KR20090044311A - 발광 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, n형 또는 p형으로 도핑 된 반도체층의 상부에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 투명 전극층을 패터닝하여 하나 이상의 홀을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 홀의 내부 및 투명 전극층의 상부에 반사층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 다수의 패턴으로 형성된 투명 전극층의 홀을 반사막으로 충진하고 투명 전극층의 상부에 반사막을 형성함에 따라, 발광 소자에서 발생한 빛의 반사율을 높이며 반사막의 접착력을 향상시켜 열 방출 효율 및 출사 효율이 개선된 발광 소자를 구현할 수 있다.
발광 소자, 패턴, 반사막

Description

발광 소자 및 그의 제조 방법{Light emitting diode and its manufacturing method}
본 발명은 투명 전극층을 패터닝하여 다양한 패턴을 갖는 홀을 형성하고, 상기 홀의 내부 및 투명 전극층의 상부에 반사막을 구비하여 열 방출 효율 및 출사 효율을 향상시킨 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터 p형 질화갈륨(p-GaN)의 경우 플립칩 LED에 있어 반사막이 적용되었으며, 기존의 LED보다 추출효율을 높이기 위해 플립칩의 하부인 p형 질화갈륨(p-GaN)에 반사막을 사용하여 아래로 향하는 광을 위쪽으로 반사하여 추출효율을 높이는 기술을 적용하고 있다.
이러한 반사막은 반사도가 높으며, p형 질화갈륨(p-GaN)과 오믹 접합 특성이 좋아야 하기 때문에 Ag,Au,Pt,Cr,Pd,Rh 등이 사용되고 있다.
하지만, 상기의 금속은 반사도와 오믹 접합 특성이 높은 대신에 접착력 및 열적 안전성의 문제가 있어 LED칩의 신뢰성에 한계를 가진다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 현재 p형 질화갈륨(p-GaN)과 금속 반사막 사이에 산화물 전극을 사용하여 접착력을 향상시키는 기술을 LED 칩에 적용하고 있다.
하지만, 상기 산화물 전극을 사용함으로써 LED칩의 열적 신뢰성 면에서 산화물 전극의 열전도 특성이 매우 낮고 오믹 접합 특성이 낮아 신뢰성에 한계를 가지며, 접착력 또한 완전히 해결되지 못한 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 투명 전극층을 다양한 패턴으로 패터닝하여 홀을 형성하고, 상기 홀의 내부 및 투명 전극층의 상부에 반사막을 형성하여, 반사막의 접착력을 향상시키고, 열 방출 효율 및 출사 효율을 향상시킨 발광 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 발광 소자 및 그의 제조 방법에 있어서, 투명 전극층을 소정의 형상으로 패터닝하여 형성된 다양한 패턴의 홀에 반사막을 충진하고, 상기 투명 전극층의 상부에 반사막을 형성한다.
본 발명은 반도체 발광 소자에 있어서, 다수의 홀을 포함하는 투명 전극층을 포함하고, 상기 홀의 내부를 충진하고, 상기 투명 전극층 상부에 형성하는 반사층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 투명 전극층은 금속 산화물로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 금속 산화물은 산화아연, 산화주석, 산화갈륨, 산화 알루미늄 및 산화 인듐으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 홀은 정사각형, 직사각형, 다각형 또는 원형으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 패턴으로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 반사층은 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 로듐(Rh)으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 금속으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 발광 소자 제조 방법에 있어서, n형 또는 p형으로 도핑 된 반도체층의 상부에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 투명 전극층에 하나 이상의 홀을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 홀의 내부 및 투명 전극층의 상부에 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 투명 전극층은 전자빔 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 스퍼터링 방법은 아르곤 가스, 5mTorr의 스퍼트 압력, 90W~150W의 투입전력 및 상온의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 홀은 리프트 오프법(lift-off)을 통해 패터닝 되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 홀의 간격은 1㎛ 이상 10㎛ 이하이며, 지름은 1㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 홀을 형성하는 단계는 상기 투명 전극층은 질소분위기에서 열처리를 통해 패턴 된 홀이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 투명 전극층의 두께는 1㎚ 이상 1000㎚ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 투명 전극층은 1*10-3Ω㎝이하의 비저항, 85% 이상의 광선투과율 및 1*1019㎝ 이상의 캐리어 농도를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 반사층은 1*10-5Ω㎝이하의 비저항 및 70% 이상의 광선반사율을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 발광 소자 제조 방법에 관한 것으로 기판, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 형성된 발광 소자의 상부에 패터닝하여 형성된 하나 이상의 홀을 포함하는 투명 전극층을 적층하는 단계를 포함하고, 상기 투명 전극층의 상부에 반사층을 적층하는 단계를 포함한다. 그리고, 상기 반사층의 상부에 보호층과 p형 전극을 적층하는 단계를 포함하며, 상기 전극 적층 후, 상기 활성층 또는 상기 n형 반도체층의 일부까지 식각하고, 식각 된 저면에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 다양한 패턴의 홀 구조를 가지는 투명전극의 상부 및 홀 내부에 반사막을 형성함에 따라 접착력 및 반사율을 향상시키는 효과가 있다.
