KR20120116257A - 발광 다이오드의 휘도 향상 방법 및 그에 의한 발광 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본원은, 기판 상에 제 1 클래드층, 활성층(발광층), 제 2 클래드층 및 윈도우층을 에피텍셜 성장시켜 발광 다이오드를 형성한 후, 발광 다이오드의 윈도우층에 도펀트를 도핑하는 추가적인 공정에 의해 광학적, 전기적으로 높은 휘도, 높은 이동도 및 낮은 저항도를 가질 수 있는 발광 다이오드의 휘도 향상 방법 및 그에 의한 발광 다이오드를 제공하고자 한다.
Description
본원은 윈도우층에 도펀트를 도핑함으로써 광학적, 전기적으로 높은 휘도, 높은 이동도 및 낮은 저항도를 가질 수 있는 발광 다이오드 휘도 향상 방법 및 그에 의한 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode; LED)는 에너지 자원고갈과 할로겐ㆍ수은 등 기존 조명들의 공해문제가 세계적인 관심사로 대두되면서 전력소모량을 대폭 줄일 수 있고, 친환경적이어서 현재 신호등, 전광판, 휴대폰, 자동차 백라이트, 일반조명, 디스플레이 등의 다양한 곳에 적용되고 있다. 반도체를 이용하는 발광 다이오드의 발광 파장은 반도체의 형태에 좌우되고 InGaN, InGaAlP, GaAlAs 및 InGaAsP의 순서로 증가한다. 해마다, 발광 다이오드의 휘도가 개선되고 있지만, 적은 수의 칩으로 높은 휘도를 낼 수 있도록 성능 개선이 이루어져야 한다.
일반적으로, p-InGaAlP 또는 p-InAlP는 매우 작은 전기 전도율을 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 낮은 전도율을 극복하기 위해, 발광부의 면적을 증가시켜 전류가 국소적으로 흐르는 것 없이 확산되도록 윈도우층(전류 확산층)이 발광 다이오드 소자에 이용된다. 그러나, 이 윈도우층이 큰 저항율을 가질 때, 발광 다이오드 소자에 정격 전류를 공급하는데 필요한 전압은 증가한다. 따라서, 윈도우층은 될 수 있는 한 작은 저항율을 갖는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 윈도우층의 결정성의 증대는 윈도우층의 비저항을 낮추는데 효과적이다. 그러나, 윈도우층의 결정성을 증대시키기 위하여 윈도우층이 고온에서 성장될 때, 발광 다이오드 소자의 전체는 고온 처리를 받는다. 따라서, 윈도우층 이외의 소자의 부분에서 문제가 발생하여, 고출력 강도의 발광 다이오드 소자를 제조하지 못하는 문제점이 있다.
본원은, 기판 상에 제 1 클래드층, 활성층(발광층), 제 2 클래드층 및 윈도우층을 에피텍셜 성장시켜 발광 다이오드를 형성한 후, 발광 다이오드의 윈도우층에 도펀트를 도핑하는 추가적인 공정에 의해 윈도우층의 정공 농도를 증가시키고 전기적 및 광학적 특성을 개선할 수 있는 방법을 제공하고 이러한 방법을 이용하여 제조되는 고휘도 발광 다이오드를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원의 일 측면은, 상기 기판 상에 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층 및 윈도우층을 순차적으로 형성하고; 및 상기 윈도우층에 도펀트를 도핑시키는 것:을 포함하는, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법을 제공할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 도펀트는 Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 상기 도펀트의 도핑은 10-9 내지 10-6 torr 의 고진공 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 도펀트의 도핑은 600 내지 800℃ 의 온도조건 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기판은 GaAs, GaN, Al2O3, MgAl2O4, SiC, Si, ZnO, InP 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 활성층은 InGaAlP, InGaP, InGaAs, GaAs 및 AlGaAs을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 제 1 클래드층, 활성층 및 제 2 클래드층은 기상증착(vapor-phase deposition) 방법을 이용하여 상기 기판에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기상증착 방법은 유기금속화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소기상에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD) 및 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 방법을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기판 상에 분산된 브래그 반사층(distributed Bragg Reflector; DBR)을 추가 포함하여 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 분산된 브래그 반사층은 GaAs, AlGaAs 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 윈도우층 상에 투명 도전성 산화물층을 추가 포함하여 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 투명 도전성 산화물층은 SnO2, CdO, ZnO, MgO, 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, F-도핑된 주석 산화물(FTO), (La0 .5Sr0 .5)CoO3(LSCO), La0.7Sr0.3MnO3(LSMO), SrRuO3(SRO), Sr3Ru2O7, Sr4Ru3O10 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 다른 측면은, 상기에 따른 방법에 의해 형성된 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
