KR20120029660A - Semiconductor light emitting device and method for manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히, 금속입자를 이용한 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly, to a semiconductor light emitting device using a metal particle and a method of manufacturing the same.
질화물 반도체 발광소자는 자외선, 청색 및 녹색 영역을 포괄하는 발광 영역을 가진다. 특히, GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색/녹색 LED(Light Emitting Diode)의 광소자, MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 HEMT (Hetero junction Field ? Effect Transistors) 등의 고속 스위칭이나 고출력 소자인 전자소자에 응용되고 있다.The nitride semiconductor light emitting device has a light emitting area covering ultraviolet, blue and green areas. In particular, GaN-based nitride semiconductor light emitting device is a high-speed switching such as optical devices of blue / green LED (Light Emitting Diode), metal semiconductor field effect transistor (MESFET) or hetero junction field effect transistors (HEMT) It is applied to electronic devices which are high output devices.
도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 2는 일반적인 반도체 발광소자의 내부 빛이 전반사되는 것을 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of a general semiconductor light emitting device, and FIG. 2 is a view illustrating total reflection of internal light of a general semiconductor light emitting device.
일반적인 질화물 반도체 발광소자는(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(110), 버퍼층(120), 언도프드 반도체층(130), N형 질화물 반도체층(140), 활성층(150), P형 질화물 반도체층(160), 투명전극층(170), P형 전극(180) 및, 활성층(150)과 P형 질화물 반도체층(160)의 일부를 식각 함으로써 노출된 N형 질화물 반도체층(140) 상에 형성된 N형 전극(190)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the general nitride semiconductor
이러한 반도체 발광소자(100)는 P형 전극(180) 및 N형 전극(190)에 전압을 인가하면, P형 질화물 반도체층(160)과 N형 질화물 반도체층(140) 사이에 순방향 바이어스(Forward Bias)가 걸리게 되고, 이때, 활성층(150)에서 전자 및 정공들이 재결합(Recombination)되어 광을 방출하게 된다.In the semiconductor
이러한 질화물 반도체 발광소자는 활성층에서 발생된 빛을 얼마나 효율적으로 외부로 추출할 수 있는지가 중요한 문제인데, 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 질화물 반도체 발광소자를 구성하고 있는 물질의 굴절률(Refractive Index)이 소자의 외부를 둘러싸고 있는 물질(예: 공기, 수지(Resin), 기판 등)의 굴절률보다 크기 때문에, 소자 내부에서 생성된 광자가 외부로 탈출하지 못하고 내부에서 전반사를 통해 재흡수되어 광 추출 효율(Extraction Efficiency)이 저하되는 문제점이 있다.The nitride semiconductor light emitting device is an important problem how to efficiently extract the light generated in the active layer to the outside, in the case of a general nitride semiconductor light emitting device, the material constituting the nitride semiconductor light emitting device as shown in FIG. Because the refractive index of is larger than the refractive index of the material surrounding the outside of the device (e.g., air, resin, substrate, etc.), photons generated inside the device do not escape to the outside and are totally reflected inside. There is a problem in that light extraction efficiency (Extraction Efficiency) is lowered by reabsorption.
즉, 종래의 반도체 발광소자(LED)는 N형 반도체와 P형 반도체 사이에서 전자와 정공의 결합으로 빛이 발생되어, 상면에 형성된 ITO 등의 투명전극을 통하여 빛이 빠져나올 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 물질과 투명전극의 굴절률이 자유공간의 굴절률보다 크기 때문에 임계각보다 큰 각도로 발광 면에 입사되는 빛은 전반사 되어 빠져나가지 못하고 내부에서 진행하다가 흡수된다. 따라서, 종래의 반도체 발광소자에서는 출광 효율이 나빠지는 현상이 발생하고 있으며, 빠져나오지 못한 빛이 내부에서 흡수되는 과정에서 열을 발생시키기 때문에 발열 문제 등이 발생할 수도 있다는 문제점이 있다. That is, in the conventional semiconductor light emitting device (LED), when light is generated by the combination of electrons and holes between the N-type semiconductor and the P-type semiconductor, the light exits through a transparent electrode such as ITO formed on the upper surface, As shown, since the refractive indices of the semiconductor material and the transparent electrode are larger than the refractive indices of the free space, the light incident on the light emitting surface at an angle greater than the critical angle is totally reflected and proceeds inside the absorbed light. Accordingly, in the conventional semiconductor light emitting device, a phenomenon in which light emission efficiency is deteriorated is generated, and heat may be generated because heat generated in the process of absorbing the light that has not escaped from the inside may occur.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 반도체 발광소자의 적층 구조 측벽에 소정 각도를 형성시키고 측벽을 반사면으로 형성함으로써 활성층에서 발생하는 횡방향의 빛을 종방향으로 추출하는 방법이 제안된바 있지만, 이러한 방법은 반도체 발광소자의 제조를 어렵게 하고, 이로 인해 반도체 발광소자의 제조 비용을 증가시키게 된다는 문제점이 있다.In order to solve this problem, a method of extracting the lateral light generated in the active layer in the longitudinal direction has been proposed by forming a predetermined angle on the sidewall of the stacked structure of the semiconductor light emitting device and forming the sidewall as a reflective surface. This makes it difficult to manufacture a semiconductor light emitting device, thereby increasing the manufacturing cost of the semiconductor light emitting device.