KR102110458B1 - 발광다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전 방향에서 고반사도를 갖는 발광다이오드 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 발광다이오드는 기판; 상기 기판 상에 순차적으로 위치하는 제1도전형 질화물 반도체층, 활성층, 제2도전형 질화물 반도체층; 상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 위치하는 n측 전극; 및 상기 제2도전형 질화물 반도체층 상에 위치하는 p측 전극;을 포함하고, 상기 p측 전극은 플레이트층; 및 상기 플레이트층 상에 위치하는 반사층을 포함하며, 상기 플레이트층은 금속으로 둘러싸인 복수개의 나노 홀, 상기 나노 홀 내부에 위치하는 도전층을 포함한다.

Description

발광다이오드 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전 방향에서 고반사도를 갖는 발광다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
질화물계 반도체는 비교적 높은 에너지 밴드갭을 갖는 물질이며, 청색 발광소자로 사용되고 있다. 예를 들어, GaN 반도체는 약 3.4eV의 에너지 밴드갭을 갖는다. 질화물계 반도체에는 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 구조를 갖는 물질이 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래 발광다이오드의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 발광다이오드는 기판(10) 상에 순차적으로 적층되는 버퍼층(11), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(14), p형 질화물 반도체층(15)을 포함한다. 그리고, p형 질화물 반도체층(15) 상에 위치하는 p측 전극(20), p측 전극(20) 상에 위치하는 버퍼 패드(21), 및 식각을 통해 소정 영역이 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상에 형성된 n측 전극(22)을 포함한다. 활성층(14)에서 나오는 광은 상부 방향은 물론, 하부 방향으로도 출사된다. 하부 방향, 즉, 기판 방향으로 출사되는 빛은 기판에 의해서 일부 반사되어 상부 방향으로 출사된다. 하지만, 상부 방향으로 출사되지 못하는 빛은 대부분 손실되기 때문에, 발광다이오드의 광도가 낮아지는 문제점이 있다.
도 2는 종래 플립칩 구조의 발광다이오드의 단면도이다. 플립칩 구조는 도 1의 발광다이오드를 역으로 하여, p전극(23)과 n전극(22)을 전기전도체인 솔더(solder)로 고정하고, 활성층(14)에서 생성되는 광을 상부 방향으로 나오게 하는 구조이다. 이 구조에서 발광다이오드는 상부에서부터 기판(10), 버퍼층(11), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(14), p형 질화물 반도체층(15)을 포함한다. 그리고, p형 질화물 반도체층(15) 상에 위치하는 p측 반사전극(23), p측 반사전극(23) 상에 위치하는 p-범프(30), 식각을 통해 소정 영역이 노출된 n형 질화물 반도체층(12) 상에 형성된 n측 전극(22), n측 반사전극(22) 상에 위치하는 n-범프(31), 및 웨이퍼(32)를 포함한다.
플립칩 구조는 하부 방향으로의 광을 상부 방향으로 추출되도록 하기 위해, p측 반사전극(23)의 고반사 특성이 요구된다. 또한, p형 질화물 반도체층(15)과 p측 반사전극(23)의 오믹 접촉 저항도 고려해야 하는 문제점이 있다.
도 3은 종래 수직형 구조의 발광다이오드의 단면도이다. 이 구조는 상부에서부터 n측 전극(22), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(14), p형 질화물 반도체층(15), p측 반사전극(23), 본딩물질(24), 및 캐리어 웨이퍼(33)을 포함한다. 수직형 구조는 도 1의 발광다이오드에서 p형 질화물 반도체층 위에 전도성 기판을 증착한 후, 하부 기판을 상부 발광다이오드와 분리시켜 역으로 발광하게 한 구조이다. 이 구조 역시, 도 2와 마찬가지로 p측 반사전극(23)의 고반사 특성이 요구된다.