그리고, 열방출 효율 및 출사 효율을 향상되어 성능이 개선된 LED(light emitting diode) 및 LD(Laser Diode)로 작용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 1 을 참조하면, 투명 전극층을 형성(S100)하는 단계에서는 기판의 발광 다이오드, 즉 n형 반도체층, 발광층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층 한 후, 그의 상부에 금속 산화물로 이루어진 투명 전극층을 형성한다.
이때, 상기 n형 반도체층과 p형 반도체층의 서로 위치를 바꿔서 존재할 수 있다.
상기 투명 전극층은 전자빔 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 일정한 두께로 형성되는데, 그 두께는 1㎚ 이상 1000㎚ 이하로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 스퍼터링 방법을 사용할 경우에는, 스퍼터링 가스는 아르곤 가스를 사용하고, 스퍼트 압력 5mTorr, 투입 전력 90W~150W, 증착 온도는 상온에서 수행할 수 있다.
홀을 형성(S110)하는 단계에서는 상기 투명 전극층을 소정의 형상으로 패터 닝하여 다수의 홀을 형성하며, 상기 홀은 정사각형, 직사각형, 다각형 또는 원형으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 패턴으로 형성되고, 그 크기와 간격은 각각 1㎛ 이상 10㎛ 이하로 형성된다.
반사층을 형성(S120)하는 단계에서는 상기 투명 전극층의 상부 및 홀 내부를 충진하여 형성되며, 상기 반사층은 반사도가 높은 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 로듐(Rh)으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 금속을 사용하여 형성된다.
본 발명에 의하면, 금속 산화물로 구성된 투명 전극층을 리프트 오프 법으로 홀을 형성하고, 상기 홀에 반사층을 형성하는 금속을 채우고, 투명 전극층의 상부에 반사층을 구비한다. 그리고, 상기 반사층은 상기 투명 전극층의 두께를 조절하여 광의 파장에 따라 높은 반사도를 얻을 수 있다.
또한, 반사층을 이루는 금속이 투명 전극층의 홀을 가로질러 GaN계 반도체층 전극과 접합함으로써 열처리를 통하여 향상된 오믹 특성을 얻을 수 있으며, 상기 홀에 반사층을 이루는 금속이 채워져 투명 전극층과 반사층의 접착력을 향상시킬 수 있다.
이하, 상기 투명 전극층과 반사층을 구비하는 발광 다이오드 패키지에 관한 자세한 설명은 하기의 도 2를 참조한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패터닝 된 투명 전극층 및 반사층을 구비한 발광 다이오드 패키지의 단면도이다.
도 2 를 참조하면, 기판(200), 버퍼층(210), 발광 다이오드(220), 투명 전극 층(230), 반사층(240), 보호층(250) 및 금속 전극(260, 270)을 포함한다.
상기 기판(200)은 질화 갈륨계(GaN) 반도체 발광 다이오드 패키지 구조에서 사파이어 기판을 주로 사용하며, 상기 버퍼층(210)은 상기 기판(200)의 상부에 적층되면 도핑 되지 않은(undoped) 질화 갈륭(GaN)층으로 형성된다.