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 투명전극층 또는 반도체층에 금속입자가 형성되어 있는, 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to provide a semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, wherein metal particles are formed in a transparent electrode layer or a semiconductor layer.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 반도체층; 상기 제2 반도체층 상에 형성되는 투명전극층; 상기 활성층, 상기 제2 반도체층 및 상기 투명전극층이 형성되지 않은 상기 제1 반도체층 상에 형성된 제1 전극; 상기 투명전극 상에 형성되는 제2 전극; 및 상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층 또는 상기 투명전극층 중 어느 하나의 층의 내부에 형성되는 금속입자를 포함한다.The semiconductor light emitting device according to the present invention for achieving the above technical problem, the substrate; A first semiconductor layer formed on the substrate; An active layer formed on the first semiconductor layer; A second semiconductor layer formed on the active layer; A transparent electrode layer formed on the second semiconductor layer; A first electrode formed on the first semiconductor layer on which the active layer, the second semiconductor layer, and the transparent electrode layer are not formed; A second electrode formed on the transparent electrode; And metal particles formed in one of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the transparent electrode layer.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 발광소자 제조 방법은, 기판 상에 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 제2 반도체층 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층에 열을 가하여 상기 제2 반도체층 상에 금속입자를 형성하는 단계; 상기 제2 반도체층 상에 상기 금속입자를 덮도록 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 제1 반도체층의 일부를 노출시키는 단계; 및 상기 노출된 제1 반도체층 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 투명전극층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor light emitting device, including sequentially forming a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer on a substrate; Forming a metal layer on the second semiconductor layer; Applying heat to the metal layer to form metal particles on the second semiconductor layer; Forming a transparent electrode layer on the second semiconductor layer to cover the metal particles; Exposing a portion of the first semiconductor layer; And forming a first electrode on the exposed first semiconductor layer, and forming a second electrode on the transparent electrode layer.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 또 다른 반도체 발광소자 제조 방법은, 기판 상에 제1 반도체층 및 활성층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층에 열을 가하여 상기 활성층 상에 금속입자를 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 상기 금속입자를 덮도록 제2 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 제1 반도체층의 일부를 노출시키는 단계; 및 상기 노출된 제1 반도체층 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 투명전극층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.Another method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention for achieving the above-described technical problem, comprising the steps of sequentially forming a first semiconductor layer and an active layer on a substrate; Forming a metal layer on the active layer; Applying heat to the metal layer to form metal particles on the active layer; Forming a second semiconductor layer on the active layer to cover the metal particles; Forming a transparent electrode layer on the second semiconductor layer; Exposing a portion of the first semiconductor layer; And forming a first electrode on the exposed first semiconductor layer, and forming a second electrode on the transparent electrode layer.
상술한 해결 수단에 따라 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.According to the above solution, the present invention provides the following effects.
즉, 본 발명은 투명전극층 또는 반도체층에 금속입자를 형성시킴으로써, 금속입자의 산란에 의해 빛이 외부로 빠져 나오도록 하여, 출광 효율을 높일 수 있다는 효과를 제공한다. That is, the present invention provides the effect that light is emitted to the outside by scattering of the metal particles by forming the metal particles in the transparent electrode layer or the semiconductor layer, thereby increasing the light emission efficiency.
또한, 본 발명은 전반사 현상에 의해 외부로 빠져나오지 못하고 내부에서 열로 소멸 되는 빛을, 금속입자의 산란을 이용하여 외부로 빠져나오도록 함으로써, 발열 문제를 해결할 수 있다는 효과를 제공한다. In addition, the present invention provides an effect that can solve the heat generation problem by letting the light that is not escaped to the outside due to total reflection phenomenon to the outside by the heat by using the scattering of the metal particles.
도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 일반적인 반도체 발광소자의 내부 빛이 전반사되는 것을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 내부 빛이 금속입자에 의해 산란되는 상태를 개략적으로 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자에 적용되는 은 입자의 Mie 이론에 의한 산란과 흡수 효율을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자에 대한 FDTD 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 구조를 보여주는 단면도.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 보여주는 도면.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a general semiconductor light emitting device.