한편, 고반사도를 갖는 알루미늄(Al), 은(Ag) 등의 물질은 가시광 영역에서 90% 이상의 높은 반사도 특성을 가지고 있다. 그러나, 은(Ag)의 경우, 열처리 시, 은(Ag)이 이동되는 현상이 발생하여 실제 은(Ag)에서의 반사도가 감소된다. 또한, 은(Ag)은 p형 질화물 반도체층과의 오믹 접촉 저항이 높아 별도의 오믹 접촉층을 필요로 한다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0060157호(2018.06.07. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 질화갈륨계 발광다이오드 제조방법 및 이에 의한 질화갈륨계 발광다이오드가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 플레이트층과 반사층을 포함하는 p측 전극을 이용하여, 전 방향에서 고반사도를 갖는 발광다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발광다이오드의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서는 기판; 상기 기판 상에 순차적으로 위치하는 제1도전형 질화물 반도체층, 활성층, 제2도전형 질화물 반도체층; 상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 위치하는 n측 전극; 및 상기 제2도전형 질화물 반도체층 상에 위치하는 p측 전극;을 포함하고, 상기 p측 전극은 플레이트층; 및 상기 플레이트층 상에 위치하는 반사층을 포함하며, 상기 플레이트층은 상기 플레이트층은 금속으로 둘러싸인 복수개의 나노 홀, 상기 나노 홀 내부에 위치하는 도전층을 포함하는 발광다이오드가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 (a) 기판 상에 순차적으로 제1도전형 질화물 반도체층, 활성층, 제2도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; (b) 상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 n측 전극을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 제2도전형 질화물 반도체층 상에 p측 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 p측 전극은 상기 플레이트층은 금속으로 둘러싸인 복수개의 나노 홀, 상기 나노 홀 내부에 위치하는 도전층을 포함하는 플레이트층 상에 반사층이 형성된 것인 발광다이오드의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 발광다이오드는 제2도전형 질화물 반도체층(230)과 반사층(420) 사이에 복수개의 나노 홀(430)을 포함하는 플레이트층(410)이 위치한다. 이에 따라, 반사층(420)과 플레이트층(410) 사이의 계면, 및 제2도전형 질화물 반도체층(230)과 플레이트층(410) 사이의 계면에서 활성층 영역의 빛을 외부로 추출시켜, 전 방향에서 높은 광추출 효율을 나타낸다. 또한, 본 발명의 발광다이오드는 파장에 관계없이 자외선 ~ 가시광 영역(200 nm ~ 800 nm)에서 고반사도를 확보할 수 있다.
도 1은 종래 발광다이오드의 단면도이다.
도 2는 종래 플립칩 구조의 발광다이오드의 단면도이다.
도 3은 종래 수직형 구조의 발광다이오드의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 발광다이오드의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 발광다이오드의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 발광다이오드의 사시도(a), 제조 과정을 나타낸 개략도(b) 및 플레이트층의 광학 현미경 이미지(c)이다.
도 7은 본 발명의 p측 전극의 평균 반사율(a, b), 커버리지 비율과 SEM, OM 이미지(c, d), 플레이트층의 높이와 길이를 분석한 그래프(e)이다.
도 8은 본 발명의 p측 전극의 반사율(a), 전류-전압 특성(b), 출력 강도(c), 전기입력 파워와 광출력 파워를 나타낸 그래프(d)이다.
도 9는 3D-FDTD 시뮬레이션된 원거리 영상 이미지(a~d)와 원거리 세기 비율을 나타낸 그래프(e)이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광다이오드 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 발광다이오드의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 발광다이오드는 기판(100), 상기 기판 상에 위치하는 제1도전형 질화물 반도체층(210), 활성층(220), 제2도전형 질화물 반도체층(230), n측 전극(300) 및 p측 전극(400)을 포함한다.
기판(100)은 사파이어(Sapphire), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC) 또는 갈륨옥사이드(Ga203)로 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
반도체층(200)은 제1도전형 질화물 반도체층(210), 활성층(220), 제2도전형 질화물 반도체층(230)을 포함한다.
제1도전형 질화물 반도체층(210)과 제2도전형 질화물 반도체층(230) 중 어느 하나는 n형 질화물 반도체층이 될 수 있으며, 다른 하나는 p형 질화물 반도체층이 될 수 있다.
이하에서는, 제1도전형 질화물 반도체층(210)이 n형 질화물 반도체층이고, 제2도전형 질화물 반도체층(230)이 p형 질화물 반도체층이라는 가정하에 설명하기로 한다.
제1도전형 질화물 반도체층(210)은 n형 도펀트가 도핑되어 있는 질화물로 형성되며, 상기 n형 도펀트로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 등이 될 수 있다. 여기서, 제1도전형 질화물 반도체층(210)은 Si을 도핑한 AlGaN 또는 비도핑된 AlGaN으로 이루어진 층이 적층된 구조일 수 있다.
