KR20070101421A

KR20070101421A - 발광 다이오드

Info

Publication number: KR20070101421A
Application number: KR1020060032381A
Authority: KR
Inventors: 김자연; 박성주; 이기성; 권민기
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2007-10-17

Abstract

발광 다이오드에 관하여 개시한다. 본 발명의 장치는, 기판과, n형 하부 접촉층과, 장벽층 및 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지는 활성층과, p형 상부 접촉층과, n형 전극과, p형 전극을 포함하여 이루어지는 III-V 질화물계 발광 다이오드에 있어서 기판은 광결정 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 광결정 구조를 기판에 형성함으로써 광추출 효율이 증대될 뿐만 아니라 p형 질화갈륨층이 그 특성을 잃지 않고 p형 질화갈륨 박막이 n형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성할 수 있다.

발광 다이오드, 광결정 구조, 광추출 효율

Description

발광 다이오드{Light emitting diode}

도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 나타낸 개략도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판에 형성된 광결정 구조를 나타낸 개략도;

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서 기판에 500nm 깊이로 광결정을 형성하였을 때 형성되는 포토닉 밴드갭을 나타낸 그래프; 및

도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드에 의해 광추출 효율이 증가하는지를 여부를 확인하기 위한 Full wave시뮬레이션 결과이다.

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 특히 광결정 구조를 가지는 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적인 발광 다이오드의 경우 내부양자 효율은 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)). 이것은 다중양자우물 구조에서 생성된 빛이 소자 밖으로 나올 때 소자와 공기사이의 계면에서 굴절률 차이에 의해 일어나는 전반사에 기인한다. 이러한 물리적인 현상으로 인해 종래의 발광 다이오드에서의 광추출 효율은 매우 낮다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, p형 질화갈륨에 마스크없이 비선택 식각공정을 통하여 표면거칠기를 형성시켜 윗면으로 진행하는 빛이 거친 표면에 도달하였을 때 입사각을 임계각 보다 작게 하여 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있게 함으로써 광추출 효율을 증대시킨 예가 있다. 그리고 p형 질화갈륨을 마스크를 사용하여 건식 식각하여 돌출부를 형성시킴으로써 윗면으로 진행하는 돌출부에 도달하였을 때 입사각을 임계각 보다 작게 하여 빛이 발광 다이오드 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있게 함으로써 광추출 효율을 증대시킨 예가 있다.

또한, 미국 특허 US6,842,403호에서는 발광 다이오드의 p형 질화갈륨 표면에 주기적인 굴절률의 차이를 줌으로써 포토닉 밴드갭이 형성된 광결정을 만들어줌으로써 빛이 질화갈륨화합물의 내부에 갇히는 빛의 모드를 바꾸어 주어 빛이 안에 갇히지 않고 밖으로 빠져나올 수 있게 하여 빛의 광추출 효율을 향상시킬 뿐 아니라 발광 다이오드 측면에서 나오는 빛을 제어할 수 있도록 하였다. 실제로 이런 구조를 응용한 논문 Appl. Phys. Lett 84, 466 (2005)에 따르면 p형 질화 갈륨에 광결정을 형성시켜 주었을 때 자외선 영역의 발광 다이오드의 경우 95%, 청색 발광 다 이오드의 경우 63% 광추출 효율이 개선된 것을 볼 수 있다. 하지만 20mA에서의 구동전압은 광결정을 형성시켜줄 경우 감소하는 것을 볼 수 있는데 이것은 광결정 형성을 위한 건식 식각 과정에서 플라즈마에 의한 손상을 크게 입어 p형 질화갈륨층의 N-공공이 발생하여 p형의 특성을 잃게 되기 때문이며, X. A. Cao는 p형 박막을 건식 식각할 때 플라즈마 데미지에 의해 p형 질화갈륨 박막이 n형으로 전환되는 문제점을 보고한 바 있으며(Appl. Phys. 75, 2569 (1999)) 이는 반도체 다이오드의 오믹전극 형성시 큰 문제를 야기 시킬 수 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광결정 구조를 가지면서도 p형 질화갈륨층이 그 특성을 잃지 않고 p형 질화갈륨 박막이 n형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 발광 다이오드는: 기판과, 상기 기판 상에 형성되며 n형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 하부 접촉층과, Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 장벽층 및 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지며 상기 하부 접촉층의 소정영역 상에 형성되는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며 p형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 상부 접촉층과, 상기 하부 접촉층에 있어서 상기 활성층이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되는 n형 전극과, 상기 상부 접촉층 상에 형성되는 p형 전극을 포함하여 이루어지되, 기판은 광결정 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 나타낸 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(100)과, n형 하부 접촉층(200)과, 활성층(300)과, p형 상부 접촉층(400)과, n형 전극(500) 및 p형 전극(600)을 포함하여 이루어진다.