2 is a view showing that the internal light of the general semiconductor light emitting device is totally reflected.
3 is a view schematically showing a state in which the internal light of the semiconductor light emitting device according to the present invention is scattered by the metal particles.
Figure 4 is a graph showing the scattering and absorption efficiency according to the Mie theory of silver particles applied to the semiconductor light emitting device according to the present invention.
5 is an exemplary view showing a FDTD simulation result for a semiconductor light emitting device according to the present invention.
6 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor light emitting device according to the present invention.
7A to 7E illustrate a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 내부 빛이 금속입자에 의해 산란되는 상태를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자에 적용되는 은 입자의 Mie 이론에 의한 산란과 흡수 효율을 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자에 대한 FDTD 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.3 is a view schematically showing a state in which the internal light of the semiconductor light emitting device according to the present invention is scattered by the metal particles, Figure 4 is a scattering by the Mie theory of silver particles applied to the semiconductor light emitting device according to the present invention; 5 is a graph showing absorption efficiency, and FIG. 5 is an exemplary diagram showing a FDTD simulation result for a semiconductor light emitting device according to the present invention.
즉, 본 발명은 반도체 발광소자(LED) 내부의 전반사 현상을 최소화할 수 있는 방법 중의 하나로, 금속입자의 산란을 이용하는 것으로서, 이에 의해 광 추출 효율을 극대화시키고 있다는 특징을 가지고 있다. That is, the present invention is one of methods for minimizing the total reflection phenomenon inside a semiconductor light emitting device (LED), by using scattering of metal particles, thereby maximizing light extraction efficiency.
이를 위해 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 금속 입자를 반도체 발광소자의 내부에 도포하여, 금속입자의 산란에 의해 빛이 외부로 빠져나오도록 구성되어 있다. To this end, as shown in FIG. 3, the present invention is configured to apply metal particles to the inside of the semiconductor light emitting device so that light is emitted to the outside by scattering of the metal particles.
본 발명에 따른 반도체 발광소자 중 금속입자는 투명전극(ITO)층, P형 반도체층, N형 반도체층 등 다양한 곳에 위치될 수 있다. 또한, 금속입자로는 금 입자 또는 은(Ag) 입자가 적용될 수 있다. Metal particles of the semiconductor light emitting device according to the present invention may be located in various places such as a transparent electrode (ITO) layer, a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer. In addition, gold particles or silver (Ag) particles may be applied as the metal particles.
한편, 반지름 60nm 구 모양의 은(Ag) 입자에 대해 Mie 이론에 따라 산란효율을 계산해 보면 도 4에서 보는 바와 같이 나타나며, 플라즈몬(plasmon) 공진에 의해 대략 450nm 근처에서 산란이 많이 일어나는 것을 알 수 있다. On the other hand, the calculation of the scattering efficiency of the 60 nm-spherical silver (Ag) particles according to the Mie theory is shown as shown in Figure 4, it can be seen that the scattering occurs a lot around 450nm by the plasmon resonance (plasmon) resonance .
따라서, 본 발명은 상기 영역에서, 금속입자를 이용하여 빛을 산란시켜, 전반사되는 빛을 줄여 대부분의 빛이 외부로 출광되도록 디자인되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 반지름이 50 ~ 70nm 크기의 구 모양의 은(Ag)을 금속입자로 이용하고, 파장이 350 ~ 500nm 사이인 청색 반도체 발광소자(Blue LED)에 적용되는 경우에, 광 추출 효율을 극대화시키고 있다는 특징을 가지고 있으며, 특히, 제조 공정 등을 고려해 볼 때 투명전극(ITO)에 위치되는 것이 바람직하다. Therefore, the present invention, in the above region, it is preferable that the light is scattered by using the metal particles, reducing the total reflection light is designed so that most of the light is emitted to the outside. That is, in the semiconductor light emitting device according to the present invention, a spherical silver (Ag) having a radius of 50 to 70 nm is used as a metal particle and is applied to a blue semiconductor light emitting device (Blue LED) having a wavelength of 350 to 500 nm. In this case, the light extraction efficiency is maximized. In particular, in consideration of a manufacturing process, it is preferable to be positioned on the transparent electrode ITO.