상기 기판(100)과 제1도전형 질화물 반도체층(210) 사이에 버퍼층(미도시)이 선택적으로 형성된다. 버퍼층은 기판(100)과 제1도전형 질화물 반도체층(210) 사이의 격자 부정합을 해소하거나 결정성을 향상시키기 위한 것이다. 상기 버퍼층은 예를 들어, AlN 또는 GaN으로 형성된다.
활성층(220)은 대표적으로 InGaN/GaN 다중양자우물(MQW) 구조로 형성된다. 활성층(220)은 제1도전형 질화물 반도체층(210)에서 공급되는 전자와 제2도전형 질화물 반도체층(230)에서 공급되는 정공이 재결합(re-combination)하면서 광을 발생시킨다. 상기 활성층(220)은 양자장벽(Quantum barrier, QB)층과 양자우물(Quantum well, QW)층이 각각 AlxGayInzN(이때, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 이루어진다.
제2도전형 질화물 반도체층(230)은 p형 도펀트가 도핑되어 있는 질화물 또는 비도핑된 질화물로 형성된다. 상기 p형 도펀트는 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 카드뮴(Cd) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 될 수 있다. 제2도전형 질화물 반도체층(230)은 GaN 또는 AlGaN층이 사용될 수 있다.
상기 제1도전형 질화물 반도체층(210)에 전자를 주입하기 위해, 제1도전형 질화물 반도체층(210)의 노출된 표면에 n측 전극(300)이 전기적으로 연결된다. 상기 n측 전극(300)은 금, 은, 구리, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 니켈, 실리콘, 알루미늄, 몰리브뎀 등의 금속 혹은 이들의 합금이 이용될 수 있다.
또한, 제2도전형 질화물 반도체층(230)에 정공을 주입하기 위해, 제2도전형 질화물 반도체층(230)에 전기적으로 연결되도록 p측 전극(400)이 형성된다.
상기 p측 전극(400)은 플레이트층(410) 및 상기 플레이트층(410) 상에 위치하는 반사층(420)을 포함한다.
상기 플레이트층(410)은 금속(450)으로 둘러싸인 복수개의 나노 홀(430), 상기 나노 홀(430) 내부에 위치하는 도전층(440)을 포함한다. 여기서, 복수개의 나노 홀(430)은 나노 크기를 갖는 홀 내부에 공기가 채워진 구조를 가리킨다. 홀 크기는 50 내지 15000 nm인 것이 바람직하다. 이때, 홀 크기는 홀의 형태가 원형인 경우 직경을, 다각형인 경우에는 변의 길이를 의미한다. 또한, 홀의 주기는 80 내지 20000 nm인 것이 바람직하다. 이때, 주기는 홀과 홀의 중심간 거리를 의미한다.
그리고, 복수개의 나노 홀(430)을 포함하는 플레이트층(410)의 두께는 10 내지 1000 nm인 것이 바람직하다. 이 범위를 벗어나는 경우, 플레이트층(410)을 가공하기가 어렵고, 반사 특성이 저하되는 문제점이 있다.
홀은 삼각 격자 또는 사각 격자로 형성되는 것이 바람직하다. 홀이 형성하는 격자의 형태는 서로 이웃하는 홀들의 중심을 연결하는 가상의 선이 형성하게 되는 다각형 모양의 형태를 의미한다. 홀이 삼각 격자 또는 사각 격자로 형성되는 경우, 홀의 주기적인 배열에 의해 반사 특성이 좋아지는 장점이 있다.
