KR20070016897A - 단일지향성 반사기 및 이를 적용한 발광소자 - Google Patents

Abstract

도전성 나노로드에 의해 형성된 투명 전도성 저굴절층을 가지는 단일지향성 반사기와 이를 적용하는 발광소자를 개시한다. 나노로드에 의한 저굴절층은 매우 우수한 저굴절성을 가지며, 따라서 매우 높은 반사율을 가지는 반사기를 얻게 된다. 저굴절층이 우수한 통전성을 가지기 때문에 별도의 통전 경로를 마련할 필요가 없다.

ODR, 반사기, 발광소자, 나노로드, 경사증착

Description

단일지향성 반사기 및 이를 적용한 발광소자{Omni-directional reflector and light emitting diode adopting the same}

도 1은 일반적인 단일지향성반사기(ODR)의 적층구조를 보인다.

도 2a, 2b는 ODR의 저굴절층의 굴절율 변화에 따른 ODR의 반사율의 변화를 보인다.

도 3a는 본 발명에 따른 발광소자의 적층 구조를 보인다.

도 3b는 도 3a의 A 부분에 대응하는 실제 샘플의 SEM 이미지이다.

도 4는 단순 금속 반사기가 적용된 종래 발광소자의 적층 구조를 보인다.

도 5a는 도 3a와 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광소자와 종래 발광소자의 I-V 특성 그래프이다.

도 5b는 도 3a와 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광소자와 종래 발광소자의 전류-광출기의 출력전압V 특성 그래프이다.

6은 본 발명에 따른 단일지향성반사기에서 실제 제작된 나노로드 저굴절층의 SEM 이미지이다.

도 7은 경사증착법에 의해 본 발명에 따른 나노로드 저굴절층의 형성방법을 설명하는 도면이다.

도 8은 경사증착시 플럭스 입사각과 이에 의해 형성되는 나노로드의 경사각 을 보이는 실제 제작 샘플의 SEM 이미지이다.

도 9는 실리콘 기판 위에 150.8nm 의 두께로 형성된 SiO₂ 나노로드에 의한 저굴절층의 파장-굴절율 변화를 보인다.

도 10a는 ITO 나노로드 저굴절층을 보이는 SEM 이미지이다.

도 10b는 ITO 나노로드 저굴절층의 AFM 이미지이다.

도 11a는 CIO(CuInO) 나노로드 저굴절층을 보이는 SEM 이미지이다.

도 11b는 CIO 나노로드 저굴절층의 평면을 보이는 AFM 이미지이다.

USP 6,784,462

본 발명은 도전성 일방향성 반사기 및 이를 적용한 발광소자(Conductive omni-directional reflector and light emitting diode adopting the same)에 관한 것으로서 전기광학적 특성이 우수한 반사기 및 이를 적용한 발광소자에 관한 것이다.

LED 와 같은 발광소자에 사용되는 반사기(reflector)는 높은 반사율(high reflectivity) 뿐 아니라 양호한 통전성을 가져야 한다. 기존의 단일 금속 반사기로 Ag 혹은 Al 등이 고반사 금속 전극이 사용되어 왔으나, 이와 같은 금속 반사기 는 금속 자체 특성의 소멸계수 때문에 일정 한계 이상의 반사도(Reflectivity)를 얻을 수 없다. (물리적 한계치, Ag:86%, Al:92%) 이러한 금속 반사도의 한계를 극복하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 단일지향성 반사기(Omni-directional reflector, ODR)가 제안되었다. 이 반사기의 구조는 이 반도체물질층 위에 저굴절층과 Ag 또는 Al 등의 금속층이 순차 적층된 구조를 가진다. 고반사율의 ODR을 얻기 위해서 저굴절층의 두께(th)는 파장(λ)의 1/4n (n: 굴절율)이어야 한다(th=λ/4n). 저굴절층은 반사율이 낮은 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 등의 물질로 형성된다. 그리고 금속층은 소멸계수(extinction coefficient)가 높은 물질 예를 들어 Ag 또는 Al 등의 금속으로 형성된다. 그러나 이러한 종래 ODR구조는 저굴절층의 물질이 일반적으로 부도체이므로 전류를 주입하는 능동소자로 만들 수 없는 결점을 가진다.

