KR101662202B1 - 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

발광 다이오드를 제공한다. 발광 다이오드는 기판, 기판 상에 위치하는 n형 반도체층, n형 반도체층 상에 위치하는 활성층, 활성층 상에 위치하는 p형 반도체층, p형 반도체층 상에 위치하는 반사층, n형 반도체층과 전기적으로 연결된 n형 전극, 반사층 상에 위치하는 p형 전극 및 이러한 반사층 상에 위치하되, p형 전극과 이격되어 배치된 패턴된 제1 자기 구조체를 포함한다. 따라서, 패턴된 자기 구조체를 이용하여 내부 양자효율을 향상시킨 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

Description

발광 다이오드 {Light emitting device}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 자기장을 이용하여 내부 양자효율을 향상시킨 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(light-emitting diode: LED)는 p-n접합 다이오드의 일종으로, 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochromatic light)이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체 소자이다.
발광 다이오드의 동작은 양극과 음극으로 표현되는 2개의 전극에 전압을 인가하고, 전압의 인가에 따른 전류의 공급에 의해 발광동작이 수행되는 메커니즘이다. 특히, 다중양자우물 구조가 형성된 활성층에는 n형 반도체층과 p형 반도체층이 상하부에 접촉된다. n형 반도체층은 활성층에 전자를 공급하고, p형 반도체층은 활성층에 정공을 공급한다. 다중양자우물 구조에 투입된 전자 및 정공은 양자구속효과에 의해 우물층 내부에 정의되고, 재결합에 의해 발광동작이 수행된다.
질화 갈륨(GaN)으로 대표되는 질화물계 화합물 반도체(Nitride Compound Semiconductor)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2 eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.
질화갈륨 계열 물질 기반의 발광 다이오드의 양자효율을 향상 시킬 수 있는 방법으로 자기장을 이용하는 방법이 제시되었다.
하지만, 활성층내에서 전하운반자들의 직선 운동을 외부 자기장에 의해 사이클로트론 운동으로 변화시키기에는 활성층의 두께가 얇아 효과적이지 못하다.
이를 개선하기 위해 자성층을 발광 다이오드 소자에 직접적으로 성장하여 활성층에 자기장을 인가하도록 하였다.
하지만, 자성층에서 인가되는 불균일한 자기장의 범위가 매우 커서 전하운반자들의 운동 변화에 영향이 낮은 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 패턴된 자기 구조체를 이용하여 내부 양자효율을 향상시킨 발광 다이오드를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 발광 다이오드를 제공한다. 상기 발광 다이오드는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층 상에 위치하는 활성층, 상기 활성층 상에 위치하는 p형 반도체층, 상기 n형 반도체층과 전기적으로 연결된 n형 전극, 상기 p형 반도체층 상에 위치하여 상기 p형 반도체층과 전기적으로 연결된 p형 전극 및 상기 p형 반도체층 상에 위치하되, 상기 p형 전극과 이격되어 배치된 패턴된 자기 구조체를 포함할 수 있다.
이때의 패턴된 제1 자기 구조체는 Co, Fe, Ni, Gd, Dy, NdFeB 및 이들의 2 이상의 합금 중 적어도 어느 하나의 강자성 물질을 포함할 수 있다.
또한, 이러한 패턴된 제1 자기 구조체는 라인 패턴, 홀 패턴 또는 닷 패턴일 수 있다.
또한, 이때의 패턴된 제1 자기 구조체는 자화 열처리된 것을 특징으로 한다.
이러한 패턴된 제1 자기 구조체의 자화 방향은 상기 기판에 수직 또는 수평 방향인 것을 특징으로 한다.
또한, n형 반도체층 및 p형 반도체층 중 적어도 어느 하나는 강자성 물질을 포함할 수 있다.
이때의 강자성 물질은 Co, Fe, Ni 및 Mn로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 기판 하부에 위치하는 제2 자기 구조체를 더 포함할 수 있다.