상기 도전층(440)은 반도체층(200)과 오믹 컨택을 유지하면서도 플레이트층(410)의 나노 홀을 유지하기 위하여 형성된다. 상기 도전층(440)은 ITO와 같은 금속 산화물, 또는 Ag, Au, Ti, Ni 등의 높은 일함수와 전도성을 갖는 금속을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 금속(450)은 반도체층(200)에서 발광된 빛을 반사시켜 p형 질화물 반도체로 다시 입사되도록 함으로써, 광추출 효율을 향상시킨다. 상기 금속(450)은 제1반사층(421)이 형성되는 과정에서 마이크로 홀을 통해 증착되는 것이다. 따라서, 금속(450)의 재질은 제1반사층(421)과 동일한 재질이다. 상기 금속(450)은 예를 들어, 알루미늄, 금, 또는 은에서 선택될 수 있으며, 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 반사층(420)은 제1반사층(421)으로 이루어진다. 제1반사층(421)은 상기 금속(450) 성분과 동일하도록 알루미늄 재질로 형성된다. 그리고, 상기 반사층(420)은 제1반사층(421) 상에 형성되는 제2반사층(422)을 추가로 포함한다. 제2반사층(422)은 제1반사층(421)의 산화를 방지하기 위해 형성된다. 제2반사층(422)은 예를 들어, 백금, 니켈, 또는 팔라듐에서 선택될 수 있으며, 백금을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 반사층(420)을 사용함으로써, 가시광 영역뿐만 아니라 자외선 영역에서도 반사율을 유지하며, 광 추출 효율이 향상되는 효과가 있다. 광 추출 효율이 향상되는 경우, 결과적으로 LED의 발광 효율이 향상되는 효과가 있다.
이처럼, 발광다이오드의 발광 효율을 향상시키기 위해서는 발광층 내부에서 전기적 에너지가 빛 에너지로 변환되는 효율인 내부 양자 효율과, 내부에서 생성된 빛을 외부로 방출하는 효율인 광추출 효율이 향상되어야 한다.
본 발명의 p측 전극(400)은 반도체층(200)과 오믹 컨택을 유지하면서도 가시광 영역뿐만 아니라 자외선 영역에서의 반사도가 저하되는 것을 방지함으로써, 광추출 효율을 향상시킨다. 결과적으로, p측 전극(400)은 발광다이오드의 발광 효율을 향상시켜주는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 발광다이오드의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 발광다이오드의 제조 방법은 기판 상에 제1도전형 질화물 반도체층, 활성층, 제2도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계(S110), 제1도전형 질화물 반도체층 상에 n측 전극을 형성하는 단계(S120), 제2도전형 질화물 반도체층 상에 p측 전극을 형성하는 단계(S130)를 포함한다.
먼저, 기판(100) 상에 순차적으로 제1도전형 질화물 반도체층(210), 활성층(220), 제2도전형 질화물 반도체층(230)을 형성한다.
상기 제1도전형 질화물 반도체층(210), 활성층(220) 및 제2도전형 질화물 반도체층(230)은 에피텍셜 측방 과성장(Epitaxial Lateral Over Growth)법에 의해 성장시킬 수 있다. 에피텍셜 측방 과성장법은 반도체 물질 성장 시 수직 성장률 대비 수평 성장률을 증가시켜 사파이어 기판과 반도체층의 계면에서 형성된 결함이 수직방향으로 이동하는 것을 억제하는 방법이다. 본 발명에서는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)나 HVPE(Hydride or Halide Vapor Phase Epitaxy)를 이용하여, 에피텍셜 측방 과성장법으로 반도체층(200)을 성장시킬 수 있다. 상기 에피텍셜 측방 과성장법은 기판과 제1도전형 질화물 반도체층(210) 사이에 존재하는 격자상수 차이 및 열팽창 계수 차이에 의한 스트레인(strain)의 발생을 감소시킬 수 있다.
상기 제1도전형 질화물 반도체층(210) 상에 n측 전극(300)을 형성하기 위해서는, 활성층(220)과 제2도전형 질화물 반도체층(230)을 식각한다. 그리고, 노출된 제1도전형 질화물 반도체층(210) 상에 n측 전극(300)을 형성한다. 상기 n측 전극(300)은 전자빔 증착법 등으로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 제2도전형 질화물 반도체층(230) 상에 p측 전극(400)을 형성한다. p측 전극(400)을 형성하는 과정은 다음과 같다.