미국특허 US6,784,462는 광추출효율이 높은 발광소자를 제안한다. 반사기는 기판과 발광부의 사이에 위치하며 SiO₂, Si₃N₄, MgO 등의 저굴절물질로 형성된 투명층과 Ag 또는 Al 등으로 형성된 반사층을 포함한다. 이러한 발광소자의 특징은 반사기의 투명층에 마이크로 오믹 컨택을 다수 어레이 형태로 형성되어 전류를 주입할 수 있는 구조로 개선했다는 점이다. 투명층은 SiO₂, Si₃N₄, MgO 등의 저굴절물질로 형성되고, 반사층은 Ag 또는 Al 등으로 형성된다. 하지만 '462에 개시된 발광소자는 제한된 면적의 마이크로 오믹 컨택을 사용하므로 여전히 접촉저항이 크고, 따라서 동작 전압이 높은 단점을 가진다. 또한 저굴절물질의 투명층을 마이크로 크기로 뚫어 내는 공정은 대량 생산에 용이하지 않으며 매우 정교한 패터닝 공정과 에 칭 공정을 요구하게 된다.

양질의 ODR을 얻기 위해서는 저굴절층의 굴절율의 최소화하는 것이 필요하며, 굴절률이 낮을수록 반사율이 증대된다. 도 1a 및 도 1b는 저굴절층의 굴절률 변화에 따른 Ag ODR과 Al ODR의 반사률 변화를 보인다. Ag ODR은 2,000Å 두께의 Ag 반사층을 가지며, Al ODR은 같은 두께의 Al 반사층을 가진다.

도 2a 및 도 2b를 참조하며, 굴절률이 낮을수록 반사율이 증가하며, 400nmA 파장에서는 Al ODR이 Ag ODR에 비해 반사률 특성이 월등히 좋음을 알 수 있다. ODR구조에서 사용가능한 굴절률 범위 1.1~1.5 내에서 92% 이상의 높은 반사률을 얻을 수 있다. 즉, 양질의 ODR을 얻기 위해서는 저굴절층의 굴절률을 최소화하는 것이 필요하며, 나아가서는 높은 투명도 및 전도성을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 우수한 전기적 특성을 가지면서도 매우 낮은 굴절율을 가지는 저굴절층의 적용으로 매우 우수한 전기적 특성 및 광추출효율을 가지는 단일지향성 반사기 및 이를 적용한 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 단일지향성 반사기는:

도전성 나노로드에 의해 투명성 저굴절층과; 금속에 의한 반사층을 포함한다.

본 발명에 따른 발광소자는:

활성층과 상하부 반도체물질층을 포함하는 발광부;

상기 발광부의 한 반도체물질층 위에 형성되는 도전성 나노로드를 다수 포함하는 투명성 저굴절층; 그리고

상기 저굴절층 위에 형성되는 금속성 반사층을 포함한다.

본 발명의 반사기 및 발광소자에서 나노로드는 TCO(transparent conducting oxide) 또는 TCN(transparent conducting nitride)으로 형성된다.

TCO는 In, Sn 또는 Zn 산화물로 여기에 도펀트가 선택적으로 포함될 수 있다. 사용가능한 도펀트에는 Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir,Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn, Pd, Pt 또는 La 가 있다.

TCN은 타이타늄(Ti)과 질소(Ni)를 함유하며, 구체적으로 TiN, TiON 또는 InSnON 으로 형성된다.

상기 저굴절층의 두께는 상기 발광부의 피크 파장의 1/4에 비례한다. 금속성 반사층은 Ag, Ag₂O, Al, Zn, Ti,Rh, Mg, Pd, Ru, Pt, Ir 등으로 형성된다.

상기 나노 로드는 스퍼터링 또는 전자빔을 이용한 경사 증착법(oblique angle deposition)에 의해 형성될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 바람직한 실시예에 다른 반사기 및 이를 적용한 발광소자를 상세히 설명한다.

도 3a은 본 발명에 따른 ODR 를 갖춘 발광소자의 개략적 단면도이며, 도 3b는 도 3a의 A 부분에 대응하는 실제 제작 ODR의 단면 SEM 이미지이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 투명성 사파이어 기판(10) 상에 하부 반도체물질 층(21), 활성층(22), 상부반도체물질층(23)을 갖춘 발광부(20)가 마련되고 발광부(20)의 일측 반도체물질층, 본 실시예에서는 상부반도체물질층(23)을 한 구성요소로 포함하는 ODR(30)이 발광부(20) 위에 형성된다. ODR(30)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 상부 반도체물질층(23)과 이 위에 순차적으로 형성되는 도전성 나노로드에 의한 저굴절층(31)과 이 위의 금속성 반사층(32)을 포함한다.

