KR20130077600A - Nitride based light emitting device with nano rod of zinc oxide and producing method thereof - Google Patents

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이성학
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Abstract

본 발명은 광 추출 효율이 개선된 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 투명 전도층에 형성된 하나 이상의 구멍(hole)에 산화 아연 나노 로드(ZnO nanorod)가 성장된 질화물 반도체 발광소자 및 상기 산화 아연 나노 로드를 성장시켜 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
발명의 질화물 반도체 발광소자는 투명 전도층에 식각된 부분에는 전류가 인가되지 않아 전류 밀도가 높아지고, 산화 아연 나노 로드에 의한 스캐터링(scattering) 효과에 따라 활성층에서 형성된 광의 추출 효율을 크게 개선할 수 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device having improved light extraction efficiency, and more particularly, to a nitride semiconductor in which zinc oxide nanorods are grown in at least one hole formed in a transparent conductive layer. A light emitting device and a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device by growing the zinc oxide nanorods.
In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, since the current is not applied to the portion etched in the transparent conductive layer, the current density is increased, and the extraction efficiency of light formed in the active layer can be greatly improved due to the scattering effect by the zinc oxide nanorods. have.

Description

산화 아연 나노 로드가 생성된 질화물계 발광소자 및 이의 제조방법{NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE WITH NANO ROD OF ZINC OXIDE AND PRODUCING METHOD THEREOF}Nitride-based light emitting device in which zinc oxide nanorods are produced and a method of manufacturing the same {NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE WITH NANO ROD OF ZINC OXIDE AND PRODUCING METHOD THEREOF}

본 발명은 광 추출 효율이 개선된 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 투명 전도층에 형성된 하나 이상의 구멍(hole)에 산화 아연 나노 로드(ZnO nanorod)가 성장된 질화물 반도체 발광소자 및 상기 산화 아연 나노 로드를 성장시켜 질화물 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device having improved light extraction efficiency, and more particularly, to a nitride semiconductor in which zinc oxide nanorods are grown in at least one hole formed in a transparent conductive layer. A light emitting device and a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device by growing the zinc oxide nanorods.

종래의 질화물 반도체 소자에는 예를 들어 GaN계 질화물 반도체 소자를 들 수 있고, 이 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용분야에 있어서 청색 또는 녹색 LED의 발광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다.Conventional nitride semiconductor devices include, for example, GaN-based nitride semiconductor devices, which include high-speed switching and high-output devices such as blue or green LED light emitting devices, MESFETs and HEMTs, etc. It is applied to the back.

이와 같은 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 다중양자우물구조의 활성층을 가진 질화물 반도체 발광 소자를 예로 들 수 있다. 종래의 질화물 반도체 발광 소자는 사파이어 기판, n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 포함한다. p형 질화물층의 상부면에는 투명 전극층과 p측 전극이 순차적으로 형성되며, n형 질화물 반도체층의 노출된 면에는 n측 전극이 차례로 형성된다.Such a conventional GaN-based nitride semiconductor light emitting device may be a nitride semiconductor light emitting device having an active layer of a multi-quantum well structure. Conventional nitride semiconductor light emitting devices include a sapphire substrate, an n-type nitride layer, an active layer and a p-type nitride layer. The transparent electrode layer and the p-side electrode are sequentially formed on the upper surface of the p-type nitride layer, and the n-side electrode is sequentially formed on the exposed surface of the n-type nitride semiconductor layer.

이러한 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 활성층에 전자와 정공을 주입하고 이 전자와 정공들의 결합으로 발광하게 된다. The conventional GaN-based nitride semiconductor light emitting device injects electrons and holes into the active layer and emits light by combining the electrons and holes.

그러나 이러한 질화물 반도체 발광소자의 경우 발광 효율이 중요한 문제로 대두되고 있다. 반도체 발광소자의 발광 효율은 빛의 생성효율과 빛의 외부 광자 효율에 의해 결정되는데, 그 중에서 가장 큰 문제는 외부 광자 효율, 즉 활성층(active layer)에서 생성된 빛이 외부로 추출 되는 효율이 낮다는 것이다.However, in such a nitride semiconductor light emitting device, the luminous efficiency has emerged as an important problem. The luminous efficiency of the semiconductor light emitting device is determined by the light generation efficiency and the external photon efficiency of the light. The biggest problem among them is the external photon efficiency, that is, the efficiency in which the light generated from the active layer is extracted to the outside is low. Will be.