이때의 제2 자기 구조체는 패턴된 구조일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 발광 다이오드를 제공한다. 이러한 발광 다이오드는 지지기판, 상기 지지기판 상에 위치하는 패턴된 제1 자기구조체, 상기 패턴된 제1 자기구조체 사이로 노출된 지지기판 상에 위치하는 p형 전극, 상기 패턴된 제1 자기구조체 및 p형 전극 상에 위치하는 반사층, 상기 반사층 상에 위치하는 p형 반도체층, 상기 p형 반도체층 상에 위치하는 활성층, 상기 활성층 상에 위치하는 n형 반도체층 및 상기 n형 반도체층과 전기적으로 연결된 n형 전극을 포함할 수 있다.
또한, 이때의 패턴된 제1 자기 구조체는 Co, Fe, Ni, Gd, Dy, NdFeB 및 이들의 2 이상의 합금 중 적어도 어느 하나의 강자성 물질을 포함할 수 있다.
또한, 이러한 패턴된 제1 자기 구조체는 자화 열처리된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 패턴된 자기 구조체를 이용하여 내부 양자효율을 향상시킨 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
또한, 발광 다이오드의 n형 반도체층 또는 p형 반도체층에 강자성 물질을 포함시킴으로써, n형 반도체층 또는 p형 반도체층을 자화시켜 활성층 내의 자기장 세기를 증가시켜 내부 양자효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 발광 다이오드의 상단뿐만 아니라 하단부에 자기 구조체를 추가함으로써, 활성층 내의 자기장 세기를 증가시켜 내부 양자효율을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.
도 2 및 도 3은 자기장에 의해 활성층 내에서 발생되는 전자 및 정공의 운동을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.
도 5는 제조예 1에 따라 제조된 발광 다이오드의 단면도이다.
도 6은 제조예 1에 따라 제조된 발광 다이오드의 상부 이미지이다.
도 7은 제조예 2에 따라 제조된 발광 다이오드의 단면도이다.
도 8은 제조예 2에 따라 제조된 발광 다이오드의 상부 이미지이다.
도 9는 제조예 1, 제조예 2 및 비교예 1에 따른 발광 다이오드의 광출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 제조예 2 및 비교예 2에 따른 발광 다이오드의 전압 및 전류 그래프이다.
도 11은 제조예 2 및 비교예 2에 따른 발광 다이오드의 광출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 비교예 2에 따른 발광 다이오드의 EL 스펙트라 그래프이다.
도 13은 제조예 2에 따른 발광 다이오드의 EL 스펙트라 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(100), 버퍼층(200), n형 반도체층(300), 활성층(400), p형 반도체층(500), 반사층(600), n형 전극(700), p형 전극(800) 및 패턴된 제1 자기 구조체(900)를 포함한다.
기판(100)은 소정의 광투과도를 가지고 n형 반도체층(300)의 성장을 용이하게 할 수 있는 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
예컨대, 발광 구조가 질화물 계열의 화합물 반도체 또는 산화물 계열의 화합물 반도체로 구성되고, 육방정계 구조를 가지는 경우, 기판(100)도 육방정계의 결정구조를 가짐이 바람직하다. 이외에도 기판(100)은 비정질상 또는 육방정계 이외의 결정구조를 가진 상태에서 그 상부에 단결정 박막이 구비된 형태로 제공될 수 있다.
또한, 이때의 기판(100)은 임의의 기판 상에 나노 구조체가 형성된 형태로 제공될 수도 있다. 이때의 나노 구조체는 패턴 형상일 수 있다.
한편, 발광 다이오드가 플립칩(Flip Chip) 타입인 경우, 기판(100)은 투광성 기판일 수 있다. 이러한 투광성 기판(100)은 적어도 가시광 영역에서 광 투과가 가능한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 투광성 기판(100)은 사파이어 기판, ZnO 기판, GaN 기판, SiC 기판, LiAl2O3 기판 등일 수 있으며, 바람직하게는 사파이어 기판일 수 있다.
또한, 플립칩 타입의 경우, 기판(100)에서의 빛의 산란을 방지하기 위하여 양면 연마된(Double side polished) 기판을 사용할 수 있다.
버퍼층(200)은 기판(100) 상에 위치한다. 이러한 버퍼층(200)은 기판(100)과 후술하는 n형 반도체층(300)의 격자 상수의 차이에 따른 격자 부정합을 최소화하기 위한 것이다. 다만, 경우에 따라, 버퍼층(200)은 생략될 수 있다.