상기 도전성 나노로드는 바람직하게 TCO(transparent conducting oxide) 또는 TCN(transparent conducting nitride)으로 형성된다.

TCO는 In, Sn 또는 Zn 산화물로 여기에 도펀트가 선택적으로 포함될 수 있다. 사용가능한 도펀트에는 Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir,Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn, Pd, Pt 또는 La 가 있다.

TCN은 타이타늄(Ti)과 질소(Ni)를 함유하며, 구체적으로 TiN, TiON 또는 InSnON 으로 형성된다.

상기 저굴절층의 두께는 상기 발광부의 피크 파장의 1/4에 비례한다. 금속성 반사층은 Ag, Ag₂O, Al, Zn, Ti,Rh, Mg, Pd, Ru, Pt, Ir 등으로 형성된다.

도 4는 비교샘플로서 저굴절층이 없이 상부 반도체 물질층 위에 Ag 반사층(32)이 직접 형성되어 있는 구조의 단순 발광소자를 보인다.

도 5a는 도 3a 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광소자 및 비교 샘플의 I-V 특성 그래프이다. 도 5a를 참조하면, 본 발명에 따른 발광소자는 비교 샘플에 에 비해 상대적으로 낮은 전압에서 매우 높은 전류를 보이며, 특히 3~4V의 범위 내 에서 매우 큰 전류의 증가를 보인다. 그러나, 종래 발광소자는 상당히 높은 구동전압을 요구하고 특히 높은 전류를 얻기 위하여 더 높은 구동 전압을 요구한다. 이러한 그래프를 통해 본 발명에 따른 발광소자는 낮은 전압에서 매우 높은 전류를 보임과 동시에 전류 변화에 비해 전압 변동폭이 좁은 특징을 가진다는 점을 알 수 있다.

도 5b는 도 3a 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광소자 및 비교 샘플의 전류 변화에 따른 발광 강도를 측정한 것으로 포토 디텍터의 출력 전압의 변화를 보인다. 도 5b는 도 5a의 결과를 통해 예견된 결과를 보인다. 즉, 본 발명에 따른 발광소자는 비교샘플에 비해 같은 전류 하에서 매우 높은 발광강도를 나타내 보인다.

도 6은 실제 제작된 도전성 저굴절층의 SEM 이미지로서, 하부는 단면을 보이고 상부 박스 내는 저굴절층의 표면을 보인다.

도 6에 도시된 저굴절층은 경사증착법에 의해 형성된 SiO₂ 나노로드로서 실리콘 위에 형성된 것이다. 이러한 저굴절층은 도 7에 도시된 바와 같이 기판(substrate)에 대해 85도 경사진 방향으로 증착물질 플럭스(flux)를 입사시킴으로써 상기와 같은 SiO₂ 나노로드를 형성할 수 있다. 이러한 경사증착에 의하면 기판에 대해 소정 각도(45도) 경사지게 기울어진 나노로드를 형성하게 되며 이때에 자기 그늘 영역(self-shadowing region)이 형성된다. 자기 그늘 영역이란 초기 랜덤하게 증착된 증착물질에 의해 이후 증착되는 물질이 일정 부분에는 더 이상 닿을 수 없 게 되는 현상이다.

도 8은 경사 증착시 플러스의 입사각(θ)과 이에 의해 형성되는 SiO₂ 나노로드의 경사각(θt)을 보인다. 도 7은 플럭스의 입사각이 85°일 때 형성된 나노로드의 경사각이 45°인 결과를 보인다.

도 9는 실리콘 기판 위에 150.8nm 의 두께로 형성된 SiO₂ 나노로드에 의한 저굴절층의 파장-굴절율 변화를 보인다. 굴절률은 일립소메트리를 사용하여 측정하였다. 도 10를 참조하면, 400nm 의 파장 대역에서도 무려 1.090 전후의 반사율을 보이는데, SiO₂ 가 가지는 원래의 반사율인 1.4를 고려할 때 매우 획기적인 결과이다.

위와 같은 경사 증착 방법을 마찬가지로 적용하여, 도 10a는 ITO 나노로드에 의한 저굴절층을 보이는 SEM 이미지이며, 도 10b는 그 평면을 보이는 AFM 이미지이다. 그리고 도 11a는 CIO(CuInO) 나노로드에 의한 저굴절층을 보이는 SEM 이미지이며, 도 11b는 그 평면을 보이는 AFM 이미지이다.