본원에 의하면, 기판 상에 제 1 클래드층, 활성층(발광층), 제 2 클래드층 및 윈도우층을 에피텍셜 성장시켜 발광 다이오드를 형성한 후, 발광 다이오드의 윈도우층에 도펀트를 도핑하는 추가적인 공정에 의해 윈도우층의 전류확산을 유도하고, 전자 이동도를 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 또한, 광학적, 전기적으로 높은 발광강도, 높은 이동도 및 낮은 저항도를 얻을 수 있다. 이에, 본원에 의하여 활성화된 도펀트를 포함하는 발광 다이오드는 상기한 바와 같은 높은 정공 농도, 낮은 저항 등을 가짐으로써, 다양한 발광 디바이스 제작 시 순방향 문턱전압(Vf)을 낮출 수 있어 상기 디바이스 구동 시에 전력소모를 줄일 수 있는 이점이 있고, 높은 캐리어 농도는 정공의 이동도를 증대시켜 외부양자효율을 증대시키고, 고휘도를 얻을 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 발광 다이오드의 휘도 향상 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 상기 도 1의 방법에 따라 제조된 발광 다이오드의 개략도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 700℃에서 아연 도핑된 윈도우층의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 AFM(atomic force microscope) 사진이다( a) 참조 InGaAlP 샘플 b) 670℃ Zn 확산 3 시간 c) 700℃ Zn 확산 3 시간).
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 ECV(Electrochemical C-V profiler) 측정 그래프이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 홀 효과(Hall effect) 측정 그래프이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 방출 스펙트럼(emission spectrum) 그래프이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 Vf 및 출력(output power) 특성 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 신뢰성 테스트 결과 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 신뢰성 테스트 결과 시험성적서이다.
도 2는 상기 도 1의 방법에 따라 제조된 발광 다이오드의 개략도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 700℃에서 아연 도핑된 윈도우층의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 AFM(atomic force microscope) 사진이다( a) 참조 InGaAlP 샘플 b) 670℃ Zn 확산 3 시간 c) 700℃ Zn 확산 3 시간).
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 ECV(Electrochemical C-V profiler) 측정 그래프이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 홀 효과(Hall effect) 측정 그래프이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 방출 스펙트럼(emission spectrum) 그래프이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 Vf 및 출력(output power) 특성 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 신뢰성 테스트 결과 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 신뢰성 테스트 결과 시험성적서이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 발광 다이오드의 휘도 향상 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 상기 도 1의 방법에 따라 제조된 발광 다이오드의 개략도이다. 이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 본원의 일 구현예에 따른 고휘도 발광 다이오드에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본원의 일 구현예에 따른 고효율 발광 다이오드는 기판(100) 상에 분산된 브래그 반사층(distributed Bragg Reflector; DBR, 110), 제 1 클래드층(120), 활성층(130), 제 2 클래드층(140) 및 윈도우층(150)이 순서대로 형성되고, 기판(100)의 배면에는 제 1 전극(170)이 제공되고, 상기 윈도우층(150) 상에는 제 2 전극(180)을 포함할 수 있다.
먼저, 기판(100) 상에 제 1 클래드층(120), 활성층(130), 제 2 클래드층(140) 및 윈도우층(150)을 순차적으로 에피텍셜 성장시킨다(S100).