예를 들어, 사파이어 기판 상에 n형 반도체층으로 n형 GaN층을 형성하는 경우, 사파이어 기판과 n형 GaN층 사이에 버퍼층(200)으로 언도프드(undoped) GaN층(u-GaN층)을 소정의 두께로 형성하여 결함 밀도를 감소시킬 수 있다.
이러한 버퍼층(200)은 유기 금속 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.
n형 반도체층(300)은 버퍼층(200) 상에 위치한다. 한편, 경우에 따라 버퍼층(200)이 생략된 경우, n형 반도체층(300)은 기판(100) 상에 위치할 수 있다.
n형 반도체층(300)은 질화물계 물질 예컨대, 질화갈륨을 포함할 수 있다. n형 반도체층(300)의 도판트로는 4족 원소가 사용되며, 예컨대 Si 또는 Ge이 도판트로 사용될 수 있다.
이러한 n형 반도체 층(300)은 MOCVD법, HVPE법 또는 MBE법 등을 사용하여 형성할 수 있다.
한편, n형 반도체층(300)은 묽은 자성반도체(Dilute Magnetic Semiconductor, DMS) 물질을 포함할 수 있다.
이러한 묽은 자성반도체는 주로 Ⅱ-Ⅵ 족 이나 Ⅲ-Ⅴ족 반도체의 원소 일부를 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe) 등의 전이금속(transition metal)으로 일부분 치환하였을 경우 기본적인 반도체의 특성은 그대로 유지되며 특정 온도 이하에서 강자성(ferromagnetism) 이나 반강자성(antiferromagnetism) 등의 자기적 특성의 변화가 일어나는 화합물 반도체이다.
즉, n형 반도체층(300)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 강자성 물질은 Co, Fe, Ni 또는 Mn일 수 있다. 이렇게 n형 반도체층(300)에 포함된 강자성 물질은 기판(100)에 수직 또는 수평한 방향으로 자화된 것을 특징으로 한다.
예를 들어, n형 반도체층(300)은 자기적 성질을 가지는 DMS 물질을 금속 유기물 증착법(MOCVD)나 분자빔 에피택시(MBE)등을 이용하여 형성하고, 자화 열처리를 통하여 기판(100)에 수직 또는 수평 방향으로 자화시킬 수 있다.
이 때, DMS층은 강자성 물질을 박막 내부에 첨가하는 방법으로 형성할 수 있다. 이러한 경우 n형 반도체층(300)은 n형 도펀트와 강자성 물질을 상호 첨가하는 방법을 취할 수 있다.
따라서, 이렇게 자화된 강자성 물질은 후술하는 패턴된 제1 자기 구조체(900)에 의하여 활성층(400) 내부에 기판(100)의 수직 또는 수평 방향으로 형성된 자기장의 세기를 보다 증가시켜 줄 수 있다.
활성층(400)은 n형 반도체층(300) 상에 위치한다. 이러한 활성층(400)은 n형 반도체층(300) 및 p형 반도체층(400)으로부터 주입된 전자와 정공이 결합되어 빛이 생성되는 영역이다.
이러한 활성층(400)은 n형 반도체층(300)과 동종의 결정구조를 가지는 물질로 형성함이 바람직하다. 예를 들어, n형 반도체층(300)이 GaN 계열인 경우, 활성층(400)도 GaN 계열로 형성됨이 바람직하다.
이러한 활성층(400)은 단일 양자 우물(Single Quantum Well) 구조 또는 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조일 수 있고, 다중 양자 우물 구조가 바람직하다.
다중 양자 우물 구조는 양자장벽층(quantum barrier layer)과 양자우물층(quantum well layer)이 교대로 적층된 구조를 의미한다. 양자장벽층은 양자우물층의 밴드갭보다 높은 밴드갭을 가진다. 이를 통해 양자우물층에서의 양자구속효과는 유효하게 발현된다. 양자우물층 또는 양자장벽층의 형성은 밴드갭 엔지니어링에 의해 수행된다.
예컨대, 양자우물층은 GaN 혹은 InGaN층을 포함할 수 있다. 또한, 다중 양자 우물 구조 내의 양자장벽층들은 상대적으로 더 두꺼운 장벽층, 밴드갭이 더 넓은 장벽층 또는 p형 불순물이 도핑된 장벽층을 포함할 수 있다.