도 6의 (b)를 참조하면, 제2도전형 질화물 반도체층(230) 상에 도전층(440)을 리소그래피 공정을 통해 메쉬 형태로 증착한다. 여기서, 메쉬 형태는 수 나노미터 선폭을 갖는 구조를 가리킨다. 증착은 스퍼터링법, 이빔 증착법, 열 증착법, 화학기상 증착법 등으로 수행된다. 그리고, 증착된 것을 산소 분위기 또는 질소 분위기에서 급속 열처리 공정으로 어닐링한다. 도전층(440)은 2 ~ 10 ㎛의 폭(가로, 세로), 10 ~ 400 nm의 두께(높이)로 증착될 수 있다. 도전층(440)이 패터닝된 상태에서, 도전층(440)이 증착되지 않은 영역에 포토 레지스트(500)를 도포한다. 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 포토 레지스트(500)는 나노 크기의 플레이트 형상(rectangular PR nanoplate)을 갖는다. 나노 크기의 플레이트는 높이가 대략 80 ~ 100 nm일 수 있다. 여기서, 포토 레지스트(PR)는 감광물질이며, 빛을 이용하여 패턴을 형성할 때 사용된다. 포토 레지스트(PR)는 네거티브와 파지티브로 구분된다. 네거티브 PR은 빛이 쪼일 때, 빛을 받지 않은 부분이 제거되는 것이고, 파지티브 PR은 빛이 쪼일 때, 빛을 받은 부분만 제거되는 것이다. 포토 레지스트가 코팅된 부분에 UV를 조사하면, 코팅된 감광물질이 반응한다.
포토 레지스트(500)가 도포된 상태에서, 도전층(440)과 포토 레지스트 상에 제1반사층(421)을 형성한다. 제1반사층(421)은 알루미늄, 금, 또는 은으로 형성될 수 있다. 반도체층(200)의 밴드갭이 커질수록 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. 제1반사층(421)의 두께는 대략 100 ~ 400 nm일 수 있다.
다음으로, 상기 제1반사층(421)에 일정 간격의 구멍(micro hole)을 형성한다. 상기 구멍은 직경이 마이크로 크기를 가진다. 제1반사층(421)에 형성된 구멍은 포토 레지스트(500)가 도포된 영역 위에 위치하는 것이 바람직하다. 구멍을 통해, 포토 레지스트(500)는 용액을 통한 습식 식각 방식으로 제거된다. 상기 용액은 아세톤을 포함할 수 있다. 포토 레지스트(500)가 제거된 영역은 복수개의 나노 홀(430)을 형성하게 된다.
다음으로, 구멍이 형성된 제1반사층(421) 상에 제1반사층(421)을 재형성한다. 다시 말해, 패터닝된 제1반사층(421) 상에 제1반사층(421)을 재증착한다. 제1반사층(421)이 재증착되는 과정에서, 구멍을 통해 복수개의 나노 홀(430) 사이에 금속(450)이 증착된다. 그리고, 제1반사층(421) 상에 제2반사층(422)을 추가로 형성한다. 제2반사층(422)의 두께는 대략 100 ~ 500 nm일 수 있다. 증착은 스퍼터링법, 이빔 증착법, 열 증착법, 화학기상 증착법 등을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 발광다이오드의 동작을 설명하면 다음과 같다.
n측 전극(300) 및 p측 전극(400)을 통하여 전압을 가하면, n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층으로부터 전자와 정공이 활성층(220)으로 흘러 들어간다. 전자와 정공은 재결합이 일어나면서 발광을 하게 된다. 활성층(220)으로부터 발광된 광은 활성층(220)의 위, 아래로 진행하게 된다. 위로 진행된 광은 p형 질화물 반도체층을 통하여 외부로 방출된다. 아래로 진행된 광의 일부분은 발광다이오드의 외부로 빠져나가고, 일부는 p측 전극(400)에 의해 반사될 수 있다.
도 7 내지 도 9에서 air 필름/Al, 에어-나노 플레이트/Al 전극은 본 발명의 p측 전극을 가리키는 것으로, 플레이트층 (Al으로 둘러싸인 복수개의 나노 홀, 상기 나노 홀 내부에 위치하는 ITO을 포함)/Al층 상에 Pt층이 증착된 구조를 갖는다.
도 7은 본 발명의 p측 전극의 평균 반사율(a, b), 커버리지 비율과 SEM, OM 이미지(c, d), 플레이트층의 높이와 길이를 분석한 그래프(e)이다.
도 7의 (a)는 빛의 입사각 함수로서, air 필름/Al, MgF2 필름/ Al 및 SiO2 필름/ Al 의 계산된 평균 반사율 R(Θ)를 보여준다. R(Θ)는 TE 및 TM 편광을 갖는 빛의 평균 반사율이다. 즉, R(Θ) = (RTE + RTM)/2이다.