기판(100)으로는 산화알루미늄(사파이어), 실리콘(Si), 질화갈륨 (GaN) 비소화갈륨(GaAs), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO) 및 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으며, 현재 일반적으로 사파이어가 주로 사용되고 있다. 이것은 사파이어 위에 성장한 질화갈륨 박막이 결정성이 양호하고 경제적이기 때문이다. 이 때, 기판(100)은 포토닉 밴드갭이 형성되는 광결정 구조(110)를 가지는 것을 특징으로 하며, 광결정 구조는 직사각형(cubic) 배열 또는 육각형(hexagonal) 배열로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명은 종래의 p형 질화갈륨층에 광결정을 형성시키는 것이 아닌, 기판과 공기와의 굴절률 차이를 이용한 광결정을 기판에 형성시키고 형성된 포토닉 밴드갭을 이용하여 자유자재로 광자를 제어하 여 광추출 효율을 증대시킬 뿐만 아니라 빛의 진행 방향을 조절하여 탑에미팅(top-emitting) 발광 다이오드의 광추출 효율을 증대시키고 플립칩 발광 다이오드에서 고반사율의 반사전극을 이용하여 기판쪽으로 빛을 보냄으로써 기판에 형성된 광결정으로 인해 빛의 외부양자효율을 극대화시킨 고출력, 고효율의 발광 다이오드를 그 특징으로 한다. 광결정의 형성 방법은 E-beam 리소그라피를 이용하는 방법, 레이저 광의 홀로그램을 이용하는 방법 및 나노 임프린트를 이용하는 방법 등이 있으며, 이외에도 수백 nm 직경의 작은 구들의 자체결합(self assembly) 방법에 대한 연구가 최근에 이루어지고 있다.

n형 하부 접촉층(200)은 n형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지며 기판(100) 상에 형성된다.

활성층(300)은 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 장벽층 및 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지며 하부 접촉층(200)의 소정영역 상에 형성된다.

p형 상부 접촉층(400)은 p형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지며 활성층(300) 상에 형성된다.

n형 전극(500)은 하부 접촉층(200)에 있어서 활성층(300)이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되고, p형 전극(600)은 상부 접촉층(400) 상에 형성된다.

이하에서, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제조방법을 상세히 설명한다.

먼저, (0001) 사파이어 기판(100) 상에 500℃에서 질화갈륨 핵생성층을 300Å의 두께가 되도록 형성한다. 그리고 질화갈륨 핵생성층 상에 1.5㎛ 두께의 n-Al_xGa_yIn_zN층으로 이루어진 하부 접촉층(200)을 형성하며, n형 하부 접촉층(200) 상에 질화갈륨층 및 InGaN층이 번갈아 적층되어 이루어진 발광 활성층(300)을 1500Å 두께로 형성하고, 발광 활성층(300) 상에 p-Al_xGa_yIn_zN층으로 이루어진 상부 접촉층(400)을 0.2㎛의 두께로 형성한다.

다음에, 사파이어 기판(100)에 있어서 n형 하부 접촉층(200)이 형성된 면의 반대면에 1㎛의 두께로 실리콘옥사이드(SiO₂) 또는 산화금속물(ITO, ZnO 등)을 형성하고 형성된 산화물층에 Cr 등의 메탈층을 형성한 후 나노 임프린트 마스크를 형성한다. 그리고 그 마스크를 이용하여 유도형 플라즈마(inductively coupled plasma) 반응기에서 Cl₂또는 BCl₃ 가 포함된 가스로 사파이어 표면을 건식 식각하여 광결정(110)을 형성한다.

광결정을 형성하기 위해서는 주기적인 굴절률 차이를 이용해서 포토닉 밴드갭이 형성되어야 하고 이러한 포토닉 밴드갭에 해당되는 영역의 에너지를 결정하기 위해 광결정의 주기성과 홀의 반지름, 발광 다이오드의 발광 파장대가 중요한 요소가 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판에 형성된 광결정 구조를 나타낸 개략도이다.

도 2에서, 빗금친 부분은 기판을 나타내며 흰색 원형 모양의 홀은 공기를 나 타내고, a는 홀 사이의 거리 즉 주기를 나타내며 r은 홀의 반지름을 나타낸다. 광결정 구조에 있어서 홀의 모양은 도 2에 도시된 원형에만 국한되는 것이 아니고 다각형으로 형성될 수도 있다.

한편, 광결정 구조는 기판의 굴절률과 공기의 주기적인 결합 및 기판의 굴절률과 공기 이외에도 산화물이나 금속의 결합 등 굴절률이 다른 무기물 또는 유기물을 무기물 또는 유기물을 사용하여 형성할 수도 있는 데, 그 방법은 다음과 같다. 일 예로, 굴절률이 1.46의 산화물인 SiO₂를 기판(100) 위에 형성시킨 후 나노 임프린트 공정 및 식각 공정으로 산화물에 의한 주기적인 패턴을 형성시키면 기판과 산화물의 주기적인 결합에 의한 광결정 구조가 형성된다. 이 경우에는 도 2에서 홀 부분이 공기로 채워지는 것이 아닌 기판과 굴절률이 다른 유기물이나 무기물이 채워지게 되어 포토닉 밴드갭이 형성되게 된다.