질화물 반도체 발광소자의 외부 광자 효율을 저감시키는 결정적인 요인은, 발광 소자의 경계면에서의 반사 특성, 특히 내부 전반사(total internal reflection) 현상이다. 즉, LED 소자 경계면에서 큰 굴절율 차이로 인해, 생성된 빛의 일부만이 소자 경계면 밖으로 추출되고, 계면을 빠져나가지 못한 빛은 계면에서 전반사하여 소자 내부를 진행(traveling)하다가 열로 감쇠되어 버린다. 결과적으로 LED 소자 경계면에서의 내부 전반사에 의해 LED 소자의 발열량은 증가되고 소자의 외부 추출 효율은 감소된다.The decisive factor in reducing the external photon efficiency of the nitride semiconductor light emitting device is reflection characteristics at the interface of the light emitting device, in particular, total internal reflection. That is, due to the large difference in refractive index at the LED device interface, only a part of the generated light is extracted out of the device interface, and light that does not exit the interface is totally reflected at the interface, traveling inside the device, and attenuated by heat. As a result, total internal reflection at the LED device interface increases the amount of heat generated by the LED device and reduces the external extraction efficiency of the device.

이러한 문제를 해결하고자 여러가지 외부 광자 효율 개선 방법이 제안되어 왔다. 예를 들어, 표면에 도달한 광자가 랜덤하게 산란되도록 발광 소자의 표면에 표면 패턴 또는 표면 텍스쳐(texture)를 형성하는 방법이 있다. 예를 들어, 한국특허공개공보 제2005-0003671호에는, 발광 소자의 발광부 가장자리에 요철 패턴 또는 표면 텍스쳐를 형성하는 기술이 개시되어 있다. 또한, Daisuke Morita et al. 의 Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No. 9A, 2004, pp. 5945-5950에는, 전자빔 리소그래피와 건식 식각을 이용하여 발광 소자의 발광부 상면에 요철 패턴을 형성하는 공정이 개시되어 있다. 그러나 GaN계 반도체층의 평탄한 상면을 습식식각 또는 건식식각하여 GaN계 반도체층 상면에 요철 패턴을 형성하기 때문에, 요철 패턴에 의한 표면 거칠기가 균일하지 못하며, 활성층에 손상을 줄 수 있다.
In order to solve this problem, various external photon efficiency improvement methods have been proposed. For example, there is a method of forming a surface pattern or surface texture on the surface of the light emitting device such that photons reaching the surface are randomly scattered. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-0003671 discloses a technique of forming an uneven pattern or surface texture at the edge of a light emitting portion of a light emitting device. See also Daisuke Morita et al. Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 9A, 2004, pp. 5945-5950 discloses a process of forming an uneven pattern on the upper surface of the light emitting portion of the light emitting device using electron beam lithography and dry etching. However, since the uneven pattern is formed on the upper surface of the GaN-based semiconductor layer by wet etching or dry etching the flat upper surface of the GaN-based semiconductor layer, surface roughness due to the uneven pattern may not be uniform and may damage the active layer.

기타 발광 효율을 개선하기 위하여, 기판의 표면 처리, 언도우프 GaN 내부의 Roughness 형성 등 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 그 효과가 그다지 높지 않은 실정이다.
In order to improve other luminous efficiency, various studies such as surface treatment of the substrate and the formation of roughness inside the undoped GaN have been conducted, but the effect is not so high.

이에 본 발명자들은, 발광 효율이 개선된 질화물 반도체 발광소자를 개발하기 위하여 연구, 노력한 결과 투명 전도층에 패턴화된 다수의 구멍에 산화 아연계 나노 로드를 형성시키면 형성된 구멍에는 전류가 인가되지 않아 전류 밀도가 높아지며, 산화 아연 나노 로드에 의한 스캐터링 효과에 의하여 발광 소자의 광 추출 효율이 크게 증가될 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have conducted research and efforts to develop a nitride semiconductor light emitting device having improved luminous efficiency. As a result, when a zinc oxide-based nanorod is formed in a plurality of patterned holes in a transparent conductive layer, the current is not applied to the formed holes. The present invention was completed by confirming that the density is increased and the light extraction efficiency of the light emitting device can be greatly increased by the scattering effect by the zinc oxide nanorods.

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 발광 효율을 나타내는 질화물 반도체 발광 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device exhibiting excellent luminous efficiency and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질화물 발광소자는 제1 도전형 불순물이 도핑된 제1 질화물 반도체층; 상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 제2 도전형 불순물이 도핑된 제2 질화물 반도체층; 및 상기 제2 질화물 반도체층 상에 형성되고, 적어도 하나 이상의 구멍(hole)이 형성된 투명 전도층을 포함하고, 상기 구멍에 성장된 산화 아연 나노 로드(ZnO nanorod)를 포함하는 것을 그 특징으로 한다. The nitride light emitting device of the present invention for achieving the above object comprises a first nitride semiconductor layer doped with a first conductivity type impurities; An active layer formed on the first nitride semiconductor layer; A second nitride semiconductor layer formed on the active layer and doped with a second conductivity type impurity; And a transparent conductive layer formed on the second nitride semiconductor layer and having at least one hole formed therein, and including zinc oxide nanorods grown in the hole.