일 구현예에 있어서, 상기 기판(100)은 GaAs, GaN, Al2O3, MgAl2O4, SiC, Si, ZnO, InP 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 기판(100) 상에 제 1 클래드층(120)을 형성하기 전에 높은 반사율(약 90~95%)을 갖는 금속으로 구성되어 접촉저항을 개선하고, 발광 다이오드에서 발광하는 빛을 위쪽으로 반사시키기 위해 분산된 브래그 반사(distributed Bragg Reflector; DBR)층(110)을 추가 형성할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 분산된 브래그 반사층(110)은, GaAs, AlGaAs 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 분산된 브래그 반사층(110)은 예를 들어, 스퍼터링 공정을 통해 증착 형성한 층으로서 0.5 ㎛ 내지 1.5 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1 클래드층(120), 활성층(130) 및 제 2 클래드층(140)은 InGaAlP, InGaP, InGaAs, GaAs, AlInP 및 AlGaAs을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 클래드층(120)은 n형-클래드층으로서 실리콘-도핑된 AlInP 층일 수 있고, 상기 활성층(130)은 InGaAlP 층일 수 있으며, 상기 제 2 클래드층(140)은 p형-클래드층으로서, 아연-도핑된 InGaAlP 층일 수 있다. 상기 활성층(130)은 상기 제 1 클래드층(120) 및 상기 제 2 클래드층(140)에 의해 샌드위치 형태로 증착되어, 발광에 유리한 이중 헤테로(double heterostructure; DH) 구조를 형성할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1 클래드층(120), 활성층(130) 및 제 2 클래드층(140)은 기상증착(vapor-phase deposition) 방법을 이용하여 상기 기판(100)에 형성될 수 있는데, 상기 기상증착 방법은 예를 들어, 금속유기화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소기상에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD) 및 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 방법을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 윈도우층(150)은 출력광을 투과시키는 역할과 전류확산을 증가시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 제 1 클래드층(120), 활성층(130) 및 제 2 클래드층(140)을 형성하는 방법과 같은 방법으로 형성할 수 있으며, 이하 중복 기재를 생략한다. 상기 윈도우층(150)은 예를 들어, p-GaP층일 수 있는데, p-GaP층은 저저항화 및 층의 두께 증가가 용이하게 달성될 수 있다. 상기 윈도우층(150)에서 전류가 확산되어 p형 클래드층의 정공과 n형 클래드층의 전자가 활성층(130)에서 결합하면 에너지 밴드갭에 따른 파장의 광자(photon)를 발생시키게 된다.
계속해서, 상기 윈도우층(150)에 도펀트(152)를 도핑시키는 추가적인 공정을 수행한다(S200).
일 구현예에 있어서, 상기 도펀트(152)는 Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 윈도우층(150)에 상기 도펀트(152)를 도핑시킴으로써, 윈도우층(150)은 전류의 충분한 양을 확산시킬 수 있으며, 이에 따라 전자 이동도가 증대하고, Vf 감소 및 휘도 증대 효과를 가질 수 있다.
상기 윈도우층(150)에 도펀트(152)를 도핑시키는 것은 고진공 및 고온 하에서 도펀트(152)를 함유하는 소스를 주입하여 도핑하는 것인데, 일 구현예에 있어서, 상기 열처리는 당업계에 알려진 열처리 방법 및 열처리 온도 등의 범위에서 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 가열, 자외선, 또는 RF 등을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 도펀트(152)의 도핑은 10-9 내지 10-6 torr 의 고진공 하에서, 600 내지 800℃ 의 온도조건 하에서 2 내지 4 시간 동안 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 윈도우층(150) 상에 투명 전도성 산화물층(160)을 추가 포함하여 형성할 수 있는데, 상기 투명 전도성 산화물층(160)은 90% 이상의 높은 투과율과 전도성을 갖기 때문에 마이크로 패턴 등의 공정 없이 넓은 빛의 각도에서 반사되는 수직형 발광 다이오드의 ODR(omni-directional reflector)을 형성할 수 있는 장점을 갖고 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 투명 전도성 산화물층(160) SnO2, CdO, ZnO, MgO, 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, F-도핑된 주석 산화물(FTO), (La0.5Sr0.5)CoO3(LSCO), La0 .7Sr0 .3MnO3(LSMO), SrRuO3(SRO), Sr3Ru2O7, Sr4Ru3O10 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 윈도우층(150) 상에는 제 2 전극(180)을 형성하고, 상기 기판(100)의 배면에는 제 1 전극(170)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(170)은 n형 전극으로서 AuGe/Ni/Au 등으로 이루어 질 수 있고, 상기 제 2 전극(180)은 p형 전극으로서 Ti/Au, Ti/Pt/Ti/Au 또는 AuBe 등으로 이루어 질 수 있다.
상기 제 1 전극(170) 및 상기 제 2 전극(180)은 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD), 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD), 및 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 방법에 의해 형성되고, 포토리소그래피(photolithography) 또는 리프트오프(lift-off) 방법에 의해 패터닝될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 제 1 전극(170) 및 상기 제 2 전극(180)을 소결(sintering) 공정을 수행할 수 있다. 상기 제 1 전극(170) 및 제 2 전극(180)에는 불순물인 정공 또는 전자공여체가 활성화가 된 상태로 존재한다. 정공 또는 전자공여체는 도펀트에 도핑되는 당시에는 불활성화 상태로 존재한다. 이러한 상태는 소정 조건의 소결 공정에 의해 변화되며, 정공 또는 전자공여체는 윈도우층(150)과 소정의 반응을 매개로 하여 활성화되어 정공 또는 전자를 윈도우층(150)에 공급하게 된다.