한편, 종래의 반도체 발광소자의 내부와 자유공간 사이에서의 전반사 현상과, 본 발명에 따른 반도체 발광소자 내부에서 금속입자(Ag)를 이용해 전반사를 방지하여 빛이 추출되는 현상을 FDTD(Finite-Difference Time-Domain method)를 이용해 시뮬레이션 한 결과는 도 5에 도시된 바와 같다. 반도체 내부의 굴절률이 2라고 가정했을 경우, 전반사가 일어나는 임계각은 30도로서, 도 5는, 전반사가 일어나는 임의의 각도인 43도로 빛(incident light)이 경계 면으로 진행하는 경우에 대해 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 은(Ag) 입자의 반지름은 60nm이며, 450nm파장의 빛을 가정하였다. 즉, 종래의 반도체 발광소자(LED)의 경우 도 5의 (a)에서 볼 수 있듯이, 모든 빛이 전반사되어 반도체 발광소자 내부로 다시 들어가는 것을 확인할 수 있으며, 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 경우는, 도 5의 (b)서 볼 수 있듯이 금속입자(은 입자)(410)의 산란에 의해 빛의 진행방향이 바뀌어 빛의 일부가 반도체 발광소자 외부로 빠져나가는 것을 확인할 수 있다.Meanwhile, FDTD (Finite-Difference) is a method of total reflection between the interior and free space of a conventional semiconductor light emitting device and light extraction by preventing total reflection using metal particles (Ag) in the semiconductor light emitting device according to the present invention. The simulation result using the Time-Domain method is shown in FIG. 5. Assuming that the index of refraction inside the semiconductor is 2, the critical angle at which total reflection occurs is 30 degrees, and FIG. 5 simulates a case where incident light proceeds to the boundary surface at 43 degrees, which is an angle at which total reflection occurs. One result is shown. At this time, the radius of the silver (Ag) particles is 60nm, assuming a light of 450nm wavelength. That is, in the case of the conventional semiconductor light emitting device (LED), as can be seen in Figure 5 (a), it can be seen that all the light is totally reflected back into the semiconductor light emitting device, in the case of the semiconductor light emitting device according to the present invention As shown in (b) of FIG. 5, it is possible to confirm that a part of the light exits outside the semiconductor light emitting device due to the scattering of the metal particles (silver particles) 410.
즉, 본 발명은 반도체 발광소자 내부에 포함되어 있는 금속입자의 산란, 반사, 플라즈몬을 이용하여, 반도체 발광소자 내부에서 발생된 빛을 외부로 빠져나가도록 함으로써, 반도체 발광소자의 출광 효율을 높이기 위한 것으로서, 금속입자와 발광층에서 플라즈몬과 엑시톤(exciton)의 커플 링으로 내부 광 효율을 높이는 것을 특징으로 하고 있다.
That is, the present invention uses the scattering, reflection, and plasmon of the metal particles contained in the semiconductor light emitting device to escape the light generated inside the semiconductor light emitting device to the outside, thereby increasing the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device. In this case, the internal light efficiency is enhanced by coupling of plasmon and excitons in the metal particles and the light emitting layer.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 구조를 보여주는 단면도이다. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor light emitting device according to the present invention.
본 발명에 따른 반도체 발광소자(300)는 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(310), 버퍼층(320), 언도프드 반도체층(330), N형 질화물 반도체층(340), 활성층(350), P형 질화물 반도체층(360), 금속입자(410), 투명전극층(370), P형 전극(380) 및 N형 전극(390)을 포함한다.As shown in FIG. 6, the semiconductor
기판(310)은 그 위에 성장되는 질화물 반도체 물질의 결정과 결정구조가 동일하면서 격자정합을 이루는 상업적인 기판이 존재하지 않기 때문에 격자정합을 고려하여 일반적으로 사파이어 기판(Sapphire Substrate)이 주로 사용된다. Since the
사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 방향의 격자상수가 13.001Å, a축 방향으로는 4.765Å의 격자간 거리를 가지며, 사파이어 면방향(Orientation Plane)으로는 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는 특징이 있다. The sapphire substrate is a Hexa-Rhombo R3c symmetric crystal with a lattice constant of 13.001Å in the c-axis direction and 4.765Å in the a-axis direction, and in the sapphire orientation plane. Has a C (0001) plane, an A (1120) plane, an R (1102) plane, and the like.
이러한 사파이어 기판의 c면의 경우 비교적 질화물 반도체 물질의 성장이 용이하며 고온에서 안정하기 때문에, 청색 또는 녹색 발광소자용 기판으로 사파이어 기판이 주로 사용된다.Since the c plane of the sapphire substrate is relatively easy to grow a nitride semiconductor material and stable at high temperature, a sapphire substrate is mainly used as a substrate for a blue or green light emitting device.
