KR20110111799A - 비극성 기판을 채택한 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20110111799A
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Abstract

비극성 기판을 채택한 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 비극성 질화갈륨계 기판, 상기 기판 상부에 위치하는 제1 질화물 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층 상부에 위치하는 비극성 활성층, 상기 활성층 상부에 위치하는 제2 질화물 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 기판 사이에 개재된 절연 패턴, 상기 기판 하부에 위치하는 다층 구조의 분포 브래그 반사층, 및 상기 분포 브래그 반사층을 덮는 보호금속층을 포함하고, 상기 보호금속층은 상기 분포 브래그 반사층을 통해 상기 기판 하부면에 전기적으로 접속된다. 상기 절연 패턴에 의해 광은 산란시킬 수 있고 또한 분포 브래그 반사층을 이용하여 광을 반사시킴으로써 광 추출 효율이 개선된 비극성 발광 다이오드가 제공될 수 있다.

Description

비극성 기판을 채택한 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE EMPLOYING NON-POLAR SUBSTRATE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 비극성 기판을 채택한 발광 다이오드에 관한 것이다.
질화갈륨 계열의 발광 다이오드는 표시소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다. 또한, 발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.
일반적으로, 질화갈륨 계열의 질화물 반도체는 사파이어 또는 실리콘탄화물과 같은 이종 기판 상에 성장된다. 특히 패터닝된 사파이어 기판 상에 질화물 반도체층들을 형성하고, 이 질화물 반도체층들을 이용하여 발광 다이오드를 제조하는 것이 일반적으로 사용된다. 패터닝된 사파이어 기판은 활성영역에서 기판측으로 진행하는 광을 산란시켜 광추출 효율을 향상시킨다.
한편, 질화물 반도체는 일반적으로 사파이어 기판의 c면(0001) 상에서 성장되므로 압전 특성을 나타낸다. 압전 특성에 의해 다중양자우물 구조의 활성영역에서 강한 분극전계가 유발되고, 따라서 발광층의 두께를 증가시키는 것이 어려우며, 발광 재결합율이 감소되어 발광출력을 향상시키는데 한계가 있다.
최근, 이러한 분극전계 유발을 방지하기 위해 a면 또는 m면으로 질화물 반도체를 성장시켜 비극성 또는 반극성 발광 다이오드를 제조하는 방법이 연구되고 있다. 비극성 발광 다이오드는 분극전계를 나타내는 극성 발광 다이오드에 비해 발광 재결합율을 증가시켜 발광 효율을 향상시킬 것으로 기대되고 있다. 또한, 상기 비극성 발광 다이오드는 극성 발광 다이오드와 달리 편광된 광을 방출하는 특성을 나타내는 것이 일본 응용물리 학회지(Japanese Journal of Applied Physics, Vol 46, No.42, 2007, pp. L1010-L1012)에 보고된 바 있다. 따라서, 편광광을 필요로하는 다양한 응용 분야에 적합하게 사용될 수 있다.
비극성 질화물 반도체를 성장시키는 방법으로는 예컨대, r면 사파이어 기판을 성장기판으로 사용하여 a면 질화물 반도체를 성장시키는 기술이 연구되고 있다. 그러나 사파이어 기판 상에 성장된 비극성 질화물 반도체는 내부에 실전위와 같은 결함을 많이 포함하며, 따라서 비발광 재결합에 기인하여 발광 효율 향상에 한계가 있다.