마지막으로, 상기 각 영역을 다이싱 쏘우(dicing saw) 등을 이용하여 각각의 칩으로 분리하여 복수의 발광 다이오드 소자가 완성될 수 있다.
상기 제조된 발광 다이오드 소자는 상기 제 1 전극(170) 및 상기 제 2 전극(180) 사이에 전류를 인가하는 경우, 제 2 전극(180)으로부터 p-형 클래드층(140)에 정공이 주입되고, 제 1 전극(170)으로부터 n-형 클래드층(120)에 주입된 전자가 상기 n-형 클래드층(120)을 통과하여 제 2 전극(180) 방향으로 수송된다. 이에 따라, 상기 정공과 전자가 활성층(130)에서 재결합하여 발광한다.
따라서, 본원에 의하여 제조된 발광 다이오드는 윈도우 층에 도펀트를 도핑시킴으로써 정공 농도를 증가시킬 수 있고, 이에 따라, 전류 확산 특성을 개선하여 높은 휘도 특성을 확보하고, 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예를 이용하여 본원을 상세히 설명하지만, 본원은 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 제조 방법에 의하여, 윈도우층에 도펀트를 도핑시킴으로써 휘도가 개선되는 것을 확인하기 위해, 도 2 에 도시된 바와 같은 구조로 발광 다이오드의 모델을 제작하였다. 발광 다이오드 구조는 MOCVD를 이용하여 GaAs 기판 상에 DBR 층/n-AlInP 클래드층/AlGaInP 활성층/p-AlInP 클래드층/p++-GaP 윈도우층을 성장하고, 고진공 튜브 전기로(Tube furnace)에서 10-8 torr 이상의 고진공에서 각각 670℃ 및 700℃의 온도에서 3 시간 유지하여 윈도우층에 아연을 도핑하였다. 도 3은 700℃에서 1.8 ㎛ 두께로 아연 도핑된 윈도우층의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다. 또한, 윈도우층에 아연 도핑에 따른 발광 다이오드의 특성을 비교하기 위한 참조 샘플로서, 아연을 도핑하지 않은 윈도우층을 포함하는 발광 다이오드 소자를 제작 하였다. 투명 전도성 산화물(TCO)층으로는 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 ITO, IZO를 400 Å의 두께로 증착하였다. 증착 조건은 Ar : 20 sccm을 주입시킨 후 160 W의 전력 인가 후 세 장의 발광 다이오드 샘플에 ITO, IZO 박막을 각각 증착하였다. 발광 다이오드 소자의 p-전극은 AuBe/Au 300 Å을 전자선 증착 후 리프트오프(lift off) 공정을 통하여 패턴을 형성하였다. n-전극은 AuGe/Au를 증착하였다. 제조된 발광 다이오드 샘플은 350 ㎛ × 350 ㎛ 크기로 칩 분리(chip isolation)를 하여 수직형 발광 다이오드 소자를 제작하였다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 AFM(atomic force microscope) 사진이다( a) 참조 InGaAlP 샘플 b) 670℃ Zn 확산 3 시간 c) 700℃ Zn 확산 3 시간). 도 4를 참조하면, 아연의 확산에 따라 표면 거칠기가 감소한 것을 알 수 있다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 SEM 사진이다. 도 5를 참조하면, 700℃에서 Zn 확산 3 시간 수행한 샘플은 확산 깊이 약 1 ㎛로 300 nm/hr의 확산속도를 확인할 수 있다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 ECV(Electrochemical C-V profiler) 측정 그래프이다. 도 6을 참조하면, 참조 InGaAlP 샘플의 도핑농도는 7.5×1018 이고, 670℃ Zn 확산 도핑 농도는 9.5×1018 임을 알 수 있다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 홀 효과(Hall effect) 측정 그래프이다. 도 7을 참조하면, 각 샘플의 캐리어 농도는 참조 InGaAlP 샘플 >8.5x1018 cm3, 670℃에서 Zn 확산 샘플은 
4.5x1019 cm3, 700℃에서 Zn 확산 샘플은 
1.5x1020 cm3 임을 알 수 있다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 방출 스펙트럼(emission spectrum) 그래프이다. 도 8을 참조하면, 확산된 Zn 도펀트에 의해 전류확산이 크게 이루어지는 것으로 판단된다. Zn 확산 샘플들은 참조 InGaAlP 샘플에 비해 약 1.5배 정도 높게 발광강도(Intensity)가 형성되는 것을 알 수 있다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 Vf 및 출력(output power) 특성 그래프이다. 도 9를 참조하면, Vf는 @ 40mA 2.0 V 수준에서 거의 유사한 수준, 저전류 수준에서는 약간 낮은 것을 알 수 있다. 출력은 10~11 mW 수준으로 참조 InGaAlP 샘플 대비 약 1.5배 높은 수준인 것을 알 수 있다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 신뢰성 테스트 결과 그래프이고, 도 11a 및 도 11b는 본원의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 신뢰성 테스트 시험성적서 이다. 신뢰성 측정조건은 상온에서 168 시간 동안, 시료에 40 mA 전류를 인가하는 에이징을 실시하였다. 도 10 내지 도 11b를 참조하면, 측정 결과 670℃ 조건에서 Zn 확산 샘플은 신뢰성 테스트 전후의 이상이 없음을 알 수 있다.