또한 본 발명의 질화물 발광소자의 제조방법은 기판 상에 제1 질화물 반도체층, 활성층, 제2 질화물 반도체층 및 투명 전도층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 투명 전도층을 식각하여 구멍을 형성하는 단계 및 상기 형성된 구멍 내에 산화 아연 나노 로드(ZnO nanorod)를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
In addition, the method of manufacturing a nitride light emitting device of the present invention comprises the steps of sequentially forming a first nitride semiconductor layer, an active layer, a second nitride semiconductor layer and a transparent conductive layer on a substrate; Etching the transparent conductive layer to form a hole, and growing zinc oxide nanorods in the formed hole.

본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 투명 전도층에 식각된 부분에는 전류가 인가되지 않아 전류 밀도가 높아지고, 산화 아연 나노 로드에 의한 스캐터링(scattering) 효과에 따라 활성층에서 형성된 광의 추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, since the current is not applied to the portion etched in the transparent conductive layer, the current density is increased, and the extraction efficiency of light formed in the active layer can be greatly improved due to the scattering effect by the zinc oxide nanorods. Can be.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자의 투명 전도층(160) 부분에 대한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제조된 수평형 질화물 반도체 발광소자에서 성장된 산화 아연 나노 로드의 SEM 사진이다. 1 is a cross-sectional view of a horizontal nitride semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
2 is a plan view of a transparent conductive layer 160 of the horizontal nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
3 is a SEM photograph of zinc oxide nanorods grown in a horizontal nitride semiconductor light emitting device manufactured in an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a nitride based light emitting device according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

질화물계 발광소자Nitride-based light emitting device

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 수평형 질화물 반도체 발광소자를 위에서 본 평면도이다.1 is a cross-sectional view of a horizontal nitride semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the horizontal nitride semiconductor light emitting device shown in FIG.

이하 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a horizontal nitride semiconductor light emitting device according to a first exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110)의 상부 방향으로 버퍼층(120), n형 질화물층(130), 활성층(140), p형 질화물층(150), 투명 전극층(160), p측　전극(170) 및 n측 전극(180)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the horizontal nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first exemplary embodiment of the present invention has a buffer layer 120, an n-type nitride layer 130, and an active layer in an upper direction of the substrate 110. 140, a p-type nitride layer 150, a transparent electrode layer 160, a p-side electrode 170 and an n-side electrode 180 may be included.

버퍼층(120)은 기판(110)과 n형 질화물층(130) 사이의 격자 부정합을 해소하기 위해 선택적으로 형성될 수 있고, 예컨대 AlN 또는 GaN으로 형성할 수 있다.The buffer layer 120 may be selectively formed to solve the lattice mismatch between the substrate 110 and the n-type nitride layer 130, and may be formed of, for example, AlN or GaN.

n형 질화물층(130)은 기판(110) 또는 버퍼층(120)의 상부면에 형성되고, n형 도판트가 도핑되어 있는 질화물로 형성된다. 상기 n형 도판트로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 등이 될 수 있다. 여기서, n형 질화물층(130)은 Si을 도핑한 n형 AlGaN 또는 언도우프 AlGaN으로 이루어진 제 1 층, 및 언도우프 또는 Si을 도핑한 n형 GaN로 이루어진 제 2 층이 번갈아가며 형성된 적층 구조일 수 있다. 물론, n형 질화물층(130)은 단층의 n형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하나, 제 1 층과 제 2 층의 적층 구조로 형성하여 크랙이 없는 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.The n-type nitride layer 130 is formed on the upper surface of the substrate 110 or the buffer layer 120, and is formed of nitride to which the n-type dopant is doped. The n-type dopant may be silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or the like. Here, the n-type nitride layer 130 is a laminated structure in which a first layer made of n-type AlGaN or undoped AlGaN doped with Si and a second layer made of n-type GaN doped with undoped or Si are formed. Can be. Of course, the n-type nitride layer 130 may be grown as a single n-type nitride layer, but may be formed as a laminated structure of the first layer and the second layer to act as a carrier limiting layer having good crystallinity without cracks. .

활성층(140)은 n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이에서 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조로　이루어질 수 있으며, n형 질화물층(130)을 통하여 흐르는 전자와, p형 질화물층(150)을 통하여 흐르는 정공이 재결합(re-combination)되면서, 광이 발생된다. 여기서, 활성층(140)은 다중양자우물구조로서, 양자장벽층과 양자우물층은 각각 AlxGayInzN(이 때, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. 이러한 양자장벽층과 양자우물층이 반복되어 형성된 구조의 활성층(140)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.The active layer 140 may be formed of a single quantum well structure or a multi-quantum well structure between the n-type nitride layer 130 and the p-type nitride layer 150, and electrons flowing through the n-type nitride layer 130, p As holes flowing through the nitride layer 150 are re-combined, light is generated. Here, the active layer 140 has a multi-quantum well structure, wherein the quantum barrier layer and the quantum well layer are each Al x Ga y In z N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1). The active layer 140 having a structure in which the quantum barrier layer and the quantum well layer are repeatedly formed may suppress spontaneous polarization due to stress and deformation generated.