한편, c면 사파이어 기판 상에 성장된 질화갈륨 결정을 떼어내어 c면 이외의 결정면, 예컨대 a면(11-20) 또는 m면(1-100)을 갖는 질화갈륨 기판으로 가공하고, 이를 질화물 반도체의 성장기판으로 사용할 수 있으며, 도전성 GaN 기판 상에 형성된 질화물 반도체층들을 이용하여 수직형 구조의 비극성 발광 다이오드를 제조할 수 있다. 그러나 GaN 기판은 그 위에 성장되는 질화물 반도체와 동종의 기판으로, 패터닝된 사파이어 기판과 같은 효과, 즉 기판측으로 진행하는 광을 산란시켜 광 추출 효율을 향상시키는 효과를 나타내기 어렵다. 나아가, 도전성 GaN 기판을 이용한 수직형 구조의 발광 다이오드는 상부에 형성된 전극과 GaN 기판 하부에 형성된 전극 사이에 전류가 직선적으로 흐르기 때문에, 활성 영역 전체에 걸쳐 전류를 고르게 분산시키기 어렵다.
일본 응용물리 학회지(Japanese Journal of Applied Physics) Vol 46, No.42, 2007, pp. L1010-L1012
본 발명이 해결하려는 과제는 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 비극성 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 전류를 분산시킬 수 있는 수직형 구조의 비극성 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명은 비극성 기판을 채택한 발광 다이오드를 제공한다. 이 발광 다이오드는, 비극성 질화갈륨계 기판; 상기 기판 상부에 위치하는 제1 질화물 반도체층; 상기 제1 질화물 반도체층 상부에 위치하는 비극성 활성층; 상기 활성층 상부에 위치하는 제2 질화물 반도체층; 상기 제1 질화물 반도체층과 상기 기판 사이에 개재된 절연 패턴; 상기 기판 하부에 위치하는 다층 구조의 분포 브래그 반사층; 및 상기 분포 브래그 반사층을 덮는 보호금속층을 포함하고, 상기 보호금속층은 상기 분포 브래그 반사층을 통해 상기 기판 하부면에 전기적으로 접속된다.
비극성 질화갈륨계 기판을 채택함으로써 비극성 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있으며, 이 기판 상에 절연 패턴을 형성함으로써, 활성층에서 생성되어 기판측으로 향하는 광을 산란시킬 수 있어 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 상기 기판 하부면에 다층 구조의 분포 브래그 반사층을 배치함으로써 상기 기판을 통해 기판 하부로 진행하는 광을 반사시킬 수 있어 광 추출 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 기판은 그 하부면에 상기 보호금속층이 접속되는 적어도 하나의 접속 영역을 갖고, 상기 절연 패턴은 적어도 상기 접속 영역의 수직 방향 상부에 위치할 수 있다. 따라서, 제2 질화물 반도체층으로부터 상기 접속 영역으로 전류가 직선적으로 흐르는 것을 방지할 수 있어 전류를 분산시킬 수 있다.
상기 절연 패턴은 상기 접속 영역과 동일한 형태의 패턴으로 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 적어도 하나의 접속 영역에 비해 고밀도로 배치될 수 있다. 상기 절연 패턴은 스트라이프 형상, 메쉬 형상 또는 아일랜드 형상으로 배치될 수 있다. 또한, 상기 절연 패턴의 위쪽에 위치하는 질화물 반도체층과 그 아래쪽에 위치하는 질화물 반도체층 또는 상기 기판은 절연 패턴이 형성된 영역 이외의 영역을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 예컨대, 상기 절연 패턴이 형성된 영역 이외의 영역은 도전성 질화물 반도체로 채워져 전류 통로를 제공한다.
상기 절연 패턴은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등의 절연 물질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 에어갭들로 형성될 수 있다. 상기 에어갭들은 질화물 반도체로 둘러싸인다.