상기 발광 다이오드(220)는 n-p형 발광 다이오드로서 상기 버퍼층(210)의 상부에 적층되며, n형 도핑 질화물계(GaN) 반도체층, 활성층(혹은, 발광층) 및 p형 도핑 질화물계(GaN) 반도체층이 순차적으로 적층되어 구성된다.
그리고, 상기 n형 도핑 질화물계 반도체층과 p형 도핑 질화물계 반도체층의 위치는 서로 변경될 수 있다.
상기 투명 전극층(230) 및 상기 반사층(240)은 상기의 도 1 에서 상술한 바와 같이 형성된다.
더욱 자세하게는 상기 투명 전극층(230)은 상기 발광 다이오드(220)의 상부에 전자빔 증착법 또는 스퍼터링법으로 일정한 두께를 가지는 금속 산화물로 증착된다.
이때, 금속 산화물은 산화아연, 산화주석, 산화갈륨, 산화 알루미늄 및 산화 인듐으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나의 금속으로 형성된다.
상기의 방법으로 형성된 투명 전극층(230)은 여러 가지 패턴의 홀(300)을 리프트 오프법(Lift-off)을 이용하여 형성하며, 상기 홀은 도 3a 내지 도 3d 와 같이 정사각형, 직사각형, 육각형과 같은 다각형 및 원형 패턴으로 다양하게 형성된다.
상기 투명 전극층(230)이 증착되고 리프트 오프 실행 후, 급속 가열로 안에 시료를 넣어 질소 분위기 하에서 650℃에서 2분 동안 열처리하여 전류 확산 특성을 향상시킨 후 상기 반사층(240)을 형성한다.
상기 반사층(240)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 로듐(Rh)으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 금속으로 형성되는데, 바람직하게 은(Ag)을 사용한다.
상기 투명 전극층(230)의 상부에 은(Ag) 금속 반사층(240)을 형성한 후, 상기 반사층(240)을 보호하는 금속 보호층(250)을 적층 하는데 이때, 사용되는 금속은 금(Au)이 사용될 수 있다.
상기 보호층(250)을 적층 후, 그 상부에 금속 전극(260)을 형성한다.
상기 금속 전극(260)은 상기 투명 전극층(230)과 인접하는 반도체층에 도핑 된 타입과 동일한 타입의 전극을 형성하며, 본 발명에서는 p형 전극을 사용한다.
상기의 방법에 의해 형성된 발광 다이오드 패키지의 일부를 상기 반도체층(220)의 n형 도핑 질화물계(GaN) 반도체층의 일부 또는 활성층(발광층)의 전부까지 에칭하고, 노출된 n형 도핑 질화물계(GaN) 반도체층에 상기 금속 전극(270)을 전자빔 증착기로 증착하고, 리프트 오프 공정을 거친 후, 급속 가열로 안에 시료를 넣어 진공에서 600℃, 30초 동안 열처리를 한다.
이때, 상기 금속전극(270)은 상기 보호층(250)의 상부에 적층 된 금속 전극(260)과는 반대의 극성을 갖으며, 상기 n형 도핑 질화물계(GaN) 반도체층과 동일한 극성을 갖는 것으로 본 발명에서는 n형 전극을 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기의 방법으로 형성된 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오 드는 다 성분계 산화물로 이루어진 투명 전극층과 오믹 접촉을 이루게 된다. 이때, 상기 투명 전극층은 진공 또는 분위기 열처리 과정을 통해 접촉 저항을 향상시킬 수 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사막과 GaN계 반도체층과의 오믹 접합 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4 를 참조하면, 반사막을 이루는 전극과 p형 GaN계 반도체층(반사막과 인접하는 반도체층)과의 접합 상태를 나타내는 전류-전압 그래프로, 가로축은 인가 전압, 세로축은 전류를 나타낸다.