p형 질화물층(150)은 예컨대 Mg을 도핑한 p형 AlGaN 또는 언도우프 AlGaN으로 이루어진 제 1 층, 및 언도우프 또는 Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제 2 층을 번갈아가며 적층한 구조로 형성될 수 있다. 또한, p형 질화물층(150)은 n형 질화물층(130)과 마찬가지로 단층의 p형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하나, 적층 구조로 형성하여 크랙이 없는 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.The p-type nitride layer 150 is formed by alternately stacking a first layer made of p-type AlGaN or undoped AlGaN doped with Mg, and a second layer made of p-type GaN doped with undoped or Mg. Can be. In addition, the p-type nitride layer 150 may be grown as a single-layer p-type nitride layer similarly to the n-type nitride layer 130, but may be formed as a laminated structure to act as a carrier-limiting layer having good crystallinity without cracks. have.

투명 전극층(160)은 p형 질화물층(150)의 상부면에 구비된 층으로, 이러한 투명 전극층(160)은 투명 전도성 산화물로 이루어지고, 그 재질은 In, Sn, Al, Zn, Ga 등의 원소를 포함하며, 예컨대 ITO, CIO, ZnO, NiO, In2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다. The transparent electrode layer 160 is a layer provided on the upper surface of the p-type nitride layer 150, the transparent electrode layer 160 is made of a transparent conductive oxide, the material is In, Sn, Al, Zn, Ga, etc. Element, and may be formed of any one of, for example, ITO, CIO, ZnO, NiO, and In 2 O 3 .

다음 상기 투명 전극층(160)에는 구멍이 형성되고, 구멍 내에 산화 아연나노 로드(190, ZnO nanorod)가 성장된다. Next, a hole is formed in the transparent electrode layer 160, and zinc oxide nanorods 190 (ZnO nanorods) are grown in the hole.

본 명세서에서 사용되는 산화 아연 나노 로드는 지름이 수 nm 에서 수십 ㎛ 인 막대 형상의 물질을 말하며, 바람직하게는 1 nm 내지 10 ㎛ 로 형성될 수 있다.Zinc oxide nanorods as used herein refers to a rod-shaped material having a diameter of several nm to several tens of μm, and preferably may be formed of 1 nm to 10 μm.

투명 전극층(160) 내에 형성되는 구멍은 다수의 구멍을 구비하는 포토레지스트 패턴으로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 구멍은 투명 전극층을 관통하여 형성되어 p형 질화물층(150)의 일부를 노출시키는 것이 바람직하며, 이 경우 산화 아연 나노 로드(190)는 p형 질화물층과 직접 접촉하여 형성될 수 있다. The hole formed in the transparent electrode layer 160 may be formed as a photoresist pattern having a plurality of holes, but is not limited thereto. In addition, the hole is formed through the transparent electrode layer to expose a portion of the p-type nitride layer 150, in this case, the zinc oxide nano rod 190 may be formed in direct contact with the p-type nitride layer.

또한 산화 아연 나노 로드(190)는 위쪽으로 점점 그 두께가 감소하는 형태로 뾰족하게 형성되며, 산화 아연 나노 로드(190)의 높이는 상기 투명 전도층의 두께의 1.0 ~ 3.0 배, 보다 바람직하게는 1.5 ~ 2.5 배로 형성되는 것이 바람직하다. 산화 아연 나노 로드(190)의 높이가 상기 범위 미만이면 산화 아연 나노 로드(190)에 의한 스캐터링 효과가 충분히 나타나지 않아 광도가 크게 개선되지 아니하며, 산화 아연 나노 로드(190)의 높이가 상기 범위를 초과하여 형성되면 산화 아연 나노 로드(190)의 끝 부분이 깨질 수 있어 전반사에 의하여 빛이 외부로 빠져나가지 못하는 문제가 발생한다.  In addition, the zinc oxide nanorods 190 are formed sharply in a form in which the thickness thereof gradually decreases upwards, and the height of the zinc oxide nanorods 190 is 1.0 to 3.0 times the thickness of the transparent conductive layer, more preferably 1.5. It is preferred to be formed at ˜2.5 times. If the height of the zinc oxide nanorod 190 is less than the above range, the scattering effect by the zinc oxide nanorod 190 does not appear sufficiently, so the brightness is not greatly improved, and the height of the zinc oxide nanorod 190 is within the above range. When formed in excess, the end portion of the zinc oxide nano rod 190 may be broken so that light may not escape to the outside due to total reflection.

한편 구멍의 단면 형상은 원형 또는 사각형인 것이 바람직하며, 투명 전도층의 단면적(B)에 대한 상기 구멍 전체 넓이(A)의 비율(A/B)이 0.05 ~ 0.5 범위로 형성되는 것이 바람직하다. On the other hand, the cross-sectional shape of the hole is preferably circular or rectangular, and it is preferable that the ratio A / B of the total area A of the hole to the cross-sectional area B of the transparent conductive layer is in the range of 0.05 to 0.5.