버퍼층(320)은 기판(310)과 N형 질화물 반도체층(340) 간의 격자 상수 차이를 줄이기 위한 것으로서, 기판(310) 상에 형성되는데, 예컨대 AlInN 구조, InGaN/GaN 초격자 구조, InGaN/GaN 적층구조, AlInGaN/InGaN/GaN의 적층구조 중에서 선택되어 형성될 수 있다.The
언도프드 반도체층(330)은 버퍼층(320) 상에 형성되는 것으로서 GaN계로 형성될 수 있다. 이러한 언도프드 반도체층(330)은 예컨대, 1500℃의 성장온도에서 버퍼층(320) 상에 NH3와 트리메탈 갈륨(TMGa)을 공급함으로써 형성될 수 있다.The
한편, 상술한 실시예에서는 버퍼층(320) 및 언도프드 반도체층(330)이 모두 포함되는 것으로 기재하였으나, 변형된 실시예에 있어서는 버퍼층(320) 및 언도프드 반도체층(330) 중 어느 하나만이 포함되거나, 모두 포함되지 않을 수도 있다.In the above-described embodiment, both the
N형 질화물 반도체층(340)은 언도프드 반도체층(330) 상에 형성되는 것으로, N형 불순물이 도핑된 GaN, AlGaN, InGaN, AlN, AlInGaN 등의 반도체 물질로 이루어진다. N형 불순물로는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등이 있다. The N-type
이러한 N형 질화물 반도체층(340)은, 상술한 반도체 물질을 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy: MBE), 또는 하이드라이드 기상증착법(Hydride Vapor Phase Epitaxy: HVPE)과 같은 증착공정을 사용하여 기판(310) 또는 언도프드 반도체층 또는 버퍼층 상에 성장시킴으로써 형성된다.The N-type
활성층(350)은 빛을 발광하기 위한 층으로서, 통상 InGaN층을 우물로 하고, (Al)GaN층을 벽층(Barrier Layer)으로 하여 성장시켜 다중양자우물구조(MQW)를 형성함으로써 이루어진다. 청색 발광다이오드에서는 InGaN/GaN 등의 다중 양자 우물 구조, 자외선 발광다이오드에서는 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN, 및 InGaN/AlGaN 등의 다중 양자 우물 구조가 사용되고 있다. The
활성층(350)의 효율 향상에 대해서는, In 또는 Al의 조성비율을 변화시킴으로써 빛의 파장을 조절하거나, 활성층 내의 양자 우물의 깊이, 활성층의 수, 두께 등을 변화시킴으로써 발광다이오드의 내부 양자 효율을 향상시키고 있다. 이러한 활성층(350)은 상술한 N형 질화물 반도체층(340)과 같이 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이드라이드 기상증착법과 같은 증착공정을 사용하여 N형 질화물 반도체층(340) 상에 형성될 수 있다.For the improvement of the efficiency of the
P형 질화물 반도체층(360)은 활성층(350) 상에 형성되는 것으로, P형 불순물이 도핑된 GaN, AlGaN, InGaN, AlN, AlInGaN 등의 반도체 물질로 이루어진다. P형 불순물로는 Mg, Zn, 또는 Be 등이 있다.The P-type
상술한 P형 질화물 반도체층(360)은, 상술한 반도체 물질을 유기금속 기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이드라이드 기상증착법과 같은 증착공정을 사용하여 활성층(350) 상에 성장시킴으로써 형성된다.The P-type
투명전극층(370)은 P형 질화물 반도체층(360) 상에 형성된다. 이러한 투명전극층(370)은 비교적 높은 에너지밴드갭을 갖는 P형 질화물 반도체층(360)과의 접촉저항을 낮추는데 적절하면서 동시에 활성층(350)에서 생성되는 광이 상부로 방출되기 위해 양호한 투광성을 갖는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 일반적으로 투명전극층(370)은 Ni/Au의 이중층 구조를 주로 사용하며, 접촉저항은 비교적 높으나 양호한 투광성을 확보하기 위해 산화인듐주석(ITO), 산화카드뮴주석(CTO), 또는 질화티탄텅스텐(TiWN)을 재료로 사용할 수 있다. The
투명전극층(370)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD) 및 전자빔 증발법(E-beam evaporator)과 같은 증착방법이나 스퍼터링(Sputtering) 등의 공정에 의해 형성될 수 있으며, 오믹콘택의 특성을 향상시키기 위해서 약 400 내지 900℃의 온도에서 열처리될 수 있다.The
P형 전극(380)은 투명전극층(370) 상에 형성된다. 이러한 P형 전극(380)은, 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금을 재료로 하여 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 증착방법이나 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.The P-
N형 전극(390)은 메사 식각(Mesa Etching)된 N형 질화물 반도체층(340) 상에 Ti, Cr, Al, Cu, 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 이러한 N형 전극(390)은 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 증착방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 N형 질화물 반도체층(340) 상에 형성될 수 있다.The N-
한편, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 투명전극층(370), P형 질화물 반도체층(360), N형 질화물 반도체층(340) 중 적어도 어느 하나의 층에 금속입자(410)를 포함하고 있다는 특징을 가지고 있으며, 도 6에서는 그 일예로서, 특히, 투명전극층(370)에 금속입자(410)가 배치되어 있는 반도체 발광소자가 도시되어 있다. Meanwhile, the semiconductor light emitting device according to the present invention includes the
여기서, 금속입자로는 금 또는 은이 적용될 수 있으나, 상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 반지름이 50 ~ 70nm 크기의 구 모양의 은(Ag)을 금속입자로 이용하고, 파장이 350 ~ 500nm 사이인 청색 반도체 발광소자(Blue LED)에 적용되는 경우에, 광 추출 효율을 극대화시키고 있다는 특징을 가지고 있는바, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 상기한 바와 같은 조건을 구비하도록 구성되는 것이 바람직하다.