상기 그래프를 보면, 전류가 인가 전압에 대하여 비례하고 있으므로, 반사막 전극과 p형 GaN계 반도체층과의 접합이 오믹 접촉을 형성함을 알 수 있다.
여기서 상기 투명 전극층은 비저항이 1*10-3Ω㎝이하이며, 광선 투과율이 85% 이상이고, 캐리어 농도는 1*1019㎝이상의 특성을 가지며, 상기 반사층의 전극은 비저항이 1*10-5Ω㎝이하이며, 광선 반사도가 70% 이상이며, 이와 같은 조건으로 형성된 반사막 전극은 금속 전극으로부터 전류의 주입이 용이하고, 면 방향으로 전류의 확산 특성이 뛰어나, 효율적인 발광이 가능하다.
또한, 본 발명의 GaN계 반도체 발광 소자는 반도체 발광 소자의 열 방출 효율 및 출사 효율이 뛰어난 발광 소자를 구현할 수 있는데 자세한 내용은 하기의 도 5 및 도 6 을 참조한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프로서, 발광 소자의 발광 파장은 460nm이며, 20mA에서 Vf값은 3.4eV임을 알 수 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자와 종래의 발광 소자의 출력을 비교한 그래프로서, 기존의 투명 전극(TCO)을 가지는 발광 소자와 비교하여 상대적으로 여러 가지 패턴의 홀 구조를 가지는 반사막 전극은 출력 파워가 우수하여 효율적으로 빛을 외부로 방출할 수 있음을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 플로우차트.
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패터닝 된 투명 전극층 및 반사층을 구비한 발광 다이오드 패키지의 단면도.
도 3a 내지 도 3d 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 홀의 다양한 패턴을 나타낸 상면도.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사막과 GaN계 반도체층과의 오믹 접합 특성을 나타낸 그래프.
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프.
도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자와 종래의 발광 소자의 출력을 비교한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 기판 210 : 버퍼층
220 : 발광 다이오드 230 : 투명 전극층
240 : 반사층 250 : 보호층
260, 270 : 금속전극 300 : 홀

Claims (16)

  1. 반도체 발광 소자에 있어서,
    다수의 홀을 포함하는 투명 전극층; 및
    상기 홀의 내부를 충진하고, 상기 투명 전극층 상부에 형성된 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극층은 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 산화물은
    산화아연, 산화주석, 산화갈륨, 산화 알루미늄 및 산화 인듐으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀은 정사각형, 직사각형, 다각형 또는 원형으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 패턴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 로듐(Rh)으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 금속으로 형성되는 것을 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 발광 소자 제조 방법에 있어서,
    n형 또는 p형으로 도핑 된 반도체층의 상부에 투명 전극층을 형성하는 단계;
    상기 투명 전극층에 하나 이상의 홀을 형성하는 단계; 및
    상기 홀의 내부 및 투명 전극층의 상부에 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 투명 전극층은 전자빔 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 방법은 아르곤 가스, 5mTorr의 스퍼트 압력, 90W~150W의 투입전력 및 상온의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 홀은 리프트 오프법(lift-off)을 통해 패터닝 되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 홀의 간격은 1㎛ 이상 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 홀의 지름은 1㎛ 이상 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 홀을 형성하는 단계는,
    상기 투명 전극층은 질소분위기에서 열처리를 통해 패턴 된 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 투명 전극층의 두께는 1㎚ 이상 1000㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 투명 전극층은 1*10-3Ω㎝이하의 비저항, 85% 이상의 광선투과율 및 1*1019㎝이상의 캐리어 농도를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 반사층은 1*10-5Ω㎝이하의 비저항 및 70% 이상의 광선반사율을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
  16. 기판, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 형성된 발광 소자의 상부에 패터닝하여 형성된 하나 이상의 홀을 포함하는 투명 전극층을 적층하는 단계;
    상기 투명 전극층의 상부에 반사층을 적층하는 단계;
    상기 반사층의 상부에 보호층과 p형 전극을 적층하는 단계; 및
    상기 전극 적층 후, 상기 활성층 또는 상기 n형 반도체층의 일부까지 식각하고, 식각 된 저면에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 제조 방법.
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