한편 투명 전도층에 형성된 각각의 구멍에는 약 1 ~ 5 개의 산화 아연 나노 로드(190)가 형성될 수 있으며, 바람직하게는 2 ~ 3개의 산화 아연 나노 로드(190)가 형성되는 것이 좋다.
Meanwhile, about 1 to 5 zinc oxide nanorods 190 may be formed in each hole formed in the transparent conductive layer, and preferably, 2 to 3 zinc oxide nanorods 190 may be formed.

질화물계 발광소자의 제조방법Manufacturing method of nitride based light emitting device

이하, 구체적으로 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자(100)의 제조 방법을 하기에 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention is specifically described below.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)의 제조 방법은 먼저 기판(110)의 상부면에 버퍼층(120)과 n형 질화물층(130)을 순차적으로 형성시킨다. In the method of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention, first, the buffer layer 120 and the n-type nitride layer 130 are sequentially formed on the upper surface of the substrate 110.

버퍼층(120)은 기판(110)과 n형 질화물층(130) 사이에 격자 부정합을 해소하기 위해 기판(110)의 상부면에 선택적으로 형성될 수도 있다. 여기서, 버퍼층(120)은 예를 들어 AlN 또는 GaN을 이용하여 형성될 수도 있다.The buffer layer 120 may be selectively formed on the upper surface of the substrate 110 to eliminate the lattice mismatch between the substrate 110 and the n-type nitride layer 130. Here, the buffer layer 120 may be formed using, for example, AlN or GaN.

n형 질화물층(130)은 n-GaN층으로 형성될 수 있다. n형 질화물층(130)의 형성 방법은 예를 들어, NH3, 트리메탈갈륨(TMG), 및 Si과 같은 n형 도판트를 포함한 실란 가스를 공급하여, n-GaN층을 n형 질화물층으로 성장할 수 있다.The n-type nitride layer 130 may be formed of an n-GaN layer. For example, the n-type nitride layer 130 may be formed by supplying a silane gas including an n-type dopant such as NH 3 , trimetalgallium (TMG), and Si, thereby converting the n-GaN layer into an n-type nitride layer. Can grow.

다음 활성층(140)은 단일양자우물구조 또는 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물구조로　구비될 수 있다. 여기서, 활성층(140)은 다중양자우물구조로 이루어지되, 양자장벽층과 양자우물층은 각각 AlxGayInzN(이 때, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. Next, the active layer 140 may be provided as a single quantum well structure or a multi quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and a quantum barrier layer are alternately stacked. Here, the active layer 140 is made of a multi-quantum well structure, the quantum barrier layer and the quantum well layer is Al x Ga y In z N (where x + y + z = 1, 0≤x≤1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1).

p형 질화물층(150)은 예컨대 Mg을 도핑한 p형 AlGaN의 제 1 층과, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제 2 층을 번갈아가며 적층한 구조로 형성될 수 있다. 또한, p형 질화물층(150)은 n형 질화물층(130)과 마찬가지로 단층의 p형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하다.The p-type nitride layer 150 may be formed, for example, by alternately stacking a first layer of p-type AlGaN doped with Mg and a second layer of p-type GaN doped with Mg. In addition, the p-type nitride layer 150 can be grown into a single-layer p-type nitride layer similarly to the n-type nitride layer 130.

그리고 투명 전극층(160)을 p형 질화물층(150)의 상부면에 형성시킨다. 이러한 투명 전극층(160)은 투명 전도성 산화물로 이루어지고, 그 재질은 In, Sn, Al, Zn, Ga 등의 원소를 포함하며, 예컨대, ITO, CIO, ZnO, NiO, In2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The transparent electrode layer 160 is formed on the upper surface of the p-type nitride layer 150. The transparent electrode layer 160 is made of a transparent conductive oxide, the material of which includes elements such as In, Sn, Al, Zn, Ga, for example, ITO, CIO, ZnO, NiO, In 2 O 3 Can be formed.

이렇게 투명 전극층(160)까지 형성된 후, 투명 전극층(160)으로부터 n형 질화물층(130)의 일영역까지 노광 에칭(lithography etching)하여, n형 질화물층(130)의 일영역이 노출될 수 있다.After forming the transparent electrode layer 160 as described above, one region of the n-type nitride layer 130 may be exposed by lithography etching from the transparent electrode layer 160 to one region of the n-type nitride layer 130. .

n형 질화물층(130)의 일영역이 노출되면, n측 전극(180)이 노출된 n형 질화물층(130)의 일 영역에 형성될 수 있다. p측 전극(170)은 투명 전극층(160)의 상부면에 형성될 수 있다. When one region of the n-type nitride layer 130 is exposed, the n-side electrode 180 may be formed in one region of the n-type nitride layer 130 exposed. The p-side electrode 170 may be formed on an upper surface of the transparent electrode layer 160.