이러한, 활성층(400) 안의 양자장벽층과 양자우물층의 In 조성 및 층 반복 횟수는 목적으로 하는 발광 파장에 따라 임의로 설정할 수 있다.
이러한 활성층(300)은 MOCVD법, HVPE법 또는 MBE법 등을 사용하여 형성할 수 있다.
p형 반도체층(500)은 활성층(400) 상에 위치한다. p형 반도체층(500)은 질화물계 물질 예컨대, 질화갈륨을 포함할 수 있다. p형 반도체층(500)의 도판트로는 2족 원소가 사용될 수 있으며, Mg이 사용됨이 바람직하다.
이러한 p형 반도체층(500)은 MOCVD법, HVPE법 또는 MBE법 등을 사용하여 형성할 수 있다.
한편, p형 반도체층(500)은 묽은 자성반도체 물질을 포함할 수 있다. 즉, p형 반도체층(500)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 이때의 강자성 물질은 Co, Fe, Ni 또는 Mn인 것을 특징으로 한다. 이와 관련하여 n형 반도체층(300)에서 상술한 바와 동일한 바, 자세한 설명은 생략한다.
한편, 활성층(400)과 p형 반도체층(500) 사이에는 전자장벽층(electron-blocking layer, EBL, 미도시)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 전자장벽층은 InGaN의 증발을 방지하는 역할을 한다. 이 때의 전자장벽층은 AlGaN을 포함할 수 있다.
반사층(600)은 p형 반도체층(500) 상에 위치한다. 이는 플립칩 구조의 발광소자로서 기판을 통해 외부로 빛이 방출되기 때문에 이러한 반사층(600)을 통해 기판 방향으로 빛이 쉽게 나와 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 반사층(600)은 반사율이 높으며, p형 반도체층(500)과 오믹 접촉(ohmic contact)이 가능한 물질이면 어느 것이나 가능할 것이다. 예를 들어, 반사층(600)은 Ag, Al 또는 이들의 2 이상의 합금 물질을 사용할 수 있다. 예컨대, 반사층(600)은 Ni/Ag/Ni 층일 수 있다.
이러한 반사층(600)은 전자빔(e-baem)이나 스퍼터(sputter) 증착법을 통해 형성할 수 있다.
n형 전극(700)은 n형 반도체층(300)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어, n형 전극(700)은 n형 반도체층(300)의 노출된 표면 상에 위치할 수 있다. 즉, 발광 다이오드는 n형 반도체층(300)의 일부가 드러나도록 하는 개구부를 가지며, 이 개구부에 n형 반도체층(300)과 전기적으로 연결되는 n형 전극(700)이 위치할 수 있다.
이러한 n형 전극(700)은 n형 반도체층(300)과 오믹 접합을 이룰 수 있는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 이러한 n형 전극(700)은 Ni, Cr, W, Rh, In, Au, Sn, Zr, Ta, Al, Ti 및 이들의 화합물로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 이러한 n형 전극(700)은 Ti/Au 또는 Ti/Al로 형성될 수 있다.
p형 전극(800)은 반사층(600) 상에 위치한다. 이러한 p형 전극(800)은 p형 반도체층(500)과 오믹 접합을 이룰 수 있는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 이러한 p형 전극(800)은 Ni, Cr, W, Rh, In, Au, Sn, Zr, Ta, Al, Ti 및 이들의 화합물로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, p형 전극(800)은 Cr/Au 또는 Ti/Au로 형성될 수 있다.
패턴된 제1 자기 구조체(900)는 반사층(800) 상에 위치한다. 이 때, 패턴된 제1 자기 구조체(900)는 p형 전극(800)과 이격되어 배치될 수 있다.
이러한 패턴된 제1 자기 구조체(900)는 Co, Fe, Ni, Gd, Dy, NdFeB 및 이들의 2 이상의 합금 중 적어도 어느 하나의 강자성 물질을 포함할 수 있다.