제조된 아연 도핑되지 않은 발광 다이오드 및 아연 도핑된 발광 다이오드(아연 확산 온도 각각 670℃, 700℃)의 전류-전압 특성 및 휘도는 하기 표 1에 나타내었다.
본 실시예에서 아연 도핑에 의한 발광 다이오드의 휘도가 기존의 아연 도핑되지 않은 발광 다이오드의 휘도에 비해 약 33.3% 효과적으로 향상된 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따라서 도펀트를 윈도우층에 도핑시킨 발광 다이오드는 상기한 바와 같은 높은 정공 농도, 낮은 저항 등을 가짐으로써, 다양한 발광 다이오드 제작 시 Vf 특성을 낮출 수 있어 상기 발광 다이오드 구동 시에 전력소모를 줄일 수 있는 이점이 있고, 높은 캐리어 농도는 정공의 이동도를 증대시켜 외부양자효율을 증대시키고, 고휘도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이상, 구현예 및 실시예를 들어 본원을 상세하게 설명하였으나, 본원은 상기 구현예 및 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본원의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.
100 : 기판
110 : 분산된 브래그 반사층
120 : 제 1 클래드층
130 : 활성층
140 : 제 2 클래드층
150 : 윈도우층
152 : 도펀트
160 : 투명 전도 산화물층
170 : 제 1 전극
180 : 제 2 전극
110 : 분산된 브래그 반사층
120 : 제 1 클래드층
130 : 활성층
140 : 제 2 클래드층
150 : 윈도우층
152 : 도펀트
160 : 투명 전도 산화물층
170 : 제 1 전극
180 : 제 2 전극
Claims (13)
- 상기 기판 상에 제 1 클래드층, 활성층, 제 2 클래드층 및 윈도우층을 순차적으로 형성하고; 및
상기 윈도우층에 도펀트를 도핑시키는 것:
을 포함하는, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 도펀트는 Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 도펀트의 도핑은 10-9 내지 10-6 torr 의 고진공 하에서 수행되는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 도펀트의 도핑은 600 내지 800℃ 의 온도조건 하에서 수행되는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 GaAs, GaN, Al2O3, MgAl2O4, SiC, Si, ZnO, InP 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 InGaAlP, InGaP, InGaAs, GaAs 및 AlGaAs을 포함하는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 클래드층, 활성층 및 제 2 클래드층은 기상증착(vapor-phase deposition) 방법을 이용하여 상기 기판에 형성되는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 기상증착 방법은 유기금속화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소기상에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD) 및 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 방법을 포함하는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판 상에 분산된 브래그 반사층(distributed Bragg Reflector; DBR)을 추가 포함하여 형성하는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 분산된 브래그 반사층은 GaAs, AlGaAs 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 윈도우층 상에 투명 도전성 산화물층을 추가 포함하여 형성하는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 투명 도전성 산화물층은 SnO2, CdO, ZnO, MgO, 인듐-주석-산화물(ITO), Al-도핑된 아연 산화물(AZO), Zn-도핑된 인듐 산화물(IZO), Nb:SrTiO3, Ga-도핑된 ZnO(GZO), Nb-도핑된 TiO2, F-도핑된 주석 산화물(FTO), (La0 .5Sr0 .5)CoO3(LSCO), La0.7Sr0.3MnO3(LSMO), SrRuO3(SRO), Sr3Ru2O7, Sr4Ru3O10 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 발광 다이오드의 휘도 향상 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 형성된 발광 다이오드.
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| WO2016032193A1 (ko) * | 2014-08-27 | 2016-03-03 | 서울바이오시스 주식회사 | 발광 소자 및 이의 제조 방법 |
| US9847458B2 (en) | 2014-08-27 | 2017-12-19 | Seoul Viosys Co., Ltd. | Light emitting diode and method of fabricating the same |
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