Here, gold or silver may be applied as the metal particles, but as described above, the semiconductor light emitting device according to the present invention uses a spherical silver (Ag) having a radius of 50 to 70 nm as the metal particles, and has a wavelength. When applied to a blue semiconductor light emitting device (Blue LED) that is between 350 ~ 500nm, it is characterized by maximizing the light extraction efficiency, the semiconductor light emitting device according to the present invention is configured to have the conditions as described above It is preferable.
따라서, 이하에서는, 도 7을 참조하여 상기한 바와 같은 조건을 구비하고 있는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제조방법이 상세히 설명된다. Therefore, below, the manufacturing method of the semiconductor light emitting element which concerns on this invention with the conditions as mentioned above with reference to FIG. 7 is demonstrated in detail.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법을 보여주는 도면이다.7A to 7E are views illustrating a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention.
먼저, 도 7a를 참조하면, 기판(310) 상에 버퍼층(320), 언도프드 반도체층(330), N형 질화물 반도체층(340), 활성층(350) 및 P형 질화물 반도체층(360)을 순차적으로 형성한다. 이때, 버퍼층(320) 및 언도프드 반도체(330) 중 적어도 하나의 층만을 형성하거나, 2개의 층 모두를 형성하지 않을 수도 있을 것이다.First, referring to FIG. 7A, a
다음으로, 도 7b에 도시된 바와 같이, P형 질화물 반도체층(360) 위에 금속층(400)을 형성한다. 여기서, 금속층은 금 또는 은을 이용하여 적층될 수 있다. 그러나, 상기 설명 중 FDTD를 이용한 시뮬레이션을 통해 알 수 있는 바와 같이, 350~500nm 영역의 빛에 대해 반지름 50 ~ 70nm의 금속입자를 이용하여 효과적인 산란을 이용하려면 금 입자보다 은 입자를 이용하는 것이 유리한바, 본 실시예에서는 금속층(400)을 은으로 형성하고 있다.Next, as shown in FIG. 7B, the
다음으로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 금속층을 고온으로 가열하여 녹인 후 일정한 온도로 유지시켜 금속입자(410)를 형성한다. 즉, 은으로 형성된 금속층(400)을, 은의 녹는점인 961.9℃ 이상의 고온으로 가열하면, 금속층이 녹아 액체상태로 변하게 되며, 이때, 액체상태의 금속 내부에서는 물 입자와 같은 응집력이 발생하여 물방울과 같은 형상의 금속입자 형태로 응집된다. 따라서, 금속입자가 형성되면 그 이후부터는 온도를 낮추어 줌으로써 금속입자(410)가 P형 질화물 반도체층(360) 위에 형성될 수 있다.Next, as shown in Figure 7c, the metal layer is heated to a high temperature to melt and then maintained at a constant temperature to form a
다음으로, 도 7d에 도시된 바와 같이, 금속입자가 형성되어 있는 P형 질화물 반도체층(360)에, 금속입자를 덮도록 투명전극층(370)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 7D, the
다음으로, 도 7e에 도시된 바와 같이, N형 전극 형성을 위해 투명전극층(370)부터 N형 질화물 반도체층(340)까지 메사 식각(Mesa Etching)을 실시한다.Next, as shown in FIG. 7E, mesa etching is performed from the
마지막으로, 도 7f에 도시된 바와 같이, 금속입자(410)가 형성되어 있는 투명전극층(370) 상에는 P형 전극(380)을 형성하고, N형 질화물 반도체층(340)상에는 N형 전극(390)을 형성한다.Finally, as shown in FIG. 7F, the P-
이후, 도시하지는 않았지만, 반도체 발광소자의 신뢰성을 향상시키기 위해 반도체 발광소자의 전체 표면에 SiO2와 같은 산화물을 이용하여 절연막을 형성하고, 래핑(Lapping)과 폴리싱(Polishing) 공정을 통해 기판을 박막화(Thinning)한 후, 레이저 또는 다이아몬드를 이용하여 반도체 발광소자를 절단(Scribe)함으로써 개별 칩으로 분리한다.Subsequently, although not shown, in order to improve the reliability of the semiconductor light emitting device, an insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor light emitting device using an oxide such as SiO 2, and the substrate is thinned through lapping and polishing processes. After the thinning, the semiconductor light emitting device is cut using a laser or diamond to be separated into individual chips.