이 계산에서, 입사 파장(λ)은 365 nm에서 일정하게 유지되었다. 그리고 유전체층은 1/4 파장 조건(t = λ/4nd)을 만족한다고 가정되었다. 여기서 n은 유전체층의 굴절률, d는 유전체층의 두께를 의미한다. 반사율 곡선은 nAlGaN = 2.4, nair = 1, nMgF2 = 1.38, nSiO2 = 1.49, nAl = 0.38, 및 kAl = 4.28의 굴절률 값을 사용하여 계산되었다.
도 7의 (b)에서, air 필름/Al(t = 91.3nm) 전극은 96.6%의 가장 높은 반사율을 보여준다. 이러한 결과는 굴절률이 1인 공기층을 이용함으로써, 전극의 반사율을 높인다는 것을 보여준다.
도 7의 (c)를 참조하면, 에어-나노 플레이트의 커버리지(coverage, 덮힘)가 미치는 영향을 조사하기 위해, 에어-나노 플레이트의 크기가 증가함에 따라, 커버리지도 25%에서 70%까지 다양화되었다. (Ⅰ)에서 (Ⅳ)를 나타내는 OM 이미지는 25%, 40%, 55%, 및 70%의 적용 범위를 갖는 에어-나노 플레이트가 전극에 균일하게 분포되어 있음을 보여준다.
도 7의 (d)의 SEM 이미지는 에어-나노 플레이트의 높이가 대략 91 nm임을 명확히 보여준다. 또한, 도 7의 (e)에서 에어-나노 플레이트가 주기적으로 균일하게 배열되고, 모든 에어-나노 플레이트가 약 91 nm의 두께를 갖는 것을 보여준다.
도 8은 본 발명의 p측 전극의 반사율(a), 전류-전압 특성(b), 출력 강도(c), 전기입력 파워와 광출력 파워를 나타낸 그래프(d)이다.
도 8의 (a)에서, 모든 에어-나노 플레이트/Al 전극이 ITO 필름/Al 전극보다 더 높은 반사율을 가진다. 에어-나노 플레이트 커버리지가 25%, 40%, 55%, 70%인 에어-나노 플레이트/Al 전극의 반사율은 각각 365 nm 파장에서 76.3%, 79.4%, 82.7%, 및 83.8%였다. 공기와 p형 질화물 반도체층 사이의 계면에서 굴절률의 급격한 변화 때문에, 에어-나노 플레이트의 커버리지가 증가함에 따라 에어-나노 플레이트/Al 전극의 반사율이 현저하게 증가하였음을 알 수 있다.
365 nm 자외선 발광다이오드에서 에어-나노 플레이트/Al 전극의 전기 및 광학 특성을 조사하기 위해, Lambertian 광 출력 전력-전압(L-I-V)을 측정하였다.
도 8의 (b)는 ITO 오믹 접촉 면적의 변화로 인해, 에어-나노 플레이트/Al 전극의 I-V 특성이 에어-나노 플레이트의 커버리지에 따라 변하는 것을 보여준다. ITO 막/Al 전극은 주입 전류 20mA에서 순방향 전압이 3.5V 보다 낮았다.
하지만, 도 8의 (c)를 보면 25% 내지 70%의 범위를 갖는 에어-나노 플레이트/Al 전극은 상대적으로 향상된 광 출력을 보였다.
도 8의 (d)는 20mA에서 측정된 에어-나노 플레이트/Al 전극의 커버리지가 증가함에 따라, 전극의 광출력 및 전기 입력 전력(P = I × V)이 증가하는 것을 보여준다. 특히, 커버리지가 40%인 에어-나노 플레이트/Al 전극은 광 출력 파워에서 가장 큰 증가를 나타냈다. 에어-나노 플레이트/Al 전극에 의해 광 출력이 현저하게 향상될 수 있었다.