한편, 상기 제2 질화물 반도체층 상부에 투명 전류 확산층이 위치할 수 있다. 투명 전류 확산층은 예컨대, ITO 또는 ZnO 등의 투명한 도전성 산화막으로 형성될 수 있다. 나아가, 상기 투명 전류 확산층이 ZnO로 형성될 경우, 상기 투명 전류 확산층의 표면에 요철이 형성될 수 있다. 상기 요철은 ZnO 층을 패터닝하여 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 적어도 하나의 홈이 상기 제2 질화물 반도체층 및 상기 활성층을 관통할 수 있다. 상기 홈의 측벽은 상기 기판면에 대해 경사질 수 있다. 예컨대, 상기 홈은 단면이 V형으로, 예컨대 뿔 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 활성층에서 생성된 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 비극성 질화갈륨계 기판을 채택하고 이 기판 상부에 절연 패턴을 형성함으로써, 활성층에서 생성되어 기판측으로 향하는 광을 산란시킬 수 있어 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 비극성 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 나아가, 상기 기판 하부면에 다층 구조의 분포 브래그 반사층을 배치함으로써 상기 기판을 통해 기판 하부로 진행하는 광을 반사시킬 수 있어 광 추출 효율을 더욱 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 기판 하부면의 전기 접속 영역과 상기 절연 패턴의 위치를 조절함으로써 전류를 분산시킬 수 있는 수직형 구조의 비극성 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드를 설명사기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 기판(21), 절연 패턴(23), 제1 질화물 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 질화물 반도체층(29)을 포함한다. 또한, 상기 발광 다이오드는 다층 구조의 분포 브래그 반사층(40), 보호 금속층(45), 투명 전류 확산층(31) 및 전극 패드(33)를 포함할 수 있다.
기판(21)은 a면 또는 m면의 비극성 질화갈륨계 기판으로 예컨대 n형 도전형의 GaN 기판일 수 있다. 기판(21)은 예컨대 사파이어 기판 상에 성장된 후, 사파이어 기판으로부터 분리되어 준비될 수 있으며, 분포 브래그 반사층(40)을 형성하기 전 연마 가공에 의해 박형화(thinning)된 것일 수 있다.
절연 패턴(23)은 기판(21) 상에 위치한다. 절연 패턴(23)은 기판(21) 상에 직접 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 절연 패턴(23)을 형성하기 전, 질화물 반도체층이 먼저 형성될 수도 있다. 절연 패턴(23)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 절연층을 형성하고, 절연층을 사진 및 식각 기술을 이용하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 절연 패턴(23)은 스트라이프 형상, 메쉬 형상 또는 아일랜드 형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
기판(21) 상부에 발광 구조체(30)가 위치한다. 상기 발광 구조체(30)는 제1 질화물 반도체층(25), 제2 질화물 반도체층(29) 및 상기 제1 및 제2 질화물 반도체층들(25, 29) 사이에 개재된 활성층(27)을 포함한다. 예컨대, 제1 질화물 반도체층은 n형이고, 제2 질화물 반도체층은 p형이다.
상기 제1 질화물 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 질화물 반도체층(29)은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질, 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있으며, a면 또는 m면의 결정성장면을 갖는다. 상기 활성층(27)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다. 상기 제1 질화물 반도체층(25) 및/또는 제2 질화물 반도체층(29)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(27)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조로 형성될 수 있다. 다층 구조의 제1 질화물 반도체층(25) 및/또는 제2 질화물 반도체층(29)은 그 내부에 언도프층을 포함할 수도 있다.
상기 절연 패턴(23)은 발광 구조체(30), 예컨대 제1 질화물 반도체층(25)과 기판(21) 사이에 위치한다. 예를 들어, 제1 질화물 반도체층(25)은 절연 패턴(23)이 형성된 기판(21) 상에서 성장될 수 있다. 제1 질화물 반도체층(25)은 절연 패턴(23)이 형성된 영역 이외의 영역에 노출된 기판(21)면에서 성장되어 절연 패턴(23)이 형성된 영역 이외의 영역을 채우고 절연 패턴(23)을 덮는다. 그 후, 상기 제1 질화물 반도체층(25) 상에 활성층(27) 및 제2 질화물 반도체층(29)이 형성된다. 상기 반도체층들(25, 27, 29)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
한편, 투명 전류 확산층(31)이 제2 질화물 반도체층(29) 상에, 예컨대, ITO 또는 ZnO로 형성될 수 있다. 투명 전류 확산층(31)은 제2 질화물 반도체층(29)에 비해 비저항이 낮은 물질로 형성되며, 전류를 분산시키는 역할을 한다. 상기 투명전류 확산층(31) 상에 전극 패드(33)가 형성된다.