이러한 패턴된 제1 자기 구조체(900)는 라인 패턴, 홀 패턴 또는 닷 패턴일 수 있다. 이 때의 패턴 방법은 공지된 다양한 패터닝 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 패턴된 제1 자기 구조체(900)은 자화 열처리된 것을 특징으로 한다. 이때의 패턴된 제1 자기 구조체(900)의 자화 방향은 기판(100)에 수직 또는 수평 방향인 것을 특징으로 한다. 이때의 자화 형성 방법은 영구자석을 열처리로(anealing furnace)내에 설치한다. 그 다음에 각각의 물질에 맞게 온도와 시간을 조절하여 열처리 중에 일정한 방향으로 자기장을 형성시켜 자화하고자 하는 자성층에 자화 열처리를 할 수 있다.
예컨대, 열처리로의 온도를 조절하고, 외부 자기장을 기판에 수직 또는 수평으로 인가하여 자성층의 자화 방향을 기판에 수직 또는 수평으로 정렬시킬 수 있다.
이러한 패턴된 제1 자기 구조체(900)에 의해 자기장이 생성되면, 활성층(400)에 자기장이 인가될 수 있다. 한편, 이 때 생성되는 자기장의 세기는 불균일하다. 따라서, 이렇게 패턴된 제1 자기 구조체(900)에 의해 발생된 불균일한 자기장 세기에 의해 활성층(400)내의 전하운반자인 전자와 정공이 이동(drift)되어 평면내(in-plane)로 스프레딩(spreading)될 수 있다.
따라서, 전자와 정공이 평면내로 스프레딩되면서 전자와 정공이 재결합할 확률이 높아지게 되고, 결국 내부양자효율이 향상될 수 있다.
나아가, 이러한 제1 자기 구조체(900)는 패턴된 구조인 바, 필름 형태의 자기 구조체에 비하여 활성층(400) 내에 불균일한 자기장의 분포를 보다 많이 만들 수 있다. 따라서, 전하운반자들이 나선운동 할 수 있는 분포를 보다 늘릴 수 있다.
따라서, 다양한 패턴이 적용된 패턴된 제1 자기 구조체(900)는 필름 형태의 자기 구조체보다 내부 양자효율을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 기판(100) 하부에 제2 자기 구조체(미도시)가 더 위치할 수 있다. 이 때의 제2 자기 구조체는 패턴 구조일 수 있다. 이 때의 제2 자기 구조체는 자화 열처리된 것을 특징으로 한다. 이때의 제2 자기 구조체의 자화 방향은 기판(100)에 수직 또는 수평 방향인 것을 특징으로 한다.
이러한 제2 자기 구조체는 패턴된 제1 자기 구조체(900)에 의하여 활성층(400) 내부에 기판(100)의 수직 또는 수평 방향으로 형성된 자기장의 세기를 보다 증가시켜 줄 수 있다.
이하, 자기장에 의해 활성층(400) 내에서 발광되는 전자 및 정공의 운동에 대하여 보다 자세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 자기장에 의해 활성층 내에서 발생되는 전자 및 정공의 운동을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 2는 발광 다이오드에 전기장만 영향을 주는 경우이다. 도 2를 참조하면, 발광 다이오드에 전류가 주입될 때, 전기장(E)에 의해 전자와 정공이 직선 운동을 하게 된다.
특히, GaN 기반의 발광 다이오드에서는 전자가 정공에 비해 이동도가 커서, 전자와 정공이 활성층 내에서 재결합할 확률이 줄어 낮은 내부양자효율을 보이는 문제점이 있다.
도 3은 발광 다이오드에 전기장과 자기장이 함께 영향을 주는 경우이다. 도 3을 참조하면, 불균일한 자기장(∇B)에 의해 전자와 정공이 평면내로 스프레딩된다.
즉, 발광 다이오드에 전류가 흐를 때, 기판에 수직한 방향(001)으로 불균일한 자기장이 걸린 경우, 불균일한 자기장 분포에 의해 전자나 정공이 이동하여 기판에 평행한 방향으로의 국소화(localization)가 이루어지게 된다.
따라서, 활성층 내에서 전자와 정공이 재결합할 확률이 높아지게 되어, 내부양자효율이 향상되게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드는 수직형(vertical) 구조의 발광다이오드이다. 이러한 발광다이오드는 지지기판(1000), 패턴된 제1 자기구조체(900), p형 전극(800), 반사층(600), p형 반도체층(500), 활성층(400), n형 반도체층(300) 및 n형 전극(미도시)을 포함할 수 있다.
