드층 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 활성층을 적층하는 단계, 상기 활성층의 상부에 GaN 과 AlxGa1-xN(1≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 구성된 p-형 클래드층을 형성하는 단계, 상기 p-형 클래드층의 상부에 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성되는 p-형 상부접촉층을 적층하는 단계, 상기 n-형 하부접촉층 상의 노출된 영역에 n-형 전극 및 상기 p-형 상부접촉층 상에 p-형 전극을 형성하는 단계(S160)를 포함하는 질화물계 발광다이오드 제조방법에 있어서,
상기 GaN 층의 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 n-형 하부접촉층을 적층하는 단계는,
상기 GaN 층의 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 1차 n-형 하부층을 적층하고, 상기 1차 n-형 하부층 상에 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 산화금속물(ITO, ZnO)을 형성한 다음 이 산화물층에 크롬(Cr) 등의 메탈층을 형성하고 이어서 유도형 플라즈마 반응기에서 나노임프린트 마스크를 이용하여 Cl2 또는 BCl3 가 포함된 가스로 상기 1차 n-형 하부층의 상면으로부터 일부면을 건식 식각하여 직사각형(cubic) 배열 또는 육각형(hexagonal) 배열인 동시에 홀의 모양이 원형 또는 다각형인 광도파로 구조를 형성하며, 상기 광도파로 구조 상부에 n-형 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 형성된 2차 n-형 하부층을 적층하는 과정으로 이루어지며,
상기 기판상에 LP-유기금속화학증착기(LP-MOCVD, low Pressure Metal OgaRnic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 GaN 층을 형성하는 단계는,
GaAs, Si 또는 ZnO 재질의 기판상에 LP-유기금속화학증착기(LP-MOCVD, low Pressure Metal OgaRnic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 GaN 층을 형성하는 과정이며,
상기 n-형 하부접촉층 상의 노출된 영역에 n-형 전극을 형성하는 단계는,
상기 광도파로 구조를 형성하지 않은 동시에 상기 광도파로 구조의 하단보다 낮게 위치한 상기 1차 n-형 하부층의 영역에 상기 n-형 전극을 형성하는 과정인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 10 항에 있어서,
상기 GaN 층은 Ga1 -x-yInxAlyN(0≤x,y≤1, x+y<1)로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 활성층은 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 장벽층과 AlxGayInzN(0≤x,y,z≤1)로 구성된 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광다이오드 제조방법. - 삭제
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