다음 상기 투명 전도층을 식각하여 구멍을 형성하고, 상기 구멍은 포토레지스트 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 패턴의 형성은 나노임프린트 리소그라피법, 레이저 간섭 리소그라피법, 전자빔 리소그라피법, 자외선 리소그라피법, 홀로그래픽 리소그라피법 또는 액침 리소그라피법 등을 사용하여 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 이 때, 상기 구멍은 투명 전도층을 투명 전극층을 관통하여 형성되는 것이 바람직하다. Next, the transparent conductive layer is etched to form a hole, and the hole may be formed as a photoresist pattern, and the pattern may be formed by nanoimprint lithography, laser interference lithography, electron beam lithography, ultraviolet lithography, or holographic methods. Lithography or liquid immersion lithography may be used, but is not limited thereto. In this case, the hole is preferably formed through the transparent conductive layer through the transparent electrode layer.

상기 형성된 구멍 내에 산화 아연(ZnO) 나노 로드를 성장시키며, 상기 산화 아연 나노 로드는 수열 합성에 의하여 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 아연염 및 침전제를 포함하는 배양 용액에 투명 전도층에 구멍이 형성된 소자를 침지하고 열을 가하면 상기 구멍에서 산화 아연 나노 로드가 성장하게 된다. The zinc oxide (ZnO) nanorods are grown in the formed holes, and the zinc oxide nanorods may be formed by hydrothermal synthesis. More specifically, the zinc oxide nanorods grow in the pores by immersing and heating the device having a hole in the transparent conductive layer in a culture solution containing zinc salt and a precipitant.

상기 나노 로드의 생성 매커니즘은 다음과 같다. 상기 아연염은 아연이온을 생성하고 침전제는 NH4 +와 OH-를 제공하게 된다. 또한 NH4 +와 OH-는 반응하여 NH3를 형성하고, NH3, OH- 및 Zn2 +는 서로 반응하여 산화 아연 나노 로드의 성장 인자에 해당하는 Zn(NH3)4 2+ 및 Zn(OH)4 2-를 발생시킬 수 있다. The generation mechanism of the nanorods is as follows. The zinc salt produces zinc ions and the precipitant provides NH 4 + and OH − . In addition, NH 4 + and OH − react to form NH 3 , and NH 3 , OH −, and Zn 2 + react with each other to form Zn (NH 3 ) 4 2+ and Zn (OH, corresponding to growth factors of the zinc oxide nanorods. ) 4 2- can be generated.

상기 성장 인자 Zn(NH3)4 2+ 및 Zn(OH)4 2-는 하기 반응식 1 및 2에 의하여 각각 산화 아연 나노 로드를 생성하게 된다. The growth factors Zn (NH 3 ) 4 2+ and Zn (OH) 4 2- generate zinc oxide nanorods according to Schemes 1 and 2, respectively.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Zn(NH3)4 2+ + 2OH- → ZnO + 4 NH3 + H2O Zn (NH 3) 4 2+ + 2OH - → ZnO + 4 NH 3 + H 2 O

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Zn(OH)4 2- → ZnO + H2O + 2OH- Zn (OH) 4 2- → ZnO + H 2 O + 2OH -

한편 배양 용액 내 과다하게 함유된 OH-는 하기 반응식 3과 같이 산화 아연을 부식시켜 Zn(OH)2의 부식물을 생성시킬 수 있으며, 상기 부식은 산화 아연 나노 로드 면을 따라 진행되므로 끝이 뾰족한 형태로 생성된다. Meanwhile, OH − contained in the culture solution may corrode zinc oxide to generate a Zn (OH) 2 corrosive as shown in Scheme 3 below. Is generated.

상기 아연염은 징크 나이트레이트(Zinc nitrate), 징크 아세테이트(Zinc acetate), 징크 옥사이드(Zinc oxide), 징크 클로라이드(Zinc chloride), 징크 설페이트(Zinc sulfate) 및 징크 하이드록사이드(Zinc hydroxide) 중에서 선택된 1종 이상의 화합물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 징크 나이트레이트를 사용하는 것이 좋다. 또한 상기 침전제는 디에틸렌트리아민, 헥사메틸렌테트라아민, NH4OH, NaOH 및 KOH 중에서 선택된 1종 이상의 화합물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 디에틸렌트리아민, NH4OH 를 사용하는 것이 좋다. The zinc salt is selected from zinc nitrate, zinc acetate, zinc oxide, zinc oxide, zinc chloride, zinc sulfate, and zinc hydroxide. One or more compounds may be used, preferably zinc nitrate. In addition, the precipitant may be used at least one compound selected from diethylenetriamine, hexamethylenetetraamine, NH 4 OH, NaOH and KOH, preferably diethylenetriamine, NH 4 OH.