ITO 나노로드에 의한 저굴절층의 표면 거칠기(roughness)는 6.1 nm / rms (root means square) 이며, CIO 나노로드에 의한 저굴절층의 표면 거칠기는 6.4nm/rms를 나타내 보였다.

그리고 461nm 파장의 광에 대한 굴절율은 ITO 나노로드 저굴절층이 461nm의 파장에서 1.34, CIO 나노로드 저굴절층은 1.52로 나타났다. 치밀한 조직을 가지는 ITO 박막 및 CIO 각각의 굴절율 2.05, 1.88 인 점을 고려할 때 이와 같은 나노로드 저굴절층의 낮은 굴절율은 획기적이라 할 수 있다. 경사증착에 의해 만들어낸 이러한 ITO 혹은 CIO의 나노로드 저굴절층은 매우 낮은 굴절률을 가지면서도, 전기적으로도 매우 높은 전기적 통전성을 가지기 때문에 종래의 마이크로 콘택층과 같은 별도의 통전수단이 필요없이 ODR 구조의 저굴절층으로 효과적으로 할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 ODR은 우수한 통전성과 반사율을 가진다. 이러한 특징에 따르면 종래의 발광소자에 비해 매우 높은 광추출효과를 갖는 높은 휘도의 발광소자를 얻을 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 발광소자는 별도의 통전경로를 위한 마이크로 콘택등의 별도 요소를 요구하지 않으며, 따라서 제작이 용이하고 경제적이다.

이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (24)

1. 도전성 나노 로드에 의해 형성된 투명 전도성 저굴절층과; 금속에 의한 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 나노로드는 TCO 또는 TCN 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 TCN은 Ti 와 N 을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 TCN은 TiN, TiON, InSnON 으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 TCO는 In, Sn 또는 Zn 중의 어느 하나의 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 TCO에 도펀트가 포함된 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
7. 제 6 항에 있어서,

   도펀트는 Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir, Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn, Pd, Pt , La으로 이루어 지는 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 TCO는 In, Sn 또는 Zn 중의 어느 하나의 산화물로 형성되며,

   상기 TCO에는 Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir, Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn, Pd, Pt , La으로 이루어 지는 그룹에서 선택된 어느 하나가 도펀트로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   저굴절층의 두께는 광의 1/4파장에 비례하는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
10. 제 9 항에 있어서,

    금속성 반사층은 Ag, Ag₂O, Al, Zn, Ti,Rh, Mg, Pd, Ru, Pt, Ir 중의 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 나노 로드는 스퍼터링 또는 전자빔을 이용한 경사 증착법(oblique angle deposition)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
12. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 나노 로드는 스퍼터링 또는 전자빔을 이용한 경사 증착법(oblique angle deposition)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
13. 활성층과 상하부 반도체물질층을 포함하는 발광부;

    상기 발광부의 한 반도체물질층 위에 형성되는 도전성 나노로드를 다수 포함하는 투명 전도성 저굴절층; 그리고

    상기 저굴절층 위에 형성되는 금속성 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 나노로드는 TCO 또는 TCN 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자 기.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 TCN은 Ti 와 N 을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 TCN은 TiN, TiON, InSnON 으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기.
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 TCO는 In, Sn 또는 Zn 중의 어느 하나의 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 TCO에 도펀트가 포함된 것을 특징으로 하는 발광소자.
19. 제 18 항에 있어서,

    도펀트는 Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir, Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn, Pd, Pt , La 로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광소자.
20. 제 13 항에 있어서,

    상기 TCO는 In, Sn 또는 Zn 중의 어느 하나의 산화물로 형성되며,

    상기 TCO에는 Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir, Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn, Pd, Pt , La으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나가 도펀트로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.
21. 제 13 항 내지 제 20 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    저굴절층의 두께는 광의 1/4파장에 비례하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
22. 제 21 항에 있어서,

    금속성 반사층은 Ag, Ag₂O, Al, Zn, Ti,Rh, Mg, Pd, Ru, Pt, Ir 중의 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
23. 제 21 항에 있어서,

    상기 나노 로드는 스퍼터링 또는 전자빔을 이용한 경사 증착법(oblique angle deposition)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자.
24. 제 13 항 내지 제 20 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 나노 로드는 스퍼터링 또는 전자빔을 이용한 경사 증착법(oblique angle deposition)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자.

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