다시 도 1을 참조하면, n형 하부 접촉층(200)에 있어서 발광 활성층(300)과 p형 상부 접촉층(400)이 형성되지 않아 노출된 영역에 n형 전극(500)을 형성하고 p형 상부 접촉층(400) 상에는 p형 전극(600)으로서 반사전극을 형성한다. 이 때 p형 전극(600)은 탑방식 발광 다이오드의 경우 투명전극 및 와이어본딩용 전극으로 대체될 수 있다. 플립칩 발광 다이오드는 반사전극을 통해 발광된 빛이 반사전극에서 반사되어 기판쪽으로 나오기 때문에 p형 전극은 반사도가 70% 이상의 금속 및 전도성 산화물 물질로 이루어지며 p형 상부 접촉층에 접착이 잘 되고 저저항성을 갖는 오믹전극으로 이루어진다.

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드에 있어서 기판에 500nm 깊이로 광결정을 형성하였을 때 형성되는 포토닉 밴드갭을 나타낸 그래프이다.

도 3에서, Frequency는 주기(a)/발광파장(λ) 을 나타내며 Ratio은 반지름(r)/주기(a)로 나타낸다. 그리고 초록색 선은 빛의 TE 모드와 TM 모드에 의해서 형성되는 포토닉 밴드갭을 나타내고 빨간색 선은 TE 모드에 의해 형성되는 포토닉 밴드갭을 나타낸다. 도 3에 의하면, 기판에 일정한 주기의 공기구멍을 형성하였을 때 측면으로 갇힌 빛이 빠져 나올 수 있는 포토닉 밴드갭이 잘 형성되었음을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드에 의해 광추출 효율이 증가하는지를 여부를 확인하기 위한 Full wave시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션의 방법으로는 FDTD 계산툴을 이용하였고 이로써 광결정이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 광추출 효율 증가의 결과를 예측할 수 있었다.

도 4를 참조하면, 기판의 표면에 광결정이 형성되지 않은 경우보다 본 발명과 같이 기판에 광결정이 형성된 경우에 수직성분으로 도파되는 빛의 양이 50% 이상 증가되고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 광결정 구조를 기판에 형성함으로써 광추출 효율이 증대될 뿐만 아니라 p형 질화갈륨층이 그 특성을 잃지 않고 p형 질화갈륨 박막이 n형으로 전환되지 않으며 오믹전극도 용이하게 형성할 수 있다.

또한, 광결정을 기판에 형성시키고 형성된 포토닉 밴드갭을 이용하여 자유자재로 광자를 제어하여 광추출 효율을 증대시킬 뿐만 아니라 빛의 진행 방향을 조절하여 탑에미팅(top-emitting) 발광 다이오드의 광추출 효율을 증대시키고 플립칩 발광 다이오드에서 고반사율의 반사전극을 이용하여 기판쪽으로 빛을 보냄으로써 기판에 형성된 광결정으로 인해 빛의 외부양자효율을 극대화시킬 수 있다.

본 발명에 대한 기술적 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이것은 본 발명의 실시예를 예시적으로 설명한 것이므로 그 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 기판에 광결정 구조를 포함한 질화갈륨계 발광 다이오드의 경우에는 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백하다.

Claims

기판과, 상기 기판 상에 형성되며 n형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 하부 접촉층과, Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 장벽층 및 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 우물층의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지며 상기 하부 접촉층의 소정영역 상에 형성되는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되며 p형 Al_xGa_yIn_ZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 상부 접촉층과, 상기 하부 접촉층에 있어서 상기 활성층이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되는 n형 전극과, 상기 상부 접촉층 상에 형성되는 p형 전극을 포함하여 이루어지되,

상기 기판은 광결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 III-V 질화물계 발광 다이오드.
제 1항에 있어서, 상기 기판은 산화알루미늄(사파이어), 실리콘(Si), 질화갈륨 (GaN) 비소화갈륨(GaAs), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO) 및 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 III-V 질화물계 발광 다이오드.
제 1항에 있어서, 상기 광결정 구조는 무기물 또는 유기물을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 III-V 질화갈륨 발광 다이오드.
제 1항에 있어서, 상기 광결정 구조는 포토닉 밴드갭이 형성되는 직사각형 배열 또는 육각형 배열인 것을 특징으로 하는 III-V 질화갈륨 발광 다이오드.
제 1항에 있어서, 상기 광결정 구조에 있어서 홀의 모양은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 III-V 질화갈륨 발광 다이오드.