또한, 상기 침전제는 아연염 1 몰에 대하여 0.1 ~ 10 몰의 비율로 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.5 ~ 5몰의 비율로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배양 용액 내 조성을 변화시킴에 따라 나노 로드의 높이, 두께 등을 조절할 수 있다. In addition, the precipitant is preferably used in a ratio of 0.1 to 10 moles with respect to 1 mole of zinc salt, and more preferably may be used in a ratio of 0.5 to 5 moles, but is not limited thereto. By adjusting the height, thickness, etc. of the nanorods can be adjusted.

한편 상기 배양 용액의 pH는 7.5 ~ 10 범위로 조절하는 것이 바람직한데, pH가 10을 초과하면 과부식으로 인하여 산화 아연 나노 로드의 손상이 발생할 수 있으며, pH 가 7.5 미만이면 OH- 이온이 부족하여 나노 로드의 형성이 잘 이루어지지 못하는 문제가 있다. Ion is low - the other hand it is preferred that pH is adjusted to 7.5 ~ 10 range of the culture solution, pH will not exceed 10, and may result in damage to the zinc nanorods oxidation due to the widow formula, pH is equal OH is less than 7.5 There is a problem that the formation of the nanorod is not well made.

상기 수열반응은 반응열을 가하여 이루어지며, 상압에서 60 ~ 120℃ 온도 범위로 이루어질 수 있으며, 1 ~ 2시간 동안 진행되는 것이 바람직하다. The hydrothermal reaction is made by applying the reaction heat, it can be made in the temperature range of 60 ~ 120 ℃ at atmospheric pressure, it is preferable to proceed for 1 to 2 hours.

이하, 본 발명의 하기 제조예를 통하여 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be described in more detail with reference to the following Preparation Examples of the present invention.

실시예Example :  : ZnOZnO 나노 로드가 형성된  Nano rod formed GaNGaN 질화물 발광소자의 제조  Manufacture of nitride light emitting device

도 1과 같은 질화물계 발광소자를 구성하기 위한 각 층으로 GaN을 적용하였으며, 투명 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성하였다. 그리고 상기 투명 전도층에 다수개의 구멍(지름 약 1 nm ~ 10 ㎛)을 구비하는 포토레지스트 패턴을 나노 임프린팅을 사용하여 형성하였다. GaN was applied to each layer for forming the nitride-based light emitting device as shown in FIG. 1, and the transparent conductive layer was formed of indium tin oxide (ITO). A photoresist pattern having a plurality of holes (diameter about 1 nm to 10 μm) in the transparent conductive layer was formed by using nanoimprinting.

다음, 항온조의 온도를 70℃로 유지시킨 상태에서, Zn(NO3)2·6H2O 0.025mol과 디에틸렌트리아민 0.025mol을 물에 넣어 혼합하여 배양 용액(pH 9.0)을 제조하였다. Next, while keeping the temperature of the thermostat at 70 ° C, 0.025 mol of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O and 0.025 mol of diethylenetriamine were added to water to prepare a culture solution (pH 9.0).

상기 배양 용액에 구멍이 형성된 투명 전도층을 구비한 소자를 침지시키고, 90℃에서 2시간 동안 반응시켜 산화 아연 나노 로드를 성장시켰다. A device having a transparent conductive layer having a hole formed in the culture solution was immersed and reacted at 90 ° C. for 2 hours to grow zinc oxide nanorods.

상기 성장된 산화 아연 나노 로드의 SEM 사진을 도 3에 나타내었으며, SEM 사진에서 보는 바와 같이 산화 아연 나노 로드가 ITO 층 두께의 약 2.0배로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
The SEM photograph of the grown zinc oxide nanorods is shown in FIG. 3, and as shown in the SEM photographs, it was confirmed that the zinc oxide nanorods were formed at about 2.0 times the thickness of the ITO layer.

실험예Experimental Example : 발광 효율의 비교 : Comparison of Luminous Efficiency

20 mA에서 상부 방향으로의 발광 출력을 측정하였으며, 상기 실시예의 발광소자의 발광 효율을 비교하기 위하여 비교예로서 산화 아연 나노 로드를 성장시키지 않은 발광 소자를 사용하였다. 상기 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The light emission output in the upper direction was measured at 20 mA, and a light emitting device without growing zinc oxide nanorods was used as a comparative example in order to compare the light emitting efficiency of the light emitting device of the above embodiment. The measurement results are shown in Table 1 below.

Po(mW)Po (mW) 실시예Example 196 mW 196 mW 비교예Comparative example 185 mW 185 mW

상기 표 1에서 보는 바와 같이 산화 아연 나노 로드가 투명 전도층에 형성된 실시예의 발광 소자가 비교예에 비하여 약 6 % 이상 광출력 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
As shown in Table 1, the light emitting device of the example in which the zinc oxide nanorods were formed in the transparent conductive layer was confirmed to have improved light output characteristics by about 6% or more as compared with the comparative example.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. . Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.