지지기판(1000)은 발광 다이오드를 지지하는 역할을 하며, 도전성 재질로 구성될 수 있다. 이러한 지지기판은 Si, SiC, GaAs, GaP, AlGaInP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN를 포함할 수 있다. 만일, 지지기판이 금속을 포함하는 경우, 이러한 지지기판은 Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
패턴된 제1 자기구조체(900)는 지지기판(1000) 상에 위치한다. 이 때의 패턴된 제1 자기 구조체(900)는 Co, Fe, Ni, Gd, Dy, NdFeB 및 이들의 2 이상의 합금 중 적어도 어느 하나의 강자성 물질을 포함할 수 있다.
이러한 패턴된 제1 자기 구조체(900)는 라인 패턴, 홀 패턴 또는 닷 패턴일 수 있다. 이 때의 패턴 방법은 공지된 다양한 패터닝 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 패턴된 제1 자기 구조체(900)은 자화 열처리된 것을 특징으로 한다. 이때의 패턴된 제1 자기 구조체(900)의 자화 방향은 지지기판(1000)에 수직 또는 수평 방향인 것을 특징으로 한다.
이러한 패턴된 제1 자기 구조체(900)에 대한 내용은 도 1에서 상술한 바와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
p형 전극(800)은 패턴된 제1 자기구조체(900) 사이로 노출된 지지기판(100) 상에 위치한다. 따라서, 이러한 p형 전극(800)은 패턴된 구조일 수 있으며, 제1 자기구조체(900)과 이격되어 배치될 수 있다.
이러한 p형 전극(800)은 p형 반도체층(500)과 오믹 접합을 이룰 수 있는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 이러한 p형 전극(800)은 Ni, Cr, W, Rh, In, Au, Sn, Zr, Ta, Al, Ti 및 이들의 화합물로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, p형 전극(800)은 Cr/Au 또는 Ti/Au로 형성될 수 있다.
반사층(600)은 패턴된 제1 자기구조체(900) 및 p형 전극(800) 상에 위치한다. 이러한 반사층(600)은 반사율이 높으며, p형 반도체층(500)과 오믹 접촉(ohmic contact)이 가능한 물질이면 어느 것이나 가능할 것이다. 예를 들어, 반사층(600)은 Ag, Al 또는 이들의 2 이상의 합금 물질을 사용할 수 있다. 예컨대, 반사층(600)은 Ni/Ag/Ni 층일 수 있다.
p형 반도체층(500)은 반사층(600) 상에 위치한다. 또한, 활성층(400)은 p형 반도체층(500) 상에 위치한다. 또한, n형 반도체층(400)은 활성층(500) 상에 위치한다.
이러한 p형 반도체층(500), 활성층(400) 및 n형 반도체층(300)에 대한 구체적인 내용은 적층 구조가 반대인 점을 제외하고 도 1과 관련하여 상술한 바와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
n형 전극은 n형 반도체층(300)과 전기적으로 연결된다. 이러한 n형 전극은 성장기판 상에 n형 반도체층(300), 활성층(400) 및 p형 반도체층(500)을 차례로 성장시킨 후, 이러한 성장기판을 리프트-오프 공정을 통하여 제거하고, 성장기판이 제거되어 외부로 노출된 n형 반도체층(300) 상에 형성될 수 있다.
따라서, 수직형 발광다이오드의 구조에서도 패턴된 자기 구조체를 이용하여 내부 양자효율을 향상시킬 수 있다.
제조예 1
도 5는 제조예 1에 따라 제조된 발광 다이오드의 단면도이다. 도 5와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 제조하였다.
먼저, 양면 연마된(double side polished) 사파이어 기판을 준비한다.
그 다음에, MOCVD법을 이용하여 이러한 사파이어 기판 상에 언도프드 GaN층(u-Gan층), n형 GaN층(n-GaN층), 다중양자우물층(MQW), p형 GaN층(p-GaN층) 및 반사층(Ni/Ag/Ni층)을 순차적으로 성장시켰다.