상기한 바와 같은 과정을 통해 본 발명에 따른 반도체 발광소자가 제조될 수 있다.Through the above process, the semiconductor light emitting device according to the present invention can be manufactured.
한편, 상기 설명에서는 금속입자(410)가 P형 질화물 반도체층(360) 상단의 투명전극층(370)에 포함되어 있는 것으로 하여 본 발명이 설명되었으나, 본 발명은 상기한 바와 같이 금속입자(410)를 N형 질화물 반도체층(340) 또는 P형 질화물 반도체층(360)에 형성시킬 수도 있다. 그러나, 활성층(360)의 경우에는 금속입자에 의해 결함이 생길 수도 있으며, 이로 인해, 활성층의 발광 효율이 떨어질 수도 있기 때문에, 금속입자를 형성할 수 있는 층으로는 부적법하다.Meanwhile, in the above description, the present invention has been described in that the
상기한 바와 같은 본 발명은 금속입자를 이용한 고효율 반도체 발광소자(LED)에 관한 것으로서, 광 추출 효율을 향상시키고 있다는 특징을 가지고 있다. 즉, 본 발명에서는 반도체 발광소자 내부의 전반사 현상을 최소화할 수 있는 방법 중의 하나로, 금속입자의 산란을 이용하여 광 추출 효율을 극대화시키는 방법을 이용하고 있다. The present invention as described above relates to a high efficiency semiconductor light emitting device (LED) using metal particles, and has the feature of improving the light extraction efficiency. That is, in the present invention, as one of methods for minimizing the total reflection phenomenon inside the semiconductor light emitting device, a method of maximizing light extraction efficiency using scattering of metal particles is used.
부연하여 설명하면, 본 발명은 반도체 발광소자 내부와 자유공간 사이에서의 전반사 현상을 최소화하기 위해, 금속 입자를 반도체 발광소자 내부에 도포하여 금속입자의 반사, 산란, 플라즈몬에 의해 빛이 외부로 빠져나오도록 구성되어 있다. In detail, the present invention, in order to minimize the total reflection between the inside and the free space of the semiconductor light emitting device, the metal particles are applied to the inside of the semiconductor light emitting device by the reflection, scattering, plasmon of the metal particles to the outside light It is configured to come out.
여기서, 금속입자는 투명전극(ITO)층, P형 질화물 반도체층, N형 질화물 반도체층 등 다양한 곳에 위치될 수 있다. Here, the metal particles may be located at various places such as a transparent electrode (ITO) layer, a P-type nitride semiconductor layer, an N-type nitride semiconductor layer, and the like.
한편, 반지름 60nm 구 모양의 은(Ag) 입자에 대해 Mie 이론에 따라 산란효율을 계산해 보면 도 4에서와 같이 나타나며, 플라즈몬 공진에 의해 대략 450nm 근처에서 산란이 많이 일어나는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 이 영역(Blue 영역)에서 산란을 이용하여 빛을 산란시켜 전반사되는 빛을 줄여 외부로 출광 되도록 디자인되는 것이 바람직하다. On the other hand, the calculation of the scattering efficiency of the 60nm radius silver (Ag) particles according to the Mie theory is shown as shown in Figure 4, it can be seen that the scattering occurs a lot around 450nm by the plasmon resonance. Therefore, it is preferable that the semiconductor light emitting device according to the present invention is designed to emit light to the outside by scattering light using scattering in this area (Blue area) to reduce total reflection.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. Therefore, it is to be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
310 : 기판 320 : 버퍼층
330 : 언도프드 반도체층 340 : N형 질화물 반도체층
350 : 활성층 360 : P형 질화물 반도체층
370 : 투명전극층 380 : P형 전극
390 : N형 전극 400 : 금속층
410 : 금속입자310: substrate 320: buffer layer
330: undoped semiconductor layer 340: N-type nitride semiconductor layer
350: active layer 360: P-type nitride semiconductor layer
370: transparent electrode layer 380: P-type electrode
390: N-type electrode 400: metal layer
410 metal particles
Claims (11)
상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층;
상기 제1 반도체층 상에 형성된 활성층;
상기 활성층 상에 형성된 제2 반도체층;
상기 제2 반도체층 상에 형성되는 투명전극층;
상기 활성층, 상기 제2 반도체층 및 상기 투명전극층이 형성되지 않은 상기 제1 반도체층 상에 형성된 제1 전극;
상기 투명전극 상에 형성되는 제2 전극; 및
상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층 또는 상기 투명전극층 중 어느 하나의 층의 내부에 형성되는 금속입자를 포함하는 반도체 발광소자.Board;
A first semiconductor layer formed on the substrate;
An active layer formed on the first semiconductor layer;
A second semiconductor layer formed on the active layer;
A transparent electrode layer formed on the second semiconductor layer;
A first electrode formed on the first semiconductor layer on which the active layer, the second semiconductor layer, and the transparent electrode layer are not formed;
A second electrode formed on the transparent electrode; And
And a metal particle formed inside one of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the transparent electrode layer.