100 : 반도체 발광소자 110 : 기판
120 : 버퍼층 130 : n형 질화물층
140 : 활성층 150 : p형 질화물층
160 : 투명 전극층 170 : p측　전극
180 : n측 전극 190 : 산화 아연 나노 로드100 semiconductor light emitting device 110 substrate
120: buffer layer 130: n-type nitride layer
140: active layer 150: p-type nitride layer
160: transparent electrode layer 170: p-side electrode
180: n-side electrode 190: zinc oxide nano rod

Claims (10)

제1 도전형 불순물이 도핑된 제1 질화물 반도체층;
상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
상기 활성층 상에 형성되며, 제2 도전형 불순물이 도핑된 제2 질화물 반도체층; 및
상기 제2 질화물 반도체층 상에 형성되고, 적어도 하나 이상의 구멍(hole)이 형성된 투명 전도층을 포함하고,
상기 구멍에 성장된 산화 아연 나노 로드(ZnO nanorod)를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
A first nitride semiconductor layer doped with a first conductivity type impurity;
An active layer formed on the first nitride semiconductor layer;
A second nitride semiconductor layer formed on the active layer and doped with a second conductivity type impurity; And
A transparent conductive layer formed on the second nitride semiconductor layer and having at least one hole formed therein;
A nitride semiconductor light emitting device comprising a zinc oxide nanorod (ZnO nanorod) grown in the hole.
제 1 항에 있어서,
상기 산화 아연 나노 로드의 높이는 상기 투명 전도층의 두께의 1.0 ~ 3.0 배인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
The method of claim 1,
The height of the zinc oxide nanorods is a nitride semiconductor light emitting device, characterized in that 1.0 to 3.0 times the thickness of the transparent conductive layer.
제 1 항에 있어서,
상기 구멍은 투명 전도층을 관통하고, 상기 제2 질화물 반도체층의 일부를 노출시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
The method of claim 1,
The hole penetrates the transparent conductive layer and exposes a part of the second nitride semiconductor layer.
제 1 항에 있어서,
투명 전도층의 단면적(B)에 대한 상기 구멍 전체 넓이(A)의 비율(A/B)이 0.05 ~ 0.5 범위에 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
The method of claim 1,
And a ratio (A / B) of the total hole area A to the cross-sectional area B of the transparent conductive layer is in the range of 0.05 to 0.5.
기판 상에 제1 질화물 반도체층, 활성층, 제2 질화물 반도체층 및 투명 전도층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 투명 전도층을 식각하여 구멍을 형성하는 단계 및
상기 구멍 내에 산화 아연 나노 로드(ZnO nanorod)를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
Sequentially forming a first nitride semiconductor layer, an active layer, a second nitride semiconductor layer, and a transparent conductive layer on the substrate;
Etching the transparent conductive layer to form holes; and
A method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device comprising growing a zinc oxide nanorod (ZnO nanorod) in the hole.
제 5 항에 있어서,
상기 산화 아연 나노 로드는 수열 합성법에 의하여 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The zinc oxide nanorods are grown by hydrothermal synthesis method.
제 6 항에 있어서,
아연염 및 침전제를 포함하는 배양 용액에 투명 전도층에 구멍이 형성된 소자를 침지하여 상기 구멍 내에 산화 아연계 나노 로드를 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자의 제조방법.
The method according to claim 6,
A method for manufacturing a nitride light emitting device comprising growing a zinc oxide-based nanorod in a hole by dipping a device having a hole in a transparent conductive layer in a culture solution containing a zinc salt and a precipitant.
제 7 항에 있어서,
상기 아연염은 징크 나이트레이트(Zinc nitrate), 징크 아세테이트(Zinc acetate), 징크 옥사이드(Zinc oxide), 징크 클로라이드(Zinc chloride), 징크 설페이트(Zinc sulfate) 및 징크 하이드록사이드(Zinc hydroxide) 중에서 선택된 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The zinc salt is selected from zinc nitrate, zinc acetate, zinc oxide, zinc oxide, zinc chloride, zinc sulfate, and zinc hydroxide. A method for producing a nitride light emitting device, characterized in that at least one compound.
제 7 항에 있어서,
상기 침전제는 디에틸렌트리아민, 헥사메틸렌테트라아민, NH4OH, NaOH 및 KOH 중에서 선택된 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The precipitant is a method of manufacturing a nitride light emitting device, characterized in that at least one compound selected from diethylenetriamine, hexamethylenetetraamine, NH 4 OH, NaOH and KOH.
제 7 항에 있어서,
상기 배양 용액의 pH는 7.5 ~ 10 범위에 있는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
PH of the culture solution is a manufacturing method of the nitride light emitting device, characterized in that in the range of 7.5 ~ 10.
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