그 다음에, p-GaN층 상에 포토레지스트를 이용하여 메사 패턴을 형성하고, p-GaN층에서부터 n-GaN층의 일부가 드러날 때까지 이온 결합 플라즈마(ICP)를 이용하여 메사 식각 공정을 수행하였다. 이 때의 식각 가스는 Cl2/H2/CH4/Ar이다.
그 다음에, 반사층 상부에 필름 형태의 CoFe 합금(CoFe alloy) 자기 구조체를 전자빔 증착법을 이용하여 형성하였다.
그 다음에 이러한 CoFe 합금층을 자화열처리 하였다.
즉, 자화 열처리로에 필름형태의 CoFe 합금층이 형성된 발광 다이오드를 위치시키고, 1시간 동안 상온에서 180 ℃로 승온시킨 후, 이 온도에서 1시간 동안 유지하고, 상온으로 천천히 냉각시켜 어닐링(annealing)을 수행하였다.
이때, 열처리로 외부에 전자석을 위치시키고, 이러한 외부 자기장을 기판에 수직으로 인가하여 CoFe 합금층의 자화 방향을 기판에 수직으로 정렬시켰다.
따라서, 자화된 자기 구조체는 활성층 내부에 기판의 수직방향으로 자기장을 형성시킬 수 있다.
도 6은 제조예 1에 따라 제조된 발광 다이오드의 상부 이미지이다. 도 6을 참조하면, 발광 다이오드 상부에 자성층이 위치하고 있음을 확인할 수 있다.
제조예 2
도 7은 제조예 2에 따라 제조된 발광 다이오드의 단면도이다. 도 7과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 제조하였다.
상부에 위치하는 자기 구조체를 패터닝하여 패턴된 제1 자기 구조체를 형성한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 공정을 수행하여 발광 다이오드를 제조하였다. 이 때의 제1 자기 구조체의 패턴은 닷 형태이다.
도 8은 제조예 2에 따라 제조된 발광 다이오드의 상부 이미지이다. 도 8을 참조하면, 발광 다이오드 상부에 패턴된 자기 구조체가 위치하고 있음을 확인할 수 있다.
비교예 1
상부에 자기 구조체를 형성하지 않은 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 공정을 수행하여 발광 다이오드를 제조하였다.
비교예 2
자화 열처리 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는, 제조예 2와 동일한 공정을 수행하여 발광 다이오드를 제조하였다.
실험예 1
제조예 1, 제조예 2 및 비교예 1에 따른 발광 다이오드의 특성을 측정하였다.
도 9는 제조예 1, 제조예 2 및 비교예 1에 따른 발광 다이오드의 광출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 자기 구조체가 성장되지 않은 발광 다이오드(비교예)에 비해 필름형태의 자기 구조체가 성장된 발광 다이오드(제조예 1)의 광출력이 20 % 향상 되었다.
그리고, 닷 패턴의 자기 구조체가 형성된 발광 다이오드(제조예 2)의 광출력이 자기 구조체가 형성되지 않은 발광 다이오드(비교예)에 비해 28 % 향상됨을 알 수 있다.
이는 필름 형태 또는 닷 패턴의 자기 구조체에 의하여 활성층 내의 전하운반자가 존재할 확률이 증가되어 기존의 자기 구조체가 형성되지 않은 발광 다이오드에 비해 많은 전자와 정공이 결합함을 알 수 있다.
나아가, 필름 형태의 자기 구조체보다 패턴된 자기 구조체를 사용하는 경우 광출력이 보다 향상됨을 알 수 있다.
이는 필름 형태의 자기 구조체에서 활성층에 불균일한 자기장이 인가되지만, 그 분포가 간단하여 전하운반자의 국소화 효과를 극대화하기 어렵다. 반면에, 자기 구조체를 필름 형태가 아닌 닷 패턴으로 형성하였을 때, 자기 구조체에서 발광 다이오드의 활성층 내부에 인가되는 불균일한 자기장의 분포가 보다 많아지기 때문이다.
실험예 2
제조예 2 및 비교예 2에 따른 발광 다이오드의 특성을 측정하였다.
도 10은 제조예 2 및 비교예 2에 따른 발광 다이오드의 전압 및 전류 그래프이다.