분포 브래그 반사층(40)은 굴절률이 다른 층들이 교대로 적층된 다층 구조를 가지며, 기판(21)의 하부에 위치한다. 분포 브래그 반사층(45)은 예컨대, SiO2의 제1층과 TiO2의 제2층을 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 제1층과 제2층의 두께는 활성층(27)에서 생성된 광의 파장에 대해 높은 반사율을 나타내도록 선택될 수 있으나, 교대로 적층되는 제1층들 또는 제2층들이 모두 동일한 두께를 가질 필요는 없다. 또한, 활성층(27)에서 생성된 광의 파장뿐만 아니라 가시영역의 넓은 파장에 대해 상대적으로 높은 반사율을 갖도록 다수의 분포 브래그 반사층들이 적층될 수도 있다. 다수의 분포 브래그 반사층들을 적층함으로써 가시영역의 넓은 파장에 대해 높은 반사율을 나타낼 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 비극성 발광 다이오드를 실장하여 백색광을 구현하는 패키지의 경우, 상기 비극성 발광 다이오드에서 생성된 광과 다른 파장의 광이 상기 비극성 발광 다이오드로 입사될 수 있으며, 이때 상기 다른 파장의 광을 다시 반사시킬 수 있어 패키지의 광추출 효율을 개선할 수 있다.
나아가, 상기 분포 브래그 반사층(40)의 첫째층 및 마지막층은 SiO2일 수 있다. SiO2를 분포 브래그 반사층(40)의 첫째층 및 마지막층에 배치함으로써 분포 브래그 반사층(40)을 안정하게 기판(21)에 부착할 수 있고, 분포 브래그 반사층(40)을 보호할 수 있다.
분포 브래그 반사층(40)은 기판(21)의 하부면을 연마하여 기판(21)을 얇게 한 후 형성될 수 있다. 한편, 하부면에 제1층과 제2층을 교대로 적층하여 다층 구조의 분포 브래그 반사층(40)을 형성한 후, 사진 및 식각 공정을 사용하여 기판(21)의 하부의 접속 영역(들)을 노출시키는 개구부(들)을 형성할 수 있다. 그 후, 상기 분포 브래그 반사층(40)을 덮는 보호 금속층(45)이 형성된다. 보호 금속층(45)은 분포 브래그 반사층(40)을 보호하며 또한 기판(21)의 접속 영역들에 전기적으로 접속되어 전극 패드로서의 역할을 수행한다. 보호 금속층(45)은 분포 브래그 반사층(40) 측에 Al 또는 Ag와 같은 반사층을 포함할 수 있으며, 또한 접속 영역에 콘택하는 콘택층을 포함할 수 있다.