상기 금속입자는,
금 또는 은으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. The method of claim 1,
The metal particles,
A semiconductor light emitting device, characterized in that formed of gold or silver.
상기 활성층은,
파장이 350 내지 500nm 사이의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.The method of claim 1,
The active layer,
A semiconductor light emitting device, characterized in that for emitting a wavelength of 350 to 500nm.
상기 금속입자는,
50 내지 70nm 범위의 반지름을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.The method of claim 1,
The metal particles,
A semiconductor light emitting device having a radius in the range of 50 to 70 nm.
상기 금속입자는,
상기 활성층에서 방출된 빛을 반사, 산란 또는 플라즈몬 공진에 의해 상기 투명전극 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.The method of claim 1,
The metal particles,
And emitting light emitted from the active layer to the outside of the transparent electrode by reflection, scattering, or plasmon resonance.
상기 기판과 상기 제1 반도체층 사이에는, 버퍼층 또는 언도프드 반도체층 중 적어도 어느 하나가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.The method of claim 1,
At least one of a buffer layer and an undoped semiconductor layer is further included between the substrate and the first semiconductor layer.
상기 제2 반도체층 상에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층에 열을 가하여 상기 제2 반도체층 상에 금속입자를 형성하는 단계;
상기 제2 반도체층 상에 상기 금속입자를 덮도록 투명전극층을 형성하는 단계;
상기 제1 반도체층의 일부를 노출시키는 단계; 및
상기 노출된 제1 반도체층 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 투명전극층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조 방법.Sequentially forming a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer on the substrate;
Forming a metal layer on the second semiconductor layer;
Applying heat to the metal layer to form metal particles on the second semiconductor layer;
Forming a transparent electrode layer on the second semiconductor layer to cover the metal particles;
Exposing a portion of the first semiconductor layer; And
Forming a first electrode on the exposed first semiconductor layer, and forming a second electrode on the transparent electrode layer.
상기 활성층 상에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층에 열을 가하여 상기 활성층 상에 금속입자를 형성하는 단계;
상기 활성층 상에 상기 금속입자를 덮도록 제2 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제2 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
상기 제1 반도체층의 일부를 노출시키는 단계; 및
상기 노출된 제1 반도체층 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 투명전극층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조 방법.Sequentially forming a first semiconductor layer and an active layer on the substrate;
Forming a metal layer on the active layer;
Applying heat to the metal layer to form metal particles on the active layer;
Forming a second semiconductor layer on the active layer to cover the metal particles;
Forming a transparent electrode layer on the second semiconductor layer;
Exposing a portion of the first semiconductor layer; And
Forming a first electrode on the exposed first semiconductor layer, and forming a second electrode on the transparent electrode layer.
상기 금속입자는,
금 또는 은으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조 방법. The method according to claim 7 or 8,
The metal particles,
Method for manufacturing a semiconductor light emitting device, characterized in that formed of gold or silver.
상기 금속입자를 형성하는 단계는,
은으로 형성되어 있는 상기 금속층을, 상기 은의 녹는점 이상으로 가열하여 액체상태의 은이 구 형상으로 응집되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조 방법.The method according to claim 7 or 8,
Forming the metal particles,
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, characterized in that the metal layer formed of silver is heated above the melting point of the silver to cause the silver in the liquid state to aggregate into a spherical shape.
상기 기판과 상기 제1 반도체층 사이에는, 버퍼층 또는 언도프드 반도체층 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계를 더 포함하는 반도체 발광소자 제조 방법.The method according to claim 7 or 8,
And forming at least one of a buffer layer and an undoped semiconductor layer between the substrate and the first semiconductor layer.
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