도 10을 참조하면, 20 ㎃에서 순방향 전압(forward voltage)이 제조예 2 및 비교예 2의 발광 다이오드 모두 3.9 V임을 알 수 있다.
또한, 닷 패턴된 CoFe 자기 구조체를 자화한 발광다이오드(제조예 2)의 경우, 전하운반자가 불균일한 자기장에 의해 드리프트(drift)하게 되어 시리즈 저항(series resistance)이 14.5 Ω 에서 17.5 Ω으로 증가하였다.
도 11은 제조예 2 및 비교예 2에 따른 발광 다이오드의 광출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 자기장에 의해 전하운반자(carrier)들이 localized state에 빨리 confine되면서 방사성 재결합율(radiative recombination rate)가 증가하여, 20 mA에서 광출력이 31 % 향상됨을 알 수 있다.
이는 자화 열처리를 수행한 경우(제조예 2)가 자화 열처리를 수행하지 않은 경우(비교예 2)보다 20mA에서 약 31% 정도 향상된 광 출력을 나타내며, 또한 인가 전류가 높을수록 광 출력의 차이는 더욱 커지는 것을 확인할 수 있다.
이는 자기장에 의해 전하운반자(carrier)들이 국소화 상태(localized state)에 빨리 구속(confine)되면서 방사성 재결합율(radiative recombination rate)이 증가하였기 때문이다.
도 12는 비교예 2에 따른 발광 다이오드의 EL 스펙트라 그래프이고, 도 13은 제조예 2에 따른 발광 다이오드의 EL 스펙트라 그래프이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 자화 열처리를 수행한 경우(제조예 2)가 자화 열처리를 수행하지 않은 경우(비교예 2)보다 전하운반자가 국소화 상태의 잠재적 최소값(potential minima)로 빨리 구속되기 때문에, 자화 열처리를 수행하지 않은 발광 다이오드에 비해 블루 쉬프트(blue shift)가 작게 됨을 알 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 기판 200: 버퍼층
300: n형 반도체층 400: 활성층
500: p형 반도체층 600: 반사층
700: n형 전극 800: p형 전극
900: 패턴된 제1 자기 구조체 1000: 지지기판

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 n형 반도체층;
    상기 n형 반도체층 상에 위치하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하는 p형 반도체층;
    상기 p형 반도체층 상에 위치하는 반사층;
    상기 n형 반도체층과 전기적으로 연결된 n형 전극;
    상기 반사층 상에 위치하는 p형 전극; 및
    상기 반사층 상에 위치하되, 상기 p형 전극과 이격되어 배치된 패턴된 제1 자기 구조체를 포함하고,
    상기 n형 반도체층 및 상기 p형 반도체층 중 적어도 어느 하나는 강자성(ferromagnetism) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패턴된 제1 자기 구조체는 Co, Fe, Ni, Gd, Dy, NdFeB 및 이들의 2 이상의 합금 중 적어도 어느 하나의 강자성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패턴된 제1 자기 구조체는 라인 패턴, 홀 패턴 또는 닷 패턴인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 패턴된 제1 자기 구조체는 자화 열처리된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 패턴된 제1 자기 구조체의 자화 방향은 상기 기판에 수직 또는 수평 방향인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 강자성 물질은 Co, Fe, Ni 및 Mn로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판 하부에 위치하는 제2 자기 구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 자기 구조체는 패턴된 구조인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  10. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 위치하는 패턴된 제1 자기구조체;
    상기 패턴된 제1 자기구조체 사이로 노출된 지지기판 상에 위치하는 p형 전극;
    상기 패턴된 제1 자기구조체 및 p형 전극 상에 위치하는 반사층;
    상기 반사층 상에 위치하는 p형 반도체층;
    상기 p형 반도체층 상에 위치하는 활성층;
    상기 활성층 상에 위치하는 n형 반도체층; 및
    상기 n형 반도체층과 전기적으로 연결된 n형 전극을 포함하는 발광 다이오드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 패턴된 제1 자기 구조체는 Co, Fe, Ni, Gd, Dy, NdFeB 및 이들의 2 이상의 합금 중 적어도 어느 하나의 강자성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 패턴된 제1 자기 구조체는 자화 열처리된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
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