한편, 보호 금속층(45)이 전기적으로 접속되는 기판(21)의 접속 영역(들)은 스트라이프 형상, 메쉬 형상 또는 아일랜드 형상등 다양한 형상으로 배치될 수 있다. 나아가, 접속 영역(들) 수직방향 상부에는 절연 패턴(23)이 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 전극 패드(33)측으로부터 접속 영역으로 전류가 직선적으로 흐르는 것을 방지하여 활성층(27)의 넓은 영역에 걸쳐 전류를 분산시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드는 앞서 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하며, 다만, 투명 전류 확산층(31a)이 요철 패턴의 표면을 갖는 것에 차이가 있다. 투명 전류 확산층(31a)은 ZnO로 형성될 수 있으며, ZnO층의 상부면을 패터닝함으로써 요철을 형성할 수 있다. 투명 전류 확산층(31a)의 표면에 요철이 형성됨으로써 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드는 앞서 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하며, 다만, 발광 구조체(30)에 홈들(30a)이 형성된 것에 차이가 있다. 홈(30a)은 투명 전류 확산층(31)을 형성하기 전 또는 그것을 형성한 후에, 제2 질화물 반도체층(29) 및 활성층(27)을 식각함으로써 형성될 수 있다. 또한, 홈(30a)은 제1 질화물 반도체층(25) 내로 연장할 수 있다. 홈(30a)의 측벽은 기판(21) 면에 대해 경사지게 형성될 수 있다. 예컨대, 홈(30a)은 단면이 V형 형상으로 형성되며, 예컨대 원뿔, 사각뿔 등 다양한 뿔 형상으로 형성될 수 있다. 한편, 투명 전류 확산층(31)은 메쉬 형상으로 연결될 수 있다. 홈(30a)을 형성함으로써 발광 구조체(30)에서 생성된 광의 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나, 절연 패턴(53)이 에어갭(air gap)들로 형성된 것에 차이가 있다.
절연 패턴(53)은 기판(21) 상에 질화물 반도체층(53)을 형성하고, 질화물 반도체층(53)을 사진 및 식각 공정을 사용하여 패터닝함으로써 복수의 홈 또는 복수의 트렌치를 형성하고 그 위에 제1 질화물 반도체층(55)을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 식각 공정에 의해 질화물 반도체층(53) 내에 형성된 홈 또는 트렌치의 바닥면은 식각 손상에 의해 제1 질화물 반도체층(55) 성장이 억제되며, 따라서 홈 또는 트렌치 내에 질화물 반도체로 둘러싸인 에어갭이 형성된다. 상기 제1 질화물 반도체층(55) 상에 활성층(27) 및 제2 질화물 반도체층(29)이 형성되어 발광 구조체(60)가 형성된다.
상기 에어갭은 절연재료로 형성된 절연 패턴(23)에 비해 더 낮은 굴절률을 가지며, 따라서 광을 더 잘 산란시킬 수 있어 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 질화물 반도체층(53)에 홈 또는 트렌치를 형성하는 것으로 설명하였으나, 질화물 반도체층(53)을 형성하지 않고, 기판(21) 상부면에 직접 홈 또는 트렌치를 형성하고 제1 질화물 반도체층(55)을 성장시킬 수도 있다.
또한, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 투명 전류 확산층(31)의 표면에 요철을 형성할 수도 있으며, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 홈(30a)을 형성할 수도 있다.

Claims (8)

  1. 비극성 질화갈륨계 기판;
    상기 기판 상부에 위치하는 제1 질화물 반도체층;
    상기 제1 질화물 반도체층 상부에 위치하는 비극성 활성층;
    상기 활성층 상부에 위치하는 제2 질화물 반도체층;
    상기 제1 질화물 반도체층과 상기 기판 사이에 개재된 절연 패턴;
    상기 기판 하부에 위치하는 다층 구조의 분포 브래그 반사층; 및
    상기 분포 브래그 반사층을 덮는 보호금속층을 포함하고,
    상기 보호금속층은 상기 분포 브래그 반사층을 통해 상기 기판 하부면에 전기적으로 접속된 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 그 하부면에 상기 보호금속층이 접속되는 적어도 하나의 접속 영역을 갖고,
    상기 절연 패턴은 적어도 상기 접속 영역의 수직 방향 상부에 위치하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 절연 패턴은 상기 적어도 하나의 접속 영역에 비해 고밀도로 배치된 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 패턴은 질화물 반도체로 둘러싸인 에어갭들로 이루어진 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 질화물 반도체층 상부에 위치하는 투명 전류 확산층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 투명 전류 확산층은 ZnO로 형성되고, 상기 투명 전류 확산층의 표면에 요철이 형성된 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 질화물 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 적어도 하나의 홈을 더 포함하는 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 홈의 측벽은 상기 기판 면에 대해 경사진 발광 다이오드.
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