에어-나노 플레이트/Al 전극의 광학 특성을 더 비교하기 위해, 3차원 유한 요소 해석 방법, 3D-FDTD (3-dimensional finite difference time domain)을 기반으로 한 프로그램을 사용하였다. 시뮬레이션에 사용된 AlGaN, ITO 막, 공기, MgF2 및 SiO2 의 굴절률은 각각 2.4, 2.1, 1.0, 1.38 및 1.49였다. 발광 파장이 365 nm인 포인트 광원이 AlGaN 층에 위치했다. 전극의 광자 세기를 얻기 위해, 3D-FDTD 시뮬레이션이 수행되었다. 그리고, 원거리 원거리 검출을 사용하여 광자 세기가 측정되었다. 모든 전극의 면적은 5×5㎛로 고정되었고, 유전체층의 두께는 유전물질에서 UV 방출의 1/4 파장에서 고정되었다.
도 9는 3D-FDTD 시뮬레이션된 원거리 영상 이미지(a~d)와 원거리 세기 비율을 나타낸 그래프(e)이다. 이미지에서 사파이어 기판, AlGaN층, 유전체층, ITO 오믹층 및 Al층을 포함한다. 도 9를 보면, 에어-나노 플레이트/Al 전극이 모든 검출된 각도에서 출력 강도를 증가시켰다. 이 구조는 반사율과 광출력이 현저히 높게 나타났다. 광 출력의 향상은 전극 내에 많은 양의 공기를 함유하고 있고, ITO 영역에서 낮은 자외선 흡수 때문인 것으로 보인다. 따라서, 본 발명에 따른 p측 전극의 구조는 가장 효율적인 반사기임을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 발광다이오드는 모든 방향에서 높은 반사도를 가지는 효과가 있다. 아울러, 플립칩 구조 또는 수직형 구조의 발광다이오드에도 적용 가능하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 기판
200 : 반도체층
210 : 제1도전형 질화물 반도체층
220 : 활성층
230 : 제2도전형 질화물 반도체층
300 : n측 전극
400 : p측 전극
410 : 플레이트층
420 : 반사층
421 : 제1반사층
422 : 제2반사층
430 : 나노 홀
440 : 도전층
450 : 금속
500 : 포트 레지스트(PR)

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 순차적으로 위치하는 제1도전형 질화물 반도체층, 활성층, 제2도전형 질화물 반도체층;
    상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 위치하는 n측 전극; 및
    상기 제2도전형 질화물 반도체층 상에 위치하는 p측 전극;을 포함하고,
    상기 p측 전극은
    플레이트층; 및 상기 플레이트층 상에 위치하는 반사층;을 포함하며,
    상기 플레이트층은 금속으로 둘러싸인 복수개의 나노 홀, 상기 나노 홀 내부에 위치하는 도전층을 포함하며,
    상기 반사층은 제1반사층 및 상기 제1반사층 상에 형성되어 제1반사층의 산화를 방지하기 위한 제2반사층을 포함하고,
    상기 금속의 재질은 제1반사층의 재질과 동일한 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사층은 알루미늄을 포함하는 발광다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2반사층은 백금을 포함하는 발광다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도전층은 ITO를 포함하는 발광다이오드.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄을 포함하는 발광다이오드.
  7. (a) 기판 상에 순차적으로 제1도전형 질화물 반도체층, 활성층, 제2도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1도전형 질화물 반도체층 상에 n측 전극을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 제2도전형 질화물 반도체층 상에 p측 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계는
    (c1) 리소그래피 공정을 이용하여, 도전층을 메쉬 형태로 증착하는 단계;
    (c2) 상기 도전층이 증착되지 않은 영역에 포토 레지스트를 도포한 후, 도전층과 포토 레지스트 상에 제1반사층을 형성하는 단계;
    (c3) 상기 제1반사층에 구멍을 형성하여, 도포된 포토 레지스트를 제거하여 상기 포토 레지스트가 제거된 영역에 복수개의 나노 홀을 형성하는 단계; 및
    (c4) 상기 구멍이 형성된 제1반사층 상에 제1반사층을 재형성하여, 상기 구멍을 통해 복수개의 나노 홀 사이에 금속을 증착하는 단계;를
    상기 p측 전극은
    금속으로 둘러싸인 복수개의 나노 홀, 상기 나노 홀 내부에 위치하는 도전층을 포함하는 플레이트층 상에 반사층이 형성된 것인 발광다이오드의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 도전층은 ITO를 포함하는 발광다이오드의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 (c4) 단계 이후에,
    (c5) 상기 재형성된 제1반사층 상에 제2반사층을 형성하는 단계;를 추가로 포함하는 발광다이오드의 제조 방법.
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